,返回,北京化工大学化工原理电子课件,*,化工原理第一章流体静力学,1,化工原理第一章流体静力学1,第一章 流体流动,1.,研究流体流动问题的重要性,流体是气体与液体的总称。,流体流动是最普遍的化工单元操作之一；,研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,2,第一章 流体流动 1.研究流体流动问,3,3,4,4,2.连续介质假定,假定流体是由无数,内部紧密相连、彼此间没有,间隙的,流体质点（或微团）所组成的,连续介质,。,质点,：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备,尺寸、远大于分子自由程。,工程意义,：利用连续函数的数学工具，从宏观研究,流体。,5,2.连续介质假定 5,3.流体的特征,具有流动性；,无固定形状，随容器形状而变化；,受外力作用时内部产生相对运动。,不可压缩流体,：,流体的体积不随压力变化而变化，,如液体；,可压缩性流体：,流体的体积随压力发生变化，,如气体。,6,3.流体的特征 具有流动性；不可压缩流体：流体的体积不,1.1 流体静力学,1.1.1 密度,一、定义,单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m,3,二、单组分密度,液体,密度仅随温度变化（极高压力除外），其变,化关系可从手册中查得。,7,1.1 流体静力学1.1.1 密度kg/m3 二、单组,013105Pa=760mmHg=10.,表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。,3 流体静力学平衡方程,（1）近距离液位测量装置,下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,（2）远距离液位测量装置,设指示液的密度为 ，,压力及压力差的测量,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，,（4）倾斜式压差计,例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。,1m,Z2=0.,化关系可从手册中查得。,压力及压力差的测量,质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备,3 流体静力学平衡方程,如600mmHg，10mH2O等。,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,013105Pa=760mmHg=10.,气体,当压力不太高、温度不太低时，可按理想,气体状态方程计算：,注意：,手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度,下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,8,013105Pa=760mmHg=10.气体 当,三、混合物的密度,混合气体,各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,9,三、混合物的密度 混合气体 各组分在混合前后质量不变，,混合液体,假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。,四、,比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m,3,/kg,10,混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有 液体,1.1.2 压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为,压力。,一、压力的特性,流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；,任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；,作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,二、,压力的单位,SI,制：,N/m,2,或,Pa；,11,1.1.2 压力 流体垂直作用于单位面积上的力,或,以流体柱高度表示,：,注意,：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，,如,600,mmHg,，,10mH,2,O,等。,标准大气压的换算关系：,1,atm=1.01310,5,Pa=760mmHg=10.33m H,2,O,三、,压力的表示方法,绝对压力,以绝对真空为基准测得的压力。,表压或真空度,以大气压为基准测得的压力。,12,或以流体柱高度表示：注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流,表 压=绝对压力 大气压力,真空度=大气压力 绝对压力,绝对压力,绝对压力,绝对真空,表压,真空度,大气压,13,表 压=绝对压力 大气压力绝对压力 绝对压力,1.1.3,流体静力学平衡方程,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,（3）液柱的重力,设流体不可压缩，,p,0,p,2,p,1,z,1,z,2,G,方向向下,方向向上,方向向下,14,1.1.3 流体静力学平衡方程 一、静力学基本方程 重力场,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,15,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:静力学基本方程 压,讨论：,（1）适用于,重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体,；,（2）,物理意义：,单位质量流体所具有的位能，,J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，,J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的,位能和静压能,各不相同，但二者可以转换，其,总和保持不变,。,16,讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；,（3）,在,静止,的、,连续,的,同种流体,内，处于,同一水平面,上各点的压力处处相等。压力相等的面称为,等压面,。,（4）,压力具有传递性,：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,17,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力,二、,静力学基本方程的应用,1.,压力及压力差的测量,（1,）,U,形压差计,设指示液的密度为 ，,被测流体的密度为 。,A,与,A,面,为等压面，即,而,p,1,p,2,m,R,A,A,18,二、静力学基本方程的应用 1.压力及压力差的测量（1）U,所以,整理得,若被测流体是气体，则有,19,所以整理得若被测流体是气体，则有19,讨论：,（1）,U,形压差计可测系统内两点的压力差，当将,U,形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时,，,也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,p,1,p,a,p,1,p,a,20,讨论：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端,（2）指示液的选取：,指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；,其密度要大于被测流体密度。,应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,21,（2）指示液的选取：21,单位体积流体的质量，称为流体的密度。,3 流体静力学平衡方程,适用于压差较小的场合。,相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。,压力及压力差的测量,混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有,化工原理第一章流体静力学,适用于压差较小的情况。,混合气体的平均摩尔质量,1m,Z2=0.,其密度要大于被测流体密度。,（2）远距离液位测量装置,不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，,指示剂密度小于被测流体密度，,适用于压差较大的情况。,（2）双液体U管压差计,标准大气压的换算关系：,0m,Z6=0.,设指示液的密度为 ，,真空度=大气压力 绝对压力,思考：,若,U,形压差计安装在倾斜管路中，此时读数,R,反映了什么？,p,1,p,2,z,2,R,A,A,z,1,22,单位体积流体的质量，称为流体的密度。思考：若U形压差计安装在,（2）,双液体,U,管压差计,扩大室内径与,U,管内径之比应大于,10。,密度接近但不互溶的两种指示,液,A,和,C ；,适用于压差较小的场合。,23,（2）双液体U管压差计 扩大室内径与U管内径之比应大于10,（3）,倒,U,形压差计,指示剂密度小于被测流体密度，,如,空气作为指示剂,（5）,复式压差计,（4）倾斜式,压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,24,（3）倒U形压差计 指示剂密度小于被测流体密度,例1-1,如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一,U,形压差计，,指示液为水银，读数,R,250mm,，,h,900mm,。,已知当地大气压为,101.3,kPa,，,水的密度,1000kg/m,3,，,水银的密度,13600kg/m,3,。,试计算该截面处的压力。,25,例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截,例1-2,如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两,U,形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,Z,0,=2.1m,Z,2,=0.9m,Z,4,=2.0m,Z,6,=0.7m,Z,7,=2.5m。,试计算锅炉内水面上方,的蒸汽压力。,26,例1-2 如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水,2.,液位测量,（1）近距离液位测量装置,压差计读数,R,反映出容器,内的液面高度。,液面越高，,h,越小，压差计读数,R,越小；当液面达到最高时，,h,为零，,R,亦为零。,27,2.液位测量（1）近距离液位测量装置 压差计读,设指示液的密度为 ，,例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；,（2）远距离液位测量装置,试计算该截面处的压力。,适用于压差较小的场合。,（1）近距离液位测量装置,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,试计算该截面处的压力。,表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。,受外力作用时内部产生相对运动。,真空度=大气压力 绝对压力,设指示液的密度为 ，,可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，,研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,013105Pa=760mmHg=10.,混合气体的平均摩尔质量,任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,适用于压差较小的情况。,设指示液的密度为 ，,013105Pa=760mmHg=10.,（1）近距离液位测量装置,0m,Z6=0.,（1）近距离液位测量装置,液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变,相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,第一章 流体流动,适用于压差较小的情况。,研究流体流动问题的重要性,研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,（2）双液体U管压差计,指示剂密度小于被测流体密度，,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,1m,Z2=0.,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,密度接近但不互溶的两种指示,单位体积流体的质量，称为流体的密度。,混合气体的平均摩尔质量,气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想,（4）倾斜式压差计,0m,Z6=0.,设指示液的密度为 ，,设指示液的密度为 ，,013105Pa=760mmHg=10.,绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。,重力场中对液柱进行受力分析：,（2）双液体U管压差计,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,SI制：N/m2或Pa；,气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想,重力场中对液柱进行受力分析：,表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。,尺寸、远大于分子自由程。,密度接近但不互溶的两种指示,例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。,混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有,适用于压差较大的情况。,试计算锅炉内水面上方,（2）远距离液位测量装置,指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；,任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；,混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有,如液体；,适用于压差较大的情况。,适用于压差较大的情况。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,被测流体的密度为 。,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数,不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，,压力相等的面称为等压面。,设指示液的密度为 ，,标准大