大學(xué)化工基礎(chǔ)課件

1、模塊一 流體流動(dòng)和流體輸送 Fluid Flow/sundae_meng模塊一 流體流動(dòng)和流體輸送 項(xiàng)目1：流體靜力學(xué)壓力測量和控制、液位測量 能力目標(biāo)：1、能正確使用流體靜壓力測量控制、液位測 量裝置；2、能進(jìn)行流量計(jì)的流量調(diào)節(jié)。 /sundae_meng項(xiàng)目1：流體靜力學(xué)壓力測量和控制、液位測量 能力目標(biāo)：ht-內(nèi)容提要-流體的基本概念靜力學(xué)方程及其應(yīng)用 機(jī)械能衡算式及柏努 利方程 流體流動(dòng)的現(xiàn)象 流動(dòng)阻力的計(jì)算、管路計(jì)算/sundae_meng-內(nèi)容提要-流體的基本概念http:/www.doc概 述 流體流動(dòng)規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)，主要原因有以下三個(gè)方面： （1）流動(dòng)阻力及流量計(jì)算

2、（2）流動(dòng)對(duì)傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響 （3）流體的混合效果 化工生產(chǎn)中，經(jīng)常應(yīng)用流體流動(dòng)的基本原理及其流動(dòng)規(guī)律解決關(guān)問題。以圖1-1為煤氣洗滌裝置為例來說明： 流體動(dòng)力學(xué)問題：流體（水和煤氣）在泵（或鼓風(fēng)機(jī)）、流量計(jì)以及管道中流動(dòng)等； 流體靜力學(xué)問題：壓差計(jì)中流體、水封箱中的水圖1-1 煤氣洗滌裝置/sundae_meng概 述 流體流動(dòng)規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)流體靜力學(xué)基本方程( Basic equations of fluid statics )* 本節(jié)主要內(nèi)容 流體的密度和壓強(qiáng)的概念、單位及換算等；在重力場中的靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律及其工程應(yīng)用。 * 本節(jié)的重點(diǎn) 重點(diǎn)掌握流體靜力學(xué)

3、基本方程式的適用條件及工程應(yīng)用實(shí)例。* 本節(jié)的難點(diǎn) 本節(jié)點(diǎn)無難點(diǎn)。 /sundae_meng流體靜力學(xué)基本方程( Basic equations of 流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)主要研究流體流體靜止時(shí)其內(nèi)部壓強(qiáng)變化的規(guī)律。用描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為流體靜力學(xué)基本方程式。先介紹有關(guān)概念： 1.2.1 流體的密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度。以表示，單位為kg/m3。 （1-1)式中-流體的密度，kg/m3 ； m-流體的質(zhì)量，kg； V-流體的體積，m3。 當(dāng)V0時(shí)，m/V 的極限值稱為流體內(nèi)部的某點(diǎn)密度。 /sundae_meng流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)主要研究流體

4、流體靜止 液體的密度 液體的密度幾乎不隨壓強(qiáng)而變化，隨溫度略有改變，可視為不可壓縮流體。 純液體的密度可由實(shí)驗(yàn)測定或用查找手冊(cè)計(jì)算的方法獲取。 混合液體的密度，在忽略混合體積變化條件下， 可用下式估算（以1kg混合液為基準(zhǔn)），即 （1-2）式中i -液體混合物中各純組分的密度，kg/m3； i -液體混合物中各純組分的質(zhì)量分率。 流體的密度/sundae_meng流體的密度/sund 氣體的密度 氣體是可壓縮的流體，其密度隨壓強(qiáng)和溫度而變化。氣體的密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。 純氣體的密度一般可從手冊(cè)中查取或計(jì)算得到。當(dāng)壓強(qiáng)不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體來換算： （1-3） 式中 p 氣體的絕對(duì)壓

5、強(qiáng), Pa(或采用其它單位)； M 氣體的摩爾質(zhì)量, kg/kmol； R 氣體常數(shù),其值為8.315； T 氣體的絕對(duì)溫度， K。 流體的密度/sundae_meng 流體的密度http:對(duì)于混合氣體，可用平均摩爾質(zhì)量Mm代替M。 （1-4）式中yi -各組分的摩爾分率（體積分率或壓強(qiáng)分率）。 (下標(biāo)0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))(1-3a)氣體的密度或/sundae_meng(下標(biāo)0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))(1-3a)氣體的密度或ht流體的壓強(qiáng)及其特性 垂直作用于單位面積上的表面力稱為流體的靜壓強(qiáng),簡稱壓強(qiáng)。流體的壓強(qiáng)具有點(diǎn)特性。工程上習(xí)慣上將壓強(qiáng)稱之為壓力。 在SI中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，以Pa表示。但習(xí)慣上還

6、采用其它單位，它們之間的換算關(guān)系為：（2） 壓強(qiáng)的基準(zhǔn) 壓強(qiáng)有不同的計(jì)量基準(zhǔn)：絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)、真空度。 流體的壓強(qiáng)（1） 定義和單位.1atm=1.033 kgf/cm2 =760mmHg=10.33mH2O =1.0133 bar =1.0133105Pa /sundae_meng流體的壓強(qiáng)及其特性 流體的壓強(qiáng)1atm=1.0絕對(duì)壓強(qiáng) 以絕對(duì)零壓作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓強(qiáng)。 表壓強(qiáng)壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即: 表壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng) 真空度 真空表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù)值，即:真空度大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng) 絕對(duì)壓強(qiáng)，表壓強(qiáng)，

7、真空度之間的關(guān)系見圖1-2。 圖壓強(qiáng)的基準(zhǔn)和量度流體的壓強(qiáng)/sundae_meng絕對(duì)壓強(qiáng) 以絕對(duì)零壓作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí)壓流體壓強(qiáng)的特性 流體壓強(qiáng)具有以下兩個(gè)重要特性： 流體壓力處處與它的作用面垂直，并且總是指向流體的作用面； 流體中任一點(diǎn)壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。熟悉壓力的各種計(jì)量單位與基準(zhǔn)及換算關(guān)系，對(duì)于以后的學(xué)習(xí)和實(shí)際工程計(jì)算是十分重要的。/sundae_meng流體壓強(qiáng)的特性 流體壓強(qiáng)具有以下兩z o流體靜力學(xué)基本方程 ( Basic equations of fluid statics ) 推導(dǎo)過程 使用條件 物理意義 工程應(yīng)用方程式推導(dǎo) 圖1-3所示的

8、容器中盛有密度為的均質(zhì)、連續(xù)不可壓縮靜止液體。如流體所受的體積力僅為重力，并取z 軸方向與重力方向相反。若以容器底為基準(zhǔn)水平面，則液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為Z1、Z2 。現(xiàn)于液體內(nèi)部任意劃出一底面積為A的垂直液柱。 圖1-3流體靜力學(xué)基本方程推導(dǎo)/sundae_mengz o流體靜力學(xué)基本方程 ( Basic （1）向上作用于薄層下底的總壓力，PA （2）向下作用于薄層上底的總壓力，（P+dp）A （3）向下作用的重力， 由于流體處于靜止，其垂直方向所受到的各力代數(shù)和應(yīng)等于零，簡化可得：z o 方程式推導(dǎo)圖1-3流體靜力學(xué)基本方程推導(dǎo)/sundae_meng z o 圖1-3

9、流體靜力學(xué)基本方程推導(dǎo)http:/w分組討論：流體靜力學(xué)方程 在應(yīng)用注意哪些問題？/sundae_meng分組討論：流體靜力學(xué)方程 流體靜力學(xué)基本方程式推導(dǎo) 在圖1-4中的兩個(gè)垂直位置2 和 1 之間對(duì)上式作定積分 由于 和 g 是常數(shù)，故 （1-5）（1-5a）若將圖1-4中的點(diǎn)1移至液面上（壓強(qiáng)為p0），則式1-5a變?yōu)? 上三式統(tǒng)稱為流體靜力學(xué)基本方程式。圖1-4靜止液體內(nèi)壓力的分布（1-5b）PaJ/kg/sundae_meng流體靜力學(xué)基本方程式推導(dǎo) 在圖1-4中的兩個(gè)垂直位置2流體靜力學(xué)基本方程式討論 (1) 適用條件 重力場中靜止的，連續(xù)的同一種不可壓縮流體(或壓力 變化不大的可

10、壓縮流體,密度可近似地取其平均值 ）。 （2）衡算基準(zhǔn) 衡算基準(zhǔn)不同，方程形式不同。 若將（1-5）式各項(xiàng)均除以密度，可得 將式(1-5b)可改寫為： 壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的大小可用某種液體的液柱高度表示， 但必須注 明是何種液體 。mm （1-5c） （1-5d）/sundae_meng流體靜力學(xué)基本方程式討論 (1) 適用條流體靜力學(xué)基本方程式討論(3) 物理意義 (i) 總勢能守恒 重力場中在同一種靜止流體中不同高度上的微元其靜壓能和位能各不相同，但其總勢能保持不變。 (ii) 等壓面 在靜止的、連續(xù)的同一種液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的靜壓強(qiáng)相等-等壓面（靜壓強(qiáng)僅與垂直高度有關(guān)，與水平位置無關(guān)

11、）。要正確確定等壓面。 靜止液體內(nèi)任意點(diǎn)處的壓強(qiáng)與該點(diǎn)距液面的距離呈線性關(guān)系，也正比于液面上方的壓強(qiáng)。 (iii) 傳遞定律 液面上方的壓強(qiáng)大小相等地傳遍整個(gè)液體。/sundae_meng流體靜力學(xué)基本方程式討論(3) 物理意義 (i) 總勢休息一下吧！/sundae_meng休息一下吧！/sun靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用 流體靜力學(xué)原理的應(yīng)用很廣泛，它是連通器和液柱壓差計(jì)工作原理的基礎(chǔ)，還用于容器內(nèi)液柱的測量，液封裝置，不互溶液體的重力分離（傾析器）等。解題的基本要領(lǐng)是正確確定等壓面。本節(jié)介紹它在測量液體的壓力和確定液封高度等方面的應(yīng)用。 壓力的測量 測量壓強(qiáng)的儀表很多，現(xiàn)僅介紹以流體靜力學(xué)基本

12、方程式為依據(jù)的測壓儀器-液柱壓差計(jì)。液柱壓差計(jì)可測量流體中某點(diǎn)的壓力，亦可測量兩點(diǎn)之間的壓力差。 常見的液柱壓差計(jì)有以下幾種。/sundae_meng靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用 流體靜力學(xué)原理的應(yīng)用很廣泛 普通 U 型管壓差計(jì)倒 U 型管壓差計(jì)傾斜 U 型管壓差計(jì)微差壓差計(jì)圖1-常見液柱壓差計(jì)/sundae_meng 普通 U 型管壓差計(jì)圖1-常見液柱壓差計(jì)http（）普通 U 型管壓差計(jì)p0 p0 0 p1 p2 R a b U 型管內(nèi)位于同一水平面上的 a、b 兩點(diǎn)在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點(diǎn)處靜壓強(qiáng)相等 式中 工作介質(zhì)密度； 0 指示劑密度； R U形壓差計(jì)指示高度，m； 側(cè)端壓差，Pa。

13、 若被測流體為氣體，其密度較指示液密度小得多，上式可簡化為 （ 1-6）（ 1-6a）/sundae_meng（）普通 U 型管壓差計(jì)p0 p0 0 p1 p2 (b) 倒置 U 型管壓差計(jì)（Up-side down manometer） 用于測量液體的壓差，指示劑密度 0 小于被測液體密度 ， U 型管內(nèi)位于同一水平面上的 a、b 兩點(diǎn)在相連通的同一靜止流體內(nèi)，兩點(diǎn)處靜壓強(qiáng)相等 由指示液高度差 R 計(jì)算壓差 若 0 （ 1-7） （ 1-7a）/sundae_meng(b) 倒置 U 型管壓差計(jì)（Up-side down ma(c)微差壓差計(jì) 在U形微差壓計(jì)兩側(cè)臂的上端裝有擴(kuò)張室，其直徑與U

14、形管直徑之比大于10。當(dāng)測壓管中兩指示劑分配位置改變時(shí)，擴(kuò)展容器內(nèi)指示劑的可維持在同水平面壓差計(jì)內(nèi)裝有密度分別為 01 和 02 的兩種指示劑。上。 有微壓差p 存在時(shí)，盡管兩擴(kuò)大室液面高差很小以致可忽略不計(jì)，但U型管內(nèi)卻可得到一個(gè)較大的 R 讀數(shù)。 對(duì)一定的壓差 p，R 值的大小與所用的指示劑密度有關(guān)，密度差越小，R 值就越大，讀數(shù)精度也越高。 （ 1-8）/sundae_meng(c)微差壓差計(jì) 在U形微差壓計(jì)兩側(cè)臂的上【例2-1】 如圖所示密閉室內(nèi)裝有測定室內(nèi)氣壓的U型壓差計(jì)和監(jiān)測水位高度的壓強(qiáng)表。指示劑為水銀的U型壓差計(jì)讀數(shù) R 為 40mm，壓強(qiáng)表讀數(shù) p 為 32.5 kPa 。試

15、求：水位高度 h。 解：根據(jù)流體靜力學(xué)基本原理，若室外大氣壓為 pa，則室內(nèi)氣壓 po 為 例2-1附圖/sundae_meng【例2-1】 如圖所示密閉室內(nèi)裝有測定室內(nèi)氣壓液 封 高 度 液封在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用：通過液封裝置的液柱高度 ，控制器內(nèi)壓力不變或者防止氣體泄漏。 為了控制器內(nèi)氣體壓力不超過給定的數(shù)值，常常使用安全液封裝置（或稱水封裝置）如圖1-6，其目的是確保設(shè)備的安全，若氣體壓力超過給定值，氣體則從液封裝置排出。圖1-6 安全液封/sundae_meng液 封 高 度 液封在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用：通過液封裝置的液 封 高 度 液封還可達(dá)到防止氣體泄漏的目的，而且它的密封效果極

16、佳，甚至比閥門還要嚴(yán)密。例如煤氣柜通常用水來封住，以防止煤氣泄漏。 液封高度可根據(jù)靜力學(xué)基本方程式進(jìn)行計(jì)算。設(shè)器內(nèi)壓力為p（表壓），水的密度為，則所需的液封高度h0 應(yīng)為 為了保證安全，在實(shí)際安裝時(shí)使管子插入液面下的深度應(yīng)比計(jì)算值略小些，使超壓力及時(shí)排放；對(duì)于后者應(yīng)比計(jì)算值略大些，嚴(yán)格保證氣體不泄漏。 （ 1-9）/sundae_meng液 封 高 度 液封還可達(dá)到防止氣體泄漏的目小 結(jié) 密度具有點(diǎn)特性，液體的密度基本上不隨壓強(qiáng)而變化，隨溫度略有改變；氣體的密度隨溫度和壓強(qiáng)而變?；旌弦后w和混合液體的密度可由公式估算。 與位能基準(zhǔn)一樣，靜壓強(qiáng)也有基準(zhǔn)。工程上常用絕對(duì)壓強(qiáng)和表壓兩種基準(zhǔn)。在計(jì)算中，應(yīng)注意用統(tǒng)一的壓強(qiáng)基準(zhǔn)。 壓強(qiáng)具有點(diǎn)特性。流體靜力學(xué)就是研究重力場中，靜止流體內(nèi)部靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律。 對(duì)流體元(或流體柱)運(yùn)用受力平衡原理，可以得到流體靜力學(xué)