化工原理第一章第一节课件

第第 一一 章章 流流 体体 流流 动动一、一、连连续介质的假定续介质的假定二、流体的压缩性二、流体的压缩性三、作用在三、作用在流体流体上的力上的力四、质量力与密度四、质量力与密度五、流体的静压强五、流体的静压强六、六、流体流体的黏度的黏度第第第第 一一一一 节节节节 流体的物理性质流体的物理性质流体的物理性质流体的物理性质2024/6/16第 一 章 流 体 流 动一、连续介质的假定第 一 节 11.1.1 1.1.1 连续介质的假定连续介质的假定 应应予予指指出出，连连续续介介质质假假定定对对大大多多数数工工程程情情况况是是适适用用的的，但在高真空稀薄气体的情况下，该假设不再成立。但在高真空稀薄气体的情况下，该假设不再成立。连续介质假定：连续介质假定：工程上常将流体视为充满所占空间的、由无工程上常将流体视为充满所占空间的、由无数彼此间没有间隙的流体质点（或微团）组成的连续介质。数彼此间没有间隙的流体质点（或微团）组成的连续介质。1.1.2 1.1.2 流体的压缩性流体的压缩性压缩性：压缩性：流体的体积随压力变化的关系流体的体积随压力变化的关系2024/6/161.1.1 连续介质的假定 应予指出，21.1.3 1.1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力质量力：作用于流体每个质点上的力，其大小与流体的质量成正比。对于均匀质量的流体，该力也与流体的体积成正比，又称体积力。表面力：通过直接接触而作用于流体表面的力，其大小与流体表面积成正比。2024/6/161.1.3 作用在流体上的力 质量力：作用于流体每个质32、影响、影响的主要因素的主要因素1.1.4 1.1.4 质量力与密度质量力与密度1、密度：、密度：单位体积的流体所具有的质量单位体积的流体所具有的质量，;SI单位单位kg/m3。液体液体：不可压缩性流体不可压缩性流体气体气体：可压缩性流体可压缩性流体2024/6/162、影响的主要因素1.1.4 质量力与密度 1、密度43.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:假设混合后总体积不变，液体混合物密度计算式液体混合物密度计算式2024/6/163.液体混合物的密度m假设混合后总体积不变，液体混合54.气体的密度气体的密度理想气体在标况下的密度为：理想气体在标况下的密度为：例如：标况下的空气，例如：标况下的空气，操作条件（操作条件（T,P）下的密度：下的密度：由理想气体方程求得操作条件（由理想气体方程求得操作条件（T,P）下的密度下的密度2024/6/164.气体的密度理想气体在标况下的密度为：例如：标况下的6取取1m3 的气体为基准的气体为基准,令各组分的体积分率为令各组分的体积分率为:其中其中:i =1,2,n气体混合物的密度气体混合物的密度混合物中各组分的质量为：混合物中各组分的质量为：当当V总总=1m3时时，若混合前后若混合前后,气体的质量不变，气体的质量不变，当当V总总=1m3时时,气体混合物密度计算式气体混合物密度计算式2024/6/16取1m3 的气体为基准,令各组分的体积分率为:i =1,7当混合物气体可视为理想气体时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）比容：单位质量的流体所具有的体积，用：单位质量的流体所具有的体积，用表示，单位表示，单位 为为m3/kg。2）比比重重(相相对对密密度度)：某某物物质质的的密密度度与与4下下的的水水的的密密度度的的比比 值，用值，用 d 表示。表示。在数值上在数值上:2024/6/16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81.1.5 1.1.5 流体的静压强流体的静压强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：其它常用单位有：atm（标准大气压）、工程大气压标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高度（流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。等）。2024/6/161.1.5 流体的静压强1、压强的定义 SI制单位：N9换算关系为：换算关系为：2、压强的表示方法、压强的表示方法1)绝对压强绝对压强（绝压）：（绝压）：流体体系的真实压强称为绝对压强。流体体系的真实压强称为绝对压强。2)表表压压强（表压）：强（表压）：压力表上读取的压强值称为表压。压力表上读取的压强值称为表压。表压强表压强=绝对压强绝对压强-大气压强大气压强 3)真空度：真空度：真空表的读数。真空表的读数。真空度真空度=大气压强大气压强-绝对压强绝对压强=-=-表压表压2024/6/16换算关系为：2、压强的表示方法 1)绝对压强（绝压）：10绝对压强、真空度、表压强的关系为绝对压强、真空度、表压强的关系为 绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：如：4103Pa（真空度）、真空度）、200kPa（表压）。表压）。2024/6/16绝对压强、真空度、表压强的关系为 绝对零压线大气压强线A绝对111.1.6 1.1.6 牛顿黏性定律与流体的黏度牛顿黏性定律与流体的黏度 1.牛顿黏性定律牛顿黏性定律 流体的内摩擦力：流体的内摩擦力：运动着的流体内部运动着的流体内部相邻两流体层间的作相邻两流体层间的作 用力。用力。又称为又称为黏滞力或黏性摩擦力。黏滞力或黏性摩擦力。流体阻力产生的依据流体阻力产生的依据2024/6/161.1.6 牛顿黏性定律与流体的黏度 牛顿黏性定律 流12剪应力：剪应力：单位面积上的内摩擦力，以单位面积上的内摩擦力，以表示。表示。适用于适用于u与与y成直线关系成直线关系2024/6/16剪应力：单位面积上的内摩擦力，以表示。适用于u与y成直线关13牛顿黏性定律牛顿黏性定律式中：式中：速度梯度比比例例系系数数，它它的的值值随随流流体体的的不不同同而而不不同同，流流体体的的黏黏性性愈愈大大，其其值值愈愈大大，称称为为黏黏性性系系数数或或动动力力黏黏度度，简简称称黏度黏度。2024/6/16牛顿黏性定律式中：速度梯度 142、流体的黏度、流体的黏度 1)物理意义物理意义促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。黏度总是与速度梯度相联系，黏度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来只有在运动时才显现出来 2)黏度与温度、压强的关系黏度与温度、压强的关系 a)液液体体的的黏黏度度随随温温度度升升高高而而减减小小，压压强强变变化化时时，液液体体的黏度基本不变。的黏度基本不变。2024/6/162、流体的黏度 促使流体流动产生单位速度梯度的剪15b)气气体体的的黏黏度度随随温温度度升升高高而而增增大大，随随压压强强增增加加而而增增加加的的很少。很少。3）黏度的单位）黏度的单位 在在SI制中：制中：在物理单位制中，在物理单位制中，2024/6/16 b)气体的黏度随温度升高而增大，随压强增加而增16SI单位制和物理单位制黏度单位的换算关系为：单位制和物理单位制黏度单位的换算关系为：4）运动黏度）运动黏度单位：单位：SI制：制：m2/s；物理单位制：物理单位制：cm2/s，用用St表示。表示。2024/6/16SI单位制和物理单位制黏度单位的换算关系为：4）运动黏度17第第 一一 章章 流流 体体 流流 动动一、流体静力学方程的推导一、流体静力学方程的推导二、流体静力学方程的二、流体静力学方程的讨讨论论三、流体静力学方程的应用三、流体静力学方程的应用第第第第 二二二二 节节节节 流体静止的基本方程流体静止的基本方程流体静止的基本方程流体静止的基本方程2024/6/16第 一 章 流 体 流 动一、流体静力学方程的推导第 二181 1.2.1.2.1 方程的推导方程的推导流体的静力学方程流体的静力学方程 表明在重力作用下表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律静止液体内部压强的变化规律。2024/6/161.2.1 方程的推导流体的静力学方程 表明在重力191.2.2 1.2.2 方程的讨论方程的讨论 1 1）静静力力学学基基本本方方程程的的积积分分式式只只适适用用于于重重力力场场中中静静止止的的、不可压缩的、单一连续流体。不可压缩的、单一连续流体。2 2）当当容容器器液液面面上上方方压压强强P0一一定定时时，静静止止液液体体内内部部的的 压强压强P仅与垂直距离仅与垂直距离h有关，而与各点的水平位置无关，即：有关，而与各点的水平位置无关，即：处于同一水平面上各点的压强相等。处于同一水平面上各点的压强相等。2024/6/161.2.2 方程的讨论 1）静力学基本方程的积分式只适20 3 3）等等式式的的推推导导中中使使用用了了不不可可压压缩缩流流体体的的假假设设，这这对对于于液液体体来来说说是是可可以以成成立立的的，对对于于气气体体只只有有压压强强变变化化不不大大的的条条件件才才能能使用。使用。4 4）从从流流体体静静力力学学的的推推导导可可以以看看出出,它它们们只只能能用用于于静静止止的的 连连通通着着的的同同一一种种流流体体的的内内部部，对对于于间间断断的的并并非非单单一一流流体体的的内内部部则则不不满满足足这这一一关关系系。在在处处理理和和计计算算时时必必须须采采用用逐逐段段传传递递压压强的方法。强的方法。5）可以改写成 压压强强差差的的大大小小可可利利用用一一定定高高度度的的液液体体柱柱来来表表示示，这这就就是是液液体体压压强强计计的的根根据据，在在使使用用液液柱柱高高度度来来表表示示压压强强或或压压强强差差时时，需需指明何种液体。指明何种液体。2024/6/16 3）等式的推导中使用了不可压缩流体的假设，这对于液体21例例：图中开口的容器：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密度密度 ，水层高度水层高度h2=0.6m，密度为密度为 1）判断下列两关系是否成立）判断下列两关系是否成立 pApA，pBpB。2）计算玻璃管内计算玻璃管内水的高度水的高度h。2024/6/16例：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密22解：解：（1）判断题给两关系是否成立）判断题给两关系是否成立 A，A在在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上静止的连通着的同一种液体的同一水平面上 因因B，B虽在同一水平面上，但虽在同一水平面上，但不是连通着的同一种液不是连通着的同一种液 体体，即截面，即截面B-B不是等压面，故不是等压面，故（2）计算水在玻璃管内的高度）计算水在玻璃管内的高度hpA和和pA又分别可用流体静力学方程表示又分别可用流体静力学方程表示 设大气压为设大气压为p pa a 2024/6/16解：（1）判断题给两关系是否成立 因B，B虽在同一232024/6/162023/8/9241.2.3 1.2.3 流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用1、压强与压强差的测量、压强与压强差的测量1）U型管压差计型管压差计p0 p0 0 p1 p2 R a b 2024/6/161.2.3 流体静力学基本方程的应用1、压强与压强差的测量125根据流体静力学方程根据流体静力学方程2024/6/16根据流体静力学方程2023/8/926当被测的流体为当被测的流体为气体气体时，时，可忽略可忽略,则则，两点间压差计算公式两点间压差计算公式 若若U型型管管的的一一端端与与被被测测流流体体相相连连接接，另另一一端端与与大大气气相相通通，那那么么读读数数R就就反反映映了了被被测测流流体体的的绝绝对对压压强强与与大大气气压压之之差差，也也就是被测流体的就是被测流体的表压表压。当当p1-p2值值较较小小时时，R值值也也较较小小，若若希希望望读读数数R清清晰晰，可可采采取取三三种种措措施施：两两种种指指示示液液的的密密度度差差尽尽可可能能减减小小、采采用用倾倾斜斜U型管压差计、型管压差计、采用微差压差计。采用微差压差计。当管子平放时：当管子平放时：2024/6/16当被测的流体为气体时，可忽略,则，两点间压差计算公式272 2）倾斜）倾斜U型管压差计型管压差计 假假设设垂垂直直方方向向上上的的高高度度为为Rm，读读数数为为R1，与水平倾斜角度与水平倾斜角度 2024/6/162）倾斜U型管压差计2023/8/928根据流体静力学方程可以导出：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微差压差计两点间压差计算公式3)微差压差计微差压差计U型型管管的的两两侧侧管管的的顶顶端端增增设设两两个个小小扩扩大大室室,其其内内径径与与U型型管管的的内内径径之之比比10，装装入入两两种种密密度度接接近近且且互互不不相相溶溶的的指指示示液液A和和C，且指示液且指示液C与被测流体与被测流体B亦不互溶。亦不互溶。2024/6/16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29 例例：用：用3种压差计测量气体的微小压差种压差计测量气体的微小压差 试问：试问：1）用普通压差计，以苯为指示液，其读数）用普通压差计，以苯为指示液，其读数R为多少？为多少？2）用倾斜）用倾斜U型管压差计，型管压差计，=30=30，指示液为苯，其读指示液为苯，其读 数数R为多少？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）若用微差压差计，其中加入苯和水两种指示液，扩大 室截面积远远大于室截面积远远大于U型管截面积，此时读数型管截面积，此时读数R为多少？为多少？R为为R的多少倍？的多少倍？已知：苯的密度已知：苯的密度 水的密度水的密度 计算时可忽略气体密度的影响。计算时可忽略气体密度的影响。2024/6/16 例：用3种压差计测量气体的微小压差 试问：1）用普通302）倾斜）倾斜U型管压差计型管压差计 3）微差压差计）微差压差计 故：故：解：解：1）普通管）普通管U型管压差计型管压差计2024/6/162）倾斜U型管压差计 3）微差压差计 故：解：1）普通管U型312、液位的测定、液位的测定 液液位位计计的的原原理理遵遵循循静静止止液液体体内内部部压压强强变变化化的的规规律律,是静力学基本方程的一种应用。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：液柱压差计测量液位的方法：由由压压差差计计指指示示液液的的读读数数R可可以以计计算算出容器内液面的高度。出容器内液面的高度。当当R0时时，容容器器内内的的液液面面高高度度将将达达到到允允许许的的最最大大高高度度，容容器器内内液液面面愈低，压差计读数愈低，压差计读数R越大。越大。2024/6/162、液位的测定 液位计的原理遵循静止液体内部压强32远距离控制液位的方法远距离控制液位的方法：压缩氮气自管口压缩氮气自管口经调节阀通入，调经调节阀通入，调节气体的流量使气节气体的流量使气流速度流速度极小极小，只要，只要在鼓泡观察室内看在鼓泡观察室内看出有气泡缓慢逸出出有气泡缓慢逸出即可。即可。压差计读数压差计读数R的大小，反映出贮罐内液面的高度的大小，反映出贮罐内液面的高度。例例2024/6/16远距离控制液位的方法：压缩氮气自管口 压差计读数33例例：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两：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相界面位置，已知两吹气管出口的间距为H1m，压差计中压差计中指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为800kg/m3、1000kg/m3、13600kg/m3。求当压差计指示求当压差计指示R67mm时，界时，界面距离上吹气管出口端距离面距离上吹气管出口端距离h。解解：忽略吹气管出口端到：忽略吹气管出口端到U 型管两侧的气体流动阻型管两侧的气体流动阻 力造成的压强差，则：力造成的压强差，则：2024/6/16 例：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两 34（表）(表）2024/6/16（表）(表）2023/8/9353、液封高度的计算、液封高度的计算 液封的作用：液封的作用：若若设设备备内内要要求求气气体体的的压压力力不不超超过过某某种种限限度度时时，液液封封的的作作用用就是：就是：例例1例例2 当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称当气体压力超过这个限度时，气体冲破液封流出，又称为为安全性液封安全性液封。若设备内为负压操作，其作用是：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流体静力学基本方程式本方程式。防止外界空气进入设备内2024/6/163、液封高度的计算 液封的作用：例1例2 36例例1：如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过：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的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。解解：过液封管口作基准水平面：过液封管口作基准水平面o-o，在其上取在其上取1，2两点。两点。2024/6/16例1：如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过解：过液37例例2：真空蒸发器操作中产生的水蒸气，往往送入本题附图：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，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，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水即在管内上升一定高度h，这种措施称为这种措施称为液封液封。若真空表。若真空表读数为读数为 80104Pa，试求气压管内水上升的高度试求气压管内水上升的高度h。解解：设气压管内水面上方的绝对压强为：设气压管内水面上方的绝对压强为p，作用于液封作用于液封槽内水面的压强为大气压强槽内水面的压强为大气压强pa，根据流体静力学基本方程根据流体静力学基本方程式知：式知：2024/6/16 例2：真空蒸发器操作中产生的水蒸气，往往送入本题附图 382024/6/162023/8/939