化工基础第一章(概述、流体静力学).ppt

1.1流体概述流体概述1、流体的定义和分类、流体的定义和分类2、流体的特征、流体的特征3、作用在流体上的力、作用在流体上的力4、连续介质假定、连续介质假定1.2流体静力学流体静力学1、流体的密度、流体的密度2、流体的静压强、流体的静压强3、流体静力学基本方程式、流体静力学基本方程式4、流体静力学基本方程式的应用、流体静力学基本方程式的应用第一章第一章流体的流动及输送2023/4/251.1 流体概述流体概述1.1.1 流体的定义和分类流体的定义和分类 1、定义、定义 凡能在外力的作用下，任意改变形状的物体。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。气体（含蒸汽）和液体统称流体。2023/4/252023/4/252、分类、分类（1）按）按状态状态分为气体、液体和超临界流体。分为气体、液体和超临界流体。（2）按）按可压缩性可压缩性可分为不可压缩流体和可压缩流体。可分为不可压缩流体和可压缩流体。（3）依是否可忽略）依是否可忽略分子间作用力分子间作用力分为理想流体和粘性（实际）分为理想流体和粘性（实际）流体。流体。（4）按）按流变特性流变特性（剪力与速度梯度之间关系）分牛顿型和非（剪力与速度梯度之间关系）分牛顿型和非牛顿型流体。牛顿型流体。2023/4/251.1.2 流体的特征流体的特征 1、流动性，即抗剪抗张的能力很小；、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、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；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、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。构的复杂性。2023/4/251.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力 外界作用于流体上的外界作用于流体上的力有两种力有两种，即质量力和表面力。，即质量力和表面力。1、质量力（又称体积力）、质量力（又称体积力）质量力作用于流体的质量力作用于流体的每个质点上每个质点上，并与流体的，并与流体的质量成正比质量成正比，对于均质流体也与流体的体积成正比。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流体在重力场中受到重力重力、在离心力场中受到的、在离心力场中受到的离心力离心力都都是典型的质量力。是典型的质量力。2023/4/252、表面力（又称接触力或机械力）、表面力（又称接触力或机械力）表面力与流体的表面力与流体的表面积成正比表面积成正比。作用于流体中任一微小表面上的力又可作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类分为两类，即，即垂直垂直于表面的力于表面的力和和平行于表面的力平行于表面的力。前者为。前者为压力压力，后者为，后者为剪力剪力（切力）（切力）。静止流体静止流体只受到压力的作用，而只受到压力的作用，而流动流体流动流体则同时受到两类则同时受到两类表面力的作用。表面力的作用。2023/4/251.1.4 连续介质假定连续介质假定 从从微观微观讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分讲，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。子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。工程上工程上，在研究流体流动时，常从宏观出发，将流体视为，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。由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。质点：质点：是指由大量分子构成的微团，其尺寸是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于远小于设备尺设备尺寸，但却寸，但却远大于远大于分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连续介质。，即流体充满所占空间，为连续介质。2023/4/251、密度定义、密度定义1.2.1 流体的密度流体的密度单位体积的流体所具有的质量，单位体积的流体所具有的质量，;SI单位单位kg/m3。-流体的密度，流体的密度，kg/m3；m-流体的质量，流体的质量，kg；V-流体的体积，流体的体积，m3。1.2 流体静力学流体静力学2023/4/252、影响、影响的主要因素的主要因素气体：气体：液体：液体：不可压缩性流体不可压缩性流体可压缩性流体可压缩性流体2023/4/253、气体密度的计算、气体密度的计算理想气体在标况下的密度为：理想气体在标况下的密度为：例如：标况下的空气密度为：例如：标况下的空气密度为：操作条件下操作条件下（T,P）下的密度：下的密度：2023/4/25或或 对于对于混合气体混合气体，可用平均摩尔质量，可用平均摩尔质量Mm代替代替M。MmM1y1M2y2MnynMi-各组分的摩尔质量；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）。各组分的摩尔分率（体积分率或压强分率）。或或 2023/4/254、液体的密度、液体的密度 基本上不随压强而变化，随温度略有改变。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（常见纯液体的密度值可查有关手册（注意所指温度注意所指温度）。）。混合液体的密度混合液体的密度，在忽略混合体积变化条件下，可用下式，在忽略混合体积变化条件下，可用下式估算（以估算（以1kg混合液为基准），即：混合液为基准），即：i-各纯组分的密度，各纯组分的密度，kg/m3；wi-各纯组分的质量分率。各纯组分的质量分率。2023/4/25（1）比比体体积积（比比容容）：单单位位质质量量的的流流体体所所具具有有的的体体积积，用用v表示，单位为表示，单位为m3/kg。(2)比比重重(相相对对密密度度)：某某物物质质的的密密度度与与4下下的的水水的的密密度度的的比比值，用值，用 d 表示。表示。在数值上在数值上:5、与密度相关的几个物理量、与密度相关的几个物理量2023/4/251.2.2 流体的静压强流体的静压强1、压强的定义、压强的定义 流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强静压强，简，简称称压强压强。即：。即：p-流体的静压强，流体的静压强，Pa；F-垂直作用于流体表面上的压力，垂直作用于流体表面上的压力，N；A-作用面的面积，作用面的面积，m2。2023/4/25换算关系换算关系为：为：2、压强的单位、压强的单位 SI制单位制单位：N/m2，即即Pa。其它常用单位其它常用单位有：有：atm（标标准准大大气气压压）、工工程程大大气气压压kgf/cm2、bar；流流体体柱柱高高度度（mmH2O，mmHg等）。等）。2023/4/253、压强的基准、压强的基准 （1 1）绝对零压）绝对零压(真空真空)以绝对零压为基准所测得的压强称为以绝对零压为基准所测得的压强称为绝对压强绝对压强。（2）当时当地的大气压当时当地的大气压 以以当当时时当当地地的的大大气气压压为为基基准准所所测测得得的的压压强强称称为为表表压压或或真真空空度度。表压强表压强绝对压强绝对压强大气压强大气压强 真空度大气压强绝对压强表压真空度大气压强绝对压强表压2023/4/252023/4/25绝对压强、真空度、表压强的关系图绝对压强、真空度、表压强的关系图 绝对零压线绝对零压线大气压强线大气压强线A绝绝对对压压强强表表压压强强B绝对压强绝对压强真空度真空度 当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如如：4103Pa（真空度）、真空度）、200KPa（表压）。表压）。2023/4/25压力表2023/4/25弹簧压力表的内部结构2023/4/252023/4/251、方程的推导、方程的推导在在11截面受到垂直向下的压力：截面受到垂直向下的压力：在在22 截面受到垂直向上的压力：截面受到垂直向上的压力：小液柱本身所受的重力：小液柱本身所受的重力：因为小液柱处于静止状态因为小液柱处于静止状态，1.2.3 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式2023/4/25两边同时除两边同时除A该式说明该式说明：在同一种静止流体中不同高度上的静压能和位能：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。各不相同，但其总能量保持不变。2023/4/25若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为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。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取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为处，作用在它上面的压强为P 令令 则得：则得：2023/4/252、方程的讨论、方程的讨论（1）当当液液体体的的种种类类一一定定时时，液液体体内内部部压压强强P是是随随P0和和h的改变而改变的，即：的改变而改变的，即：（2）当当容容器器液液面面上上方方压压强强P0一一定定时时，静静止止液液体体内内部部的压强的压强P仅与垂直距离仅与垂直距离h有关，即：有关，即：结论：处于同一水平面上各点的压强相等。结论：处于同一水平面上各点的压强相等。2023/4/25（3）当当液液面面上上方方的的压压强强改改变变时时，液液体体内内部部的的压压强强也也随随之之改改变变，即即：液液面面上上所所受受的的压压强强能能以以同同样样大大小小传传递递到到液液体体内内部部的的任任一一点点。【帕帕斯斯卡卡（巴巴斯斯噶噶）原原理理】【如：如：液压千斤顶液压千斤顶】（4）从从流流体体静静力力学学的的推推导导可可以以看看出出，它它们们只只能能用用于于静静止止的的连连通通着着的的同同一一种种流流体体的的内内部部，对对于于间间断断的的并并非单一流体的内部非单一流体的内部则不满足这一关系。则不满足这一关系。2023/4/25（5）可以改写成可以改写成 压压强强差差的的大大小小可可利利用用一一定定高高度度的的液液体体柱柱来来表表示示，这这就就是是液液体体压压强强计计的的根根据据，在在使使用用液液柱柱高高度度来来表表示示压强或压强差时，需压强或压强差时，需指明何种液体指明何种液体。（6)方方程程是是以以不不可可压压缩缩流流体体推推导导出出来来的的，对对于于可可压压缩性的气体，只缩性的气体，只适用于压强变化不大的情况适用于压强变化不大的情况。2023/4/25 液压传动液压传动所基于的最所基于的最基本的原理基本的原理就是就是巴斯噶巴斯噶原理，就是原理，就是说，液体各说，液体各处的压强是处的压强是一致的。一致的。液压千斤顶液压千斤顶2023/4/25例例：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密度密度1800 kg/m3，水层高度，水层高度h2=0.6m，密密度为度为2 1000kg/m3（1）判判断断下下列列两两关关系系是是否成立？否成立？PAPA，PBPB。（2）计算玻璃管内水的高计算玻璃管内水的高度度h。2023/4/25解：解：（1）判断题给两关系是否成立）判断题给两关系是否成立 A，A在在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上静止的连通着的同一种液体的同一水平面上 因因B，B虽虽在在同同一一水水平平面面上上，但但不不是是连连通通着着的的同同一一种种液液体体，即截面即截面BB不是等压面，故：不是等压面，故：2023/4/25（2）计算水在玻璃管内的高度）计算水在玻璃管内的高度hPA和和PA又分别可用流体静力学方程表示又分别可用流体静力学方程表示 设大气压为设大气压为Pa2023/4/252023/4/251.2.4 流体静力学方程式的应用流体静力学方程式的应用1 1、压强与压强差的测量、压强与压强差的测量（1）U型管压差计型管压差计U型管压差计的构造型管压差计的构造透明的透明的U型玻璃管；型玻璃管；刻度尺；刻度尺；指示液。指示液。2023/4/252023/4/25U型管压差计的测压原理型管压差计的测压原理两点间压差计算公式两点间压差计算公式而而整理得：整理得：2023/4/25当被测的流体为当被测的流体为气体气体时，时，0，可忽略，则：可忽略，则：若若U型型管管的的一一端端与与被被测测流流体体相相连连接接，另另一一端端与与大大气气相相通通，那那么么读读数数R就就反反映映了了被被测测流流体体的的绝绝对对压压强强与大气压之差，也就是被测流体的与大气压之差，也就是被测流体的表压表压。几点讨论几点讨论2023/4/25当当P1P2值值较较小小时时，R值值也也较较小小，若若希希望望读读数数R清清晰晰，可可采采取取措措施施是是：使使用用倾倾斜斜U型型管管压压差差计计、微微差差压差计。压差计。当当P1P2值值较较大大时时，R值值也也很很大大，为为了了测测量量的的方方便，可采取措施是：使用便，可采取措施是：使用复式压差计。复式压差计。2023/4/25（2）微差压差计微差压差计U型型管管的的两两侧侧管管的的顶顶端端增增设设两两个个小小扩扩大大室室,其其内内径径与与U型型管管的的内内径径之之比比10，装装入入两两种种密密度度接接近近且且互互不不相相溶溶的的指指示示液液A和和C，且且指指示示液液C与与被被测测流流体体B亦不互溶。亦不互溶。微差压差计的结构微差压差计的结构2023/4/25根据流体静力学方程可以导出：根据流体静力学方程可以导出：微微差差压压差差计计两两点点间间压压差差计算公式计算公式 可认为即使可认为即使U管内管内指示液指示液A的液面差的液面差R 较大，但两扩大室较大，但两扩大室内内指示液指示液C的液面变化微小，的液面变化微小，可近似认为维持在同一水平面。可近似认为维持在同一水平面。微差压差计的测压原理微差压差计的测压原理2023/4/252023/4/25例例：用用U型管压差计测量气体在水平管路上两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，其密度截面的压强差。指示液为水，其密度0为为1000kg/m3，读数为读数为12mm。为了放大读数，为了放大读数，改用改用微差压差计微差压差计，指示液，指示液A是含是含40酒精的水酒精的水溶液溶液，密度，密度A为为920kg/m3,指示液指示液C是是煤油煤油，密度密度C为为850kg/m3。问读数可以放大到多少问读数可以放大到多少？若两者之读数误差均为？若两者之读数误差均为2mm，问相对误差问相对误差各为多少？各为多少？2023/4/25（3）复式压差计复式压差计 当系统内两处当系统内两处压强差很大压强差很大时，将会导致时，将会导致U型管内指示型管内指示液的高度差很大，给液的高度差很大，给读数读数带来困难带来困难。此时，可使用。此时，可使用复式压差计。复式压差计。压差计算公式为：压差计算公式为：2023/4/252、液位的测定、液位的测定 在化工生产中，经常要在化工生产中，经常要了解容器内液体的贮存量了解容器内液体的贮存量，或，或对设对设备内的液位进行控制备内的液位进行控制，因此，常常需要测量液位。，因此，常常需要测量液位。如图所示的是利用如图所示的是利用U形压差计进行形压差计进行近距离液位测量装置近距离液位测量装置。在容器或设备。在容器或设备1的外边设一的外边设一平衡室平衡室2，其中所装的液，其中所装的液体与容器中相同，液面高度维持在容体与容器中相同，液面高度维持在容器中液面允许到达的器中液面允许到达的最高位置最高位置。用一。用一装有指示剂的装有指示剂的U形压差计形压差计3把容器和把容器和平衡室连通起来。平衡室连通起来。2023/4/25液柱压差计测量液位的方法：液柱压差计测量液位的方法：分分析析可可知知：当当R0时时，容容器器内内的的液液面面高高度度将将达达到到允允许许的的最最大大高高度度；容容器器内内液液面面愈愈低低，压压差差计计读读数数R 越大。越大。由压差计指示液的读数由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度，关可以计算出容器内液面的高度，关系为：系为：2023/4/252023/4/25远距离控制液位的装置远距离控制液位的装置压缩氮气自管口压缩氮气自管口经调节阀通入，调经调节阀通入，调节气体的流量使气节气体的流量使气流速度流速度极小极小，只要，只要在鼓泡观察室内看在鼓泡观察室内看出出有气泡缓慢逸出有气泡缓慢逸出即可。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远距离液位测量装置。2023/4/25远距离测定液位的方法远距离测定液位的方法 用用U形压差计测量吹气管内的压力，其读数形压差计测量吹气管内的压力，其读数R的大的大小，即可反映出容器内的液位高度，关系为：小，即可反映出容器内的液位高度，关系为：贮贮罐内液体的密度；罐内液体的密度；0U型管内指示液的密度。型管内指示液的密度。2023/4/252023/4/253、液封高度的计算、液封高度的计算 若若设设备备内内要要求求气气体体的的压压力力不不超超过过某某种种限限度度时时，液液封封的的作作用用就就是：是：当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为安安全性液封全性液封。液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据流体静力学流体静力学基本方程式基本方程式。防止外界空气进入设备内。防止外界空气进入设备内。若设备内为若设备内为负压负压操作，其作用是：操作，其作用是：液封的作用：液封的作用：2023/4/252023/4/25例例：如如图图所所示示，某某厂厂为为了了控控制制乙乙炔炔发发生生炉炉内内的的压压强强不不超超过过10.7103Pa（表表压压），需需在在炉炉外外装装有有安安全全液液封封，其其作作用用是是当当炉炉内内压压强强超超过过规规定定，气气体体就就从从液液封封管管口口排排出出，试试求求此此炉炉的的安安全全液封管应插入槽内水面下的深度液封管应插入槽内水面下的深度h。解解：过液封管口作基准水平面：过液封管口作基准水平面o-o，在其上取在其上取1，2两点。两点。2023/4/25