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1、化工原理流体静力学第1页，共36页，编辑于2022年，星期五1.应用应用*测定压强、流速、流量测定压强、流速、流量*流体输送流体输送(机械能衡算机械能衡算)*流动阻力流动阻力*管路计算管路计算*为强化设备提供适宜的为强化设备提供适宜的 流动条件流动条件2.理论基础理论基础流体静力学、流体动力学流体静力学、流体动力学、动量传递、动量传递煤气洗涤塔煤气洗涤塔FICPi1Pi23-32-201-10-0本章主要内容本章主要内容第2页，共36页，编辑于2022年，星期五 1.1 概述概述1.1.1 流体及其特性流体及其特性1、定义：、定义：2、特征：、特征：液体、气体液体、气体运动过程中，具有流动性。
2、运动过程中，具有流动性。流体运动规律，与流体流动性密切相关。流体运动规律，与流体流动性密切相关。流体质点流体质点 含大量分子的流体微团，具有流体宏观特性含大量分子的流体微团，具有流体宏观特性 分子自由程分子自由程流体质点尺寸流体质点尺寸设备宏观尺寸设备宏观尺寸流体的连续性假设流体的连续性假设 假设流体假设流体 宏观上，由大量质点组成、彼此没有空隙、宏观上，由大量质点组成、彼此没有空隙、完全充满所占空间的完全充满所占空间的连续介质连续介质 微观上，微观粒子组成的不连续介质微观上，微观粒子组成的不连续介质第3页，共36页，编辑于2022年，星期五优点：优点：局限性：局限性：例：例：不连续、一个一个
3、分子流过管道。不连续、一个一个分子流过管道。流体物性及运动参数连续变化，流体物性及运动参数连续变化，可用连续函数，解决流体力学问题。可用连续函数，解决流体力学问题。压力很低的条件下，该假设不成立。压力很低的条件下，该假设不成立。在在10-1 mmHg、15时，空气平均自由程时，空气平均自由程48.648.6mmmm若管道直径小于若管道直径小于48.648.6mmmm，则空气流动方式：，则空气流动方式：第4页，共36页，编辑于2022年，星期五例：流体流动中，例：流体流动中，1）各质点相对运动）各质点相对运动 内摩擦力内摩擦力 流动阻力（流体粘度）流动阻力（流体粘度）流体运动规律，与流体流动性密
4、切相关流体运动规律，与流体流动性密切相关 2 2）流体质点相互碰撞）流体质点相互碰撞 加速流体传递动量、质量、热量加速流体传递动量、质量、热量第5页，共36页，编辑于2022年，星期五3、分类、分类 压缩性压缩性 流动阻力流动阻力 粘度类型粘度类型可压缩流体可压缩流体-气体（一般）气体（一般）不可压缩流体不可压缩流体-液体（一般）液体（一般）理想流体（无阻力，理想简化）理想流体（无阻力，理想简化）真实流体（有阻力，所有流体）真实流体（有阻力，所有流体）牛顿型流体牛顿型流体非牛顿型流体非牛顿型流体 4 4、流动状态、流动状态 层流、过渡流、湍流层流、过渡流、湍流 明确：流动状态，对传递过程影响很
5、大明确：流动状态，对传递过程影响很大。第6页，共36页，编辑于2022年，星期五1.1.3 流体的密度流体的密度 1、点密度、点密度2、平均密度、平均密度3、几种变形比体积比体积 *相对密度相对密度 4、影响因素、影响因素 1）液体）液体 校正 2）气体气体第7页，共36页，编辑于2022年，星期五 理想气体理想气体 适用适用：5 5、流体混合物的密度、流体混合物的密度 液体混合物液体混合物 气体混合物气体混合物 适用适用：另：混合效应忽略不计。压力不太高，温度不太低的气体。否则，应采用真实气体状态方程。第8页，共36页，编辑于2022年，星期五6、流体的压缩性、流体的压缩性 体积压缩性系数体
6、积压缩性系数结论结论：压缩性系数表明流体压缩性的大小：压缩性系数表明流体压缩性的大小 V V 越大，流体越容易被压缩越大，流体越容易被压缩 不可压缩流体，不可压缩流体，V V=0=0，如液体，如液体 可压缩流体，可压缩流体，V V 0 0，如气体，如气体第9页，共36页，编辑于2022年，星期五 1 1、表面力、表面力 指：在流体表面上作用的力指：在流体表面上作用的力分解：切向力（粘滞力）分解：切向力（粘滞力）法向力（压力）法向力（压力）特点：接触力，大小与接触面积成正比。特点：接触力，大小与接触面积成正比。2 2、质量力（体积力）、质量力（体积力）指：指：作用于流体全部质点上的力。作用于流体
7、全部质点上的力。包括：重力、离心力、惯性力包括：重力、离心力、惯性力 特点：非接触力，大小与流体质量成正比。特点：非接触力，大小与流体质量成正比。1.2.1 1.2.1 作用于流体上的力作用于流体上的力分为：表面力和质量力分为：表面力和质量力1-2 流体静力学流体静力学第10页，共36页，编辑于2022年，星期五1.2.2 1.2.2 流体的压强及其表示法流体的压强及其表示法1 1、流体的压强流体的压强 p（压力）（压力）指：指：垂直作用于流体单位面积上的力垂直作用于流体单位面积上的力 平均压力平均压力 点压力点压力2、特点特点 1）方向：作用面的内法向方向；方向：作用面的内法向方向；2）点压
8、力：与测压方位无关；）点压力：与测压方位无关；3）影响因素：）影响因素：第11页，共36页，编辑于2022年，星期五3 3、单位制的使用、单位制的使用 要求：使用国际单位制（要求：使用国际单位制（SI）掌握：掌握：CGS(物理单位制物理单位制)工程单位制工程单位制(重力单位制重力单位制)掌握：单位换算掌握：单位换算第12页，共36页，编辑于2022年，星期五压力单位压力单位 1）SI单位单位 Pa(N/m2)、MPa、KPa 2）常常 用用 单单 位位 at(kgf/cm2)、mmHg、mH2O、atm、bar(105 Pa)单位换算单位换算第13页，共36页，编辑于2022年，星期五4 4、
9、压力的表示方法压力的表示方法 1）绝对压力绝对压力（绝压）（绝压）基准：绝对基准：绝对0压压 2）表压表压 基准：当地大气压基准：当地大气压 3）真空度真空度（负表压）（负表压）压力低于大气压的数值压力低于大气压的数值相互间的关系相互间的关系 表压表压=绝对压力绝对压力-当地大气压当地大气压 真空度真空度=当地大气压当地大气压-绝对压力绝对压力第14页，共36页，编辑于2022年，星期五 1、压力表、真空表各测何种压力、压力表、真空表各测何种压力 2、表压、表压0.2 Mpa，问绝压，问绝压?atm 3、真空度分别为、真空度分别为20、40mmHg，比较绝压大小，比较绝压大小 4、各种表示法的
10、、各种表示法的使用场合使用场合 注意：使用表压、真空度时，必须注明注意：使用表压、真空度时，必须注明提出问题提出问题?第15页，共36页，编辑于2022年，星期五1.2.3 流体静力学方程式流体静力学方程式描述：静止流体内部，描述：静止流体内部，压力压力分布规律。分布规律。形式：形式：研究内容研究内容：1 1、方程的导出、方程的导出2、方程的意义、方程的意义 3、方程的应用、方程的应用第16页，共36页，编辑于2022年，星期五1 1、方程的导出、方程的导出依据：动量守恒定律1）微元体）微元体(控制体控制体)选取选取2）受力分析受力分析第17页，共36页，编辑于2022年，星期五设：微元体中心
11、的压强为设：微元体中心的压强为pX方向上，方向上，表面力：表面力：左侧左侧 右侧右侧质量力：质量力：合力合力(X方向方向)：第18页，共36页，编辑于2022年，星期五化简，得：(欧拉方程欧拉方程)整理：因此，重力场中重力场中，因此，积分：第19页，共36页，编辑于2022年，星期五3 3）流体具有的能量形式）流体具有的能量形式 内能 机械能 动能 势能 位能 静压能设流体不可压缩设流体不可压缩，流体静力学方程式流体静力学方程式：其它形式：第20页，共36页，编辑于2022年，星期五*流体静力学方程式流体静力学方程式(三种形式三种形式)流体静力学方程表明流体静力学方程表明*静止流体具有两种形式
12、的势能静止流体具有两种形式的势能-静压能和位能静压能和位能*在不同截面上，静压能和位能之和在不同截面上，静压能和位能之和(总势能总势能)保持不变。保持不变。*各截面上，两种形式的能量可相互转化。各截面上，两种形式的能量可相互转化。第21页，共36页，编辑于2022年，星期五4332、关于静力学方程的几点讨论、关于静力学方程的几点讨论 1）方程的适用条件）方程的适用条件 重力场中，静止的、连续的、不可压缩的重力场中，静止的、连续的、不可压缩的 同一种流体。同一种流体。问题问题1：液体、气体是否都能用静力学方程：液体、气体是否都能用静力学方程 液体：不可压缩，一般可用液体：不可压缩，一般可用 气体
13、：可压缩，仅用于压力变化不大的场合气体：可压缩，仅用于压力变化不大的场合问题问题2：存在几种不互溶流体时，如何应用：存在几种不互溶流体时，如何应用 应分段应用静力学方程应分段应用静力学方程问题问题3：连续流体：连续流体 流体需处于相同的相态。流体需处于相同的相态。第22页，共36页，编辑于2022年，星期五2 2）等压面）等压面等压面事例等压面事例1132244535P1P2静静止止、连连续续的的均均质质流流体体，压压力力相相等等的的各各点点连连接接所所组组成成的的面，称为等压面。面，称为等压面。重力场中重力场中,等压面是各个水平面。等压面是各个水平面。p81234567第23页，共36页，编
14、辑于2022年，星期五 重力场中，分析重力场中，分析1-1截面上的两点截面上的两点 1、管道中，水静止、管道中，水静止 2、静止管道中混有气泡、静止管道中混有气泡 3、管道中，水流动、管道中，水流动 4、改为离心力场、改为离心力场3-31-14-42-2提出问题提出问题?第24页，共36页，编辑于2022年，星期五P0z0h012P1P2z2z1图图1-5 1-5 重力场中的压力分布重力场中的压力分布3)3)静静止止流流体体内内部部，各各不不同同截截面面上上的的静静压压能能和和位能两者之和为常数。位能两者之和为常数。P=P0+gh P0=P1-g(Z0-Z1)P0=P2-g(Z0-Z2)P1+
15、gZ1=P2+gZ2 P0一定，一定，p仅随仅随P0变某一数值，变某一数值，p改变改变同样的数值同样的数值压力的压力的可传性可传性、h有关。有关。P=P0+gh第25页，共36页，编辑于2022年，星期五2、测压管测压管 表压表压 绝压绝压一、压力测量一、压力测量 1-2-3 1-2-3 静力学方程的应用静力学方程的应用1、气压计、气压计 适用：液体，压力高于大气压适用：液体，压力高于大气压第26页，共36页，编辑于2022年，星期五(指示液指示液)3、U U形压差计形压差计 目的：求点目的：求点1 1、2 2间压力差间压力差方法：方法：选截面列静力学方程选截面列静力学方程第27页，共36页，
16、编辑于2022年，星期五（1）如何测点压力，）如何测点压力，与简单测压管的区别与简单测压管的区别提出问题提出问题?（2）垂直、倾斜管道，）垂直、倾斜管道，思考测压公式思考测压公式第28页，共36页，编辑于2022年，星期五问题：垂直、倾斜管道，测压公式问题：垂直、倾斜管道，测压公式读数读数R：*直接反映两点总势能差直接反映两点总势能差*位能相等时位能相等时,直接反映直接反映 静压能差静压能差0势能势能=静压能静压能+位能位能第29页，共36页，编辑于2022年，星期五4、倒、倒U形压差计形压差计 适用：适用：或为减小读数误差（放大读数或为减小读数误差（放大读数R）选取等压面：选取等压面：第30
17、页，共36页，编辑于2022年，星期五 5、微差压差计、倾斜液柱压差计（自学）、微差压差计、倾斜液柱压差计（自学）公式：公式：目的：目的：适用：适用：放大读数放大读数R，减小误差。，减小误差。测量微小压差测量微小压差P P2 2P P1 1R Rc cA A图图1-8 1-8 微差压差计微差压差计R1 1RaP1 1P2 2图图1-7 1-7 倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计第31页，共36页，编辑于2022年，星期五 小结：小结：U型压差计测压公式：型压差计测压公式：减小测压误差的方法：减小测压误差的方法：放大读数放大读数R，具体有：，具体有：*指示液与被测液体密度相近指示液与被测液体密度相近*
18、倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计*微差压差计微差压差计注意：压差的计算，均从等压面入手。注意：压差的计算，均从等压面入手。第32页，共36页，编辑于2022年，星期五P00水气体h06 6、液封、液封目的：目的：（1 1）恒定设备内的压力，）恒定设备内的压力，防止超压；防止超压；（2 2）密封，）密封，防止气体泄漏；防止气体泄漏；液封高度计算液封高度计算：P=Pa+ghh0P溢流水00图1-9 安全液封气、液气第33页，共36页，编辑于2022年，星期五P0bah(a)mgF(b)P1P2(c)7 7、浮力、浮力问题：如何受力分析问题：如何受力分析浮力浮力=上、下表面压力差上、下表面压力差第34页，共36页，编辑于2022年，星期五h1 h2x2-2334455661-17-78-89-9AB哪个压力高哪个压力高?气体：Pa Pb第35页，共36页，编辑于2022年，星期五作业：作业：P76 2，5，7，8，9第36页，共36页，编辑于2022年，星期五