化工原理--流体流动--第一节-流体静力学基本方程.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第 一 章 流 体 流 动,一、流体密度,二、流体压强,三、流体静力学方程,四、流体静力学方程应用,第 一 节 流体静力学基本方程,2026/7/25 周六,1,第1页,气体和液体统称流体。流体特征是含有流动性，即其抗剪和抗张能力很小；无固定形状，随容器形状而改变；在外力作用下其内部发生相对运动。流体有各种分类方法：,(1),按状态分为气体、液体和超临界流体等；,(2),按可压缩性分为不可压缩流体和可压缩流体；,(3),按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘性流体（或实际流体）；,(4),按流变特征可分为牛顿型和非牛顿型流体。,化工生产原料及产品大多数是流体。在化工生产中，有以下几个主要方面经常要应用流体流动基本原理及其流动规律：,(1),管内适宜流速、管径及输送设备选定；,(2),压强、流速和流量测量；,(3),传热、传质等过程中适宜流动条件确实定及设备强化。,本章内容包含：流体基本概念，流体静力学，流体在管道中流动基本规律，流体输送所需功率，流量测量等。,学习这一章我们主要掌握有五个方面：,1,、流体基本概念；,2,、流体静力学方程及其应用；,3,、机械能衡算式及柏努利方程；,4,、流体流动现象；,5,、流体流动阻力计算及管路计算。,流体静力学是研究流体在外力作用下平衡规律，也就是说研究流体在外力作用下处于静止或相对静止规律。静止流体规律实际上是流体在重力作用下内部压力改变规律。流体静力学基本原理在化工生产中有着广泛应用，比如压力、液面测量等。本节主要讨论流体静力学基本原理及其应用。在此，首先介绍与此相关几个物理量。,2026/7/25 周六,2,第2页,一、流体密度,1,、密度定义,单位体积流体所含有质量，,;,SI,单位,kg/m,3,。,2,、,影响密度主要原因,液体：,不可压缩性流体,气体：,可压缩性流体,3,、,密度计算,理想气体在标况下密度：,操作条件,(,T,P,),下密度：,(1),理想气体,2026/7/25 周六,3,第3页,由理想气体方程求得操作条件,(,T,P,),下密度,(2),混合物密度,液体混合物密度,m,取1,kg,液体，令液体混合物中各组分质量分率分别为:,假设混合后总体积不变，,液体混合物密度计算式,气体混合物密度,m,取1,m,3,气体为基准,令各组分体积分率为:,x,vA,x,vB,x,Vn,其中:,i =1,2,.,n,2026/7/25 周六,4,第4页,若混合前后,气体质量不变，,当,V,总,=1,m,3,时,气体混合物密度计算式,当混合物气体可视为理想气体时,理想气体混合物密度计算式,当,V,总,=1,m,3,时，,混合物中各组分质量为：,4,、,与密度相关几个物理量,1),比容,(,比体积,),：单位质量流体所含有体积，用,表示，单位为,m,3,/kg。,2),比重(相对密度),：某物质密度与4下水密度比值，用,d,表示。,2026/7/25 周六,5,第5页,二、流体静压强,1,、压强定义,流体垂直作用于单位面积上压力，称为流体,静压强,，简称,压强,。,SI,制单位：,N/m,2,，,即,Pa,。,其它惯用单位有：,atm,（,标准大气压）、工程大气压,kgf/cm,2,、,bar,；,流体柱高度（,mmH,2,O，mmHg,等）。,换算关系为：,2,、压强表示方法,1),绝对压强（绝压）：,以绝对零压（绝对真空）做起点计算压强，是,流体体系真实压强称为绝对压强。,2026/7/25 周六,6第6页,2),表压强（表压）：,以当初当地大气压强（外界大气压强）做起点计算压强，,压强表上读取压强值称为表压。,3),真空度：,真空表上读取压强值称为真空度。,表压强=绝对压强-大气压强,真空度=大气压强-绝对压强=-表压,绝对压强、真空度、表压强关系为,应该指出，外界大气压随大气温度、湿度和所在地域海拔高度而变。为了防止绝对压强、表压强、真空度三者相互混同，在以后讨论中要求，对,表压强和真空度均加以标注,。,如：410,3,Pa,（,真空度）、200,KPa,（,表压）。,2026/7/25 周六,7,第7页,三、流体静力学方程,1,、方程推导,在1-1截面受到垂直向下压力：,在2-2 截面受到垂直向上压力：,液柱本身所受重力：,因为小液柱处于静止状态,，,两边同时除,A,令,则得：,2026/7/25 周六,8,第8页,若取液柱上底面在液面上，并设液面上方压强为,p,0,，,取下底面在距离液面,h,处，作用在它上面压强为,p,流体静力学方程,表明在重力作用下，静止液体内部压强改变规律。,2,、方程讨论,1),液体内部压强,p,是随,p,0,和,h,改变而改变，即：,2),当容器液面上方压强,p,0,一定时，静止液体内部压强,p,仅与垂直距离,h,相关，即：,处于同一水平面上各点压强相等。,3,),当液面上方压强,P,0,改变时，液体内部压强也随之改变，即,：,液面上所受压强能以一样大小传递到液体内部任一点。,4),从流体静力学推导能够看出,它们只能用于,静止连通着同一个流体内部,，对于,间断并非单一流体内部,则不满足这一关系。,5,),能够改写成,压强差大小可利用一定高度液体柱来表示，这就是,液体压强计依据,在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。,2026/7/25 周六,9,第9页,6),方程是以,不可压缩流体,推导出来，对于可压缩性气体，只适合用于压强改变不大情况。,例,：图中开口容器内盛有油和水，油层高度,h,1,=0.7m,密度,水层高度,h,2,=0.6m，,密度为,1),判断以下两关系是否成立,p,A,p,A,，p,B,p,B,。,2)计算玻璃管内水高度,h,。,解,:,(1),判断题给两关系是否成立,A，A,在,静止连通着同一个液体同一水平面上,因,B，B,虽在同一水平面上，但,不是连通着同一个液体,，即截面,B-B,不是等压面，故,(2),计算水在玻璃管内高度,h,p,A,和,p,A,又分别可用流体静力学方程表示,设大气压为,p,a,2026/7/25 周六,10,第10页,2026/7/25 周六,11,第11页,四、流体静力学方程应用,1)U,型管压差计,1、压强与压强差测量,依据流体静力学方程,当管子平放时：,两点间压差计算公式,当被测流体为,气体,时，,可忽略,则,，,2026/7/25 周六,12,第12页,若,U,型管一端与被测流体相连接，另一端与大气相通，那么读数,R,就反应了被测流体绝对压强与大气压之差，也就是被测流体,表压,。,当,p,1,-p,2,值较小时，,R,值也较小，若希望读数,R,清楚，可采取三种办法：,两种指示液密度差尽可能减小,、采取,倾斜,U,型管压差计、微差压差计。,2),倾斜,U,型管压差计,假设垂直方向上高度为,Rm,，,读数为,R,1,，,与水平倾斜角度,2026/7/25 周六,13,第13页,3),微差压差计,U,型管两侧管顶端增设两个小扩大室,其内径与,U,型管内径之比大于,10,，装入两种密度靠近且互不相溶指示液,A,和,C，,且指示液,C,与被测流体,B,亦不互溶。,依据流体静力学方程能够导出：,微差压差计两点间压差计算公式,2026/7/25 周六,14,第14页,例,：用3种压差计测量气体微小压差,试问：,(1),用普通压差计，以苯为指示液，其读数,R,为多少？,(2),用倾斜,U,型管压差计，,=30,，,指示液为苯，其读 数,R,为多少？,(3),若用微差压差计，其中加入苯和水两种指示液，扩大室截面积远远大于,U,型管截面积，此时读数,R,为多少？,R,为,R,多少倍？,已知：苯密度,水密度,计算时可忽略气体密度影响。,解：,(1),普通管,U,型管压差计,(2),倾斜,U,型管压差计,(3),微差压差计,故：,2026/7/25 周六15,第15页,2、液位测定,由压差计指示液读数,R,能够计算出容器内液面高度,h,。,当,R=,0,时，容器内液面高度将到达允许最大高度，容器内液面愈低，压差计读数,R,越大。,液位计原理,遵照静止液体内部压强改变规律,是静力学基本方程一个应用。,液柱压差计测量液位方法：,2026/7/25 周六,16,第16页,远距离控制液位方法,：,压缩氮气自管口经调整阀通入，调整气体流量使气流速度,极小,，只要在鼓泡观察室内看出有气泡迟缓逸出即可。,压差计读数,R,大小，反应出贮罐内液面高度,h,。,2026/7/25 周六,17,第17页,例,：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水两相界面位置，已知两吹气管出口间距为,H1m，,压差计中指示液为水银。煤油、水、水银密度分别为800,kg/m,3,、1000kg/m,3,、13600kg/m,3,。,求当压差计指示,R67mm,时，界面距离上吹气管出口端距离,h。,解,：忽略吹气管出口端到,U,型管两侧气体流动阻力造成压强差，则：,(,表,),(,表,),2026/7/25 周六,18,第18页,2026/7/25 周六,19,第19页,3、液封高度计算,液封需有一定液位，其高度确实定就是依据,流体静力学基本方程式,。,液封作用：,(1),若设备内为负压操作，其作用是：,当气体压力超出这个程度时，气体冲破液封流出，又称为,安全性液封2),若设备内要求气体压力不超出某种程度时，液封作用就是：,预防外界空气进入设备内。,2026/7/25 周六,20,第20页,例1：,如图所表示，某厂为了控制乙炔发生炉内压强不超出,10.710,3,Pa,（,表压），需在炉外装有安全液封，其作用是当炉内压强超出要求，气体就从液封管口排出，试求此炉安全液封管应插入槽内水面下深度,h,。,解：,过液封管口作基准水平面,o-o，,在其上取1，2两点。,2026/7/25 周六,21,第21页,例2：,真空蒸发器操作中产生水蒸气，往往送入本题附图所表示混合冷凝器中与冷水直接接触而冷凝。为了维持操作真空度，冷凝器上方与真空泵相通，不时将器内不凝气体（空气）抽走。同时为了预防外界空气由气压管漏入，致使设备内真空度降低，所以，气压管必须插入液封槽中，水即在管内上升一定高度,h,，,这种办法称为,液封,。若真空表读数为,8010,3,Pa,，,试求气压管内水上升高度,h,。,2026/7/25 周六,22,第22页,解：,设气压管内水面上方绝对压强为,P,，,作用于液封槽内水面压强为大气压强,Pa,，,依据流体静力学基本方程式知：,2026/7/25 周六,23,第23页,