化工原理 PrinciplesofChemicalEngineering 第一章流体流动 第一章流体流动 掌握内容 流体的密度和黏度的定义 单位 影响因素及数据的求取 压强的定义 表示法及单位换算 流体静力学基本方程 连续性方程 柏努利方程及应用 流动型态及其判断 雷诺准数的物理意义及计算 流体在管内流动时流动阻力计算 简单管路的设计计算 因次分析法的原理 依据 结果及应用 第1章流体流动 1 1流体静力学基本方程 1 1流体静力学基本方程 一 流体的密度 流体密度的定义单位体积流体所具有的质量 SI单位kg m3 2 影响 的主要因素 液体 不可压缩性流体 体积不随压力变化 气体 可压缩性流体 3 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 由理想气体方程求得操作条件 T P 下的密度 4 混合物的密度1 液体混合物的密度 m取1kg液体 令液体混合物中各组分的质量分率分别为 液体混合物密度计算式 假设混合后总体积不变 2 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 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 5 与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v表示 单位为m3 kg 2 比重 相对密度 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 二 流体的静压强 1 压强的定义流体的单位表面积上所受的压力 称为流体的静压强 简称压强 SI制单位 N m2 即Pa 其它常用单位有 atm 标准大气压 工程大气压kgf cm2 bar 流体柱高度 mmH2O mmHg等 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 压力的特性 换算关系为 2 压强的表示方法 1 绝对压强 绝压 体系的真实压强称为绝对压强 2 表压强 表压 压力表上读取的压强值称为表压 表压强 绝对压强 大气压强 3 真空度 真空表的读数 真空度 大气压强 绝对压强 表压 当用表压或真空度来表示压强时 应分别注明 如 4 103Pa 真空度 200kPa 表压 绝对压强 真空度 表压强的关系 绝对零压线 大气压强线 绝对压强 表压强 绝对压强 真空度 表压真空度动画 三 流体静力学方程 1 方程的推导 1 在1 1 截面受到垂直向下的压力 2 在2 2 截面受到垂直向上的压力 3 微元体本身所受的重力 向下 设流体不可压缩 Constant 取微元体dxdydz 重力场中对微元体进行受力分析 令 若取液柱的上底面在液面上 并设液面上方的压强为p0 取下底面在距离液面h处 作用在它上面的压强为p 因为微元体处于静止状态 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 2 方程的讨论 1 液体内部压强p随p0和h的改变而改变 2 当容器液面上方压强p0一定时 静止液体内部压强p仅与垂直距离h有关 3 当液面上方的压强改变时 液体内部的压强也随之改变 即 液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点 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关系 6 方程是以不可压缩流体推导出来的 对于可压缩性的气体 只适用于压强变化不大的情况 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 PA PA PB P B 2 计算玻璃管内水的高度h 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h PA和PA 又分别可用流体静力学方程表示 设大气压为Pa 则有 四 静力学方程的应用 1 压强与压强差的测量 1 U型管压差计 根据流体静力学方程 有 当被测的流体为气体时 可忽略 则 两点间压差计算公式 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 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 当管子平放时 假设垂直方向上的高度为Rm 读数为R1 与水平倾斜角度 2 倾斜U型管压差计 根据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 3 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 例 用3种压差计测量气体的微小压差 试问 1 用普通压差计 以苯为指示液 其读数R为多少 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 解 1 普通管U型管压差计 2 倾斜U型管压差计 3 微差压差计 故 2 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R 0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 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 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 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H 1m 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 m3 求当压差计指示R 67mm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 表 表 3 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 又称为安全性液封 若设备内为负压操作 其作用是 液封需有一定的液位 其高度的确定就是根据流体静力学基本方程式 防止外界空气进入设备内 例 如图所示 某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10 7 103Pa 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 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 若真空表读数为80 104Pa 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 第一章全部 小结 Thanks anyquestion 感谢亲观看此幻灯片 此课件部分内容来源于网络 如有侵权请及时联系我们删除 谢谢配合