《环境工程原理》是环境科学与工程领域的重要基础课程,主要涵盖了环境系统中物质和能量的转换、传递和平衡计算等内容。以下是对该复习教材中关键知识点的详细解析:
1. **常用物理量**:
- **换算因数**是指不同单位之间的转换比例,例如1英尺=0.3048米。
- **量纲**是物理量的数学表达形式,体现物理量的类别;**无量纲准数**是两个有量纲的物理量的比值,如雷诺数、普朗特数等,它们没有单位。
- **质量分数**表示混合物中某组分的质量与总质量的比例,而**质量比**是两组分质量的直接比较,如摩尔质量比。
- **体积分数**在大气污染控制中用于表示污染物浓度,优点是不受温度和压力影响,与质量浓度关系为浓度乘以密度。
2. **质量衡算**:
- 质量衡算的三个要素是系统、物质流和时间。
- 稳态系统内物质总量保持不变,而非稳态系统中物质随时间变化。
- 质量衡算的基本关系是输入物质减去输出物质等于物质的积累。
- 全部组分的质量衡算方程反映系统内所有物质的守恒关系。
- 一级反应中,物质转化速率与反应物浓度成正比。
3. **能量衡算**:
- 物质的总能量包括内能、动能和势能;系统内部能量变化与环境交换能量有关。
- 封闭系统不与外界交换物质,开放系统则允许物质进出。
- 热量衡算方程描述系统能量变化,如第一定律:ΔU=Q-W。
- 不做外功的封闭系统,内部能量仅通过热交换变化。
- 开放系统能量变化率可由输入和输出能量表示。
4. **管道系统的衡算方程**:
- 流速不变,流量增加意味着管径需增大;管径不变,流速需增加。
- 布水孔板流速增加与孔隙率有关,受水力学特性影响。
- 伯努利方程描述机械能变化,适用于理想流体,实际流体要考虑阻力损失。
- 机械能损耗转化为内能,表现为压力下降或温度上升。
- 实际流体在无外功条件下,会从高压流向低压区域。
- 计算输送机械功率需要考虑流体性质、流量、管道阻力等因素。
- 层流流态下流体呈平行层流,湍流则呈现混乱流动,摩擦力更大。
- 摩擦力源于流体微元间的相互作用,湍流中由涡旋引起,层流中由分子间力引起。
- 阻力的根本原因是流体内部的动量交换和黏性。
5. **边界层理论**:
- 流动边界层是靠近固体表面的薄层,流体速度从零逐渐过渡到主流速度。
- 湍流边界层具有复杂的流态,速度分布不均匀,阻力较大。
- 边界层厚度与流速、黏度和表面粗糙度有关。
- 管道进口段的摩擦系数大是因为边界层形成初期流动不稳定。
- 边界层分离发生在逆压梯度和流体粘性共同作用下,平壁和圆柱体流动都可能发生。
6. **流体流动的阻力损失**:
- 形体阻力是物体运动时与周围流体的相对运动产生的阻力。
- 流态影响阻力,湍流的阻力大于层流。
- 表面粗糙度增加会增大阻力,如水管内壁粗糙度影响摩擦系数。
- 圆管中,管径增加压力差减小,流量增加压力差增加,管长增加压力差增加。
- 层流速度分布均匀,湍流则呈对数分布,湍流的摩擦系数受雷诺数和相对粗糙度影响。
7. **热量传递**:
- 热传导是通过分子间碰撞传递能量,如固体导热。
- 对流传热是流体运动带来的热量传递,如强制对流的风扇冷却和自然对流的散热器。
- 辐射传热是电磁波形式的热传递,无需介质,如太阳光照射地球。
- 居室内人体传热包括辐射、对流和传导,空气流动会影响对流换热。
- 冬季与夏季室温相同,但湿度和空气运动会影响人体感觉,湿冷感觉更冷。
8. **热传导和对流传热**:
- 傅立叶定律描述热传导现象,适用于均匀、各向同性且无内部热源的材料。
- 导热系数受材料性质和温度影响,多孔材料保温是因其低导热性和高孔隙率。
- 不同材料包裹管道,导热系数小的材料应置于热流方向。
9. **对流传热**:
- 影响对流传热的因素包括流体性质、流速、温度差和表面粗糙度。
- 强化传热可通过增大流速、改变流体性质和改进换热表面设计实现。
- 层流流动时,对流传热比静止时强,因为流体分子的湍动增加了能量传递。
这些知识点构成了环境工程中物质和能量流动的基础,理解并掌握这些原理对于解决环境污染控制、能源利用和资源回收等问题至关重要。