化工原理ppt课件

第 一 章 流 体 流 动,一、连续介质的假定 二、流体的压缩性 三、作用在流体上的力 四、质量力与密度 五、流体的静压强 六、流体的黏度,第 一 节 流体的物理性质,1,1.1.1 连续介质的假定,应予指出，连续介质假定对大多数工程情况是适用的，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：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。,1.1.2 流体的压缩性,压缩性：流体的体积随压力变化的关系,2,1.1.3 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。,3,2、影响的主要因素,1.1.4 质量力与密度,1、密度：单位体积的流体所具有的质量，; SI单位kg/m3。,液体：,不可压缩性流体,气体：,可压缩性流体,4,3. 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:,假设混合后总体积不变，,液体混合物密度计算式,5,4. 气体的密度,理想气体在标况下的密度为：,例如：标况下的空气，,操作条件（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,6,取1m3 的气体为基准,令各组分的体积分率为: 其中:,i =1, 2, , n,气体混合物的密度,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,7,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,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:,8,1.1.5 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）。,9,换算关系为：,2、压强的表示方法,1) 绝对压强（绝压）：,流体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,10,绝对压强、真空度、表压强的关系为,绝对零压线,大气压强线,绝对压强,表压强,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。 如：4103Pa（真空度）、200kPa（表压）。,11,1.1.6 牛顿黏性定律与流体的黏度,牛顿黏性定律,流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作 用力。又称为黏滞力或黏性摩擦力。 流体阻力产生的依据,12,剪应力：单位面积上的内摩擦力，以表示。,适用于u与y成直线关系,13,牛顿黏性定律,式中：,速度梯度,比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的黏性愈大，其值愈大，称为黏性系数或动力黏度，简称黏度。,14,2、流体的黏度 1)物理意义,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，只有在运动时才显现出来 2)黏度与温度、压强的关系 a) 液体的黏度随温度升高而减小，压强变化时，液体的黏度基本不变。,15,b)气体的黏度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。 3）黏度的单位 在SI制中：,在物理单位制中，,16,SI单位制和物理单位制黏度单位的换算关系为：,4）运动黏度,单位： SI制：m2/s； 物理单位制：cm2/s，用St表示。,17,第 一 章 流 体 流 动,一、流体静力学方程的推导 二、流体静力学方程的讨论 三、流体静力学方程的应用,第 二 节 流体静止的基本方程,18,1.2.1 方程的推导,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。,19,1.2.2 方程的讨论,1）静力学基本方程的积分式只适用于重力场中静止的、不可压缩的、单一连续流体。,2）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的 压强P仅与垂直距离h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。,20,3）等式的推导中使用了不可压缩流体的假设，这对于液体来说是可以成立的，对于气体只有压强变化不大的条件才能使用。,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。在处理和计算时必须采用逐段传递压强的方法。,压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。,21,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 pApA，pBpB。 2）计算玻璃管内水的高度h。,22,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,23,24,1.2.3 流体静力学基本方程的应用,1、压强与压强差的测量,1）U型管压差计,p0,p0,0,p1,p2,R,a,b,25,根据流体静力学方程,26,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：,27,2）倾斜U型管压差计 假设垂直方向上的高度为Rm，读数为R1，与水平倾斜角度,28,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。,29,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。,30,2）倾斜U型管压差计,3）微差压差计,故：,解：1）普通管U型管压差计,31,2、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R0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。,32,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,33,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H1m，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R67mm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：,34,（表）,(表）,35,3、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：,例1,例2,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,36,例1：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 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。,37,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 80104Pa，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：,38,39,