化工原理 流动流体

化工原理课件流动流体第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日第一章流体流动.学习要求1.本章学习目的

通过本章学习，重点掌握流体流动的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和解决流体流动过程的有关问题，诸如：（1）

流体输送：流速的选择、管径的计算、流体输送机械选型。（2）

流动参数的测量：如压强、流速的测量等。（3）

建立最佳条件：选择适宜的流体流动参数，以建立传热、传质及化学反应的最佳条件。此外，非均相体系的分离、搅拌（或混合）都是流体力学原理的应用。第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

2

本章应掌握的内容

（1）流体静力学基本方程式的应用；（2）

连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点；（3）

两种流型的比较和工程处理方法；（4）

流动阻力的计算；（5）

管路计算。3.

本章学时安排授课14学时，习题课4学时。

第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日1.0

概述

流体流动的考察方法第一章

流体流动第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

流体流动规律是本门课程的重要基础：（1）流体存在的广泛性：管道、设备中绝大多数物质都是流体。（2）流体的输送：研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。（3）压强、流速及流量的测量：为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。（4）流动对传热、传质及化学反应的影响：化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的。第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日流体流动的考察方法一.

连续性假设1、流体：液体和气体的总称。

流体具有三个特点

（1）流动性，即抗剪抗张能力都很小

（2）无固定形状，随容器的形状而变化。（3）在外力作用下流体内部发生相对运动2、流体质点：含有大量分子的流体微团。分子自由程<流体质点尺寸<设备尺寸第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日二.

定态流动（稳定流动）定义：流体流动时的各参数不随时间而变化，仅为位置的函数，这种流动过程称为定态流动。例如流速u，定态：u=f(x,y,z)，液面不变。非定态：u=f(x,y,z,t)，液面变化。连续生产过程中的流体流动，多为稳定流动，在开工或停工阶段，则可能属于不稳定流动。生产以稳定流动为主。第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日1.1.

流体静力学1.1.1.

流体密度与比容1.1.1.流体静压强1.1.3.

流体静力学方程1.1.4.

流体静力学方程的应用第一章

流体流动第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

1.1.1流体密度与比容

密度定义

单位体积的流体所具有的质量，ρ;SI单位kg/m3。2.影响ρ的主要因素第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日液体：——不可压缩性流体气体：——可压缩性流体3.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，

操作条件下（T,P）下的密度：

第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日由理想气体方程求得操作条件（T,P）下的密度4.混合物的密度1）液体混合物的密度ρm

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，第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日——液体混合物密度计算式2)气体混合物的密度取1m3的气体为基准,令各组分的体积分率为:xvA,xvB,…,xVn,其中:i=1,2,….,n第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日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第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日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υ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:第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日1.1.2静压强

1、定义：流体垂直作用于单位面积上的静压力。2、特点：某一点不同方向上的压强在数值上相等，空间各点p＝f（x,y,z）3、压强的单位

（1）按压强的定义，压强是单位面积上的压力，单位Pa。1bar=105Pa。常用单位有：Pa、KPa、Mpa。（2）直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。（3）以大气压强表示：atm（物理大气压）、at（工程大气压）1atm=1.0105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar1at=9.81104Pa=735mmHg=10mH2O第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日4、静压强的表示方法

绝对压强：以绝对真空为基准量得的压强；表压强：以大气压强为基准量得的压强。真空度：表压强以大气压为起点计算，所以有正负，负表压强就称为真空度。

三者之间的关系为：表压=绝对压强—大气压强

真空度=大气压强—绝对压强第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日绝压/表压/真空度的定义及关系PA,绝pA（表）P大气压P（真空度）PB,绝表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强PA,绝pA（表）P大气压P（真空度）PB,绝第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日若已知某地的大气压力为750mmHg，而设备A内压力为1000mmHg，则PA表=_____

mmHg=______Pa。若设备B的真空度为300mmHg，则PB（绝）=______mmHg。PA,绝pA（表）P大气压P（真空度）PB,绝

流体压强具有以下两个重要特性：

①流体压力处处与它的作用面垂直，并且总是指向流体的作用面；

②流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

如图所示：容器中盛有密度为的静止液体。现从液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2，以p1和p2分别表示高度为z1和z2处的压力，液面上方的压力为p0。分析垂直方向上液柱的受力：向上：p2A向下：p1AG＝

gA(z1-z2)1、方程的推导Z1Z2P2P1Pa

G1.1.3流体静力学基本方程

(Basicequationsoffluidstatics)

第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日当液柱处于相对静止状态时，说明作用在此液柱上诸力的合力为零，即：p2A－p1A－gA(z1-z2)＝0化简得：p2＝

p1＋g(z1-z2)(1)或：p2－p1g=z1-z2(2)若液柱上表面取在液面上，令z1-z2=h，则上式可写为：(3)p2－p0g=h(4)上述式子均称为流体静力学基本方程式。它反映了流体不受水平外力作用，只在重力作用下流体内部压力（压强）的变化规律。压强形式能量形式PaJ/kgm能量形式第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2、方程的讨论1）推导条件：重力场，不可压缩，连续，静止，同一流体。2)由方程可知，当p0改变时，液体内部各点的压力也将发生同样大小的改变—帕斯卡原理。3)当容器液面上方的压力p0一定时，静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度

h

有关。因此，在静止的、连通的同一种液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的面，称为等压面。第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日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。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。第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日6.考察公式，

gz：单位质量流体所具有的位能。

p/ρ：单位质量流体所具有的静压能。第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

上式表明静止流体存在着两种形式的势能------位能和静压能，处于不同位置的流体的位能和静压能各不相同，但其总势能则保持不变。以/ρ表示单位质量流体的总势能，则上式可改写为/ρ＝常数。为虚拟压强，则静止流体中虚拟压强处处相等。7.一般液体的密度可视为常数，而气体密度则随压力而改变。但考虑到气体密度随容器高低变化甚微，一般也可视为常数，故静力学基本方程亦适用于气体。第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

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

PA＝PA’，PB＝P’B。2）计算玻璃管内水的高度h。第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日解：（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hPA和PA’又分别可用流体静力学方程表示

设大气压为Pa

第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日1.1.4静力学方程的应用1)压力计1、压强与压强差的测量单管压力计U型管压力计思考：如何测表压或真空度？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。

第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2）U型管压差计根据流体静力学方程第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日当被测的流体为气体时，

可忽略,则

，当管子平放时：思考：当压差很小的时候，希望读数准确，有什么办法？第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日当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。3）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α

第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日4)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。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第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日试问：1）用普通压差计，以苯为指示液，其读数R为多少？

例：用3种压差计测量气体的微小压差

2）用倾斜U型管压差计，θ=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。

第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2）倾斜U型管压差计

3）微差压差计故：解：1）普通管U型管压差计第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日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R＝0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。第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日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

。

第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

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H＝1m，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R＝67mm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：第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日（表）(表）第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日P00水气体h0目的：（1）恒定设备内的压力，防止超压；（2）防止气体外泄；

水封

安全液封h0