化工原理第一章（概述、流體靜力學(xué)）2008.ppt

1、2020/9/6,1.1 流體概述 1、流體的定義和分類 2、流體的特征 3、作用在流體上的力 4、連續(xù)介質(zhì)假定 1.2 流體靜力學(xué) 1、流體的密度 2、流體的靜壓強(qiáng) 3、流體靜力學(xué)基本方程式 4、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用,第一章 流體流動,2020/9/6,本章研究流體的內(nèi)容與目的,掌握流體流動過程的基本原理、管內(nèi)流動的規(guī)律，并運用這些原理和規(guī)律去分析和計算流體流動過程的有關(guān)問題。,2020/9/6,（1）合理選擇流體輸送管道的管徑。 （2）流體流速、流量和壓強(qiáng)的控制和測量。 （3）計算流體輸送所需要的能量，選擇合適的流體輸送機(jī)械以及確定它所需要的的功率。 （4）選擇適宜的流體流動參數(shù)，以

2、適應(yīng)傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的最佳條件。,解決的具體問題有：,2020/9/6,流體概述,一、流體的定義和分類,1、定義,凡能在外力的作用下，任意改變形狀的物體。,氣體（含蒸汽）和液體統(tǒng)稱流體。,2020/9/6,2、分類,（1）按狀態(tài)分為氣體、液體和超臨界流體。 （2）按可壓縮性可分為不可壓縮流體和可壓縮流體。 （3）依是否可忽略分子間作用力分為理想流體和粘性（實際）流體。 （4）按流變特性（剪力與速度梯度之間關(guān)系）分牛頓型和非牛頓型流體。,2020/9/6,二、流體的特征,（1）流動性，即抗剪抗張的能力很??；,（2）無固定形狀，易變形（隨容器形狀），氣體能充滿整個密閉容器空間；,（3）流動時產(chǎn)

3、生內(nèi)摩擦，從而構(gòu)成了流體流動內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。,2020/9/6,三、作用在流體上的力,外界作用于流體上的力有兩種，即質(zhì)量力和表面力。,1、質(zhì)量力（又稱體積力）,【特征】質(zhì)量力作用于流體的每個質(zhì)點上，并與流體的質(zhì)量成正比，對于均質(zhì)流體也與流體的體積成正比。,流體在重力場中受到重力、在離心力場中受到的離心力都是典型的質(zhì)量力。,2020/9/6,2、表面力（又稱接觸力或機(jī)械力）,【特征】表面力與流體的表面積成正比。,作用于流體中任一微小表面上的力又可分為兩類，即垂直于表面的力和平行于表面的力。前者為壓力，后者為剪力（切力）。,靜止流體只受到壓力的作用，而流動流體則同時受到兩類表面力的作用。,202

4、0/9/6,四、連續(xù)介質(zhì)假定,從微觀講，流體是由大量的彼此之間有一定間隙的單個分子所組成，而且分子總是處于隨機(jī)運動狀態(tài)。,工程上，在研究流體流動時，常從宏觀出發(fā)，將流體視為由無數(shù)流體質(zhì)點（或微團(tuán)）組成的連續(xù)介質(zhì)。,2020/9/6,【質(zhì)點】是指由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但卻遠(yuǎn)大于分子平均自由程。這些質(zhì)點在流體內(nèi)部緊緊相連，彼此間沒有間隙，即流體充滿所占空間，為連續(xù)介質(zhì)。,【分子平均自由程】在平衡狀態(tài)下，由于分子碰撞的隨機(jī)性，一個分子在連續(xù)兩次碰撞之間所經(jīng)過的直線路程（即自由程）長度不盡相同。將各段自由程取平均值，即為平均自由程。,2020/9/6,1、密度定義,一、流體的密度

5、,單位體積的流體所具有的質(zhì)量，; SI單位kg/m3。,流體的密度，kg/m3； m流體的質(zhì)量，kg； V流體的體積，m3。,第一節(jié) 流體靜力學(xué),2020/9/6,2、影響的主要因素,氣體：,液體：,不可壓縮性流體,可壓縮性流體,2020/9/6,3、氣體密度的計算,理想氣體在標(biāo)況下的密度為：,【例如】標(biāo)況下的空氣密度為：,操作條件下（T, P）下的密度：,M摩爾質(zhì)量（kg/kmol）,2020/9/6,或,對于混合氣體，可用平均摩爾質(zhì)量Mm代替M。,MmM1y1M2y2Mnyn,Mi -各組分的摩爾質(zhì)量； yi -各組分的摩爾分率（體積分率或壓強(qiáng)分率）。,或,2020/9/6,4、液體的密度

6、,常見純液體的密度值可查有關(guān)手冊（注意所指溫度）。,混合液體的密度，在忽略混合體積變化條件下，可用下式估算（以1kg混合液為基準(zhǔn)），即：,i -各純組分的密度，kg/m3； wi -各純組分的質(zhì)量分率。,2020/9/6,（1）比體積（比容）：單位質(zhì)量的流體所具有的體積，用v表示，單位為m3/kg。,在數(shù)值上:,5、與密度相關(guān)的幾個物理量,2020/9/6,（2）比重（相對密度）：某物質(zhì)的密度與4下的水的密度的比值，用 d 表示。,2020/9/6,二、流體的靜壓強(qiáng),1、壓強(qiáng)的定義,流體的單位表面積上所受的壓力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡稱壓強(qiáng)。即：,p - 流體的靜壓強(qiáng)，Pa； F - 垂直作用于

7、流體表面上的壓力，N； A - 作用面的面積，m2。,2020/9/6,換算關(guān)系為：,2 、壓強(qiáng)的單位,SI制單位：N/m2，即Pa。,其它常用單位有：,atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、工程大氣壓kgf/cm2、bar；流體柱高度（mmH2O，mmHg等）。,2020/9/6,3、壓強(qiáng)的基準(zhǔn),（1）絕對零壓(真空),以絕對零壓為基準(zhǔn)所測得的壓強(qiáng)稱為絕對壓強(qiáng)。,（2）當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?以當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簽榛鶞?zhǔn)所測得的壓強(qiáng)稱為表壓或真空度。,表壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng),真空度大氣壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)表壓,2020/9/6,2020/9/6,絕對壓強(qiáng)、真空度、表壓強(qiáng)的關(guān)系圖,絕對零壓線,大氣壓強(qiáng)線,絕對壓強(qiáng),表壓強(qiáng),絕對

8、壓強(qiáng),真空度,【注意】當(dāng)用表壓或真空度來表示壓強(qiáng)時，應(yīng)分別注明。如：4103Pa（真空度）、200KPa（表壓）,2020/9/6,壓力表,2020/9/6,彈簧壓力表的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2020/9/6,2020/9/6,1、方程的推導(dǎo),在11截面受到垂直向下的壓力：,在22 截面受到垂直向上的壓力：,小液柱本身所受的重力：,因為小液柱處于靜止?fàn)顟B(tài)，,三、流體靜力學(xué)基本方程式,2020/9/6,兩邊同時除A,【該式說明】在同一種靜止流體中不同高度上的靜壓能和位能各不相同，但其總能量保持不變。,2020/9/6,若取液柱的上底面在液面上，并設(shè)液面上方的壓強(qiáng)為P0，取下底面在距離液面h處，作用在它上面的

9、壓強(qiáng)為P ，則：,流體的靜力學(xué)方程,【該式表明】在重力作用下，靜止液體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律。,令,則得：,2020/9/6,2、方程的討論,（1）當(dāng)液體的種類一定時，液體內(nèi)部壓強(qiáng)P是隨P0和h的改變而改變的，即：,（2）當(dāng)容器液面上方壓強(qiáng)P0一定時，靜止液體內(nèi)部的壓強(qiáng)P僅與垂直距離h有關(guān)，即：,【結(jié)論】處于同一水平面上各點的壓強(qiáng)相等。,2020/9/6,（3）當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)改變時，液體內(nèi)部的壓強(qiáng)也隨之改變，即：液面上所受的壓強(qiáng)能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部的任一點。【帕斯卡（巴斯噶）原理】【如：液壓千斤頂】,（4）從流體靜力學(xué)的推導(dǎo)可以看出，它們只能用于靜止的連通著的同一種流體的內(nèi)部，對于間斷的并

10、非單一流體的內(nèi)部則不滿足這一關(guān)系。,2020/9/6,（5）,可以改寫成,壓強(qiáng)差的大小可利用一定高度的液體柱來表示，這就是液體壓強(qiáng)計的根據(jù)，在使用液柱高度來表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差時，需指明何種液體。,（6)方程是以不可壓縮流體推導(dǎo)出來的，對于可壓縮性的氣體，只適用于壓強(qiáng)變化不大的情況。,2020/9/6,液壓傳動所基于的最基本的原理就是巴斯噶原理，就是說，液體各處的壓強(qiáng)是一致的。,液壓千斤頂,2020/9/6,【例】圖中開口的容器內(nèi)盛有油和水，油層高度h1=0.7m,密度1800 kg/m3 ，水層高度h2=0.6m，密度為2 1000kg/m3,（1）判斷下列兩關(guān)系是否成立？,PAPA，PBPB。

11、,（2）計算玻璃管內(nèi)水的高度h。,2020/9/6,四、流體靜力學(xué)方程式的應(yīng)用,1、壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測量,（1）U型管壓差計,U型管壓差計的構(gòu)造,透明的U型玻璃管； 刻度尺； 指示液。,2020/9/6,2020/9/6,U型管壓差計的測壓原理,兩點間壓差計算公式,而,整理得：,2020/9/6,當(dāng)被測的流體為氣體時，0，可忽略，則：,若U型管的一端與被測流體相連接，另一端與大氣相通，那么讀數(shù)R就反映了被測流體的絕對壓強(qiáng)與大氣壓之差，也就是被測流體的表壓。,【幾點討論】,2020/9/6,當(dāng)P1P2值較小時，R值也較小，若希望讀數(shù)R清晰，可采取措施是：使用傾斜U型管壓差計、 微差壓差計。,當(dāng)P1

12、P2值較大時，R值也很大，為了測量的方便，可采取措施是：使用復(fù)式壓差計。,2020/9/6,（2）微差壓差計,U型管的兩側(cè)管的頂端增設(shè)兩個小擴(kuò)大室,其內(nèi)徑與U型管的內(nèi)徑之比10，裝入兩種密度接近且互不相溶的指示液A和C，且指示液C與被測流體B亦不互溶。, 微差壓差計的結(jié)構(gòu),2020/9/6,根據(jù)流體靜力學(xué)方程可以導(dǎo)出：,微差壓差計兩點間壓差計算公式,可認(rèn)為即使U管內(nèi)指示液A 的液面差R 較大，但兩擴(kuò)大室內(nèi)指示液C的液面變化微小，可近似認(rèn)為維持在同一水平面。, 微差壓差計的測壓原理,2020/9/6,2020/9/6,【例】用U型管壓差計測量氣體在水平管路上兩截面的壓強(qiáng)差。指示液為水，其密度0為

13、1000kg/m3，讀數(shù)為12mm。為了放大讀數(shù)，改用微差壓差計，指示液A是含40酒精的水溶液，密度A為920kg/m3,指示液C是煤油，密度C為850kg/m3。問讀數(shù)可以放大到多少？若兩者之讀數(shù)誤差均為2mm，問相對誤差各為多少？,2020/9/6,（3） 復(fù)式壓差計,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)兩處壓強(qiáng)差很大時，將會導(dǎo)致U型管內(nèi)指示液的高度差很大，給讀數(shù)帶來困難。此時，可使用復(fù)式壓差計。,壓差計算公式為：,2020/9/6,2、液位的測定,在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常要了解容器內(nèi)液體的貯存量，或?qū)υO(shè)備內(nèi)的液位進(jìn)行控制，因此，常常需要測量液位。,2020/9/6,在容器或設(shè)備1的外邊設(shè)一平衡室2，其中所裝的液體與容器中

14、相同，液面高度維持在容器中液面允許到達(dá)的最高位置。用一裝有指示劑的U形壓差計3把容器和平衡室連通起來。,壓差法液位測量裝置,2020/9/6,液柱壓差計測量液位的方法：,【分析可知】當(dāng)R0時，容器內(nèi)的液面高度將達(dá)到允許的最大高度；容器內(nèi)液面愈低，壓差計讀數(shù)R 越大。,由壓差計指示液的讀數(shù)R可以計算出容器內(nèi)液面的高度，關(guān)系為：,2020/9/6,遠(yuǎn)距離控制液位的裝置,壓縮氮氣自管口 經(jīng)調(diào)節(jié)閥通入，調(diào) 節(jié)氣體的流量使氣 流速度極小，只要 在鼓泡觀察室內(nèi)看 出有氣泡緩慢逸出 即可。,若容器或設(shè)備的位置離操作室較遠(yuǎn)時，可采用如圖所示的遠(yuǎn)距離液位測量裝置。,2020/9/6,遠(yuǎn)距離測定液位的方法,用U形壓差計測量吹氣管內(nèi)的壓力，其讀數(shù)R的大小，即可反映出容器內(nèi)的液位高度，關(guān)系為：,貯罐內(nèi)液體的密度； 0U型管內(nèi)指示液的密度。,2020/9/6,2020/9/6,3、