化工基础第一章概述流体静力学

1、化工基础第一章概述流体静力学第1页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/41.1 流体概述 流体的定义和分类 1、定义 凡能在外力的作用下，任意改变形状的物体。 气体（含蒸汽）和液体统称流体。 第2页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4第3页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/42、分类 （1）按状态分为气体、液体和超临界流体。 （2）按可压缩性可分为不可压缩流体和可压缩流体。 （3）依是否可忽略分子间作用力分为理想流体和粘性（实际）流体。 （4）按流变特性（剪力与速度梯度之间关系）分牛顿型和非牛顿

2、型流体。 第4页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4 流体的特征 1、流动性，即抗剪抗张的能力很小； 2、无固定形状，易变形（随容器形状），气体能充满整个密闭容器空间； 3、流动时产生内摩擦，从而构成了流体流动内部结构的复杂性。第5页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4 作用在流体上的力 外界作用于流体上的力有两种，即质量力和表面力。1、质量力（又称体积力） 质量力作用于流体的每个质点上，并与流体的质量成正比，对于均质流体也与流体的体积成正比。 流体在重力场中受到重力、在离心力场中受到的离心力都是典型的质量力。第6页，共52页

3、，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/42、表面力（又称接触力或机械力） 表面力与流体的表面积成正比。 作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类，即垂直于表面的力和平行于表面的力。前者为压力，后者为剪力（切力）。 静止流体只受到压力的作用，而流动流体则同时受到两类表面力的作用。第7页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/41.1.4 连续介质假定 从微观讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。 工程上，在研究流体流动时，常从宏观出发，将流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。 质点：是指由大

4、量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连续介质。 第8页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/41、密度定义 流体的密度 单位体积的流体所具有的质量，; SI单位kg/m3。-流体的密度，kg/m3； m-流体的质量，kg； V-流体的体积，m3。 1.2 流体静力学第9页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/42、影响的主要因素气体：液体：不可压缩性流体可压缩性流体第10页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/43

5、、气体密度的计算 理想气体在标况下的密度为： 例如：标况下的空气密度为： 操作条件下（T, P）下的密度： 第11页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4或 对于混合气体，可用平均摩尔质量Mm代替M。 MmM1y1M2y2MnynMi -各组分的摩尔质量； yi -各组分的摩尔分率（体积分率或压强分率）。 或 第12页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/44、液体的密度 基本上不随压强而变化，随温度略有改变。 常见纯液体的密度值可查有关手册（注意所指温度）。 混合液体的密度，在忽略混合体积变化条件下，可用下式估算（以1kg混合液为

6、基准），即：i -各纯组分的密度，kg/m3；wi -各纯组分的质量分率。第13页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4（1）比体积（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:5、与密度相关的几个物理量第14页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4 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。即： p - 流体的静压强，Pa；F - 垂直作用于流体表面上的压力，N；A - 作用面的面积

7、，m2。 第15页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4换算关系为：2 、压强的单位 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）。 第16页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/43、压强的基准 （1）绝对零压(真空) 以绝对零压为基准所测得的压强称为绝对压强。 （2）当时当地的大气压 以当时当地的大气压为基准所测得的压强称为表压或真空度。 表压强绝对压强大气压强 真空度大气压强绝对压强表压第17页，共52页，2022年，5月20日，0

8、点54分，星期二2022/9/4第18页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4绝对压强、真空度、表压强的关系图 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。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。 第19页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4压力表第20页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4弹簧压力表的内部结构第21页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4第22页，共52页，2022年，5月20日，0

9、点54分，星期二2022/9/41、方程的推导在11截面受到垂直向下的压力： 在22 截面受到垂直向上的压力： 小液柱本身所受的重力： 因为小液柱处于静止状态， 流体静力学基本方程式第23页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4两边同时除A该式说明：在同一种静止流体中不同高度上的静压能和位能各不相同，但其总能量保持不变。 第24页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为P0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。取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为P 令

10、则得： 第25页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/42、方程的讨论（1）当液体的种类一定时，液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即： （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，即：结论：处于同一水平面上各点的压强相等。第26页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4（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。【帕斯卡（巴斯噶）原理】【如：液压千斤顶】（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

11、，对于间断的并非单一流体的内部则不满足这一关系。第27页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4（5）可以改写成 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。（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。第28页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4 液压传动所基于的最基本的原理就是巴斯噶原理，就是说，液体各处的压强是一致的。液压千斤顶第29页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4例：图中

12、开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,密度1800 kg/m3 ，水层高度h2=0.6m，密度为2 1000kg/m3（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。第30页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4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BB不是等压面，故：第31页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4（2）计算水在玻璃管内的高度hPA和PA又分别可用流体静力学方程表示 设大气

13、压为Pa 第32页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4第33页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4 流体静力学方程式的应用1、压强与压强差的测量（1）U型管压差计U型管压差计的构造透明的U型玻璃管；刻度尺；指示液。第34页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4第35页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4U型管压差计的测压原理两点间压差计算公式而整理得： 第36页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4当被测的流体为气体时，0，可忽略

14、，则： 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。 几点讨论第37页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4当P1P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取措施是：使用倾斜U型管压差计、 微差压差计。当P1P2值较大时，R值也很大，为了测量的方便，可采取措施是：使用复式压差计。第38页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4（2）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

15、，且指示液C与被测流体B亦不互溶。 微差压差计的结构第39页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4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 可认为即使U管内指示液A 的液面差R 较大，但两扩大室内指示液C的液面变化微小，可近似认为维持在同一水平面。 微差压差计的测压原理第40页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4第41页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4例：用U型管压差计测量气体在水平管路上两截面的压强差。指示液为水，其密度0为1000kg/m3，读数为12mm。为了放大读数，

16、改用微差压差计，指示液A是含40酒精的水溶液，密度A为920kg/m3,指示液C是煤油，密度C为850kg/m3。问读数可以放大到多少？若两者之读数误差均为2mm，问相对误差各为多少？ 第42页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4（3） 复式压差计 当系统内两处压强差很大时，将会导致U型管内指示液的高度差很大，给读数带来困难。此时，可使用复式压差计。压差计算公式为：第43页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/42、液位的测定 在化工生产中，经常要了解容器内液体的贮存量，或对设备内的液位进行控制，因此，常常需要测量液位。 如图所示

17、的是利用U形压差计进行近距离液位测量装置。在容器或设备1的外边设一平衡室2，其中所装的液体与容器中相同，液面高度维持在容器中液面允许到达的最高位置。用一装有指示剂的U形压差计3把容器和平衡室连通起来。第44页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4液柱压差计测量液位的方法： 分析可知：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。 由压差计指示液的读数R可以计算出容器内液面的高度，关系为：第45页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4第46页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二

18、2022/9/4远距离控制液位的装置 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。 若容器或设备的位置离操作室较远时，可采用如图所示的远距离液位测量装置。 第47页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4远距离测定液位的方法 用U形压差计测量吹气管内的压力，其读数R的大小，即可反映出容器内的液位高度，关系为：贮罐内液体的密度；0U型管内指示液的密度。第48页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/4第49页，共52页，2022年，5月20日，0点54分，星期二2022/9/43、液封高度的计算 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。 液封需有一定的液位，其高度的确定就是根据流