化工原理(南京理工大学)01流体流动(1)_流体静力学.ppt

1、化工原理（上）,第一章 流体流动 （1）流体静力学,1.0 概述,研究流体流动问题的重要性 主要研究方法,流体是气体与液体的总称。 流体是可改变形状而具有流动性的一种物质状态。,1. 研究流体流动问题的重要性,连续介质假定：假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。,2. 主要研究方法,1.1 流体静力学,流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡，而处于相对静止状态下的规律。 对于在地球上进行的化工生产，研究特定的地球环境下流体静力学的具体形式更具有实用意义。故本次课所涉及流体平衡都是在重力存在情况下的

2、平衡。,1.1.1 密度 一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。,二、单组分流体密度,kg/m3,(1),液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其 变化关系可从手册中查得。 气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：,(2),三、混合流体密度,混合流体密度的影响因素除了压强p、温度T外，还有其组成xi。,近似计算方法的理论基础是理想流体的概念： 压强p温度T下各纯净理想流体混合所得相同条件下混合流体，其体积等于混合前各纯流体的体积和。 质量守恒： 混合前后流体的总质量相等。,已知各组分体积分率,各组分的体积分率。,(3),已知各组分质量分率,液体混合物中各组分的质

3、量分率。,(4),已知各组分摩尔分率,液体混合物中各组分的摩尔分率。,(5),混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,(6),对于中低压下的气体,四、比容,定义：单位质量流体具有的体积，即密度的倒数称为比容。,m3/kg,(7),五、重度与比重,重度：工程单位制中，表示物质致密程度的相关概念。定义为物质单位体积受的重力，其数值与密度相同，单位：kgf/m3。 比重：流体密度与纯水（4）密度之比，其数值为密度的1/1000。,1.1.2 压力与压强,压力Fv：垂直于作用面，并指向该作用面内的力； 压强p：单位面积上表面所受的压力。,N/m2或Pa,(8),S 受力面积（m

4、2）。,压强的SI单位是Pa，称为帕斯卡。 习惯上还有一些常用单位，如：标准大气压（atm）、液柱高度、bar（巴）及kgf/cm2等。这些单位间换算关系为： 1atm = 1.013105Pa = 1.0133bar = 760mmHg = 10.33mH2O = 1.033at,常见压强单位及其换算关系,压力的测量,加压,受力分析,流体压强,通大气,压强的表示方法,绝对压强 以绝对真空为基准测得的压强。 表压或真空度 以大气压为基准测得的压强。,表 压 = 绝对压强 大气压强 真空度 = 大气压强 绝对压强,静流体压强的特点： 流体作用力与作用面垂直； 任意截面两侧所受压力，大小相等、方向

5、相反； 作用于任意点不同方向上的压强在数值上均相同。,1.1.3 流体静力学基本方程,流体静力学基本方程是用于描述静止流体内部，流体在重力和气压作用下的平衡规律。描述这一规律的数学表达式称为流体静力学基本方程。 研究推导方法：微元法。,重力场中液柱受力分析：,（1）上端面所受总压力,x,pz1,pz2,z,（2）下端面所受总压力,+z,-z,z方向,（1）右端面所受总压力,（2）左端面所受总压力,x方向,x,p0,pz1,px2,pz2,px1,z,液柱的重力,设流体不可压缩，,x,p0,pz1,G,dz,px2,pz2,px1,z,液柱处于静止时，各方向上液柱受力为零:,流体静力学方程的微分

6、形式。,z方向,x方向,(9),pz1,G,px2,pz2,px1,流体静力学基本方程：,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变 。,基本方程的讨论,适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体； 物理意义：,在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。 压强具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,例1：如图所示，容器内气体表压为p，请问管中液体与容器中液体的高度差为多少？（液体为均匀液体，密度为）,p,1. 压力及压力差的测量,（1）U形压差计,1.1.4 静力学基本

7、方程的应用,基本方程,例2：U形管压差计测水平管中流体压差，如右图所示，请问1、2两截面处流体压强差为多少？（指示液A、管中流体B）,p1,p2,m,R,1,2,a,b,所以,整理得,若被测流体是气体， ，则有,讨论：,a. 当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,b. 指示液的选取： 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？,b,1,2,例3 如图所示，水在水平管道内流动。为测量某截面处的流体压力，直接在该处连

8、接一U形压差计，,指示液为水银，读数 R200mm，m900mm。水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的表压。,（2） 倒U形压差计,指示剂密度小于被测流体密度， 如以空气作为指示剂,待测液B,指示剂为空气时，,指示流体A,（3） 倾斜U形管压差计,（4）双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应 大于10 。,密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ；,适用于压差较小的场合。,（5）复式压差计 相反，如果一个U形管压差计量程不够如何处理？,将U形管压差计串联,例4 如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。 试计算锅炉内水面上方 的蒸汽压力。,2. 液位测量,（1）近距离液位测量装置,压差计读数R反映出容器内的液面高度。,液面越高，h越小，压