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类型化工基础第一章(概述、流体静力学).ppt

  • 上传人:11xg27ws
  • 文档编号:6005911
  • 上传时间:2019-03-23
  • 格式:PPT
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    化工基础第一章(概述、流体静力学).ppt
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    1、2019/3/23,1.1 流体概述 1、流体的定义和分类 2、流体的特征 3、作用在流体上的力 4、连续介质假定 1.2 流体静力学 1、流体的密度 2、流体的静压强 3、流体静力学基本方程式 4、流体静力学基本方程式的应用,第一章,流体的流动及输送,2019/3/23,1.1 流体概述,1.1.1 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。,2019/3/23,2019/3/23,2、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

    2、际)流体。,(4)按流变特性(剪力与速度梯度之间关系)分牛顿型和非牛顿型流体。,2019/3/23,1.1.2 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。,2019/3/23,1.1.3 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。,2019/3/23,2、表面力(

    3、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。,2019/3/23,1.1.4 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,

    4、为连续介质。,2019/3/23,1、密度定义,1.2.1 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,2019/3/23,2、影响的主要因素,气体:,液体:,不可压缩性流体,可压缩性流体,2019/3/23,3、气体密度的计算,理想气体在标况下的密度为:,例如:标况下的空气密度为:,操作条件下(T, P)下的密度:,2019/3/23,或,对于混合气体,可用平均摩尔质量Mm代替M。,MmM1y1M2y2Mnyn,Mi -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

    5、率)。,或,2019/3/23,4、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混合液为基准),即:,i -各纯组分的密度,kg/m3; wi -各纯组分的质量分率。,2019/3/23,(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,2019/3/23,1.2.2 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

    6、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,m2。,2019/3/23,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)。,2019/3/23,3、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,2019/3/23,2019/3/2

    7、3,绝对压强、真空度、表压强的关系图,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)。,2019/3/23,压力表,2019/3/23,弹簧压力表的内部结构,2019/3/23,2019/3/23,1、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,,1.2.3 流体静力学基本方程式,2019/3/23,两边同时除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。,2019/3/

    8、23,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,则得:,2019/3/23,2、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。,2019/3/23,(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

    9、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。,2019/3/23,(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。,2019/3/23,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,2019/3/23,例:图中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=0.6

    10、m,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。,2019/3/23,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:,2019/3/23,(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,2019/3/23,2019/3/23,1.2.4 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。,2019/

    11、3/23,2019/3/23,U型管压差计的测压原理,两点间压差计算公式,而,整理得:,2019/3/23,当被测的流体为气体时,0,可忽略,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,2019/3/23,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。,2019/3/23,(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

    12、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。, 微差压差计的结构,2019/3/23,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,2019/3/23,2019/3/23,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,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

    13、?若两者之读数误差均为2mm,问相对误差各为多少?,2019/3/23,(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:,2019/3/23,2、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。,2019/3/23,液柱压差计测量液位的方法

    14、:,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:,2019/3/23,2019/3/23,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。,2019/3/23,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。,2019/3/23,2019/3/23,3、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体静力学基本方程式。,防止外界空气进入设备内。,若设备内为负压操作,其作用是:,液封的作用:,2019/3/23,2019/3/23,例: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。,

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