化化 工工 基基 础础An Introduction to Chemical Industry An Introduction to Chemical Industry and Engineeringand Engineering1流体静力学基本方程流体静力学基本方程 根据用液柱表示压强的方法，p=h g，则在静止静止液面下面深度h处的压强为：（流体静力学方程）（流体静力学方程）描述描述静止静止流体内流体内部压强的变化规律部压强的变化规律hABPB=PA+ gHPA=PB- gH2在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的密度密度及及该点的该点的深度深度有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上，流体的静压力在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上，流体的静压力相等，这样的水平面称为相等，这样的水平面称为等压面等压面。0ABCDh？液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部, ,此规律即物理此规律即物理学中的学中的巴斯噶原理巴斯噶原理. .3练练 习习水水水Q Q1 1:A:A1 1、A A2 2、A A3 3的压力是否相同？的压力是否相同？ 他们的大小顺序如何？他们的大小顺序如何？A1A2A3B1B2B3Q Q2 2:B:B1 1、B B2 2、B B3 3的压力是否相同？的压力是否相同？C1C2C3Q Q3 3: :C C1 1、C C2 2、C C3 3的压力是否相同？的压力是否相同？Q Q4 4: :D D1 1、D D2 2、D D3 3的压力是否相同？的压力是否相同？D1D2D3A: A3A2A1A: B3B2C2=C3A: D1=D2=D34练练 习习离H0为0.5m，油的密度0为800 kgm-3 ，水的密度为1000 kgm-3。如果要求油水分界面位于观察孔中心，则倒U型管顶部至观察孔中心的垂直距离H应为多少？设液体在器内的流动缓慢，可按静力学处理。而且油水易于分层，没有乳化界面。H0H溢流混合物水水油和水的混合物在分离器内利用密度差异进行分离。油由上部的侧管溢流排走，水由底部的倒U型管排出。倒U型管顶部有平衡管与分离器顶部连通，使两处压力相等。油面至观察孔中心的距5练练 习习乙炔发生器装有水封管乙炔发生器装有水封管, ,当器内压力过大时通过水封排气至安当器内压力过大时通过水封排气至安全处。要控制发生器内压力不超过全处。要控制发生器内压力不超过1212kPakPa（表压）表压）。求水封管。求水封管应插入水的深度应插入水的深度H H。乙乙炔炔发发生生器器H6教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：课课 型：型：3.2 3.2 流体流动的基本规律流体流动的基本规律根据物料衡算和能量衡算推导出连续性方程和柏根据物料衡算和能量衡算推导出连续性方程和柏努利方程，进一步理解绪论中提出的化工基础中努利方程，进一步理解绪论中提出的化工基础中的基本规律，并讨论它们在实际生产中的应用。的基本规律，并讨论它们在实际生产中的应用。连续性方程和柏努利方程及其应用连续性方程和柏努利方程及其应用理论知识课理论知识课7定态流动定态流动定态流动定态流动( (steady state):steady state):流体流动的系统中，任一截面上流体流动的系统中，任一截面上流体的流速、压力、密度等有关流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但物理量仅随位置而改变，但进水进水溢溢流流 =NOTE：连续操作连续操作的化工生产中大多数流动属于定态流动。的化工生产中大多数流动属于定态流动。恒位槽恒位槽不不随时间而改变随时间而改变。空白空白空白空白3.2 3.2 流体流动的基本规律流体流动的基本规律8 非定态流动非定态流动非定态流动非定态流动( (non-steady state)non-steady state)=f(t)流动过程中任一流动过程中任一 截面上流体的截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流性质（如密度、粘度等）和流动参数（如流速、压强等）动参数（如流速、压强等）随随时间而改变时间而改变。NOTE:NOTE:非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变非定态流动时，若流动参数随时间呈规律性的变化，在求算时用化，在求算时用微分微分式子表达，用式子表达，用积分积分法求解。法求解。9一、流体定态流动过程的物料衡算一、流体定态流动过程的物料衡算 连续性方程连续性方程依据依据：质量守恒定律质量守恒定律前提前提：1、充满导管作定态流动、充满导管作定态流动 2、没有累积或泄漏、没有累积或泄漏截面1截面2qm1=qm2 （连续性方程）（连续性方程）10导出导出： 分支管路分支管路：总管中的：总管中的质量流量为各支管质质量流量为各支管质量流量之和。量流量之和。q m=q v =S u S1 u1 1 =S2 u2 2对不可压缩性流体：对不可压缩性流体： 1 = 2总管总管支管支管1支管支管2（圆管）圆管）11例例: 如附图所示，管路由一段如附图所示，管路由一段894mm 的管的管1、一段、一段1084mm的的管管2和两段和两段573.5mm 的分支管的分支管3a及及3b连接而成。若水以连接而成。若水以910-3m/s 的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。各段管内的速度。123b3a 附图附图解：解： 管1的内径为则水在管1中的流速为 管2的内径为则水在管2中的流速为 又水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有 即水在管3a和3b中的流速为 管3a及3b的内径为 12二、流体定态流动过程的能量衡算二、流体定态流动过程的能量衡算n流体流动时所具有的机械能机械能：E动动=1/2 mu2E位位=mgZ位能位能(potential energy):J动能动能(energy of motion):J13静压能静压能(static energy):J质量为质量为m m、体积为、体积为V V1 1的流体，通过的流体，通过1 1截面所需的作用力截面所需的作用力F F1 1=P=P1 1A A1 1，流体推，流体推入管内所走的距离入管内所走的距离V V1 1/A/A1 1，故与此功，故与此功相当的静压能相当的静压能 静压能静压能 = = 1kg的流体所具有的静压能为的流体所具有的静压能为 ，其单位为，其单位为J/kg。114内能内能(internal energy):是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和。形成的内位能的总和。内能数值的大小随流体的温度和比容的变化而变化。内能数值的大小随流体的温度和比容的变化而变化。设设1kg流体具有的内能为流体具有的内能为U，其单位为，其单位为J/kg 15理想流体理想流体( (ideal fluid)ideal fluid)： 是指不具有粘度，因而流动时不产是指不具有粘度，因而流动时不产生摩擦阻力的流体。生摩擦阻力的流体。理想液体：不可压缩、受热不膨胀理想液体：不可压缩、受热不膨胀理想气体：符合理想气体方程理想气体：符合理想气体方程 pVpV= =nRTnRT1、理想流体能量衡算、理想流体能量衡算若流动过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想若流动过程中没有热量输入，其温度和内能没有变化，则理想流体流动时的能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。流体流动时的能量衡算可以只考虑机械能之间的相互转换。16截面1截面2依据：依据：能量守恒定律能量守恒定律E1=E2根据连续性方程：根据连续性方程： m1 = m2理想流体的柏努利理想流体的柏努利(Bernoulli)公式公式理想流体理想流体 JJ J J kgkg-1-1 m m液柱液柱 空空对于不可压缩性流体：对于不可压缩性流体： 1= 2理想流体能量衡算理想流体能量衡算17 工程上将工程上将单位重力单位重力的流体所具有的各种形式的能量统称的流体所具有的各种形式的能量统称 为为压头压头(head)。Z位压头位压头(potential head)；u2/2g动压头动压头(dynamic head)；p/ g静压头静压头(static head)18nBernoulli方程的物理方程的物理意义意义 1、理想流体在导管中作定态流动时，导管任一截面的总能理想流体在导管中作定态流动时，导管任一截面的总能量或总压头为量或总压头为 一常数。一常数。 2、能量在不同形式间可以相互转化，当某一形式的压头的数能量在不同形式间可以相互转化，当某一形式的压头的数值因条件而发生变化时，相应地引起其他压头的数值的变化。值因条件而发生变化时，相应地引起其他压头的数值的变化。结论结论：流体的流动过程实质上是流体的流动过程实质上是能量的转化过程能量的转化过程。 流体得以流动的必要条件是系统两端有流体得以流动的必要条件是系统两端有压强差压强差或或位差位差。192、实际流体流动过程的能量衡算、实际流体流动过程的能量衡算实际流体的实际流体的Bernoulli方程方程实际流体与理想流体的主要区别：实际流体与理想流体的主要区别：？实际流体流动时存在摩擦阻力实际流体流动时存在摩擦阻力HfHeH f每牛顿流体流动时因阻力而消耗的能量，单位每牛顿流体流动时因阻力而消耗的能量，单位m外界加于每牛顿流体的能量，单位外界加于每牛顿流体的能量，单位mHe203 3、BernoulliBernoulli方程的应用方程的应用nBernoulli方程在工程上用以计算流体的流速流速或流量流量、流体流体输送所需的压头输送所需的压头和功率功率以及有关流体流动方面的问题。1、作图：作图：根据题意画出示意图，注明有关参数；根据题意画出示意图，注明有关参数；2、选截面：、选截面：正确选取截面，以确定衡算范围；正确选取截面，以确定衡算范围； 截面选取必须具备的条件：截面选取必须具备的条件： 与流体流动方向垂直；与流体流动方向垂直；两截面间的流体是连续的；两截面间的流体是连续的；截面应包括题目所给的已知和未知条件截面应包括题目所给的已知和未知条件3、选基准水平面：、选基准水平面：任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便。任意选取，但常将它与一个截面重合，计算方便。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。若截面不是水平面，则以中心线进行计算。4、单位要一致：、单位要一致： 统一使用统一使用SI单位；压强的表示方法要一致。单位；压强的表示方法要一致。NOTENOTE：21例例1 容器间相对位置的计算容器间相对位置的计算从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为为45452.5mm2.5mm的钢管，要求送液量为的钢管，要求送液量为3.6m3.6m3 3/h/h。设料液在管内的压头损失为。设料液在管内的压头损失为1.2m 1.2m （不包括出口能量损失），试问高位槽的（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？液位要高出进料口多少米？ p1=0 Pa（表压）；（表压）；p2=0 Pa（表压）（表压） 22例例2 2 送料用压缩空气压力的确定送料用压缩空气压力的确定某车间用压缩空气送某车间用压缩空气送2020的的浓硫酸。硫酸。要求要求输送量送量为0.036m0.036m3 3.min.min-1-1，管径，管径为3838 3mm3mm，设浓硫酸流硫酸流经全部管路的全部管路的能量能量损失失为1.22J.N1.22J.N-1-1（不包括出口的（不包括出口的能量能量损失），失），试求求压缩空气的空气的压力力为多少？多少？15m1122压缩空气压缩空气？23习题习题 流体输送设备所需功率的计算流体输送设备所需功率的计算习习题题用用泵泵将将碱碱液液槽槽中中的的碱碱液液抽抽往往吸吸收收塔塔顶顶，经经喷喷头头喷喷出出作作吸吸收收剂剂用用。泵泵的的汲汲入入管管为为21/2 “，压压出出管管为为2 “。碱碱液液在在喷喷头头口口前前的的 静静 压压 强强 按按 压压 力力 指指 示示 表表 为为 0.3kgfcm-2(表表 压压 )， 密密 度度 为为1100kgm-3。输输送送系系统统中中压压头头损损失失为为3米米，碱碱液液柱柱计计划划送送液液量量为为25th-1。若泵的效率为若泵的效率为55%，试求泵所需的功率。，试求泵所需的功率。1.5m16m解：解：HfHe？12基准面1=0 ms-1；2=qv/A2=qm/A2P1= 0 Pa(表压)；Hf=3mP2=0.3kgfcm-2= - Pa(表压表压)输送所需理论功率（输送所需理论功率（JS-1）：）： Ne = He g qm实际需功率：实际需功率：Na=Ne / 24Bernoulli方程的应用举例6m解：解：V?v截面1截面2HfHe基准水平面h=0 mh1=p1=p2= 1= 2= 水为不可压缩性流体水为不可压缩性流体1 0 ms-1He = 0 mH2O；Hf =5.7 mH2O0 Pa（表压）6mh2= 0m，？qv= A2 2= 2 d 2/4习题习题 高位水槽水面距出水管净垂直距离为高位水槽水面距出水管净垂直距离为6.06.0m,m,出水管为出水管为“2 2 1 1/ /2 2管管”, ,管管道较长道较长, ,流动过程的压头损失为流动过程的压头损失为5.75.7米水柱米水柱, ,试求每小时可输送水量试求每小时可输送水量m m3 3。25Bernoulli方程的应用举例习题习题 喷射泵中喷射泵中水水流量为流量为10th-1，入口静压强为入口静压强为1.5kgfcm-2（表压表压），），进进口管内径口管内径53mm，喷嘴口内径喷嘴口内径13mm，试求该喷射泵理论上能形成的真空度。试求该喷射泵理论上能形成的真空度。设当时外界大气压为设当时外界大气压为101.3kPa，喷嘴很短，且忽略水流动时的摩擦阻力喷嘴很短，且忽略水流动时的摩擦阻力。解：解：HfHe12喷嘴很短，喷嘴很短，h1-h2 0？=qv /A压强用绝对压表示：压强用绝对压表示：P1=1.5 98.1+101.3=248.5kPa=0按流动时没有摩擦阻力考虑，按流动时没有摩擦阻力考虑，Hf = 0P2=30.9kPa(绝对压绝对压)喷射泵形成的真空度喷射泵形成的真空度= 大气压大气压绝对压绝对压26