化工基础第一章(概述、流体静力学).ppt

2020 3 15 1 1流体概述1 流体的定义和分类2 流体的特征3 作用在流体上的力4 连续介质假定1 2流体静力学1 流体的密度2 流体的静压强3 流体静力学基本方程式4 流体静力学基本方程式的应用 第一章 流体的流动及输送 2020 3 15 1 1流体概述 1 1 1流体的定义和分类 1 定义 凡能在外力的作用下 任意改变形状的物体 气体 含蒸汽 和液体统称流体 2020 3 15 2020 3 15 2 分类 1 按状态分为气体 液体和超临界流体 2 按可压缩性可分为不可压缩流体和可压缩流体 3 依是否可忽略分子间作用力分为理想流体和粘性 实际 流体 4 按流变特性 剪力与速度梯度之间关系 分牛顿型和非牛顿型流体 2020 3 15 1 1 2流体的特征 1 流动性 即抗剪抗张的能力很小 2 无固定形状 易变形 随容器形状 气体能充满整个密闭容器空间 3 流动时产生内摩擦 从而构成了流体流动内部结构的复杂性 2020 3 15 1 1 3作用在流体上的力 外界作用于流体上的力有两种 即质量力和表面力 1 质量力 又称体积力 质量力作用于流体的每个质点上 并与流体的质量成正比 对于均质流体也与流体的体积成正比 流体在重力场中受到重力 在离心力场中受到的离心力都是典型的质量力 2020 3 15 2 表面力 又称接触力或机械力 表面力与流体的表面积成正比 作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类 即垂直于表面的力和平行于表面的力 前者为压力 后者为剪力 切力 静止流体只受到压力的作用 而流动流体则同时受到两类表面力的作用 2020 3 15 1 1 4连续介质假定 从微观讲 流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成 而且分子总是处于随机运动状态 工程上 在研究流体流动时 常从宏观出发 将流体视为由无数流体质点 或微团 组成的连续介质 质点 是指由大量分子构成的微团 其尺寸远小于设备尺寸 但却远大于分子自由程 这些质点在流体内部紧紧相连 彼此间没有间隙 即流体充满所占空间 为连续介质 2020 3 15 1 密度定义 1 2 1流体的密度 单位体积的流体所具有的质量 SI单位kg m3 流体的密度 kg m3 m 流体的质量 kg V 流体的体积 m3 1 2流体静力学 2020 3 15 2 影响 的主要因素 气体 液体 不可压缩性流体 可压缩性流体 2020 3 15 3 气体密度的计算 理想气体在标况下的密度为 例如 标况下的空气密度为 操作条件下 T P 下的密度 2020 3 15 或 对于混合气体 可用平均摩尔质量Mm代替M Mm M1y1 M2y2 Mnyn Mi 各组分的摩尔质量 yi 各组分的摩尔分率 体积分率或压强分率 或 2020 3 15 4 液体的密度 基本上不随压强而变化 随温度略有改变 常见纯液体的密度值可查有关手册 注意所指温度 混合液体的密度 在忽略混合体积变化条件下 可用下式估算 以1kg混合液为基准 即 i 各纯组分的密度 kg m3 wi 各纯组分的质量分率 2020 3 15 1 比体积 比容 单位质量的流体所具有的体积 用v表示 单位为m3 kg 2 比重 相对密度 某物质的密度与4 下的水的密度的比值 用d表示 在数值上 5 与密度相关的几个物理量 2020 3 15 1 2 2流体的静压强 1 压强的定义 流体的单位表面积上所受的压力 称为流体的静压强 简称压强 即 p 流体的静压强 Pa F 垂直作用于流体表面上的压力 N A 作用面的面积 m2 2020 3 15 换算关系为 2 压强的单位 SI制单位 N m2 即Pa 其它常用单位有 atm 标准大气压 工程大气压kgf cm2 bar 流体柱高度 mmH2O mmHg等 2020 3 15 3 压强的基准 1 绝对零压 真空 以绝对零压为基准所测得的压强称为绝对压强 2 当时当地的大气压 以当时当地的大气压为基准所测得的压强称为表压或真空度 表压强 绝对压强 大气压强 真空度 大气压强 绝对压强 表压 2020 3 15 2020 3 15 绝对压强 真空度 表压强的关系图 绝对零压线 大气压强线 绝对压强 表压强 绝对压强 真空度 当用表压或真空度来表示压强时 应分别注明 如 4 103Pa 真空度 200KPa 表压 2020 3 15 压力表 2020 3 15 弹簧压力表的内部结构 2020 3 15 2020 3 15 1 方程的推导 在1 1 截面受到垂直向下的压力 在2 2 截面受到垂直向上的压力 小液柱本身所受的重力 因为小液柱处于静止状态 1 2 3流体静力学基本方程式 2020 3 15 两边同时除A 该式说明 在同一种静止流体中不同高度上的静压能和位能各不相同 但其总能量保持不变 2020 3 15 若取液柱的上底面在液面上 并设液面上方的压强为P0 流体的静力学方程 表明在重力作用下 静止液体内部压强的变化规律 取下底面在距离液面h处 作用在它上面的压强为P 令 则得 2020 3 15 2 方程的讨论 1 当液体的种类一定时 液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的 即 2 当容器液面上方压强P0一定时 静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关 即 结论 处于同一水平面上各点的压强相等 2020 3 15 3 当液面上方的压强改变时 液体内部的压强也随之改变 即 液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点 帕斯卡 巴斯噶 原理 如 液压千斤顶 4 从流体静力学的推导可以看出 它们只能用于静止的连通着的同一种流体的内部 对于间断的并非单一流体的内部则不满足这一关系 2020 3 15 5 可以改写成 压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示 这就是液体压强计的根据 在使用液柱高度来表示压强或压强差时 需指明何种液体 6 方程是以不可压缩流体推导出来的 对于可压缩性的气体 只适用于压强变化不大的情况 2020 3 15 液压传动所基于的最基本的原理就是巴斯噶原理 就是说 液体各处的压强是一致的 液压千斤顶 2020 3 15 例 图中开口的容器内盛有油和水 油层高度h1 0 7m 密度 1 800kg m3 水层高度h2 0 6m 密度为 2 1000kg m3 1 判断下列两关系是否成立 PA PA PB P B 2 计算玻璃管内水的高度h 2020 3 15 解 1 判断题给两关系是否成立 A A 在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上 因B B 虽在同一水平面上 但不是连通着的同一种液体 即截面B B 不是等压面 故 2020 3 15 2 计算水在玻璃管内的高度h PA和PA 又分别可用流体静力学方程表示 设大气压为Pa 2020 3 15 2020 3 15 1 2 4流体静力学方程式的应用 1 压强与压强差的测量 1 U型管压差计 U型管压差计的构造 透明的U型玻璃管 刻度尺 指示液 2020 3 15 2020 3 15 U型管压差计的测压原理 两点间压差计算公式 而 整理得 2020 3 15 当被测的流体为气体时 0 可忽略 则 若U型管的一端与被测流体相连接 另一端与大气相通 那么读数R就反映了被测流体的绝对压强与大气压之差 也就是被测流体的表压 几点讨论 2020 3 15 当P1 P2值较小时 R值也较小 若希望读数R清晰 可采取措施是 使用倾斜U型管压差计 微差压差计 当P1 P2值较大时 R值也很大 为了测量的方便 可采取措施是 使用复式压差计 2020 3 15 2 微差压差计 U型管的两侧管的顶端增设两个小扩大室 其内径与U型管的内径之比 10 装入两种密度接近且互不相溶的指示液A和C 且指示液C与被测流体B亦不互溶 微差压差计的结构 2020 3 15 根据流体静力学方程可以导出 微差压差计两点间压差计算公式 可认为即使U管内指示液A的液面差R较大 但两扩大室内指示液C的液面变化微小 可近似认为维持在同一水平面 微差压差计的测压原理 2020 3 15 2020 3 15 例 用U型管压差计测量气体在水平管路上两截面的压强差 指示液为水 其密度 0为1000kg m3 读数为12mm 为了放大读数 改用微差压差计 指示液A是含40 酒精的水溶液 密度 A为920kg m3 指示液C是煤油 密度 C为850kg m3 问读数可以放大到多少 若两者之读数误差均为2mm 问相对误差各为多少 2020 3 15 3 复式压差计 当系统内两处压强差很大时 将会导致U型管内指示液的高度差很大 给读数带来困难 此时 可使用复式压差计 压差计算公式为 2020 3 15 2 液位的测定 在化工生产中 经常要了解容器内液体的贮存量 或对设备内的液位进行控制 因此 常常需要测量液位 如图所示的是利用U形压差计进行近距离液位测量装置 在容器或设备1的外边设一平衡室2 其中所装的液体与容器中相同 液面高度维持在容器中液面允许到达的最高位置 用一装有指示剂的U形压差计3把容器和平衡室连通起来 2020 3 15 液柱压差计测量液位的方法 分析可知 当R 0时 容器内的液面高度将达到允许的最大高度 容器内液面愈低 压差计读数R越大 由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度 关系为 2020 3 15 2020 3 15 远距离控制液位的装置 压缩氮气自管口经调节阀通入 调节气体的流量使气流速度极小 只要在鼓泡观察室内看出有气泡缓慢逸出即可 若容器或设备的位置离操作室较远时 可采用如图所示的远距离液位测量装置 2020 3 15 远距离测定液位的方法 用U形压差计测量吹气管内的压力 其读数R的大小 即可反映出容器内的液位高度 关系为 贮罐内液体的密度 0 U型管内指示液的密度 2020 3 15 2020 3 15 3 液封高度的计算 若设备内要求气体的压力不超过某种限度时 液封的作用就是 当气体压力超过这个限度时 气体冲破液封流出