化工原理 流動流體

化工原理課件流動流體第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第一章流體流動.學(xué)習(xí)要求1.本章學(xué)習(xí)目的

通過本章學(xué)習(xí)，重點掌握流體流動的基本原理、管內(nèi)流動的規(guī)律，并運(yùn)用這些原理和規(guī)律去分析和解決流體流動過程的有關(guān)問題，諸如：（1）

流體輸送：流速的選擇、管徑的計算、流體輸送機(jī)械選型。（2）

流動參數(shù)的測量：如壓強(qiáng)、流速的測量等。（3）

建立最佳條件：選擇適宜的流體流動參數(shù)，以建立傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的最佳條件。此外，非均相體系的分離、攪拌（或混合）都是流體力學(xué)原理的應(yīng)用。第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

2

本章應(yīng)掌握的內(nèi)容

（1）流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用；（2）

連續(xù)性方程、柏努利方程的物理意義、適用條件、解題要點；（3）

兩種流型的比較和工程處理方法；（4）

流動阻力的計算；（5）

管路計算。3.

本章學(xué)時安排授課14學(xué)時，習(xí)題課4學(xué)時。

第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日1.0

概述

流體流動的考察方法第一章

流體流動第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

流體流動規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)：（1）流體存在的廣泛性：管道、設(shè)備中絕大多數(shù)物質(zhì)都是流體。（2）流體的輸送：研究流體的流動規(guī)律以便進(jìn)行管路的設(shè)計、輸送機(jī)械的選擇及所需功率的計算。（3）壓強(qiáng)、流速及流量的測量：為了了解和控制生產(chǎn)過程，需要對管路或設(shè)備內(nèi)的壓強(qiáng)、流量及流速等一系列的參數(shù)進(jìn)行測量，這些測量儀表的操作原理又多以流體的靜止或流動規(guī)律為依據(jù)的。（4）流動對傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響：化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)過程都是在流體流動的情況下進(jìn)行的。第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日流體流動的考察方法一.

連續(xù)性假設(shè)1、流體：液體和氣體的總稱。

流體具有三個特點

（1）流動性，即抗剪抗張能力都很小

（2）無固定形狀，隨容器的形狀而變化。（3）在外力作用下流體內(nèi)部發(fā)生相對運(yùn)動2、流體質(zhì)點：含有大量分子的流體微團(tuán)。分子自由程<流體質(zhì)點尺寸<設(shè)備尺寸第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日二.

定態(tài)流動（穩(wěn)定流動）定義：流體流動時的各參數(shù)不隨時間而變化，僅為位置的函數(shù)，這種流動過程稱為定態(tài)流動。例如流速u，定態(tài)：u=f(x,y,z)，液面不變。非定態(tài)：u=f(x,y,z,t)，液面變化。連續(xù)生產(chǎn)過程中的流體流動，多為穩(wěn)定流動，在開工或停工階段，則可能屬于不穩(wěn)定流動。生產(chǎn)以穩(wěn)定流動為主。第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日1.1.

流體靜力學(xué)1.1.1.

流體密度與比容1.1.1.流體靜壓強(qiáng)1.1.3.

流體靜力學(xué)方程1.1.4.

流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用第一章

流體流動第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

1.1.1流體密度與比容

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的主要因素第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日液體：——不可壓縮性流體氣體：——可壓縮性流體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，

操作條件下（T,P）下的密度：

第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日由理想氣體方程求得操作條件（T,P）下的密度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，第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日——液體混合物密度計算式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第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日混合物中各組分的質(zhì)量為：當(dāng)V總=1m3時，若混合前后,氣體的質(zhì)量不變，

當(dāng)V總=1m3時,

——氣體混合物密度計算式當(dāng)混合物氣體可視為理想氣體時,

——理想氣體混合物密度計算式第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日5.與密度相關(guān)的幾個物理量

1）比容：單位質(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:第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日1.1.2靜壓強(qiáng)

1、定義：流體垂直作用于單位面積上的靜壓力。2、特點：某一點不同方向上的壓強(qiáng)在數(shù)值上相等，空間各點p＝f（x,y,z）3、壓強(qiáng)的單位

（1）按壓強(qiáng)的定義，壓強(qiáng)是單位面積上的壓力，單位Pa。1bar=105Pa。常用單位有：Pa、KPa、Mpa。（2）直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。（3）以大氣壓強(qiáng)表示：atm（物理大氣壓）、at（工程大氣壓）1atm=1.0105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at=9.81104Pa=735mmHg=10mH2O第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日4、靜壓強(qiáng)的表示方法

絕對壓強(qiáng)：以絕對真空為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)；表壓強(qiáng)：以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)。真空度：表壓強(qiáng)以大氣壓為起點計算，所以有正負(fù)，負(fù)表壓強(qiáng)就稱為真空度。

三者之間的關(guān)系為：表壓=絕對壓強(qiáng)—大氣壓強(qiáng)

真空度=大氣壓強(qiáng)—絕對壓強(qiáng)第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日絕壓/表壓/真空度的定義及關(guān)系PA,絕pA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕表壓強(qiáng)=絕對壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對壓強(qiáng)PA,絕pA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日若已知某地的大氣壓力為750mmHg，而設(shè)備A內(nèi)壓力為1000mmHg，則PA表=_____

mmHg=______Pa。若設(shè)備B的真空度為300mmHg，則PB（絕）=______mmHg。PA,絕pA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕

流體壓強(qiáng)具有以下兩個重要特性：

①流體壓力處處與它的作用面垂直，并且總是指向流體的作用面；

②流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

如圖所示：容器中盛有密度為的靜止液體。現(xiàn)從液體內(nèi)部任意劃出一底面積為A的垂直液柱。若以容器底部為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為z1和z2，以p1和p2分別表示高度為z1和z2處的壓力，液面上方的壓力為p0。分析垂直方向上液柱的受力：向上：p2A向下：p1AG＝

gA(z1-z2)1、方程的推導(dǎo)Z1Z2P2P1Pa

G1.1.3流體靜力學(xué)基本方程

(Basicequationsoffluidstatics)

第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)液柱處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時，說明作用在此液柱上諸力的合力為零，即：p2A－p1A－gA(z1-z2)＝0化簡得：p2＝

p1＋g(z1-z2)(1)或：p2－p1g=z1-z2(2)若液柱上表面取在液面上，令z1-z2=h，則上式可寫為：(3)p2－p0g=h(4)上述式子均稱為流體靜力學(xué)基本方程式。它反映了流體不受水平外力作用，只在重力作用下流體內(nèi)部壓力（壓強(qiáng)）的變化規(guī)律。壓強(qiáng)形式能量形式PaJ/kgm能量形式第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2、方程的討論1）推導(dǎo)條件：重力場，不可壓縮，連續(xù)，靜止，同一流體。2)由方程可知，當(dāng)p0改變時，液體內(nèi)部各點的壓力也將發(fā)生同樣大小的改變—帕斯卡原理。3)當(dāng)容器液面上方的壓力p0一定時，靜止液體內(nèi)任一點壓力的大小，與液體本身的密度和該點距液面的深度

h

有關(guān)。因此，在靜止的、連通的同一種液體內(nèi)，處于同一水平面上的各點的壓力都相等。此壓力相等的面，稱為等壓面。第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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。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，對于間斷的并非單一流體的內(nèi)部則不滿足這一關(guān)系。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日6.考察公式，

gz：單位質(zhì)量流體所具有的位能。

p/ρ：單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能。第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

上式表明靜止流體存在著兩種形式的勢能------位能和靜壓能，處于不同位置的流體的位能和靜壓能各不相同，但其總勢能則保持不變。以/ρ表示單位質(zhì)量流體的總勢能，則上式可改寫為/ρ＝常數(shù)。為虛擬壓強(qiáng)，則靜止流體中虛擬壓強(qiáng)處處相等。7.一般液體的密度可視為常數(shù)，而氣體密度則隨壓力而改變。但考慮到氣體密度隨容器高低變化甚微，一般也可視為常數(shù)，故靜力學(xué)基本方程亦適用于氣體。第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

例：圖中開口的容器內(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）計算玻璃管內(nèi)水的高度h。第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日解：（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

第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日1.1.4靜力學(xué)方程的應(yīng)用1)壓力計1、壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測量單管壓力計U型管壓力計思考：如何測表壓或真空度？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。

第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2）U型管壓差計根據(jù)流體靜力學(xué)方程第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)被測的流體為氣體時，

可忽略,則

，當(dāng)管子平放時：思考：當(dāng)壓差很小的時候，希望讀數(shù)準(zhǔn)確，有什么辦法？第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)P1-P2值較小時，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、

采用微差壓差計。3）傾斜U型管壓差計假設(shè)垂直方向上的高度為Rm，讀數(shù)為R1，與水平傾斜角度α

第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日4)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。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第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日試問：1）用普通壓差計，以苯為指示液，其讀數(shù)R為多少？

例：用3種壓差計測量氣體的微小壓差

2）用傾斜U型管壓差計，θ=30°，指示液為苯，其讀數(shù)R’為多少？3）若用微差壓差計，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

計算時可忽略氣體密度的影響。

第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2）傾斜U型管壓差計

3）微差壓差計故：解：1）普通管U型管壓差計第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2、液位的測定

液位計的原理——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。

液柱壓差計測量液位的方法：

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。當(dāng)R＝0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。第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日遠(yuǎn)距離控制液位的方法：

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。

壓差計讀數(shù)R的大小，反映出貯罐內(nèi)液面的高度

。

第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日

例：利用遠(yuǎn)距離測量控制裝置測定一分相槽內(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)壓差計指示R＝67mm時，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)的氣體流動阻力造成的壓強(qiáng)差，則：第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日（表）(表）第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日P00水氣體h0目的：（1）恒定設(shè)備內(nèi)的壓力，防止超壓；（2）防止氣體外泄；

水封

安全液封h0