上流体流动

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1、第一章 流体流动,,化工单元操作,引言,化工单元操作,引言,化工单元操作,南通职业大学,在外力作用下发生形变，流体无恢复原状的能力,气体和液体的统称,具有流动性,在外力作用下内部发生相对运动,无固定形状,随容器的形状而改变,第一节 概述,化工单元操作,第一节 概述,流体,微观上，流体是大量彼此之间有间隙的单个分子组成,宏观上，流体可视为无数流体质点组成的连续介质。,一般液体,一般气体,化工单元操作,第二节 流体静力学,流体静力学,研究流体在外力作用下处于静止或平衡状态下其内部质点间、流体与固体边壁间的作用规律,密 度,两个概念,单位体积流体的质量,流体垂直作用于单位面积上的力流体静压强,1at

2、m=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf,二、流体静压强,1.流体静压强 流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压强，简称为压强或压力，以符号p表示。若以F（N）表示流体垂直作用在面积A(m2)上的力，则 （1-9） 按压强的定义，压强的单位是m，也称为帕斯卡（a）。 化工生产中经常用到帕的倍数单位，如：a（兆帕）、ka(千帕)、ma(毫帕)，它们的换算关系为 1a103ka106a109ma,工程上压强的大小也常以流体柱高度表示，如米水柱（mH2O）和毫米汞柱（mmHg）等。若流体的密度为，则夜柱高度h与压强p的关系为 p =hg 或 用液柱高度表示压强时

3、，必须注明流体的名称，如10mH2O、760mmHg等。,标准大气压（物理大气压）：atm 工程大气压：at,3.压强的表示方法 A.绝对大气压：以绝对零压（绝对真空）为基准算得的压强。 B.表压、真空度（需注明）：以大气压为基准得到的压力，比大气压高的部分称表压，比大气压低的部分称真空度。,关系： P表= P绝 - P大 P真= P大 - P绝 注意：大气压与气温、湿度和所在地的海拔高度有关。1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O,绝对零压线,大气压线,表压,真空度,绝对压强,绝对压强,图1-1 绝对压强、表压与真空度的关系,绝对压强、表压强与真空度之间

4、的关系，可以用图1-1表示：,图2-1-2 弹簧管压力表类型,用专用设备将弹簧管内抽成真空，并充入灌充液，用膜片将其密封隔离。当用隔膜压力表测量压力时，被测工作介质直降作用在隔膜膜片上，膜片产生向上的变形，通过弹簧管内的灌充液将介质压力传递给弹簧管，使弹簧管产生变形，自由端产生位移，再借助连杆带动机芯，使指针在表盘上指示出被测压力值。,化工单元操作,压力测量,缓变压力测量仪表根据测压的工作原理可分为： 机械电气式压力表 液柱式压力计 弹性压力计,水银大气压力计,机械电气式压力表,例1-1 某精馏塔塔顶操作压强须保持5332Pa绝对压强。试求塔顶真空计应控制在多少mmHg？若（1）当时当地气压计

5、读数为756mmHg；（2）当时当地气压计读数为102.6kPa。 解: 真空度=大气压强绝对压强 查附录 1mmHg=133.3Pa （1）756 =716 mmg（真空度） （2）102.6 =730mmHg（真空度）,例1-2 设备外环境大气压强为640mmg,而以真空表测知设备内真空为500mmg。问设备内绝对压强是多少？ 解： 绝对压强 = 大气压强 - 真空度 = 640-500 = 140mmHg=140133.3Pa = 1.86104 Pa=18.6kPa,例1-3 如果设备内蒸汽为6kgf / cm2,那么压强表上读数为若干a？已知环境大气压强为1kgfcm2。 解： 表压

6、强=绝对压强大气压强 =6-1=5kgfcm2 =59.807104 Pa =4.9105 Pa=0.49 MPa,化工单元操作,南通职业大学,例4：一台操作中的离心泵，进口真空表和出口压力表的读数分别为0.02MPa和0.11MPa，试求绝对压强分别为多少kPa。设当地大气压为101.3kPa。,解答：进口真空表读数即为真空度，则进口绝对压强为,P1=(101.3-0.02103)kPa=81.3kPa,出口压力表读数即为表压，则出口绝对压强为,P2=(101.30.11103)kPa=211.3kPa,P1=81.3kPa81.3103Pa,=0.81atm,P2=211.3kPa=211

7、.3103Pa,1585.3mmHg,单位换算,第二节 流体静力学,化工单元操作,静力学基本方程,受力分析：上端总压力为p1A,假设一重力场中的静止的不可压缩液柱，截面积为A。向下为正方向。,下端总压力为p2A,液柱的重力G=,液柱处于静止时，竖直方向合力为零，即,p1A +, p2A,h1-h2=h,第二节 流体静力学,静止的、连续的同一流体内，同一水平面处，各点压力相等等压面。,某一深度的压力与深度和密度有关，与水平位置无关,可用液柱高度表示压力,静力学基本方程只适用于静止的连续的同一流体。,化工单元操作,例2：本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m，密度1=800kg

8、/m3，水层高度h2=0.6m，密度2=1000kg/m3。（1）断下列关系是否成立，即： （2）计算水在玻璃管内的高度h。,解：（1）判断题给两关系式是否成立,的关系成立。因 A 及A两点在静止的连通着的同一种流体内，并在同一水平面上。所以截面A-A称为等压面。,的关系不成立。因 B及 B两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一流体，即截面B-B不是等压面。,（2）计算玻璃管内水的高度h:由上面讨论知,而,从而,第二节 流体静力学,0.7 = 1.16,化工单元操作,南通职业大学,第二节 流体静力学,例3：某流化床反应器上装有两个U管压差计，如本题附图所示。测得R1400mm，R2

9、50mm指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R350mm。试求A、B两处的表压强。,两个等压面的选择条件： 两个等压面之一应为压差计中两流体的交界面 两个等压面应在同一水平面上，而且两个面应在连通着的同一静止流体内部,化工单元操作,南通职业大学,第二节 流体静力学,例4：用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽压，U管压差计的指示液为水银，两U管间的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：h1=2.3m、h2=1.2m、h3=2.5m及h4=1.4m。锅中水面与基准面间的垂直距离h5=3m。大气压强Pa=99.3103Pa。试求锅炉上

10、方水蒸气的压强p。（分别以Pa和kgf/cm2来计量）。,化工单元操作,静力学 基本方程应用,压力和压差的测量,液位测量,液封高度的计算,倒U型压差计,U型 压差计,斜管 压差计,微压 差计,第二节 流体静力学,化工单元操作,南通职业大学,U型压差计,U管压差计是一根U形玻璃管，内装有液体作为指示液,指示液的选择依据,指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体的密度。,测理原理,在1-1，、2-2，二截面各取一测压孔，用软管与U形管压差计二臂相连，软管上部将被被测流体充满，在水平等径管内流体是流动的，但在软管和U形管压差计内的流体是静止的。若p1p2形管压差计二臂读数不相等

11、，压强大的，作用力大，能量大，它将U形管内的指示液面往下压，出现高度差，用R表示，其值大小反映1-1，、2-2，间的压强差pp1p2。,p( - i)gR,引申,若U管一端与设备或管道某一截面连接，另一端与大气相通，这时读数R所反映的是管道中某截面处的绝对压强与大气压强之差，即为表压强或真空度，从而可求得该截面的绝压。,第二节 流体静力学,化工单元操作,南通职业大学,倒U型压差计,若被测流体为液体，也可选用比其密度小的流体作指示剂。倒U型压差计常以空气作指示剂。,p( 0)gRgR,斜管 压差计,适用于所测流体压力差较小的场合,式中为倾斜角，其值越小，R1值越大。,微压 差计,适用于所测流体压

12、力差较小的场合,压差计内装有两种密度相近且不互溶、不起化学作用的指示液A和C，而指示液C与被测流体B亦不互溶。为了读数方便，使U管的两侧臂顶端各装有扩大室，俗称为“水库”。扩大室的截面积比U管的截面积大得很多。,忽略扩大室中指示液的液位差，此时,第二节 流体静力学,化工单元操作,习题：如图示容器内存有密度为800kg/m3的油，U形管内指示液为水银=13600kg/m3，读数R=200mm，求容器内油面高h。,解：容器和指示管上部相通，压力相等。截面11处，液体处于静止状态，且为同一液体处于同一水平面。则 p1=p1 而 p1p0+hg油 p1p0+RgHg 从而可得 h= RHg/油=0.2

13、13600/800=3.4(m),第二节 流体静力学,化工单元操作,南通职业大学,液位 测量,化工厂中经常要了解容器里物料的贮存量，或要控制设备里的液面，因此要进行液位的测量。大多数液位计的作用原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。,原始 液位计,TEXT,液柱压差 液位计,鼓泡式液 柱液位计,第二节 流体静力学,化工过程仪表是自动控制系统最重要的检测环节,化工单元操作,钢带浮子式液位计,超声波液位计,应用浮力原理检测物位 应用静压原理检测液位 应用超声波反射检测物位,液位检测方法,法兰式差压液位计,化工单元操作,南通职业大学,液封高度计算,利用液柱高度封闭气的一种装置。它是生产过程中为了防止

14、事故发生，为了安全生产而设置的一种装置。,例题：某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7108Pa（表），需在炉外装有安全液封装置，某作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管2中排出，试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。,h,pa,p,解：以液封面为基准水平面00,0,0,pp0=p0=pa+ gh,从而,=1.09m,第二节 流体静力学,化工单元操作,南通职业大学,液封装置演示,化工单元操作,南通职业大学,第三节 流体动力学,几个概念,流量,单位时间内流经管道任意截面的流体量,体积流量VS,质量流量ms,ms= VS ,流速,单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离,或者

15、,管径估算,(假设)流体流速,计算管径,圆整管径,化工单元操作,南通职业大学,例题：某车间需敷设一条输水管路，以满足每小时输水36000kg的要求，试选择合适的管径。,解：根据公式,取水的密度为1000kg/m3,Vs=36000/(36001000)0.01m3/s,选取水的流速为2m/s，则,查手册选取,893.5mm规格的无缝钢管。,重新核算流速：,第三节 流体动力学,化工单元操作,南通职业大学,定态流动,流动系统中流体流速、压强、密度等只是位置的函数，而不随时间变化的流动（连续）,非定态流动,流动系统中流体流速、压强、密度等不仅随位置变化而且随时间变化的流动（间歇）,第三节 流体动力学,本章重点讨论定态流动问题,化工单元操作,南通职业大学,连续性方程,取截面l1至22之间的管段为对象。根据质量守恒定律，单位时间内流进和流出控制体的质量之差应等于单位时间控制体内物质的累积量。而定态流动时，累积量为零。 根据质量守恒: ms1 = ms2，即1u1A1 =2u2A2 对不可压缩流体(为常数) : u1A1 =u2A2 对圆形管道 : u1/ u2 = d22/ d12,质量守恒方程式（连续性方程式）推导,例题：见课本P21 例1-11。,第三节 流体动力学,化工单元操作,南通职业大学,柏努利方