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化工技校教案首页教案编号学 科化工过程及设备授课教师成 芬教研室专业室审批签字授课时间授课班级授课学时2课题名称第二节 流体动力学一、流量与流速 二、稳定流动与不稳定流动教学目的与要求1、掌握概念：流量、流速、稳定流动2、掌握体积流量、质量流量与流速的关系3、理解稳定流动和不稳定流动的概念教学重点体积流量、质量流量与流速的关系稳定流动的概念教学难点理解体积流量、质量流量的概念Q、W、U的相关计算教学方法讲授、练习相结合课前准备常 规【复习提问】 1、什么是静力学方程式？静止流体内部压力的变化规律是什么？2、静力学方程在生产中的应用有哪几个方面？【课程导入】化工生产中许多单元操作都是在流体流动情况下进行的，液体通过管路进行流动和输送。为了更好地完成这些操作，必须对流体的流动规律有所了解。研究流体流动的科学，称为流体动力学。【本次课的内容】第二节 流体动力学流体动力学的内容：1、流体在什么情况下流动？ 2、流体在流动过程中有关物理量（如U、P）变化规律： 3、流体输送过程中所需要的外加机械能。一、流量与流速1、流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。 体积流量 流量 质量流量 体积流量：定义： 符号 Q 单位 m3/s质量流量： 符号： W 单位：kg/s体积流量与质量流量的关系为：2、流速流体质点单位时间内在流动方向上所流过的距离，称为流速。符号 u 单位m/s由于流体具有粘性，流体流经管道任一截面上各点速度沿管径而变化，在管中心处最大，随管径加大而变小，在管壁面上流速为零。工程计算中为方便起见，将取整个管截面上的平均流速单位流通面积上流体的体积流量，即 A-与流动方向垂直的管道截面积，m2 于是W = Q = uA 质量流速（质量通量） 单位时间内流体流过管道单位截面积的质量，称为质量流速或质量通量，以G表示，其单位为kg/(m2s)，其表达式为由于气体的体积随温度和压强而变化，在管截面积不变的情况下，气体的流速也要发生变化，采用质量流速为计算带来方便。 例1-15用截面积为0.1 m2的管道来输送相对密度为1.84的硫酸，要求每小时输送硫酸的重量为662.4t,求该管道中渡槽 的体积流量、流速和质量流速。解： 已知= 1.84103 kg/m3 P52 20、已知d = 0.1m W = 67082 t/h 求：Q、u、G解： 21、已知 = 1.8103kg/m3 d = 0.06m u = 0.8m/s求：Q、W、G解： 小结：本次课的主要学习了体积流量、质量流量、流速、稳定流动等概念；流速、流量的关系：W = Q = uA。作业：课后反思：本次课的难点是关于流速、流量的计算，让学生在理解的基础上多练习。化工技校教案首页教案编号学 科化工过程及设备授课教师成 芬教研室专业室审批签字授课时间授课班级授课学时2课题名称第二节 流体动力学三、稳定流动下的物料衡算 教学目的与要求1、了解流体流动过程中的机械能形式2、理解连续性方程的推导过程及稳定流动的概念3、掌握流体在管内流动中的宏观规律-守恒定律教学重点稳定流动的概念利用连续性方程进行计算教学难点连续性方程的推导过程运用连续性方程进行计算教学方法讲授、提问、练习相结合课前准备常 规【复习提问】1、概念：体积流量、质量流量、流速2、质量流量、体积流量与流速的关系是什么？【课程导入】化工生产多属于连续生产，流体的流动多数属于稳定流动，那么，流体做稳定流动时遵循什么规律呢？【本次课内容】二、稳定流动与不稳定流动1、稳定流动：流体在管道内流动时，任一截面处的有关参数（如流速、物性、压强等）仅随位置改变，不随时间改变者。如图（a）2、不稳定流动流体流动有关物理量随位置和时间均发生变化，如图（b）所示流动系统。化工生产中，多属于稳定流动。三、稳定流动下的物料衡算当流体在截面大小不同的导管内作稳定流动时，管中总是充满流体，换名话说，流体必定是连续流动的。根据质量守恒定理，单位时间内通过导管任一截面的流体质量应该相等。即W1 = W2 2W22 u2W11 u1211 -（1）若分支管路，则总管流量为保分支管流量之和。即W = W1 + W2 + + Wn -（2）式（1）和（2）均为连续性方程。当流体为液体时，1 = 2 则（1）式变为：此式表明，在稳定流动时，流体的流速与导管的截面积成反比。对于圆形管道，A = 0.785d2 则 即流速与导管直径的平方成反比。例1-16 设图1-18所示的系统中输送的是水。已知泵的吸入管道1的直径为1084mm，系统排出管道2的直径为762.5mm。水在吸入管内的流速为1.5m/s，求水在排出管中的流速解：练习：P5323、已知Q = 36m3/h d = 0.1m u1 = u2 = 1.5u d1 = 0.061m 求： u Q1、Q2 d2 解： u1 = u2 = 1.51.3 = 1.95m/s Q1 = 3600u1A1 = 36001.950.7850.0612 = 20.5 m3/s Q2 = Q Q1 = 36 20.5 = 15.5 m3/s 小结：本次课主要学习了稳定流动的概念、稳定流动下的物料衡算，并利用连续性方程进行流体流动的计算。作业：P78课后反思：引导学生理解连续性方程本质是流体作稳定流动时遵循质量守恒定律，也就是质量流量是一个常数。化工技校教案首页教案编号学 科化工过程及设备授课教师成 芬教研室专业室审批签字授课时间授课班级授课学时2课题名称第二节 流体动力学四、稳定流动下的能量衡算教学目的与要求1、了解流体流动中的机械能形式2、理解柏努利方程的推导过程3、掌握柏努利方程的内容及讨论教学重点柏努利方程的适用条件、理解流体流动中的机械能形式教学难点柏努利方程的推导过程柏努利方程的理解教学方法讲 授课前准备常 规【复习提问】1、什么叫稳定流动、不稳定流动？2、连续性方程的推导前提是什么？流体流动过程中流速与截面积成什么比例？【课程导入】能量是物质运动的表现和量度的一种形式，流体为什么能流动呢？主要是靠能量之间的转换。俗话说“水往低处流”，水为什么能往低处流，而不能往高处流呢？那因为一部分能量转换成动能的缘故。为了研究液体的流动，必须研究流体在流动中各种能量及转换关系。【本次课的内容】四、稳定流动下的能量衡算柏努利方程推导的思路是：从解决流体流动问题的实际需要出发，采用逐步简化的方法：流动系统的总能量衡算（包括内能和热能）-流动系统的机械能衡算-不可压缩流体定态流动的机械能衡算。1、流体流动时所具有的机械能形式（1）位能定义：流体在重力作用下，因质量中心高于某一基准面而具有的能量。位能 = mgz 单位 Nm （J）单位质量液体具有的位能E位 = mgz/m = gz J/kg单位重量液体具有的位能-位压头 = mgz/mg = z m注 以压头表示能量大小时，应表明是哪一种流体。（2）动能动能 = 单位 Nm （J）E动 = J/kg动压头 = m（3）静压能定义：流体在管道内流动时，受静压力的推动使液体向前运动所具有的能量，即静压力推动流体运动所做的功。PASF = PA 静压能 = Nm （J）E静 = J/kg静压头 = m2、外加压头 单位质量流体从泵获得的外加能量称为外加功-W，单位为J/kg。 单位重量流体从泵获得的加功称为外加压头 - H 单位为m。3、能量损失 单位质量流体损失的能量以E损表示，单位为J/kg。 单位重量流体损失的能量以h损表示，单位为m.4、流体在稳定流动下的能量衡算22Z2Z111由能量守恒定律，输入能量 = 输出能量子力学 + 损失能量 - 柏努利方程式讨论：H = 0 h损 = 0 则， - 理想流体柏努利方程导管的截面积改变时，能量是可以相互转化的，流体流动就是靠它本身各种能量之间的转化无外加压头时H自发流动低压头处高压头处式中Z、，表示所取系统内两个截面之间位压头、动压头及静压头的差值。由此式可看出，系统中输送机械的作用在于分别或同时提高流体的位压头、动压头和静压头，同时弥补输送过程中的压头损失。流体静止，即u1 = u2 = 0， 而且H = 0， h损 = 0，此时，柏努利方程变成由此可见，柏努利方程不仅说明流体流动的规律，也说明了流体静止的规律。必须说明，柏努利方程只适用于液体。对于气体，若P1/P2 2，此式也适用，但是，密度应以平均密度来代替。小结：本次课主要内容是对稳定流动的流体进行能量衡算，得出了柏努利方程，说明了流体流动过程中各种能量形式可以相互转换。作业：练习册P910课后反思：本次课中，对柏努力方程的推导不做要求，但是要求学生理解液体流动过程中的三种机械能形式及外加能量和能量损失。柏努利方程推导的思路是：流动系统的总能量衡算（包括内能和热能）-流动系统的机械能衡算-不可压缩流体定态流动的机械能衡算。化工技校教案首页教案编号学 科化工过程及设备授课教师成 芬教研室专业室审批签字授课时间授课班级授课学时2课题名称五、柏努利方程的应用举例1、计算流速和流量 2、确定送料的气体压强教学目的与要求1、掌握利用柏努利方程的解题要点2、会联合利用柏努利方程和连续性方程解决各种有关的问题教学重点柏努利方程和连续性方程的解题要点衡算范围和基准水平面的选取教学难点衡算范围（下上游截面）和基准水平面的选取两截面上的各物理量的确定教学方法讲授、练习相结合课前准备常 规【复习提问】1、连续性方程是什么？2、流体流动过程中有哪些能量形式？它们遵循什么规律？表示其规律的方程式是什么？【课程导入】柏努利是研究流体流动问题中最重要的方程式，可以这样说：一切有关流体流动的计算问题，都需要通过柏努利方程式来解决。那么，怎样利用柏努利方程来解决工程问题呢？【本次课内容】五、柏努利方程式应用举例柏努利方程式解题要点 正确理解题意，画出示意图，并指明流体的流动方向；确定衡算范围：定出上游为1-1面、下游为2-2面；两截面均应与流动方向相垂直；在两截面间的流体必须是连续的。所求的未知量应在截面上或在两截面之间，且截面上的Z、u、p等有关物理量，除所需求取的未知量外，都应该是已知的或能通过其它关系计算出来。两截面上的u、p、Z与两截面间的hf都应相互对应一致。基准水平面的选取 基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。如衡量系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线，Z=0。两截面上的压强 两截面的压强除要求单位一致外，还要求基准一致。单位必须一致 在用柏努利方程式解题前，应把有关物理量换算成一致的单位，然后进行计算。1、计算流体的流速和流量在生产过程中，利用设备位置的高度差，产生液体所需的流速式流量的例子很多，如水塔、高位槽等：在高差一定的情况下，可以计算流体的流量和流速；反过来，在保证一定流量的基础上，求得设备的高度差。211Z2例1-17如图高位槽水面距出水管的垂直距离保持6m不变，水管系采用内径直68mm的钢管，设总的压头损失为5.7m水柱，试求：每小时可输送的水量。解：解题思路：该题是计算柏努利方程中的位能项（两截面间的位差）。解题的要点是根据题给条件对柏努利方程作合理简化。如图1-1面，2-2面基准水平面：2-2面处的水平面 1-1面 2-2面Z1 = 6m Z2 = 0P1 = 0 P2 = 0 (表)U1 = 0 U2 = ？H = 0 hf = 5.7m（水）代入方程，解得：u2 = 2.43m/s则：2、确定送料的压缩气体的压强例1-18 某车间利用压缩空气压送98%的硫酸，每批压送量0.3m3，要求10分钟内送完。已知硫酸温度293K，采用内径为32mm的无缝管，总的压头损失为0.8m硫酸柱，试求压缩空气的压强。（高位槽通大气）解题思路：该题是计算柏努利方程中的静压能项。解题的要点是根据题给条件对柏努利方程作合理简化。解：2211压缩空气如图所示1-1面、2-2面基准水平面：1-1面处的水平面1-1面 2-2面Z1 = 0 Z2 = 15mu1=0 p1 = ？ p2 = 0 （表）H = 0 h损 = 0.8m（硫酸）代入 整理得：注：这两个例题的解题过程可以看出，压强有时用表压表示时更方便。3、求泵的外加能量221120m1.5m例1-19 如图哦CO2水洗塔，水塔内绝压为210kPa，贮槽水面绝压为100kPa，塔内水管入口处高于贮槽水面18.5m，管道内径为52mm，送水量为15m3/h，塔内水管出口水的绝压为225kPa,设系统中