环境工程原理

第一章绪论一、环境问题与环境学科的发展二、环境污染与环境工程学三、环境净化与污染控制技术概述四、环境净化与污染控制技术原理五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法六、《环境工程原理》课程的主要内容和目的

本章主要内容一、环境问题与环境学科的发展

环境问题的产生产业革命以后，人类的生产力获得了飞速发展、技术水平迅速提高、人口迅速增长，人类活动的强度和范围逐渐增强和扩展，人类与环境的矛盾以及由此带来的环境问题也日趋突出。人类面临的环境问题生态破坏和环境污染是目前人类面临的两大类环境问题，它们已经成为影响社会可持续发展、人类可持续生存的重大问题。

环境学科的诞生“环境学科”是随着环境问题的日趋突出而产生的一门新兴的综合性边缘学科。它经历了20世纪60年代的酝酿阶段，到20世纪70年代初期从零星的环境保护的研究工作与实践逐渐发展成为一门独立的新兴学科。环境学科的任务环境学科是研究人类活动与环境质量关系的科学，其主要任务是研究人类与环境的对立统一关系，认识两者之间的作用与反作用，掌握其发展规律，从而保护环境并使其向有利于人类的方向演变。

一、环境问题与环境学科的发展

环境学科的体系“环境学科”是一门正在蓬勃发展的科学，其研究范围和内涵不断扩展，所涉及的学科非常广泛，而且各个学科间又互相交叉和渗透，因此具有丰富的学科内涵。环境+X学环境X学绿色+X学绿色X学一、环境问题与环境学科的发展

环境学科是本世纪推动科学发展的核心学科，是改造传统学科的生长点。一、环境问题与环境学科的发展

环境学科体系二、环境污染与环境工程学

“环境工程学”的任务利用环境学科与工程学的方法，研究环境污染控制理论、技术、措施和政策，以改善环境质量，保证人类的身体健康、舒适的生存和社会的可持续发展。“环境工程学”的研究对象水质净化与水污染控制技术、大气（包括室内空气）污染控制技术、固体废弃物处理处置与管理和资源化技术、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）防治技术、自然资源的合理利用与保护、环境监测与环境质量评价等传统的内容，还包括生态修复与构建理论与技术、清洁生产理论与技术以及环境规划、管理与环境系统工程等。

环境工程学环境净化与污染防治技术及原理生态修复与构建技术及原理清洁生产理论及技术原理环境规划管理与环境系统工程环境监测与环境质量评价水质净化与水污染控制工程空气净化与大气污染控制工程固体废弃物处理处置与管理物理性污染防治工程土壤净化与污染防治技术废物资源化技术二、环境污染与环境工程学

环境工程学的学科体系（一）水质净化与水污染控制技术1.水中的主要污染物及其危害三、环境净化与污染控制技术概述悬浮固体（粒径0.1～0.45μm）胶体物质（粒径0.001～0.1μm）水的物理处理法处理方法利用的主要原理主要去除对象沉淀离心分离气浮过滤(砂滤等)过滤(筛网过滤)反渗透膜分离蒸发浓缩重力沉降作用离心沉降作用浮力作用物理阻截作用物理阻截作用渗透压物理阻截等水与污染物的蒸发性差异相对密度大于1的颗粒相对密度大于1的颗粒相对密度小于1的颗粒悬浮物粗大颗粒、悬浮物无机盐等较大分子污染物非挥发性污染物2.水质净化与水污染控制技术三、环境净化与污染控制技术概述水的化学处理法三、环境净化与污染控制技术概述水的生物处理法三、环境净化与污染控制技术概述利用的＊UASB：UpflowAnaerobicSludgeBlanket（升流式厌氧污泥床反应器）

（二）空气净化与大气污染控制技术1.

空气中的污染物及其危害

粉尘烟飞灰黑烟雾硫化物(SO2，H2S)碳的氧化物(CO，CO2)氮化物(NO，NH3)卤素化合物(HCl，HF)无机物有机物（挥发性有机物VOCs）空气中的污染物颗粒/气溶胶状态污染物气态污染物三、环境净化与污染控制技术概述2.空气净化与大气污染控制技术三、环境净化与污染控制技术概述（三）土壤净化与污染控制技术

1.土壤污染物及其危害

土壤中的污染物：重金属、挥发性有机物、原油等。土壤污染的危害：(1)通过雨水淋溶作用,可能导致地下水和周围地表水体的污染;(2)污染土壤通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入;(3)通过植物吸收而进入食物链,对食物链上的生物产生毒害作用等。

三、环境净化与污染控制技术概述土壤污染净化技术2.污染土壤净化技术三、环境净化与污染控制技术概述（四）固体废弃物处理处置与管理1.固体废弃物的种类及其危害

固体废弃物的定义：

人类活动过程中产生的、且对所有者已经不再具有使用价值而被废弃的固态或半固态物质。“工业固体废物(废渣)”、“城市垃圾”固体废弃物对环境的危害：(1)通过雨水的淋溶和地表径流的渗滤，污染土壤、地下水和地表水，从而危害人体健康；(2)通过飞尘、微生物作用产生的恶臭以及化学反应产生的有害气体等污染空气；(3)固体废弃物的存放和最终填埋处理占据大面积的土地等。

三、环境净化与污染控制技术概述2.固体废弃物处理处置技术三、环境净化与污染控制技术概述（五）物理性污染控制技术物理性污染的种类：噪声、电磁辐射、振动、热污染等。物理性污染控制技术：隔离、屏蔽、吸收、消减技术等。

三、环境净化与污染控制技术概述（六）废物资源化技术

废物的资源化途径：物质的再生利用、能源转化三、环境净化与污染控制技术概述环境污染问题的特点及其对环境工程专业人才的要求污染控制技术的多样性和复杂性污染地区的社会、经济条件的多样性

综合性、复杂性污染物的种类、浓度与组合地域特征时间特征环境污染的复杂性环境领域专业技术人才的知识结构？（系统的专业理论基础、良好的素质和综合能力）四、环境净化与污染控制技术原理

环境净化与污染控制技术原理隔离（扩散控制）分离（不同介质间的迁移）转化（化学反应、生物反应）1.环境净化与污染控制技术原理四、环境净化与污染控制技术原理

污染物处理工程的核心：利用隔离、分离、转化等技术原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。隔离/分离/转化方式的优选与组合污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除装置的优化设计操作方式和操作条件的优化介质的混合状态和流体流态的优化迁移（物质、能量）和反应速率的强化五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

2.《环境工程原理》的研究对象和内容

环境净化与污染控制工程的基本理论和技术原理（主要包括污染物分离与转化的宏观机理、微观过程）及其工程设计计算的基本理论。宏观机理分离（沉降、过滤，吸附、吸收、膜分离）转化（化学转化、生物转化）微观过程：宏观现象（机理）的产生机制与微观步骤设计计算基本理论：污染物净化装置的设计计算理论五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

3.《环境工程原理》的目的

为提高环境净化与污染控制工程（污染物净化装置）的效率提供理论支持。（从理论上指导环境净化与污染控制技术的选择，阐述提高污染物去除效率的思路、手段和方法）五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

4.《环境工程原理》的基本研究方法物料与能量衡算（质量守恒与能量守恒原理）微观过程解析（物质与能量的迁移过程、转化过程）变化速率的数学表达（为工程设计计算提供依据）（1）“量”与“变化速率”的数学计算五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

（2）分析问题的基本思路宏观机理简单现象微观过程分析（看本质）简单过程的复杂化数学表达（定量解析）复杂化过程的简单化污染净化装置的设计计算和操作优化五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

微观过程分析（简单过程的复杂化）剖析组成宏观过程的基本要素（过程）微观过程分析的意义？有针对性地采取科学、合理的手段，提高污染物的去除效率一个宏观过程往往是一系列微观过程的串联宏观过程的速率往往由某个关键的微观过程速率所决定。该过程称为“控制步骤”或“控速过程”五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

数学表达（复杂过程的简单化）数学表达的目的：过程的定量计算(工程设计计算的基础)简单化的目的：科学、合理的简化可大大简化计算过程，提高设计计算效率五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

5.《环境工程原理》与其它学科的关系环境工程原理化工原理传递过程原理原理流体力学工程学环境工程原理化工原理传递过程原理反应工程流体力学生物工程工程学五、《环境工程原理》的主要研究内容和方法

六、《环境工程原理》课程的主要内容和目的

（1）环境工程原理基础：重点阐述工程学的基本概念和基本理论，主要内容有物料与能量守恒原理以及热量与质量传递过程的基本理论等。（2）分离过程原理：主要阐述沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分离等基本分离过程的机理和基本设计计算理论。（3）反应工程原理：主要阐述化学与生物反应计量学及动力学、各类化学与生物反应器的解析与设计理论等。6.

本课程的主要内容六、《环境工程原理》课程的主要内容和目的

7.

课程学习的目的

系统、深入学习环境净化与污染控制工程的基本技术原理、工程设计计算的基本理论以及分析问题和解决问题的方法，为后续的专业课程学习和解决实际工程问题打下良好的基础。第I篇环境工程原理基础第I篇环境工程原理基础在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道工程，都涉及流体流动、热量传递、质量传递现象。流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物，污染物的过滤分离等热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、设备的保温等质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、化学反应等第I篇环境工程原理基础本篇主要讲述质量衡算、能量衡算等环境工程中分析问题的基本方法，以及流体流动和热量传递、质量传递的基础理论。系统掌握流体流动和热量传递、质量传递过程的基础理论，对优化污染物的分离和转化过程、提高污染控制工程的效率具有重要意义。本篇主要内容第二章质量衡算与能量衡算第三章流体流动第四章热量传递第五章质量传递第I篇环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算

第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量常用物理量及单位换算常用物理量及其表示方法第二节质量衡算衡算系统的概念总质量衡算方程第三节能量衡算总能量衡算方程热量衡算方程本章主要内容一、计量单位二、物理量的单位换算三、量纲和无量纲准数四、常用物理量及其表示方法本节的主要内容第一节常用物理量国际单位制的基本单位

量的名称

单位名称

单位符号

长度

质量

时间

电流

热力学温度

物质的量

发光强度

米

千克（公斤）

秒

安[培]

开[尔文]

摩[尔]

坎[德拉]

M

Kg

s

A

K

mol

cd

计量单位是度量物理量的标准

物理量＝数值×单位国际单位制，符号为SI7个基本单位；2个辅助单位；导出单位。第一节常用物理量一、计量单位mkg表2.1.1国际单位制的基本单位7个基本单位2个辅助单位表2.1.2国际单位制的辅助单位

量的名称

单位名称

单位符号

平面角

立体角

弧度

球面度

rad

sr

第一节常用物理量按照定义式由基本单位相乘或相除求得，并且其导出单位的定义式中的比例系数永远取1。导出单位当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。式中F——力；

m——质量；

a——加速度；

u——速度；

t——时间；

s——距离；

k——比例系数。力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即按照国际单位制规定，取k=1，则力的导出单位为第一节常用物理量导出单位表2.1.3国际单位制中规定了若干具有专门名称的导出单位第一节常用物理量量的名称

单位名称

单位符号

其他表示式例

频率

力；重力

压力，压强；应力

能量；功；热

功率；辐射通量

电荷量

电位；电压；电动势

电容

电阻

电导

磁通量

磁通量密度，磁感应强度

电感

摄氏温度

光通量

光照度

放射性活度

吸收剂量

剂量当量

赫[兹]

牛[顿]

帕[斯卡]

焦[耳]

瓦[特]

库[仑]

伏[特]

法[拉]

欧[姆]

西[门子]

韦[伯]

特[斯拉]

亨[利]

摄氏度

流[明]

勒[克斯]

贝可[勒尔]

戈[瑞]

希[沃特]

Hz

N

Pa

J

W

C

V

F

Ω

S

Wb

T

H

℃

lm

lx

Bq

Gy

Sv

1/s

kg·m/s2

N/m2

N·m

J/s

A·s

W/A

C/V

V/A

A/V

V·s

Wb/m2

Wb/A

cd·sr

lm/m2

1/s

J/kg

Jb/kg

同一物理量用不同单位制的单位度量时，其数值比称为换算因数。

例如1m长的管用英尺度量时为3.28084ft，则英尺与米的换算因数为3.28084。解：按照题意，将kgf/cm2中力的单位kgf换算为N，cm2换算为m2。查表，N与kgf的换算因数为9.80665，因此

1kgf＝9.80665N又1cm＝0.01m所以1.03323kgf/cm2＝1.03323×9.80665N/(0.01m)2=1.013×105N/m2【例题2.1.1】已知1atm＝1.03323kgf/cm2，将其换算为N/m2。二、物理量的单位换算第一节常用物理量——设备周围空气流动速度，cm/s【例题2.1.2】设备壁面因强制对流和辐射作用向周围环境中散失的热量可用下式表示，即式中——对流-辐射联合传热系数，kcal/（m2·h·℃）若将的单位改为W/(m2·K),u的单位改为m/s，试将上式加以变换。第一节常用物理量解：根据附录，1kcal＝4186.8W·s，1h=3600s；1℃表示温差为1℃，用K表示温度时，温差为1K。因此1kcal/（m2·h·℃）＝4186.8/3600W/(m2·K)＝1.163W/(m2·K)1cm/s＝0.01m/s整理上式，并略去上标，得将上两式带入原式中，得W/(m2·K)令为以W/(m2·K)为单位的传热系数，为以m/s为单位的速度？第一节常用物理量(一)量纲用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲。量纲与单位的区别：量纲是可测量的性质；单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。可测量物理量可以分为两类：基本量和导出量。三、量纲和无量纲准数第一节常用物理量基本量纲:质量、长度、时间、温度的量纲，分别以M、L、t和T表示，简称MLtT量纲体系。【物理量】表示该物理量的量纲，不指具有确定数值的某一物理量。利用量纲所建立起来的关系是定性的而不是定量的。其他物理量均可以以M、L、t和T的组合形式表示其量纲:[速度]=[密度]=[压强]=[黏度]=Lt－1ML－3ML－1t－2ML－1t－1第一节常用物理量(二)无量纲准数由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数，称为无量纲准数。无量纲准数既无量纲，又无单位，其数值大小与所选单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制，都可得到相同数值的无量纲准数。准数符号定义雷诺数(Reynold)Re标准提法是量纲为1第一节常用物理量

通过对影响某一过程和现象的各种因素（物理量）进行量纲分析，将物理量表示成为若干个无量纲准数，然后借助实验数据，建立这些无量纲变量之间的关系式。第一节常用物理量参考内容:量纲分析法【例题】流体在管路中流动时由于摩擦力而产生压降，影响压降ΔPf的因素为管径d、管长L、平均速度u、流体密度ρ、黏度µ和管壁绝对粗糙度ε（代表壁面凸出部分的平均高度）。表示为物理方程，即第一节常用物理量参考内容:量纲分析法

hfffbhgbfuLKdpemr-----=D12

将指数相同的物理量合并，得

式（2.3.9）成为具有四个准数的关系式。

采用幂指数形式表达这一关系，可以写成

hfecbafuLKdpemr=D

式中常数K和指数a、b、c、e、f、h均为待定值雷诺数，代表惯性力与黏性力的比值，反映流动特性欧拉数，代表阻力损失引起的压降与惯性力之比管路的长径比，反映几何尺寸的特性绝对粗糙度与管径之比，称为相对粗糙度通过实验，回归求取关联式中的待定系数“黑箱”模型法第一节常用物理量参考内容:量纲分析法例如：氨的水溶液的浓度1．质量浓度与物质的量浓度mg/Lmol/L氨的质量或物质的量/溶液体积2.质量分数与摩尔分数%kg/kgkmol/kmol氨的质量/溶液的质量氨的物质的量/溶液的物质的量3．质量比与摩尔比kmol/kmolkg/kg氨的质量/水的质量氨的物质的量/水的物质的量四、常用物理量第一节常用物理量(一)浓度1.质量浓度与物质的量浓度（1）质量浓度ρA

，ρ（2）物质的量浓度cA

，c组分A的摩尔质量第一节常用物理量(2.1.2)(2.1.4)(2.1.5)2.质量分数与摩尔分数（1）质量分数和体积分数组分A的质量分数混合物的总质量组分A的质量(2.1.6)在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和质量分数加以换算，即1mg/L相当于1mg/1000g

＝1×10-6（质量分数）=1ppm1μg/L相当于1μg/1000g＝1×10-9（质量分数）=1ppb当污染物的浓度过高，导致污水的密度发生变化时，上两式应加以修正，即

1mg/L=1×10-6×混合物的密度（质量分数）

1μg/L=1×10-9×混合物的密度（质量分数）ppm————ppb————

μg/g，10-6

μg/kg，10-9

（质量分数）第一节常用物理量在大气污染控制工程中，常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/m3，则此气态污染物质浓度为10-6。1mol任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积，因此可以用体积分数表示污染物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最大优点是与温度、压力无关。第一节常用物理量例如，10-6（体积分数）表示每106体积空气中有1体积的污染物，这等价于每106mol空气中有1mol污染物质。又因为任何单位物质的量的物质有着相同数量的分子，10-6（体积分数）也就相当于每106个空气分子中有1个污染物分子。对于气体，体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温度以及污染物质的相对分子质量有关。对于理想气体，可以用理想气体状态方程表示，即：

式中：p——绝对压力，Pa；

VA——体积，m3；

nA——物质的量，mol；

R——摩尔气体常数，8.314Pa·m3·K-1·mol-1；

T——热力学温度，K。第一节常用物理量(2.1.9)0.082atm·L/(mol·K)根据质量浓度的定义根据理想气体状态方程体积分数和质量浓度之间的关系？第一节常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)（2）摩尔分数组分A的摩尔分数混合物的总物质的量组分A的物质的量

当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数，组分A的质量分数与摩尔分数的关系第一节常用物理量(2.1.15b)(2.1.15a)(2.1.14)3．质量比与摩尔比组分A的质量比混合物中惰性物质的质量

组分A的质量（当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）组分A与惰性组分的关系第一节常用物理量(2.1.16)质量比与质量分数的关系(2.1.17)组分A与惰性组分的关系3．质量比与摩尔比（当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）第一节常用物理量组分A的摩尔比混合物中惰性物质的物质的量

组分A的物质的量(2.1.18)摩尔比与摩尔分数的关系(2.1.19)(2.1.20)体积流量质量流量一维流动二维流动三维流动速度分布平均速度(二)流量(三)流速第一节常用物理量(2.1.21)(2.1.22)在x,y,z三个坐标轴方向上的投影分别为ux，uy，uz圆形管道在管路设计中，选择适宜的流速非常重要!!!一般地，液体的流速取0.5~3.0m/s，气体则为10~30m/s。

速度分布流速影响流动阻力和管径，因此直接影响系统的操作费用和基建费用。第一节常用物理量（主体）平均流速按体积流量相等的原则定义(2.1.24)(2.1.25)

单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的通量。通量是表示传递速率的重要物理量。单位时间内通过单位面积的热量，称为热量通量，单位为J/（m2·s）；单位时间内通过单位面积的某组分的质量，成为该组分的质量通量，单位为kmol/（m2·s）；单位时间内通过单位面积的动量，称为动量通量，单位为N/m2。(四)通量第一节常用物理量一、衡算的基本概念二、总质量衡算本节的主要内容第二节质量衡算?某污染物生物降解输入量－输出量＋转化量=积累量输入量1输入量2输出量降解量积累量第二节质量衡算一、衡算的基本概念

输入速率－输出速率＋转化速率=积累速率质量衡算的一般方程转化速率或反应速率——单位时间因生物反应或化学反应而转化的质量。组分为生成物时为正值，质量增加单位时间：以某种元素或某种物质为衡算对象第二节质量衡算(2.2.4)一、衡算的基本概念(2.2.8)污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布，则反应速率常数，s-1或d-1物质质量浓度负号表示污染物随时间的增加而减少体积反应速率第二节质量衡算各种情况下的质量衡算

稳态系统非稳态系统

组分发生反应组分不发生反应以某组分为对象以全部组分为对象以总质量表示以单位时间质量表示第二节质量衡算二、总质量衡算质量衡算方程的应用1.需要划定衡算的系统2.要确定衡算的对象3.确定衡算的基准4.绘制质量衡算系统图5.注意单位要统一划定衡算的系统确定衡算的对象某组分衡算的范围某组分，和全部组分单位时间，某时间段内，或一个周期总衡算和微分衡算第二节质量衡算——用来分析质量迁移的特定区域，即衡算的空间范围

环境设备或管道中一个微元体——微分衡算

一个反应池、一个车间，或者一个湖泊、一段河流、一座城市上方的空气，甚至可以是整个地球——总衡算(一)衡算系统第二节质量衡算质量衡算系统图单位要统一第二节质量衡算【例题2.2.3】一个湖泊的容积为10.0×106m3。有一流量为5.0m3/s、污染物浓度为10.0mg/L的受污染支流流入该湖泊.同时，还有一污水排放口将污水排入湖泊，污水流量为0.5m3/s，质量浓度为100mg/L。污染物的降解速率常数为0.20d-1。假设污染物质在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸发等原因增加或者减少。求稳态情况下流出水中污染物的质量浓度。解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中的污染物质量浓度

(二)稳态反应系统第二节质量衡算解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中的污染物质量浓度输入速率输出速率

降解速率第二节质量衡算(二)稳态反应系统【例题】一条河流的上游流量为10.0m3/s，氯化物的质量浓度为20.0mg/L，有一条支流汇入，流量为5.0m3/s，其氯化物质量浓度为40.0mg/L。视氯化物为不可降解物质，系统处于稳定状态，计算汇合点下游河水中的氯化物质量浓度，假设在该点流体完全混合。解：首先划定衡算系统，绘制质量平衡图

第二节质量衡算(三)稳态非反应系统氯化物的输出速率为氯化物的输入速率为第二节质量衡算解：根据质量衡算方程【例题2.2.5】一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关系为kg/s，求经过多长时间后，水位下降至1m？kg/skgt=1518s

第二节质量衡算≠0(2.2.3)(四)非稳态系统稳态流动的数学特征：

当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称为稳态系统；当上述物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称为非稳态系统。

对于稳态过程，内部无物料积累稳态系统与非稳态系统第二节质量衡算ρ0ρ1ρ2ρ4ρ3【例题2.2.2】某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池，沉淀池用于去除水中的悬浮物，浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，浓缩池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为5000m3/d，悬浮物含量为200mg/L，沉淀池出水中悬浮物质量浓度为20mg/L，沉淀污泥的含水率为99.8%，进入浓缩池停留一定时间后，排出的污泥含水率为96%，上清液中的悬浮物含量为100mg/L。假设系统处于稳定状态，过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量，以及浓缩池上清液回流量。污水的密度为1000kg/m3。

？？？根据需要划定衡算的系统第二节质量衡算已知=5000m3/d，＝200mg/L，＝20mg/L，＝(100-96)/(100/1000)＝40g/L＝40000mg/L＝(100-99.8)/(100/1000)＝2g/L＝2000mg/L＝100mg/L污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比，因此污泥中悬浮物含量为

第二节质量衡算(1)求污泥产量以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统，悬浮物为衡算对象，因系统稳定运行，输入系统的悬浮物量等于输出的量。输入速率输出速率=22.5m3/d＝4977.5m3/dρ0ρ1ρ2ρ4ρ3第二节质量衡算(2)浓缩池上清液量取浓缩池为衡算系统，悬浮物为衡算对象污泥含水率从99.8％降至96％,污泥体积由472.5m3/d减少为22.5m3/d,相差20倍。输入速率输出速率=450m3/d＝472.5m3/dρ0ρ1ρ2ρ4ρ3第二节质量衡算【例题2.2.4】在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者，每人每小时吸两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为二氧化碳的反应速率常数为k＝0.40h-1。新鲜空气进入会议室的流量为1000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合完全，估计在25℃、101.3KPa的条件下，甲醛的稳态质量浓度。并与造成眼刺激的起始体积分数0.05×10-6相比较。第二节质量衡算输入速率输出速率降解速率＝50×2×1.4＝140mg/h＝1000×ρ＝1000ρmg/h第二节质量衡算一、能量衡算方程二、热量衡算方程三、封闭系统的热量衡算方程四、开放系统的热量衡算方程本节的主要内容第三节能量衡算水预热系统

用热水或蒸汽加热水或污泥

用冷水吸收电厂的废热——水或污泥吸收热量温度升高——冷却水吸收热量温度升高用量？加热时间？流量？温度？第三节能量衡算一、能量衡算方程分析能量流

流体输送中，通过水泵对水做功，将水提升到高处？

流体在管道中流动，由于黏性产生摩擦力，消耗机械能，转变为热量？？？两大类问题：主要涉及物料温度与热量变化的过程－冷却、加热、散热

系统对外做功，系统内各种能量相互转化－流体输送机械能衡算热量衡算第三节能量衡算（1）流体携带能量进出系统热量

做功能量既不会消失也不能被创造。在给定的过程中，能量会发生形式上的改变——开放系统——封闭系统能量输入输出的方式：（2）系统与外界交换能量（热，功）第三节能量衡算任何系统经过某一过程时，其内部能量的变化等于该系统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差，即物料所具有的各种能量之和，即总能量物料从外界吸收的热量物料对外界所作的功系统内部物料能量的变化

系统内能量的变化＝（输出系统的物料的总能量）－（输入系统的物料的总能量）＋（系统内物料能量的积累）对于物料总质量：静压能位能动能内能＋EEEEE++=第三节能量衡算(2.3.1)（输出系统的物料的总能量）－（输入系统的物料的总能量）＋（系统内能量的积累）＝（系统从外界吸收的热量）－（对外界所作的功）对于单位时间：（单位时间输出系统的物料带出的总能量）－（单位时间输入系统的物料带入的总能量）＋（单位时间系统内能量的积累）＝（单位时间系统从外界吸收的热量）－（单位时间对外界所作的功）第三节能量衡算对于单位质量物料：第三节能量衡算＝0能量可用焓表示(2.3.1)冷却、加热、散热

－涉及物料温度与热量变化的过程

－热量衡算单位时间输出系统的物料的焓值总和，即物料带出的能量总和单位时间输入系统的物料的焓值总和，即物料带入的能量总和单位时间系统内能量的积累

单位时间环境输入系统的热量，即系统的吸热量

对于单位时间：第三节能量衡算(2.3.4)二、热量衡算方程物质的焓定义为焓值是温度与物态的函数，因此进行衡算时除选取时间基准外，还需要选取物态与温度基准，通常以273K物质的液态为基准。单位质量物质的焓单位质量物质的内能物质所处的压强单位质量物质的体积第三节能量衡算(2.3.5)封闭系统——与环境没有物质交换的系统

大气层、封闭的系统等系统从外界吸收的热量等于内部能量的积累对物料总质量进行衡算内部能量的变化表现为？第三节能量衡算三、封闭系统的热量衡算(2.3.4)物料的比定压热容

物料温度改变物料的质量无相变情况下表现为温度的变化（1）恒压过程中，体系所吸收的热量全部用于焓的增加，即（2）恒容、不做非体积功的条件下，体系所吸收的热量全部用于增加体系的内能，即物料的比定容热容

第三节能量衡算三、封闭系统的热量衡算物质的潜热对于固体或液体：热量衡算方程无相变情况下表现为温度的变化第三节能量衡算三、封闭系统的热量衡算有相变情况下吸收或放出的潜热【例题2.3.1】热水器发热元件的功率是1.5kW，将水20L从15℃加热到65℃，试计算需要多少时间？假设所有电能都转化为水的热能，忽略水箱自身温度升高所消耗的能量和从水箱向环境中散失掉的能量。

系统吸收的热量来自发热元件，加热时间为，输入的热量为

Q＝1.5×Δt＝1.5ΔtkW·h水中能量的变化为＝20×1×4.18×（65－15）＝4180kJ输入的能量等于水中能量的变化水＝0.77h第三节能量衡算解：以热水器中水所占的体积为衡算系统，为封闭系统。kJ℃℃℃第三节能量衡算【题2.3.2】据估计，每年全球的降水如果均匀分布在5.10×1014m2的地球表面，则平均降水量为1m。求每年使这些水汽化所需要的能量，与1987年世界的能源消耗（3.3×1017kJ）以及与地球表面对太阳能的平均吸收率（168W/m2）进行比较。

解：全球水体的平均表层温度接近15，因此选用15作为起始温度。水在15下的汽化热为2457.7kJ/kg。所有水汽化的总能量需求为：

这是人类社会所消耗能量的将近4000倍。在全球范围内，推动全球水循环的平均能量为：

该数值约为地球表面对太阳能的平均吸收率的一半。

KJ——与环境既有物质交换又有能量交换的系统对于单位时间物料进行衡算对于稳态过程第三节能量衡算四、开放系统的热量衡算(2.3.12)开放系统【例题2.3.3】在一列管式换热器中用373K的饱和水蒸气加热某液体，液体流量为1000kg/h。从298K加热到353K，液体的平均比热容为3.56kJ/(kg·K)。饱和水蒸气冷凝放热后以373K的饱和水排出。换热器向四周的散热速率为10000kJ/h。试求稳定操作下加热所需的蒸气量。解：取整个换热器为衡算系统，时间基准为1h，物态温度基准为273K液体。第三节能量衡算四、开放系统的热量衡算373K饱和水的焓：353K的液体：第三节能量衡算输入系统的物料的焓值包括：设饱和水蒸气用量为Gkg/h，查得373K的饱和水蒸气的焓为2677kJ/kg，饱和水的焓为418.68kJ/kg输出系统的物料的焓值包括：=－10000kJ/h解得G＝91.1kg/h饱和水蒸气的焓：298K的液体：饱和水蒸气的焓298K的液体353K的液体373K饱和水的焓Q【例题2.3.4】一污水池内有50m3的污水，温度为15℃，为加速消化过程，需将其加热到35℃。采用外循环法加热，使污水以5m3/h的流量通过换热器，换热器用水蒸气加热，其出口温度恒定为100℃。假设罐内污水混合均匀，污水的密度为1000kg/m3，不考虑池的散热，问污水加热到所需温度需要多少时间？

非稳态过程解：池中污水混合均匀，因此任意时刻从池中排出的污水温度与池中相同，设其为T。以污水池为衡算系统，以0℃的污水为温度物态基准。输出系统的焓系统内积累的焓输入系统的焓T第三节能量衡算边界条件：℃℃h第三节能量衡算

开放系统中能量变化率的计算：第三节能量衡算的能量为当只有一种物料流经系统输入或输出热量时，因物料进入系统而输入(2.3.12)(2.3.14)因物料离开系统所输出的能量为式中：——通过系统的物料的质量流量，kg/h或kg/s；

1H——单位质量物料进入系统时的焓，kJ/kg；

2H——单位质量物料离开系统时的焓，kJ/kg。

(2.3.13)则系统的能量变化率为(2.3.15)

(1)当物料无相变时，若定压比热容不随温度变化，或取物料平均温度下的定压比热容时:

ΔT

例如：用水对热电厂的烟气进行冷却，表示冷却水的质量流量，表示冷却水在流经热电厂的冷凝器后温度的升高。(2.3.16)第三节能量衡算(2)当物料有相变时，如热流体为饱和蒸汽，放出热量后变为冷凝液。当冷凝液以饱和温度离开系统时:式中：r——饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg。

当物料离开系统时的温度低于饱和温度时，(2.3.17)(2.3.18)物料经过系统放出潜热时，r为负值！【例2.3.5】燃煤发电厂将煤的化学能的三分之一转化为电能，输出电能1000MW。其余三分之二的化学能以废热的形式释放到环境中，其中有15%的废热从烟囱中排出，其余85%的余热随冷却水进入附近的河流中。如图所示。河流上游的流速为100m3/s，水温为20℃。试计算：（1）若冷却水的温度只升高了10℃，冷却水的流量为多少？（2）这些冷却水进入河流后，河水的温度将变化多少？？？第三节能量衡算1700MW解：（1）以冷却水为衡算对象则冷却水热量的变化率为水的密度为1000kg/m3，故水的体积流量为40.6m3/s。设冷却水的质量流量为冷却水吸收热量速率为第三节能量衡算（2）以河流水为衡算对象，在100m3/s的流量下，吸收1700MW能量后河水温度的变化为河水温度升高了4.1℃，变为24.1℃。第三节能量衡算℃第三章流体流动

第三章流体流动本章主要内容第一节管道系统的衡算方程第二节流体流动的内摩擦力第三节边界层理论第四节流体流动的阻力损失

第五节管路计算第六节流体测量一、管道系统的质量衡算方程二、管道系统的能量衡算方程本节的主要内容第一节管道系统的衡算方程若截面A1、A2上流体的密度分布均匀，且流速取各截面的平均流速，则一维流动

对于稳态过程对于不可压缩流体，ρ为常数，不可压缩流体管内流动的连续性方程第一节管道系统的衡算方程(3.1.1)(3.1.2)(3.1.3)一、管道系统的质量衡算方程对于圆形管道流体在均匀直管内作稳态流动时，平均速度恒定不变第一节管道系统的衡算方程(3.1.4)【例题3.1.1】直径为800mm的流化床反应器，底部装有布水板，板上开有直径为10mm的小孔640个。反应器内水的流速为0.5m/s，求水通过分布板小孔的流速。解：设反应器和小孔中的流速分别为u1、u2，截面积分别为A1、A2，根据不可压缩流体的连续性方程，有

u1

A1＝u2

A2m/s第一节管道系统的衡算方程（输出系统的物质的总能量）－（输入系统的物质的总能量）＝（从外界吸收的热量）－（对外界所作的功）稳态流动

系统与外界交换能量流体携带能量第一节管道系统的衡算方程二、管道系统的能量衡算方程1．流体携带的能量单位质量流体SI单位为kJ/kg

（一）总能量衡算方程①内能：e，物质内部所具有的能量，是温度的函数③位能：流体质点受重力场的作用具有的能量，取决于它相对基准水平面的高度④静压能：流动着的流体内部任何位置上也具有一定的静压力。流体进入系统需要对抗压力做功，这部分功成为流体的静压能输入系统。②动能：流体流动时具有的能量gz，kJ/kg

kJ/kg静压能位能动能内能＋EEEEE++=第一节管道系统的衡算方程若质量为m、体积为V的流体进入某静压强为p、面积为A的截面，则输入系统的功为这种功是在流体流动时产生的，故称为流动功。第一节管道系统的衡算方程单位质量流体的静压能——流体的比体积，或称流体的质量体积，单位为m3/kg单位质量流体的总能量为(3.1.6)2．与外界交换的能量单位质量流体对输送机械的作功，We，为正值；若We为负值，则表示输送机械对系统内流体作功单位质量流体在通过系统的过程中交换热量为Qe，吸热时为正值，放热时为负值第一节管道系统的衡算方程第一节管道系统的衡算方程单位质量流体稳定流动过程的总能量衡算式?第一节管道系统的衡算方程(3.1.10)对于密度、压力、距离基准平面的高度等物理量，可以采用截面上的平均值。而截面上的平均动能则不能以平均速度来计算。由于工程上常采用平均速度，为了应用方便，引入动能校正系数α，使α的值与速度分布有关，可利用速度分布曲线计算得到。经证明，圆管层流时，α＝2，湍流时，α＝1.05。工程上的流体流动多数为湍流，因此α值通常近似取1。引入动能校正系数α后，第一节管道系统的衡算方程(3.1.10)【例题3.1.2】常温下的水稳态流过一绝热的水平直管道，实验测得水通过管道时产生的压力降为（p1-p2)=40kPa，其中p1与p2分别为进、出口处的压力。求由于压力降引起的水温升高值。解：依题意，对于不可压缩流体第一节管道系统的衡算方程机械能机械能内能和热——相互转换热内能动能位能静压能——热力学第一定律消耗用机械能表示方程(3.1.10)第一节管道系统的衡算方程以机械能和机械能损失表示能量衡算方程流体在管内流动过程中机械能的损失表现为沿程流体压力的降低，损失的这部分机械能不能转换为其他形式的机械能（动能、位能和功)而是转换为内能，使流体的温度略有升高。因此，从流体输送的角度，这部分机械能“损失”了通过适当的变换流体的输送过程仅是各种机械能相互转换与消耗的过程第一节管道系统的衡算方程假设流动为稳态过程。根据热力学第一定律：单位质量流体从截面1-1流到截面2-2时因体积膨胀而做的机械功单位质量流体从截面1-1流到截面2-2所获得的热量流体克服流动阻力做功，因消耗机械能而转化成的热。流体通过环境直接获得的热阻力损失（二）机械能衡算方程第一节管道系统的衡算方程(3.1.12)(3.1.13)不可压缩流体和可压缩流体稳态流动过程单位质量流体的机械能衡算方程变换第一节管道系统的衡算方程(3.1.15)(3.1.11)(3.1.14)在流体输送过程中，流体的流态几乎都为湍流，令α＝1——拓展的伯努利方程适用条件是连续、均质、不可压缩、处于稳态流动的流体机械能衡算方程的其他形式对于不可压缩流体，比体积或密度ρ为常数，第一节管道系统的衡算方程(3.1.18)(3.1.16)(3.1.17)

选择输送机械——是单位质量流体对泵或其他输送机械所作的有效功，是选择输送机械的重要依据。，功率

确定出口断面与进口断面的机械能总量之差——

判断流体的流动方向——流动过程中存在能量损失，如果无外功加入，系统的总机械能沿流动方向将逐渐减小；解决什么问题？第一节管道系统的衡算方程(3.1.18)伯努利（Bernoulli）方程动能、位能和静压能对于理想流体的流动，由于不存在因黏性引起的摩擦阻力，故；若无外功加入，理想流体在管路中作稳态流动而又无外功加入时，在任一截面上单位质量流体所具有的总机械能相等，也就是说，各种机械能之间可以相互转化，但总量不变。常数第一节管道系统的衡算方程(3.1.19)当体系无外功，且处于静止状态时，无流动则无阻力，即在均质、连续的液体中，水平面必然是等压面，即时，流体静力学基本方程式。第一节管道系统的衡算方程(3.1.21)

以1m3流体为基准时各项单位为Pa不同衡算基准时机械能衡算方程的型式

以1kg流体为基准时各项单位为kJ/kg第一节管道系统的衡算方程(3.1.18)(3.1.22)

以1N流体为基准时各项单位为m动压头位压头静压头(3.1.23)第一节管道系统的衡算方程有效压头压头损失应用管道中流体的流量；管道中流体的压力；管道中流体的流向；管道中流体流动需要的功率；管路计算流体流速或流量的测量阻力损失第一节管道系统的衡算方程(3.1.17)

适用条件：不可压缩、连续、均质流体、等温流动伯努利方程式的讨论：--------静力学方程

静止流体:

若流动系统无外加轴功,即we=0,则说明流体能够自动从高(机械能)能位流向低(机械能)能位使用机械能衡算方程时，应注意的问题控制体的选取：控制体内的流体必须连续、均质；有流体进出的那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直，且已知条件最多；包含待求变量。

基准水平面的选取

压力用绝压或表压均可，但两边必须统一。一、流体的流动状态二、流体流动的内摩擦力本节的主要内容第二节流体流动的内摩擦力层流（滞流）：不同径向位置的流体微团各以确定的速度沿轴向分层运动，层间流体互不掺混。

——流速较小时湍流（湍流）：各层流体相互掺混，流体流经空间固定点的速度随时间不规则地变化，流体微团以较高的频率发生各个方向的脉动。

——当流体流速增大到某个值之后（二）判别（一）流体流动的两种运动状态雷诺数临界雷诺数第二节流体流动的内摩擦力一、流体的流动状态第二节流体流动的内摩擦力2000雷诺数的特征速度与特征尺度对于圆管内的流动：Re<2000

时，流动总是层流型态，称为层流区；Re>4000时，一般出现湍流型态，称为湍流区；2000<Re<4000时，有时层流，有时湍流，处于不稳定状态，称为过渡区；取决于外界干扰条件。流动形式（1）实际流体具有黏性容器中被搅动的水最终会停止运动在圆板中心扎以细金属丝，吊在流体中，将圆板旋转一个角度，使金属丝扭转，然后放开，圆板则以中心为轴往返旋转摆动，随着时间的推移，摆动不断衰减，最终停止。

黏性：在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质分子不规则热运动？分子动量传递相邻两层流体动量不同相邻两流体层具有相互作用力第二节流体流动的内摩擦力二、流体流动的内摩擦力流体具有“黏滞性”

流体具有“内摩擦”的作用流动的流体内部存在内摩擦力内摩擦力是流体内部相邻两流体层的相互作用力，称为剪切力；单位面积上所受到的剪力称为剪切应力。壁面摩擦力——流动阻力第二节流体流动的内摩擦力黏性流体黏性流体（2）黏性流体的内摩擦实验紧贴板表面的流体与板表面之间不发生相对位移，称为无滑移u=0u=0u=0u=UFu=Uu=0内摩擦力t=0第二节流体流动的内摩擦力

u=Uu=0速度分布流体内部：内摩擦力（剪切力）固体壁面：壁面摩擦力（剪切力)Y第二节流体流动的内摩擦力第二节流体流动的内摩擦力欲维持上板的运动，必须有一个恒定的力F作用于其上。如果流体呈层流运动，则作用于单位面积上的力正比于在距离y内流体速度的减少值，此比例系数μ称为流体的黏度。(一)牛顿黏性定律流体速度的减少值流体的黏度(3.2.2)动力黏性系数，或称动力黏度，黏度剪切应力，或称内摩擦力，N/m2垂直于流动方向的速度梯度，s-1。负号表示剪切应力的方向与速度梯度的方向相反牛顿黏性定律指出：相邻流体层之间的剪切应力，即流体流动时的内摩擦力与该处垂直于流动方向的速度梯度成正比。微分形式：第二节流体流动的内摩擦力(3.2.3)反映了流体流动时的角变形速率由于很小，因此所以，角变形速率为因此，牛顿黏性定律又揭示了剪切应力与角变形速率成正比。第二节流体流动的内摩擦力单位法向速度梯度下，由于流体黏性所引起的内摩擦力或剪切应力的大小运动黏度m2/s黏度是流体的物理性质第二节流体流动的内摩擦力(二)动力黏性系数(3.2.5)黏度随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化（1）流体种类：一般地，相同条件下，液体的黏度大于气体的黏度。（2）压强：气体的黏度随压强的升高而增加，低密度气体和液体的黏度随压强的变化较小。对常见的流体，如水、气体等,黏度随压强的变化不大，一般可忽略不计。

黏度的影响因素（3）温度：是影响黏度的主要因素。

第二节流体流动的内摩擦力水及空气在常压下的黏度当温度升高时，液体的黏度减小，气体的黏度增加第二节流体流动的内摩擦力流体黏性具有较大差别，有一大类流体遵循牛顿定律

——牛顿流体所有气体和大多数低相对分子质量的液体均属于此类流体，如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等泥浆、中等含固量的悬浮液第二节流体流动的内摩擦力(三)流体类别第二节流体流动的内摩擦力层流流动基本特征是分层流动，表现为各层之间相互影响和作用较小，剪应力主要是由分子运动引起的。湍流流动存在流体质点的随机脉动，流体之间相互影响较大，剪应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。

质点脉动引起的剪切应力以平均速度表示的垂直于流动方向的速度梯度质点脉动引起的动力黏性系数——涡流黏度总的剪切应力为

(四)流态对剪切力的影响(3.2.8)(3.2.9)涡流黏度不是物性，受流体宏观运动的影响解：设液层分界面上的流速为u，则切应力分布：上层下层在液层分界面上【例题3.2.1】绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。设平板间的液体流动为层流，且流速按直线分布。上层下层流速分布：第二节流体流动的内摩擦力第三节边界层理论本节主要内容一、边界层理论的概念二、边界层的形成过程三、边界层的分离

u=Uu=0速度分布实际流体的流动具有两个基本特征：(1)在固体壁面上，流体与固体壁面的相对速度为零，这一特征称为流动的无滑移（黏附）特征(2)当流体之间发生相对运动时，流体之间存在剪切力（摩擦力）流体流过壁面时，在壁面附近形成速度分布边界层理论是分析阻力机理、进行阻力计算的基础。边界层理论是分析热量、质量传递机理和强化措施的基础。流体流过壁面时，在壁面处存在摩擦力第三节边界层理论yF流体流动时存在内摩擦力与速度梯度有关流动阻力形体阻力传热、传质速率传热、传质阻力流场的速度分布边界层理论摩擦阻力流体流动状态流场速度分布传热、传质机理第三节边界层理论存在速度梯度的区域即为边界层。存在速度梯度u01904年，普兰德（Prandtl）提出了“边界层”概念，认为即使对于空气、水这样黏性很低的流体，黏性也不能忽略，但其影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层，离开表面较远的区域，则可视为理想流体。边界层理想流体受阻减速无滑移u0yx第三节边界层理论一、边界层的概念（3）在边界层内，黏性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略黏性；普兰德边界层理论要点：（1）当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域——边界层；（2）在边界层内，流体的流速很小，但速度梯度很大；u0u0yx第三节边界层理论（4）在边界层外的整个流动区域，可将黏性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动。（5）流动分为两个区域流动的阻力发生在边界层内（一）绕平板流动的边界层1.绕平板流动的边界层的形成δ分界面u=0.99u0u=0.99u0边界层的厚度δxx随着x增大，边界层不断增厚第三节边界层理论二、边界层的形成过程黏性底层层流边界层湍流边界层过渡区速度梯度大黏性力大临界距离速度梯度减小，黏性力下降，扰动迅速发展层流底层湍流中心缓冲层边界层的流动状态对于流动阻力和传热、传质阻力具有重要影响厚度突然增加第三节边界层理论1.绕平板流动的边界层的形成临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝，越短临界雷诺数对于平板，临界雷诺数的范围为3×105～2×106，通常情况下取5×105

边界层流态的判别：第三节边界层理论2.边界层内的流动状态边界层厚度：流体速度达到来流速度99％时的流体层厚度对于层流边界层：为以坐标x为特征长度的雷诺数，称为当地雷诺数。对于湍流边界层：第三节边界层理论3.边界层厚度(3.3.1)(3.3.2)在边界层内，黏性力和惯性力的数量级相当：边界层内速度梯度很大，因此黏性剪切力是很大的；边界层内流体速度减慢，其惯性力与层外相比小得多流动边界层内特别是层流底层内，集中了绝大部分的传递阻力。因此，尽管边界层厚度很小，但对于研究流体的流动阻力、传热速率和传质速率有着非常重要的意义。

通常，边界层的厚度约在的量级10－3m第三节边界层理论3.边界层厚度工程上减少传热、传质阻力的方法

适当的增大流体的运动速度，使其呈湍流状态，以此降低边界层中层流部分的厚度，从而强化传热和传质，

破坏边界层的形成，在流道内壁做矩形槽，或在管外壁放置翅片，以此破坏边界层的形成，减少传热和传质阻力。第三节边界层理论充分发展段环状边界层当u0较小时，进口段形成的边界层汇交时，边界层是层流，以后的充分发展段则保持层流流动，速度分布呈抛物线形抛物线形速度分布

层流流动第三节边界层理论（二）圆管内流动的边界层1.圆直管内边界层的形成二、边界层的形成过程当u0较大，汇交时边界层流动若已经发展为湍流，则其下游的流动也为湍流。速度分布不是抛物线形状。在管内的湍流边界层和充分发展的湍流流动中，径向上也存在着三层流体，即层流底层、缓冲层和湍流中心。

环状边界层核心区充分发展段进口段

湍流流动流层间影响较大缓冲层层流底层湍流中心第三节边界层理论判别流动形态的雷诺数定义为充分发展段边界层的厚度等于管的半径，并且不再改变。湍流时圆管内层流底层的厚度，当当Re<2000时，管内流动维持层流。2.边界层厚度第三节边界层理论(3.3.3)进口段长度用le来表示。无量纲的进口段长度是雷诺数的函数3.进口段长度进口段附近的摩擦系数最大，其后沿流动方向平缓减少，并趋于流动充分发展后的不变值。因此，实际工程中区分进口段是非常重要的。（2）湍流，目前尚无适当的计算公式，一些实验研究表明，

管内湍流边界层的进口段长度大致为50倍管径。（1）层流，由理论分析可得第三节边界层理论边界层与固体壁面相脱离

——边界层分离流动中产生大量旋涡第三节边界层理论三、边界层分离边界层与固体壁面相脱离内部充满旋涡导致流体能量大量损失，是黏性流体流动时产生能量损失的重要原因之一第三节边界层理论当流体流过表面曲率较大的曲面时三、边界层分离(一)现象流体流过表面曲率较大的曲面时，边界层外流体的速度和压强均沿流动方向发生变化，边界层内的流动会受到很大影响

流道断面变化流速变化压强变化？？u增大，压强减小u减小，压强增加第三节边界层理论三、边界层分离(二)过程分离点

逆压区流体惯性力与压强差克服流体的黏性力顺压区流体惯性力克服黏性力和逆压强流体质点的速度逐渐减小D点近壁面处流体质点速度为零D点之后?第三节边界层理论三、边界层分离分离点

尾流壁面附近的流体发生倒流并产生旋涡——尾流区（1）壁面附近的流体速度方向相反，发生倒流（逆压梯度）D点之后：（2）产生旋涡第三节边界层理论三、边界层分离分离点

黏性作用和存在逆压梯度是流动分离的两个必要条件

顺压区逆压区尾流流体的惯性力、黏性力、压强差之间的关系第三节边界层理论三、边界层分离(三)条件层流边界层和湍流边界层都会发生分离在相同的逆压梯度下，层流边界层和湍流边界层哪个更容易发生分离？（由于层流边界层中近壁处速度随y的增长缓慢，逆压梯度更容易阻滞靠近壁面的低速流体质点）Re值影响分离点的位置湍流边界层的分离点延迟产生第三节边界层理论三、边界层分离(四)流态的影响黏性底层边界层分离形体阻力：物体前后压强差引起的阻力形成湍流边界层时，形体阻力大小?较小因为分离点靠后，尾流较小是产生形体阻力的主要原因。—形成尾流区—形体阻力增加第三节边界层理论三、边界层分离一、阻力损失的影响因素二、圆直管内流动的沿程阻力损失三、管道内的局部阻力损失本节的主要内容第四节流体流动的阻力损失(一)阻力损失起因：阻力损失的大小取决于流体的物性、流动状态和物体表面的粗糙度、几何形状等。（1）内摩擦造成的摩擦阻力（2）物体前后压强差造成的形体阻力摩擦阻力：(二)阻力损失的影响因素：形体阻力：湍流时，摩擦阻力较层流时大。但与层流时相比，分离点后移，尾流区较小，形体阻力将减小；层流时摩擦阻力小，但尾流区较湍流时大，形体阻力较大。（1）流态的影响：边界层内的流动状态，边界层的厚度物体前后压强差，边界层分离，尾流区域的大小第四节流体流动的阻力损失一、阻力损失的影响因素管道内的流动过程阻力流体流经直管——沿程损失流体流经弯管——局部阻力损失粗糙表面摩擦阻力大。但是，当表面粗糙促使边界层湍流化以后，造成分离点后移，形体阻力会大幅度下降，此时总阻力反而降低。（2）物体表面的粗糙度的影响尾流区的大小形体阻力第四节流体流动的阻力损失(二)阻力损失的影响因素：（3）几何形状的影响(一)阻力损失通式不可压缩流体在一水平圆直管内作稳态流动

流体柱受力平衡静压力内摩擦力根据机械能衡算方程直管中的压力降是流动阻力的体现第四节流体流动的阻力损失二、圆直管内流动的沿程阻力损失(3.4.1)摩擦系数，是流体的物性和流动状态的函数，为无量纲量范宁公式第四节流体流动的阻力损失(一)阻力损失通式(3.4.2)(二)圆管内层流流动速度分布和阻力损失1.层流流动的速度分布流场中各点的速度－微观尺度上分析取一流体微元，半径为r，长度为dl

rr0流体微元受力分析层流流动第四节流体流动的阻力损失(3.4.5)(3.4.4)

时，

在管中心处，r＝0，流体流速最大抛物线形1.层流流动的速度分布第四节流体流动的阻力损失(3.4.6)(3.4.7)(3.4.8)对于水平直管无外力输