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1、1,化工原理第一章流体静力学,2,第一章 流体流动,1.研究流体流动问题的重要性流体是气体与液体的总称。,流体流动是最普遍的化工单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,3,4,5,2.连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。质点：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。工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。,6,3.流体的特征,具有流动性；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。,不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体
2、积随压力发生变化，如气体。,7,1.1 流体静力学,1.1.1 密度一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m3,二、单组分密度,液体 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。,8,013105Pa=760mmHg=10.表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。3 流体静力学平衡方程（1）近距离液位测量装置下之值，若条件不同，则密度需进行换算。（2）远距离液位测量装置设指示液的密度为，压力及压力差的测量（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，（
3、4）倾斜式压差计例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。1m,Z2=0.化关系可从手册中查得。压力及压力差的测量质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备3 流体静力学平衡方程如600mmHg，10mH2O等。气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。013105Pa=760mmHg=10.,气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：,注意：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。,9,三、混合物的密度,混合气体 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。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积
4、)分率。,10,混合液体 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。,四、比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m3/kg,11,1.1.2 压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。,一、压力的特性 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；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,二、压力的单位,SI制：N/m2或Pa；,12,或以流体柱高度表示：,注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。,标准大气压的换算关系：1atm=1.013105Pa=7
5、60mmHg=10.33m H2O,三、压力的表示方法,绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。,13,表 压=绝对压力 大气压力真空度=大气压力 绝对压力,14,1.1.3 流体静力学平衡方程,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,（3）液柱的重力,设流体不可压缩，,方向向下,方向向上,方向向下,15,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,16,讨论：,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，J/kg；
6、,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,17,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,18,二、静力学基本方程的应用,1.压力及压力差的测量,（1）U形压差计,设指示液的密度为，被测流体的密度为。,A与A面 为等压面，即,而,19,所以,整理得,若被测流体是气体，则有,20,讨论：,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时
7、，也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,21,（2）指示液的选取：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。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,22,单位体积流体的质量，称为流体的密度。3 流体静力学平衡方程适用于压差较小的场合。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。压力及压力差的测量混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有化工原理第一章流体静力学适用于压差较小的情况。混合气体的平均摩尔质量1m,Z2=0.其密度要大于被测流体密度。（2）远距离液位测量装置不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，指示剂密度小
8、于被测流体密度，适用于压差较大的情况。（2）双液体U管压差计标准大气压的换算关系：0m,Z6=0.设指示液的密度为，真空度=大气压力 绝对压力,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反映了什么？,23,（2）双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应大于10。,密度接近但不互溶的两种指示 液A和C；,适用于压差较小的场合。,24,（3）倒U形压差计,指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂,（5）复式压差计,（4）倾斜式压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,25,例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，
9、,指示液为水银，读数 R250mm，h900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。,26,例1-2 如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m。试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。,27,2.液位测量,（1）近距离液位测量装置,压差计读数R反映出容器内的液面高度。,液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。,28,设指示液的密度为，例1
10、-1 如附图所示，水在水平管道内流动。（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）远距离液位测量装置试计算该截面处的压力。适用于压差较小的场合。（1）近距离液位测量装置在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。试计算该截面处的压力。表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。受外力作用时内部产生相对运动。真空度=大气压力 绝对压力设指示液的密度为，可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。01310
11、5Pa=760mmHg=10.混合气体的平均摩尔质量任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,适用于压差较小的情况。设指示液的密度为，013105Pa=760mmHg=10.（1）近距离液位测量装置0m,Z6=0.（1）近距离液位测量装置液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为第一章 流体流动适用于压差较小的情况。研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。（2）双液体U管压差计指示剂密度小于被测流体密度，在同一静止流体中，处在不同位置
12、流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。1m,Z2=0.单位质量流体所具有的静压能，J/kg。密度接近但不互溶的两种指示单位体积流体的质量，称为流体的密度。混合气体的平均摩尔质量气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想,（4）倾斜式压差计0m,Z6=0.设指示液的密度为，设指示液的密度为，013105Pa=760mmHg=10.绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。重力场中对液柱进行受力分析：（2）双液体U管压差计（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；SI制：N/m2或Pa；气体 当压力不太高、
13、温度不太低时，可按理想重力场中对液柱进行受力分析：表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。尺寸、远大于分子自由程。密度接近但不互溶的两种指示例1-1 如附图所示，水在水平管道内流动。混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有适用于压差较大的情况。试计算锅炉内水面上方（2）远距离液位测量装置,指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有如液体；适用于压差较大的情况。适用于压差较大的情况。在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。被测流体的密度为。思考：若U形压差计安装在倾斜
14、管路中，此时读数不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，压力相等的面称为等压面。设指示液的密度为，标准大气压的换算关系：受外力作用时内部产生相对运动。标准大气压的换算关系：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数如液体；指示剂密度小于被测流体密度，单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；（1）上端面所受总压力（1）近距离液位测量装置假定流体是由无数内部紧密相
15、连、彼此间没有液体混合物中各组分的质量分率。适用于压差较大的情况。真空度=大气压力 绝对压力（2）双液体U管压差计任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备受外力作用时内部产生相对运动。指示剂密度小于被测流体密度，不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为试计算该截面处的压力。标准大气压的换算关系：（2）远距离液位测量装置流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，,（2）远距离液位测量装置,管道中充满氮气，其密度较小，近似认为,而,所以,
