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1、化工原理课件流动流体第1页，本讲稿共44页第一章第一章 流体流动流体流动 .学习要求学习要求1.本章学习目的本章学习目的通通过过本本章章学学习习，重重点点掌掌握握流流体体流流动动的的基基本本原原理理、管管内内流流动动的的规规律律，并并运运用用这这些些原原理理和和规规律律去去分分析析和和解解决决流流体体流流动动过过程程的的有关问题，诸如：有关问题，诸如：（1）流流体体输输送送：流流速速的的选选择择、管管径径的的计计算算、流流体体输输送机械选型。送机械选型。（2）流动参数的测量流动参数的测量：如压强、流速的测量等。如压强、流速的测量等。（3）建建立立最最佳佳条条件件：选选择择适适宜宜的的流流体体流
2、流动动参参数数，以以建建立立传传热、传质及化学反应的最佳条件。热、传质及化学反应的最佳条件。此此外外，非非均均相相体体系系的的分分离离、搅搅拌拌（或或混混合合）都都是是流流体体力力学学原理的应用。原理的应用。第2页，本讲稿共44页2本章应掌握的内容本章应掌握的内容（1 1）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；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；（2 2）连连连连续续续续性性性性方方方方程程程程、柏柏柏柏努努努努利利利利方方方方程程程程的的的的物物物物理理理理意意意意义义义义、适适适适用用用用条条条条件件件件、解题要点；解题要点；解题要点；解题要点；（3）
3、两种流型的比较和工程处理方法；两种流型的比较和工程处理方法；（4 4）流动阻力的计算；流动阻力的计算；流动阻力的计算；流动阻力的计算；（5）管路计算。管路计算。3.本章学时安排本章学时安排授课授课14学时，习题课学时，习题课4学时。学时。第3页，本讲稿共44页1.0概述概述流体流动的流体流动的考察方法考察方法第一章第一章 流体流动流体流动第4页，本讲稿共44页流体流动规律是本门课程的重要基础：流体流动规律是本门课程的重要基础：（1）流体存在的广泛性：管道、设备中绝大多数物质都是流体。）流体存在的广泛性：管道、设备中绝大多数物质都是流体。（2）流体的输送）流体的输送：研究流体的流动规律以便进行管
4、路的设计、输送：研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。机械的选择及所需功率的计算。（3）压强、流速及流量的测量）压强、流速及流量的测量：为了了解和控制生产过程，需要：为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。（4）流动对传热、传质及化学反应的影响：化工生产中的传热、）流动对传热、传质及化学反应的影响：化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行
5、的。传质过程都是在流体流动的情况下进行的。第5页，本讲稿共44页流体流动的考察方法流体流动的考察方法一一.连续性假设连续性假设1、流体：流体：液体和气体的总称。液体和气体的总称。流体具有三个特点流体具有三个特点（1）流动性，即抗剪抗张能力都很小流动性，即抗剪抗张能力都很小（2 2）无固定形状，随容器的形状而变化。）无固定形状，随容器的形状而变化。（3 3）在外力作用下流体内部发生相对运动）在外力作用下流体内部发生相对运动2 2、流体质点流体质点：含有大量分子的流体微团。：含有大量分子的流体微团。分子自由程分子自由程 流体质点尺寸流体质点尺寸 设备尺寸设备尺寸第6页，本讲稿共44页第7页，本讲稿
6、共44页二二二二.定态流动（稳定流动）定态流动（稳定流动）定态流动（稳定流动）定态流动（稳定流动）定义：流体流动时的各参数不随时间而变化，仅为位置的函数，这种流动过程称为定态流动。例如流速u，定态：u=f(x,y,z)，液面不变。非定态：u=f(x,y,z,t)，液面变化。连续生产过程中的流体流动，多为稳定流动，在开工或停工阶段，则可能属于不稳定流动。生产以稳定流动为主。第8页，本讲稿共44页1.1.流体静力学流体静力学1.1.1.流体密度与比容流体密度与比容1.1.1.流体静压强流体静压强1.1.3.流体静力学方程流体静力学方程1.1.4.流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用第一章第一章
7、 流体流动流体流动第9页，本讲稿共44页 1.1.1 1.1.1 流体密度与比容流体密度与比容1.密度定义密度定义单位体积的流体所具有的质量，;SI单位kg/m3。2.影响影响的主要因素的主要因素第10页，本讲稿共44页液体：不可压缩性流体不可压缩性流体气体：可压缩性流体可压缩性流体3.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：例如：标况下的空气，操作条件下（T,P）下的密度：第11页，本讲稿共44页 由理想气体方程求得操作条件（T,P）下的密度4.4.混合物的密度混合物的密度1）液体）液体混合物的密度混合物的密度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
8、积不变，第12页，本讲稿共44页液体混合物密度计算式液体混合物密度计算式 2)2)气体混合物的密度气体混合物的密度 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第13页，本讲稿共44页混合物中各组分的质量为：当V总=1m3时，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理想气体混合物密度计算式第14页，本讲稿共44页5.与与密度相关的几个物理量密度相关的几个物理量1）比容：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)：
9、某物质的密度与4下的水的密度的比 值，用 d 表示。在数值上:第15页，本讲稿共44页1.1.2静压强静压强1、定义：流体垂直作用于单位面积上的静压力。2、特点：某一点不同方向上的压强在数值上相等，空间各点pf（x,y,z）3、压强的单位（1）按压强的定义，压强是单位面积上的压力，单位Pa。1bar=105Pa。常用单位有：Pa、KPa、Mpa。（2）直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。（3）以大气压强表示：atm（物理大气压）、at（工程大气压）1atm=1.0105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at=9.81104
10、Pa=735mmHg=10mH2O第16页，本讲稿共44页4、静压强的表示方法、静压强的表示方法绝对压强：以绝对真空为基准量得的压强；绝对压强：以绝对真空为基准量得的压强；表压强：以大气压强为基准量得的压强。表压强：以大气压强为基准量得的压强。真空度：表压强以大气压为起点计算，所以有正负，负表压强就真空度：表压强以大气压为起点计算，所以有正负，负表压强就称为真空度。称为真空度。三者之间的关系为：三者之间的关系为：表压表压=绝对压强绝对压强大气压强大气压强真空度真空度=大气压强大气压强绝对压强绝对压强第17页，本讲稿共44页绝压绝压绝压绝压/表压表压表压表压/真空度的定义及关系真空度的定义及关系
11、真空度的定义及关系真空度的定义及关系PA,绝pA（表）P大气压P（真空度）PB,绝表压强表压强=绝对压强绝对压强-大气压强大气压强真空度真空度=大气压强大气压强-绝对压强绝对压强PA,绝pA（表）P大气压P（真空度）PB,绝第18页，本讲稿共44页若已知某地的大气压力为750 mmHg，而设备A内压力为1000 mmHg，则PA表=_ mmHg=_ Pa。若设备B的真空度为300 mmHg，则PB（绝）=_mmHg。PA,绝pA（表）P大气压P（真空度）PB,绝流体压强具有以下两个重要特性：流体压强具有以下两个重要特性：流体压力处处与它的作用面垂直，并且总是指向流体的作用面；流体中任一点压力的
12、大小与所选定的作用面在空间的方位无关。第19页，本讲稿共44页如图所示：容器中盛有密度为的静止液体。现从液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2，以p1和p2分别表示高度为z1和z2处的压力，液面上方的压力为p0。分析垂直方向上液分析垂直方向上液柱的受力：柱的受力：向上：p2A向下：p1AG gA(z1-z2)1、方程的推导、方程的推导Z1Z2P2P1PaG1.1.31.1.3流体静力学基本方程流体静力学基本方程流体静力学基本方程流体静力学基本方程(Basicequationsoffluidstatics)(Bas
13、icequationsoffluidstatics)第20页，本讲稿共44页当液柱处于相对静止状态时，说明作用在此液柱上诸力的合力为零，即：p2Ap1A gA(z1-z2)0化简得：p2p1 g(z1-z2)(1)或：p2p1 g=z1-z2(2)若液柱上表面取在液面上，令z1-z2=h，则上式可写为：(3)p2p0 g=h(4)上述式子均称为流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式。它反映了流体不受水平外力作用，只在重力重力作用下流体内部压力（压强）压力（压强）的变化规律。压强形式能量形式PaJ/kgm能量形式第21页，本讲稿共44页2、方程的讨论、方程的讨论1）推导条件：重力场，不可压缩，
14、连续，静止，同一流体。2)由方程 可知，当p0 改变时，液体内部各点的压力也将发生同样大小的改变 帕斯卡原理。3)当容器液面上方的压力p0 一定时，静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度 和该点距液面的深度 h 有关。因此，在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的面，称为等压面。第22页，本讲稿共44页5）可以改写成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。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
15、关系。第23页，本讲稿共44页6.6.考察公式，考察公式，gzgz：单位质量流体所具有的位能。单位质量流体所具有的位能。p/p/：单位质量流体所具有的静压能。单位质量流体所具有的静压能。第24页，本讲稿共44页上式表明静止流体存在着两种形式的势能上式表明静止流体存在着两种形式的势能-位能和静压能，位能和静压能，处于不同位置的流体的位能和静压能各不相同，但其处于不同位置的流体的位能和静压能各不相同，但其总势能则保持总势能则保持不变不变。以。以/表示单位质量流体的总势能，则上式可改写为表示单位质量流体的总势能，则上式可改写为/常数。常数。为为虚拟压强虚拟压强，则，则静止流体中虚拟压强处处静止流体中
16、虚拟压强处处相等相等。7.7.一般液体的密度可视为常数，而气体密度则随压力而改变。一般液体的密度可视为常数，而气体密度则随压力而改变。但考虑到气体密度随容器高低变化甚微，一般也可视为常数，但考虑到气体密度随容器高低变化甚微，一般也可视为常数，故静力学基本方程亦适用于气体。故静力学基本方程亦适用于气体。第25页，本讲稿共44页 例：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密度 ，水层高度h2=0.6m，密度为1）判断下列两关系是否成立 PAPA，PBPB。2）计算玻璃管内水的高度h。第26页，本讲稿共44页解：（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
17、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hPA和PA又分别可用流体静力学方程表示设大气压为Pa第27页，本讲稿共44页第28页，本讲稿共44页1.1.4静力学方程的应用静力学方程的应用1)压力计压力计1 1、压强与压强差的测量、压强与压强差的测量v单管压力计U型管压力计思考：如何测表压或真空度？思考：如何测表压或真空度？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。第29页，本讲稿共44页2）U型管压差计型管压差计根据流体静力学方程第30页，本讲稿
18、共44页当被测的流体为气体时，可忽略,则，当管子平放时：思考：当压差很小的时候，希望读数准确，有什么办法？思考：当压差很小的时候，希望读数准确，有什么办法？第31页，本讲稿共44页当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、采用微差压差计。3）倾斜倾斜U型管压差计型管压差计 假设垂直方向上的高度为Rm，读数为R1，与水平倾斜角度第32页，本讲稿共44页4)微差压差计微差压差计U型管的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
19、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第33页，本讲稿共44页 试问：1）用普通压差计，以苯为指示液，其读数R为多少？例：用3种压差计测量气体的微小压差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。第34页，本讲稿共44页2）倾斜U型管压差计3）微差压差计 故：解：1）普通管U型管压差计第35页，本讲稿共44页2、液位的测定、液位的测定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
20、种应用。液柱压差计测量液位的方法：由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度。当R0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。第36页，本讲稿共44页远距离控制液位的方法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。第37页，本讲稿共44页例：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H1m，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/
21、m3。求当压差计指示R67mm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：第38页，本讲稿共44页（表）(表）第39页，本讲稿共44页P00水气体h0目的：目的：（1）恒定设备内的压力，防止超压；（2）防止气体外泄；水封安全液封h0P溢流水00气液气液封高度计算：3、液封高度的计算、液封高度的计算第40页，本讲稿共44页3、液封高度的计算、液封高度的计算液封的作用：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：当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为安全性安全性液封液封。若设备内为负压操作，其作用是：液封需有一定的液位，
22、其高度的确定就是根据流体静力学基本方流体静力学基本方程式程式。防止外界空气进入设备内第41页，本讲稿共44页例1：如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7103Pa（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。第42页，本讲稿共44页例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，冷凝器的上方与真空泵相通，不时将器内的不凝气体（空气）抽走。同时为了防止外界空气由气压管漏入，致使设备内真空度降低，因此，气压管必须插入液封槽中，水即在管内上升一定高度h，这种措施称为液封液封。若真空表读数为80104Pa，试求气压管内水上升的高度h。解：设气压管内水面上方的绝对压强为P，作用于液封槽内水面的压强为大气压强Pa，根据流体静力学基本方程式知：第43页，本讲稿共44页第44页，本讲稿共44页