化工原理--流体流动--第一节-流体静力学基本方程ppt课件

2020 4 23 1 第一章流体流动 一 流体的密度二 流体的压强三 流体静力学方程四 流体静力学方程的应用 第一节流体静力学基本方程 2020 4 23 2 气体和液体统称流体 流体的特征是具有流动性 即其抗剪和抗张的能力很小 无固定形状 随容器的形状而变化 在外力作用下其内部发生相对运动 流体有多种分类方法 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 按流变特性可分为牛顿型和非牛顿型流体 化工生产的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的基本原理及其流动规律 1 管内适宜流速 管径及输送设备的选定 2 压强 流速和流量的测量 3 传热 传质等过程中适宜的流动条件的确定及设备的强化 本章内容包括 流体的基本概念 流体的静力学 流体在管道中流动的基本规律 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 流体的基本概念 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 流体流动的现象 5 流体流动阻力的计算及管路计算 流体静力学是研究流体在外力作用下的平衡规律 也就是说 研究流体在外力作用下处于静止或相对静止的规律 静止流体的规律实际上是流体在重力作用下内部压力变化的规律 流体静力学的基本原理在化工生产中有着广泛的应用 例如压力 液面的测量等 本节主要讨论流体静力学的基本原理及其应用 在此 首先介绍与此有关的几个物理量 2020 4 23 3 一 流体的密度 1 密度的定义 单位体积的流体所具有的质量 SI单位kg m3 2 影响密度的主要因素 3 密度的计算 理想气体在标况下的密度 操作条件 T P 下的密度 1 理想气体 2020 4 23 4 由理想气体方程求得操作条件 T P 下的密度 2 混合物密度 液体混合物的密度 m 取1kg液体 令液体混合物中各组分的质量分率分别为 假设混合后总体积不变 液体混合物密度计算式 气体混合物的密度 m 取1m3的气体为基准 令各组分的体积分率为 xvA xvB xVn 其中 i 1 2 n 2020 4 23 5 若混合前后 气体的质量不变 当V总 1m3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 4 与密度相关的几个物理量 1 比容 比体积 单位质量的流体所具有的体积 用 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 2020 4 23 6 二 流体的静压强 1 压强的定义 流体垂直作用于单位面积上的压力 称为流体的静压强 简称压强 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 换算关系为 2 压强的表示方法 1 绝对压强 绝压 以绝对零压 绝对真空 做起点计算的压强 是流体体系的真实压强称为绝对压强 2020 4 23 7 2 表压强 表压 以当时当地的大气压强 外界大气压强 做起点计算的压强 压强表上读取的压强值称为表压 3 真空度 真空表上读取的压强值称为真空度 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 表压强的关系为 应当指出 外界大气压随大气的温度 湿度和所在地区的海拔高度而变 为了避免绝对压强 表压强 真空度三者相互混淆 在以后的讨论中规定 对表压强和真空度均加以标注 如 4 103Pa 真空度 200KPa 表压 2020 4 23 8 三 流体静力学方程 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 液柱本身所受的重力 因为小液柱处于静止状态 两边同时除A 令 则得 2020 4 23 9 若取液柱的上底面在液面上 并设液面上方的压强为p0 取下底面在距离液面h处 作用在它上面的压强为p 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 2 方程的讨论 1 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 处于同一水平面上各点的压强相等 3 当液面上方的压强P0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 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 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 2020 4 23 10 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 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 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 4 23 11 2020 4 23 12 四 流体静力学方程的应用 1 U型管压差计 1 压强与压强差的测量 根据流体静力学方程 当管子平放时 两点间压差计算公式 2020 4 23 13 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 当p1 p2值较小时 R值也较小 若希望读数R清晰 可采取三种措施 两种指示液的密度差尽可能减小 采用倾斜U型管压差计 微差压差计 2 倾斜U型管压差计 假设垂直方向上的高度为Rm 读数为R1 与水平倾斜角度 2020 4 23 14 3 微差压差计 U型管两侧管的顶端增设两个小扩大室 其内径与U型管的内径之比大于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 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 2020 4 23 15 例 用3种压差计测量气体的微小压差 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的多少倍 已知 苯的密度 水的密度 计算时可忽略气体密度的影响 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 2020 4 23 16 2 液位的测定 由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度h 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 液位计的原理 遵循静止液体内部压强变化的规律 是静力学基本方程的一种应用 液柱压差计测量液位的方法 2020 4 23 17 远距离控制液位的方法 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 压差计读数R的大小 反映出贮罐内液面的高度h 2020 4 23 18 例 利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两相界面位置 已知两吹气管出口的间距为H 1m 压差计中指示液为水银 煤油 水 水银的密度分别为800kg m3 1000kg m3 13600kg m3 求当压差计指示R 67mm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型管两侧的气体流动阻力造成的压强差 则 表 表 2020 4 23 19 2020 4 23 20 3 液封高度的计算 液封需有一定的液位 其高度的确定就是根据流体静力学基本方程式 液封的作用 1 若设备内为负压操作 其作用是 当气体压力超过这个限度时 气体冲破液封流出 又称为安全性液封 2 若设备内要求气体的压力不超过某种限度时 液封的作用就是 防止外界空气进入设备内 2020 4 23 21 例1 如图所示 某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10 7 103Pa 表压 需在炉外装有安全液封 其作用是当炉内压强超过规定 气体就从液封管口排出 试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h 解 过液封管口作基准水平面o o 在其上取1 2两点 2020 4 23 22 例2 真空蒸发器操作中产生的水蒸气 往往送入本题附图所示的混合冷凝器中与冷水直接接触而冷凝 为了维持操作的真空度 冷凝器的