过程工业参考资料.docx

过程工业过程工业是指如石化、电力、冶金、造纸、医药、食品等工业.它们的特点是连续性. 一般来说特征可分为造型特征和面向过程的特征造型特征（又称为形状特征）是指那些实际 构造出零件的特征而面向过程的特征并不实际参与零件几何形状的构造 过程工业是加工制造流程性物质产品的现代制造业流程性物质”是指以流体（气、液、粉 体等）形态存在的物质材料涉及：力学、电工学、机械设计基础、工业美术、造型设计基础、工程材料、人机工 程学、心理学、计算机辅助设计、视觉传达设计、环境设计1） 流体动力过程2） 热量传递过程3） 质量传递过程4） 动量传递过程5） 热力过程6） 化学反应过程7） 生物过程流体动力过程在化工生产中所处理的物料大部分都是处于液态和气态状况下，这种状态下的物体通称为流 体这些物料在静止和运动时都遵循流体力学的规律以流体力学规律为基础规律的化工过 程称为流体动力过程一类以动量传递为主要理论基础的单元操作，主要有流体输送、沉降、 过滤和混合等，在工程上主要用于物料输送、气相或液相悬浮系的分离以及液体的混合流 体动力过程应用于化工、石油、冶金、食品和环境保护等部门物料输送化工生产中处理的物料大都是气体、液体和粉粒状固体。

这些物料，根据生产要求，依 次在一系列化工机器或设备中发生化学变化或物理变化，最终加工成所需要的产品为实现 生产过程的连续化，物料在机器和设备间的输送十分重要流体（气体与液体的总称）的输 送借助于流体输送机械；粉粒状固体往往也借助于气流（或液流）的能量，进行像流体那样 的输送，称为气力输送（或水力输送）气相悬浮系的分离含有悬浮固体微粒或液滴的气体称为气相悬浮系从气体中分离出这些悬浮物的过程称 为气相悬浮系的分离在不同场合，悬浮物颗粒直径差别很大例如空气净化要求除去的粉 尘粒径只有几微米；而气力输送的颗粒直径可达几毫米至几十毫米细小的颗粒通称灰尘， 故从气体中分离悬浮灰尘的操作又称除尘或集尘对气相悬浮系进行分离的目的是：①净化 气体例如在硫酸制造中，为防止催化剂中毒，必须除去原料气中含有砷、硒等的尘粒；在 药品、感光材料和微电子产品的生产中，为保证产品质量，必须使空气净化②回收有价值 的悬浮物如从干燥器出口气体中回收产品，从流化床反应器出口气体中回收催化剂等 气相悬浮系的分离方法气相悬浮系的分离方法有：①沉降，气体和悬浮物因密度不同，可使之在重力或离心力 场中产生相对运动，从而实现悬浮物的分离。

这两种方法相应地称为重力沉降和离心沉降， 前者常用设备为降尘室，后者常用设备为旋风分离器②气体过滤，使气相悬浮系中的气体 通过多孔的过滤介质，其中悬浮的固体颗粒则被截留而得以分离常用设备为袋滤器③湿 法除尘，使气相悬浮系与水（或其他液体）密切接触，悬浮物由气相而被除去所用的典型 设备有文丘里涤气器和喷雾塔等④超声波除尘，利用超声波使气体中悬浮的微小颗粒聚结 成较大颗粒，再用重力沉降等方法除去⑤电除尘，将气相悬浮系通过高压电场，使悬浮物 带有电荷，然后在电场中沉降分离上述各种分离方法分别适用于一定的粒径范围液相悬浮系的分离含有悬浮固体颗粒或液滴的液体称为液相悬浮系从液体中分离出悬浮物的过程称为液 相悬浮系的分离在化工生产中，往往由于原料中含有杂质，溶液在浓缩时析出了晶体，或 液相中发生化学反应而产生沉淀，从而形成液相悬浮系为了净化液体或得到悬浮物产品， 须对悬浮系进行分离在某些反应过程（如悬浮聚合）和传质分离过植如萃取、浸取）中， 良好的液相悬浮系是增强相际接触的主要条件，因而液相悬浮系的分离对这些过程来说是不 可缺少的后续操作液相悬浮系的分离方法液相悬浮系的分离方法，有沉降和过滤沉降主要用于颗粒浓度较低的悬浮系；过滤主 要用于颗粒浓度较高的悬浮系。

液体的混合这是对液体或液相悬浮系外加机械能，使之发生湍动和循环运动，从而使 液体或液相悬浮系各部分组成趋于均匀的过程在化工生产中，液体混合主要用于：①加速 固体的溶解或可溶液体的混合；②增强气相的分散和气液接触；③增进不互溶液体的分散和 接触；④促进固体颗粒在液体中的均匀悬浮工业上液体混合最常用的方法是机械搅拌 以流体机械及工程为例：流体机械与工程学科（专业）研究各种以流体作为工质和能量载体的机械设备的流体动 力学原理与设计，以及与流体动力学相关的复杂流动现象的实验与数值模拟本学科以流体 工程、车辆工程和动力工程等多个领域的流体动力学问题为主要研究背景，以积极为我国国 防工业现代化和新型高科技兵器的开发提供理论和技术保障服务为特色，同时兼顾能源、机 械、航空、航天和水利等领域的需求主要研究方向有 ：1、 多相复杂流动现象研究与应用研究方向：主要从事气固两相流动及空气滤清机理的 研究；极端条件下新型车辆发动机空气滤清器的开发与研究；叶片式空气滤清器的优化设计 方法的研究；铁磁流体减震机理的研究与应用2、 高速两栖车辆及其水上推进系统的水动力学研究方向：主要从事高速两栖车辆航行 水动力学特性的研究；高功率密度叶片式喷水推进器优化设计与性能研究；喷水推进系统与 车辆的优化匹配研究；新概念推进器的研究；空化流动现象及其数值模拟；空化发生机理及 其控制；超空化现象及其应用。

3、 涡轮与压气机优化设计方法的研究方向：主要从事涡轮与压气机内部三维粘性流动 的数值模拟；涡轮与压气机的气动优化设计方法的研究；涡轮增压器系统的CAD设计系统 的开发研究；涡轮与径流式压气机匹配关系的研究4、 液力传动系统的流体动力学问题研究方向：主要从事液力耦合器与变矩器的内部流 动理论和性能预测；车辆液力传动的优化设计方法的研究；变矩器叶片的水动力优化设计方 法的研究；闭锁离合器自动控制，空间叶片CAD/CAMo1、 多相复杂流动现象研究与应用研究方向：研究固液、气液两相流在水力机械内部的 流动规律和特性；两相流水力机械的设计方法、流场的数值计算与测试等2、 风力机空气动力学的研究风力机空气动力特性的研究；风力机流场分析；风力机 结构动力学分析及风力机空气动力设计方法研究3、 流体机械内部流动及其性能的研究研究水力机械过流部件对流动的影响；研究污 水泵内固体颗粒、纤维的流动规律，提高水力机械过流部件的水力性能，抗空蚀、耐磨蚀性 能；研究不同磁流体配方的特性及其在流体机械中的应用；对水轮机转轮、叶片泵进行优化 水力设计，研制出高性能的新水力模型；泵站与水电站机组的经济、优化运行4、 涡轮与压气机优化设计方法的研究方向：主要从事涡轮与压气机内部三维粘性流动 的数值模拟；涡轮与压气机的气动优化设计方法的研究；涡轮增压器系统的CAD设计系统 的开发研究；涡轮与径流式压气机匹配关系的研究。

5、 特殊泵的理论及设计研究泵内流动理论；研究特殊用途泵的设计理论及设计方法； 研究过流部件对泵性能的影响及性能预测的理论；流场的数值模拟；特种设计软件的开发流体机械的内流原理 ：流体机械内部的流体运动规律以及运动着的流体与壁面间的相互作用和实现功能转换的 原理流体机械是将流体的动能、势能或热能转化为输出功或将输入功转化为流体的动能、 势能或压力能以及通过流体传递能量的机械人们很早就已运用流体的流动创造流体机械 古埃及神庙中就有类似反喷式汽轮机的装置公元1150年，中国已有可算是燃气轮机雏型 的走马灯出现随着力学的发展，人们开始有效地利用流体力学原理研制出各种流体机械 例如，以流动的耗功增压过程为特征的泵、通风机、鼓风机、压气机等和以流动的降压或膨 胀作功过程为特征的水轮机、汽轮机、燃气轮机、各种高低温气体透平膨胀机等还有同时 利用上述两种过程实现能量传递的液力变扭器、液力离合器和气波换能器等以上这些都是 有外壳的流体机械另一方面，也根据用途设计出无外壳的旋转式流体机械，如螺旋桨、风 扇等流体机械大体可以分为位移式和旋转式两大类位移式流体机械中的流体流动原理较简 单流体在特定的腔室内由容积的缩小实现压缩，从而将外功变成流体的动能或势能，反之， 则实现膨胀作功。

对这类机械中的流体进行内部流动分析时，常把流动过程简化为准定常的 一维流或者作为非定常的二维流来处理和求解旋转式流体机械有时也称为叶轮机械，应用 广泛，原理比较复杂，它通常是由固定的静叶片（也称导向叶片或喷嘴叶片）和装在旋转叶 轮上的动叶片组成流体相对于叶轮轴的流动方向可以是轴向、径向、斜向，而相应的流体 机械分别称为轴流式、径流或离心式、斜流式一排静叶片加一排动叶片为一个级随所需 增压或降压参量的不同可做成单级或多级的型式在轮机或透平膨胀机中，静叶片设置在动 叶片前面以便将流体的势能或热能的全部或一部分先经过静叶片转化为动能，然后流经动叶 片作功（图1［压缩机和透平机的基元级和叶栅］右）在压缩机中，静叶片常放置在动叶片后面 以便将流出动叶片的流体动能进一步转化为势能或压力能（图1［压缩机和透平机的基元级 和叶栅］左）下面重点介绍旋转式流体机械中的流体流动原理流动特点在旋转式流体机械内，流体交替流过静止和转动着的叶片通道这种空间通道 的形状与叶片高度、数量、形状和内外壳直径变化有关，相应形成空间的三维流场由于结 构和强度上的要求，叶片出口边总具有一定的厚度叶片后的流场在周向是非均匀的、周期 性变化的，流体再流经旋转叶片通道，流动成为非定常的。

与此同时，具有粘性的流体在流 过静止和转动的叶片时，形成更为复杂的边界层流动（见边界层）和二次流动，并可能伴随 产生各种涡旋和分离此外，旋转叶片与机壳壁面之间存在间隙，流体与壳体和叶片间存在 传热现象等所有上述效应使实际流动图像十分复杂这种流动的特性可以归结为有传热的 三维粘性非定常流动对此，求完整的统一的理论解十分困难；常应用简化的流动模型首先 分析流体与叶片间的相互作用，功能转换原理和主要物理参量之间的关系对于动叶片中的流动，如果取固定于旋转叶片或叶轮上的坐标系，就成为相对定常流动 设动叶片中流体的相对流动速度为W，静叶片中流体的绝对流动速度为C，叶片旋转线速 度（又称叶片速度）为，由矢量合成关系:C=W+,可进行相对流动与绝对流动的转换图 1b中的速度三角形表示在动叶片进出口处的变换简化分析模型最简化的流动分析模型是沿流向的一维绝热定常流模型，即假定流体机械 内的流动是绝热的，动叶片间和静叶片间的流动在各自的相对和绝对坐标系中均为定常流， 沿叶高方向和周向变化的流动参量是以某一半径(一般取平均半径)上的值来代表其平均 值为了便于在平面图像上进行表达和分析，还进一步将各叶片在所取半径上的叶型沿周向 展开，得到如图1b所示的由静叶叶型和动叶叶型组成的叶栅系列。

分析时对叶栅也仅用其 进出口 1、2处沿叶栅间距的参量平均值对这种叶栅系列的一维流动分析可以认为近似地 反映整级或整机的流动性能稍后采用的简化流动模型是以如图1a所示的两个无限接近的厚度为d的回转流面截割叶片 而得到的所谓基元级模型整个流动通道就由无限多这样的基元级组成将基元级沿周向展 开就得到在平面上表示的动、静叶栅系列整级的性能就是基元级性能沿叶高的积分通常 将由圆柱流面截割的基元级展开而得到的叶栅称为平面叶栅叶栅流动分析流体流经以一定形状叶型组成的流体机械的叶栅时，在实现加速(透平机)或 减速(压缩机)的同时还完成流动方向的转折流体绕流叶型时，在叶型的内弧和背弧上形成 不同的速度和压力分布(图2 ［叶型表面速度分布］)但是流体机械的叶栅与孤立翼型(例 如飞机机翼)又不同，叶型的表面压力分布和受到的作用力不仅和叶型形状有关，也和流体 在叶栅槽道内的加速或减速方式和方向转折有关根据儒科夫斯基机翼定理在叶栅上的推广(见举力)，可得到叶栅上的流体作用力的表达式：=［2kg］，式中为流体的平均密度;为动叶栅进出口速度W和W的几何平均值，即W=(W+W)。