化工原理第一章流体静力学课件

返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件 第一章第一章 流体流动流体流动 1.1.研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性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；流体流动是最普遍的化工单元操作之一；研研究究流流体体流流动动问问题题也也是是研研究究其其它它化化工工单单元元操操作作的的重要基础。重要基础。1 1 第一章第一章 流体流流体流动动 1.1.研究流体流研究流体流动问动问返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件2 22 2返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件3 33 3返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件2.2.连续介质假定连续介质假定连续介质假定连续介质假定 假定流体是由无数假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有内部紧密相连、彼此间没有间隙的间隙的流体质点（或微团）所组成的流体质点（或微团）所组成的连续介质连续介质连续介质连续介质。质点质点质点质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备：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。尺寸、远大于分子自由程。工程意义工程意义工程意义工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。流体。4 42.2.连续连续介介质质假定假定 4 4返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件3.流体的特征流体的特征 具有流动性；具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；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。受外力作用时内部产生相对运动。不可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，流体的体积不随压力变化而变化，如液体；如液体；可压缩性流体：可压缩性流体：可压缩性流体：可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，流体的体积随压力发生变化，如气体。如气体。5 53.3.流体的特征流体的特征 具有流具有流动动性；不可性；不可压缩压缩流体：流体的体流体：流体的体积积不不返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件1.1 流体静力学流体静力学1.1.1 密度密度一、定义一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。单位体积流体的质量，称为流体的密度。kg/m3 二、单组分密度二、单组分密度 液体液体液体液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。化关系可从手册中查得。6 61.1 1.1 流体静力学流体静力学1.1.1 1.1.1 密度密度kg/m3 kg/m3 二、二、单组单组返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件 气体气体气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：气体状态方程计算：注意：注意：注意：注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度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。下之值，若条件不同，则密度需进行换算。7 7 气体气体 当当压压力不太高、温度不太低力不太高、温度不太低时时，可按理想注意：手册中，可按理想注意：手册中返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件三、混合物的密度三、混合物的密度三、混合物的密度三、混合物的密度 混合气体混合气体混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有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。气体混合物中各组分的体积分率。或或混合气体的平均摩尔质量混合气体的平均摩尔质量 气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔(体积体积)分率。分率。8 8三、混合物的密度三、混合物的密度 混合气体混合气体 各各组组分在混合前后分在混合前后质质量不量不变变，返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件 混合液体混合液体混合液体混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有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。液体混合物中各组分的质量分率。四、四、四、四、比容比容比容比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。m3/kg 9 9 混合液体混合液体 假假设设各各组组分在混合前后体分在混合前后体积积不不变变，则则有有 液体液体返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件 1.1.2 压力压力 流流体体垂垂直直作作用用于于单单位位面面积积上上的的力力，称称为为流流体体的的静压强，习惯上又称为静压强，习惯上又称为压力。压力。压力。压力。一、压力的特性一、压力的特性一、压力的特性一、压力的特性 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；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；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。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。二、二、二、二、压力的单位压力的单位压力的单位压力的单位 SISI制：制：N/mN/m2 2或或PaPa；1010 1.1.2 1.1.2 压压力力 流体垂直作用于流体垂直作用于单单位面位面积积上的力上的力返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件或或以流体柱高度表示以流体柱高度表示 ：注意注意注意注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如如600600mmHgmmHg，10mH10mH2 2O O等。等。标准大气压的换算关系：标准大气压的换算关系：1 1atm=1.01310atm=1.013105 5Pa=760mmHg=10.33m HPa=760mmHg=10.33m H2 2O O三、三、三、三、压力的表示方法压力的表示方法压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度表压或真空度表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。以大气压为基准测得的压力。1111或以流体柱高度表示或以流体柱高度表示 ：注意：用液柱高度表示：注意：用液柱高度表示压压力力时时，必，必须须指明流指明流返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件表表 压压=绝对压力绝对压力 大气压力大气压力真空度真空度=大气压力大气压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空绝对真空绝对真空 表压表压表压表压 真空度真空度真空度真空度 大气压大气压大气压大气压 1212表表 压压=绝对压绝对压力力 大气大气压压力力绝对压绝对压力力 绝对压绝对压力力 返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件1.1.3 流体静力学平衡方程流体静力学平衡方程 一、静力学基本方程一、静力学基本方程一、静力学基本方程一、静力学基本方程 重力场中对液柱进行受力分析：重力场中对液柱进行受力分析：（1 1）上端面所受总压力）上端面所受总压力 （2 2）下端面所受总压力）下端面所受总压力 （3 3）液柱的重力）液柱的重力设流体不可压缩，设流体不可压缩，p p0 0p p2 2p p1 1z z1 1z z2 2G G方向向下方向向下方向向上方向向上方向向下方向向下13131.1.3 1.1.3 流体静力学平衡方程流体静力学平衡方程 一、静力学基本方程一、静力学基本方程 重力重力场场返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件液柱处于静止时，上述三项力的合力为零液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:静力学基本方程静力学基本方程静力学基本方程静力学基本方程 压力形式压力形式能量形式能量形式1414液柱液柱处处于静止于静止时时，上述三，上述三项项力的合力力的合力为为零零:静力学基本方程静力学基本方程 压压返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件讨论：讨论：讨论：讨论：（1 1）适适用用于于重重力力场场中中静静止止、连连续续的的同同种种不不可可压压缩缩性性流体流体；（2 2）物理意义：物理意义：物理意义：物理意义：单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kgJ/kg；单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kgJ/kg。在同一静止流体中，处在不同位置流体的在同一静止流体中，处在不同位置流体的位位能和静压能能和静压能各不相同，但二者可以转换，其各不相同，但二者可以转换，其总和总和保持不变保持不变 。1515讨论讨论：（：（1 1）适用于重力）适用于重力场场中静止、中静止、连续连续的同种不可的同种不可压缩压缩性流体；性流体；返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件（3 3）在在静静止止的的、连连续续的的同同种种流流体体内内，处处于于同同一一水水平平面面上上各各点点的的压压力力处处处处相相等等。压压力力相相等等的的面面称称为为等等等等压压压压面面面面。（4 4）压压压压力力力力具具具具有有有有传传传传递递递递性性性性：液液面面上上方方压压力力变变化化时时，液液体体内部各点的压力也将发生相应的变化。内部各点的压力也将发生相应的变化。1616（3 3）在静止的、）在静止的、连续连续的同种流体内，的同种流体内，处处于同一水平面上各点的于同一水平面上各点的压压力力返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件二、二、二、二、静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用 1.1.压力及压力差的测量压力及压力差的测量压力及压力差的测量压力及压力差的测量 （1 1）U U形压差计形压差计形压差计形压差计 设指示液的密度为设指示液的密度为 ，被测流体的密度为被测流体的密度为 。A A与与A A面面 为等压面，即为等压面，即而而p p1 1p p2 2mmR RA AA A 1717二、静力学基本方程的二、静力学基本方程的应应用用 1.1.压压力及力及压压力差的力差的测测量量 （1 1）UU返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件所以所以整理得整理得若被测流体是气体，若被测流体是气体，则有，则有1818所以整理得若被所以整理得若被测测流体是气体，流体是气体，则则有有1818返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件讨论：讨论：讨论：讨论：（1 1）U U形形压压差差计计可可测测系系统统内内两两点点的的压压力力差差，当当将将U U形形管管一一端端与与被被测测点点连连接接、另另一一端端与与大大气气相相通通时时，也也可可测测得流体的表压或真空度；得流体的表压或真空度；表压表压真空度真空度p p1 1p pa ap p1 1p pa a1919讨论讨论：（：（1 1）UU形形压压差差计计可可测测系系统统内两点的内两点的压压力差，当将力差，当将UU形管一端形管一端返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件（2 2）指示液的选取：）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；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。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。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。2020（2 2）指示液的）指示液的选选取：取：2020返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件思考：思考：思考：思考：若若U U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R R反映了什么？反映了什么？p p1 1p p2 2z z2 2R RA AA A z z1 12121思考：若思考：若UU形形压压差差计计安装在安装在倾倾斜管路中，此斜管路中，此时读时读数数p1p2z2RAp1p2z2RA返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件（2 2）双液体双液体双液体双液体U U管压差计管压差计管压差计管压差计 扩扩大大室室内内径径与与U U管管内内径径之之比比应应大于大于10 10。密度接近但不互溶的两种指示密度接近但不互溶的两种指示 液液A A和和C C ；适用于压差较小的场合。适用于压差较小的场合。2222（2 2）双液体）双液体UU管管压压差差计计 扩扩大室内径与大室内径与UU管内径之比管内径之比应应大于大于1010返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件（3 3）倒倒倒倒U U形压差计形压差计形压差计形压差计 指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，如如空气作为指示剂空气作为指示剂 （5 5）复式压差计复式压差计复式压差计复式压差计 （4 4）倾斜式倾斜式倾斜式倾斜式压差计压差计压差计压差计 适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。适用于压差较大的情况。适用于压差较大的情况。2323（3 3）倒倒UU形形压压差差计计 指示指示剂剂密度小于被密度小于被测测流体密度流体密度返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件例例例例1-1 1-1 如如附附图图所所示示，水水在在水水平平管管道道内内流流动动。为为测测量量流流体在某截面处的压力，直接在该处连接一体在某截面处的压力，直接在该处连接一U U形压差计，形压差计，指示液为水银，读数指示液为水银，读数 R R 250mm250mm，h h 900mm900mm。已已知知当当地地大大气气压压为为101.3101.3kPakPa，水水的的密密度度1000kg/m1000kg/m3 3，水水银银的的密密度度13600kg/m13600kg/m3 3。试试计计算算该该截截面处的压力。面处的压力。2424例例1-1 1-1 如附如附图图所示，水在水平管道内流所示，水在水平管道内流动动。为测为测量流体在某截量流体在某截返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件例例例例1-2 1-2 如如附附图图所所示示，蒸蒸汽汽锅锅炉炉上上装装一一复复式式压压力力计计，指指示示液液为为水水银银，两两U U形形压压差差计计间间充充满满水水。相相对对于于某某一一基基准面，各指示液界面高度分别为准面，各指示液界面高度分别为 Z Z0 0=2.1m,Z=2.1m,Z2 2=0.9m,=0.9m,Z Z4 4=2.0m,Z=2.0m,Z6 6=0.7m,=0.7m,Z Z7 7=2.5m=2.5m。试计算锅炉内水面上方试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。的蒸汽压力。2525例例1-2 1-2 如附如附图图所示，蒸汽所示，蒸汽锅锅炉上装一复式炉上装一复式压压力力计计，指示液，指示液为为水水返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件2.2.液位测量液位测量液位测量液位测量 （1 1 1 1）近距离液位测量装置）近距离液位测量装置）近距离液位测量装置）近距离液位测量装置 压差计读数压差计读数R R反映出容器反映出容器内的液面高度。内的液面高度。液液面面越越高高，h h越越小小，压压差差计计读读数数R R越越小小；当当液液面达到最高时，面达到最高时，h h为零，为零，R R亦为零。亦为零。26262.2.液位液位测测量量 （1 1）近距离液位）近距离液位测测量装置量装置 压压差差计读计读返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件（2 2 2 2）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置 管管道道中中充充满满氮氮气气，其其密密度度较较小小，近近似似认为认为 而而所以所以 A AB B2727（2 2）远远距离液位距离液位测测量装置量装置 管道中充管道中充满满氮气，其密度氮气，其密度较较小，近小，近返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件精品课件精品课件！2828精品精品课课件！件！2828返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件精品课件精品课件！2929精品精品课课件！件！2929返回返回北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件北京化工大学化工原理电子课件3.3.液封高度的计算液封高度的计算液封高度的计算液封高度的计算 液封作用：液封作用：确确保保设设备备安安全全：当当设设备备内内压压力力超超过过规规定定值值时时，气气体从液封管排出；体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。液封高度：液封高度：30303.3.液封高度的液封高度的计计算算 液封作用：液封高度：液封作用：液封高度：3030