流體流動(dòng)課件

第一章流體流動(dòng)第一節(jié)流體靜止的基本方程第一章流體流動(dòng)第一節(jié)流體靜止的基本方程概述

流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)宏觀規(guī)律的科學(xué)稱為流體力學(xué)。流體力學(xué)分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)?；どa(chǎn)中所處理的原料、中間體和產(chǎn)品，大多數(shù)是流體。按生產(chǎn)工藝要求，制造產(chǎn)品時(shí)往往把它們依次輸送到各設(shè)備內(nèi)，進(jìn)行藥物反應(yīng)或物理變化，制成的產(chǎn)品又常需要輸送到貯罐內(nèi)貯存。過(guò)程進(jìn)行的好壞、動(dòng)力消耗及設(shè)備的投資都與流體的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。

概述流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。

流體的特征是分子之間的內(nèi)聚力極小，幾乎有無(wú)限的流動(dòng)性，而且可以幾乎毫無(wú)阻力地將其形狀改變。當(dāng)流速低于聲速時(shí)，氣體和液體的流動(dòng)具有相同的規(guī)律。一般說(shuō)來(lái)，液體的形狀與容器相同，具有一定的自由表面，其體積幾乎不隨壓強(qiáng)和溫度而改變。與之相反，氣體的形狀與容器完全相同，完全充滿整個(gè)容器，其體積隨壓強(qiáng)和溫度的變化而有明顯改變。流體的體積隨壓強(qiáng)和溫度而變的這個(gè)性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。流體的特征是分子之間的內(nèi)聚力極小，幾乎有無(wú)限的流

一、流體的密度

密度定義

單位體積的流體所具有的質(zhì)量，ρ;SI單位kg/m3。2.影響ρ的主要因素任何流體的密度，都隨它的溫度和壓強(qiáng)變化。但壓強(qiáng)對(duì)液體的密度影響很小，可忽略不計(jì)，故常稱液體為不可壓縮的流體。一、流體的密度密度定義2.影響ρ的主要因素任何流體的密3.氣體密度的計(jì)算理想氣體在標(biāo)況下的密度為：

例如：標(biāo)況下的空氣，

一定溫度、壓強(qiáng)下的密度：

3.氣體密度的計(jì)算理想氣體在標(biāo)況下的密度為：例如：標(biāo)況下4.混合物的密度1）液體混合物的密度ρm

取1kg液體，令液體混合物中各組分的質(zhì)量分率分別為:

假設(shè)混合后總體積不變，4.混合物的密度假設(shè)混合后總體積不變，——液體混合物密度計(jì)算式2)氣體混合物的密度取1m3的氣體為基準(zhǔn),令各組分的體積分率為:xvA,xvB,…,xVn,其中:i=1,2,….,n——液體混合物密度計(jì)算式2)氣體混合物的密度i=1,混合物中各組分的質(zhì)量為：當(dāng)V總=1m3時(shí)，若混合前后,氣體的質(zhì)量不變，

當(dāng)V總=1m3時(shí),

——?dú)怏w混合物密度計(jì)算式當(dāng)混合物氣體可視為理想氣體時(shí),

——理想氣體混合物密度計(jì)算式混合物中各組分的質(zhì)量為：當(dāng)V總=1m3時(shí)，若混合前后,氣體的5.與密度相關(guān)的幾個(gè)物理量

1）比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的流體所具有的體積，用υ表示，單位為m3/kg。

2）比重(相對(duì)密度)：某物質(zhì)的密度與4℃下的水的密度的比值，用d表示。在數(shù)值上:5.與密度相關(guān)的幾個(gè)物理量2）比重(相對(duì)密度)：某物質(zhì)例題分析1、下列敘述正確的是（）A．單元操作一定是物理性操作B．單元操作作用于不同化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，基本原理不相同。C．物系在自然變化時(shí)，如任其發(fā)展，未必能達(dá)到平衡狀態(tài).D．向某過(guò)程輸入的能量等于向某過(guò)程輸出的能量例題分析1、下列敘述正確的是（）例題分析2、O2在300K和5Mpa時(shí)的密度為多少？3、計(jì)算乙烯和丙烯混合氣在270C和150KPa時(shí)的密度?；旌蠚庵幸蚁┑捏w積分?jǐn)?shù)40%。例題分析2、O2在300K和5Mpa時(shí)的密度為多少？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(jiǎn)稱壓強(qiáng)。

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；流體柱高度（mmH2O，mmHg等）。

二、流體的靜壓強(qiáng)1、壓強(qiáng)的定義SI制單位：N/m2，換算關(guān)系為：2、壓強(qiáng)的表示方法1）絕對(duì)壓強(qiáng)（絕壓）：

流體體系的真實(shí)壓強(qiáng)稱為絕對(duì)壓強(qiáng)。

2）表壓

強(qiáng)（表壓）：壓力上讀取的壓強(qiáng)值稱為表壓。

表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)

真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對(duì)壓強(qiáng)=-表壓換算關(guān)系為：2、壓強(qiáng)的表示方法1）絕對(duì)壓強(qiáng)（絕壓）：流3）真空度：真空表的讀數(shù)

絕對(duì)壓強(qiáng)、真空度、表壓強(qiáng)的關(guān)系為

絕對(duì)零壓線大氣壓強(qiáng)線A絕對(duì)壓強(qiáng)表壓強(qiáng)B絕對(duì)壓強(qiáng)真空度當(dāng)用表壓或真空度來(lái)表示壓強(qiáng)時(shí)，應(yīng)分別注明。如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。

3）真空度：真空表的讀數(shù)絕對(duì)壓強(qiáng)、真空度、表壓強(qiáng)的關(guān)系為例題分析1、某設(shè)備A處表壓30KPa，B處真空度70Pa，A，B兩處相比（）A處絕壓低40KPaB處絕壓低40KpaC.處絕壓高100KpaD.處絕壓高100KPa2.某設(shè)備上真空表讀數(shù)為0.09MPa，若當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為0.1MPa，則設(shè)備內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)為_(kāi)__。A)101.33kPa；B)10kPa；C)0.91kPa；D)90kPa。3。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下下列四個(gè)壓強(qiáng),絕對(duì)壓強(qiáng)最高的是()A)10kPa(表)；B)10kPa(真)；C)10kPa；D)100kPa。4、已知某地大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,某生產(chǎn)設(shè)備上真空表讀數(shù)10mmHg,則以下正確的是()

A10.2米水柱B、絕對(duì)壓力750mmHg

C、絕對(duì)壓力1.02*105

D、表壓750mmHg

例題分析1、某設(shè)備A處表壓30KPa，B處真空度70Pa，A三、流體靜力學(xué)方程1、方程的推導(dǎo)在1-1’截面受到垂直向下的壓力在2-2’截面受到垂直向上的壓力：

小液柱本身所受的重力：

因?yàn)樾∫褐幱陟o止?fàn)顟B(tài)，三、流體靜力學(xué)方程1、方程的推導(dǎo)在1-1’截面受到垂直向下的兩邊同時(shí)除A令

則得：

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，作用在它上面的壓強(qiáng)為P

兩邊同時(shí)除A令則得：若取液柱的上底面在液面上，并設(shè)液面上——流體的靜力學(xué)方程

表明在重力作用下，靜止液體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律。2、方程的討論1）液體內(nèi)部壓強(qiáng)P是隨P0和h的改變而改變的2）當(dāng)容器液面上方壓強(qiáng)P0一定時(shí)，靜止液體內(nèi)部的壓強(qiáng)P僅與垂直距離h有關(guān)。處于同一水平面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)相等?！黧w的靜力學(xué)方程表明在重力作用下，靜止液體內(nèi)部壓3）當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)改變時(shí)，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(diǎn)。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(duì)于間斷的并非單一流體的內(nèi)部則不滿足這一關(guān)系。5）可以改寫(xiě)成

壓強(qiáng)差的大小可利用一定高度的液體柱來(lái)表示，這就是液體壓強(qiáng)計(jì)的根據(jù)，在使用液柱高度來(lái)表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差時(shí)，需指明何種液體。3）當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)改變時(shí)，液體內(nèi)部的壓強(qiáng)也隨之6)方程是以不可壓縮流體推導(dǎo)出來(lái)的，對(duì)于可壓縮性的氣體，只適用于壓強(qiáng)變化不大的情況。

例：圖中開(kāi)口的容器內(nèi)盛有油和水，油層高度h1=0.7m,

密度

，水層高度h2=0.6m，密度為

1）判斷下列兩關(guān)系是否成立

PA＝PA’，PB＝P’B。2）計(jì)算玻璃管內(nèi)水的高度h。6)方程是以不可壓縮流體推導(dǎo)出來(lái)的，對(duì)于可壓縮性的解：（1）判斷題給兩關(guān)系是否成立∵A，A’在靜止的連通著的同一種液體的同一水平面上

因B，B’雖在同一水平面上，但不是連通著的同一種液體，即截面B-B’不是等壓面，故（2）計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度hPA和PA’又分別可用流體靜力學(xué)方程表示

設(shè)大氣壓為Pa

解：（1）判斷題給兩關(guān)系是否成立因B，B’雖在同一流體流動(dòng)課件四、靜力學(xué)方程的應(yīng)用1、壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量1）U型管壓差計(jì)根據(jù)流體靜力學(xué)方程四、靜力學(xué)方程的應(yīng)用1、壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量1）U型管壓差計(jì)根當(dāng)被測(cè)的流體為氣體時(shí)，

可忽略,則

，——兩點(diǎn)間壓差計(jì)算公式若U型管的一端與被測(cè)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(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)與大氣壓之差，也就是被測(cè)流體的表壓。

當(dāng)P1-P2值較小時(shí)，R值也較小，若希望讀數(shù)R清晰，可采取三種措施：兩種指示液的密度差盡可能減小、采用傾斜U型管壓差計(jì)、

采用微差壓差計(jì)。當(dāng)管子平放時(shí)：當(dāng)被測(cè)的流體為氣體時(shí)，可忽略,則，——兩點(diǎn)間壓差計(jì)算公式2）傾斜U型管壓差計(jì)假設(shè)垂直方向上的高度為Rm，讀數(shù)為R1，與水平傾斜角度α

2)微差壓差計(jì)U型管的兩側(cè)管的頂端增設(shè)兩個(gè)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(cè)流體B亦不互溶。2）傾斜U型管壓差計(jì)2)微差壓差計(jì)U型管的兩側(cè)管的根據(jù)流體靜力學(xué)方程可以導(dǎo)出：——微差壓差計(jì)兩點(diǎn)間壓差計(jì)算公式

例：用3種壓差計(jì)測(cè)量氣體的微小壓差

試問(wèn)：1）用普通壓差計(jì)，以苯為指示液，其讀數(shù)R為多少？根據(jù)流體靜力學(xué)方程可以導(dǎo)出：——微差壓差計(jì)兩點(diǎn)間壓差計(jì)算公式

2）用傾斜U型管壓差計(jì)，θ=30°，指示液為苯，其讀數(shù)R’為多少？3）若用微差壓差計(jì)，其中加入苯和水兩種指示液，擴(kuò)大室截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于U型管截面積，此時(shí)讀數(shù)R〃為多少？

R〃為R的多少倍？已知：苯的密度

水的密度

計(jì)算時(shí)可忽略氣體密度的影響。

解：1）普通管U型管壓差計(jì)

2）用傾斜U型管壓差計(jì)，θ=30°，指示液為苯，2）傾斜U型管壓差計(jì)

3）微差壓差計(jì)故：2）傾斜U型管壓差計(jì)3）微差壓差計(jì)故：2、液位的測(cè)定

液位計(jì)的原理——遵循靜止液體內(nèi)部壓強(qiáng)變化的規(guī)律,是靜力學(xué)基本方程的一種應(yīng)用。

液柱壓差計(jì)測(cè)量液位的方法：

由壓差計(jì)指示液的讀數(shù)R可以計(jì)算出容器內(nèi)液面的高度。當(dāng)R＝0時(shí)，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(jì)讀數(shù)R越大。2、液位的測(cè)定液位計(jì)的原理——遵循靜止液體內(nèi)部壓強(qiáng)遠(yuǎn)距離控制液位的方法：

壓縮氮?dú)庾怨芸诮?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。

壓差計(jì)讀數(shù)R的大小，反映出貯罐內(nèi)液面的高度

。

遠(yuǎn)距離控制液位的方法：壓縮氮?dú)庾怨芸趬翰钣?jì)讀數(shù)

例：利用遠(yuǎn)距離測(cè)量控制裝置測(cè)定一分相槽內(nèi)油和水的兩相界面位置，已知兩吹氣管出口的間距為H＝1m，壓差計(jì)中指示液為水銀。煤油、水、水銀的密度分別為800kg/m3、1000kg/m3、13600kg/m3。求當(dāng)壓差計(jì)指示R＝67mm時(shí)，界面距離上吹氣管出口端距離h。

解：忽略吹氣管出口端到U型管兩側(cè)的氣體流動(dòng)阻力造成的壓強(qiáng)差，則：例：利用遠(yuǎn)距離測(cè)量控制裝置測(cè)定一分相槽內(nèi)油和水的兩（表）(表）（表）(表）3、液封高度的計(jì)算

液封的作用：

若設(shè)備內(nèi)要求氣體的壓力不超過(guò)某種限度時(shí)，液封的作用就是：

當(dāng)氣體壓力超過(guò)這個(gè)限度時(shí)，氣體沖破液封流出，又稱為安全性液封。若設(shè)備內(nèi)為負(fù)壓操作，其作用是：

液封需有一定的液位，其高度的確定就是根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式。防止外界空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)3、液封高度的計(jì)算液封的作用：例1：如圖所示，某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓強(qiáng)不超過(guò)10.7×103Pa（表壓），需在爐外裝有安全液封，其作用是當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)超過(guò)規(guī)定，氣體就從液封管口排出，試求此爐的安全液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度h。解：過(guò)液封管口作基準(zhǔn)水平面o-o’，在其上取1，2兩點(diǎn)。例1：如圖所示，某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓強(qiáng)不超過(guò)解：過(guò)液例2：真空蒸發(fā)器操作中產(chǎn)生的水蒸