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1、 第一章第一章 流体流动流体流动 （Fluid Flow) 1 1 流体静力学流体静力学2 2 流体在管内的流动流体在管内的流动3 3 流体的流动现象流体的流动现象4 4 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力5 5 管路计算管路计算6 6 流量测量流量测量1 12 2流体的特性流体的特性 流体是气体与液体的总称。(但是超临界流体既不是气体也不是液体）。流体的特征流体的特征：（1）具有流动性； （2）无固定形状，随容器形状而变化； （3）受外力作用时内部产生相对运动。不可压缩不可压缩（incompressible）流体流体：体积（密度）不随压强变化，如液体；可压缩可压缩（compressib
2、le）流体流体：体积（密度）随压强变化，如气体。3 3连续介质假定连续介质假定 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。间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。 质点：质点：是由大量分子构成的微团，其尺寸远小于是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。设备尺寸、远大于分子自由程。 假定的工程意义：假定的工程意义：可以利用连续函数的数学工具，可以利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体，不必考虑微观的分子状态。从宏观研究流体，不必考虑微观的分子状态。注注注注：极低压强（极高真空）下的气体不符合
3、上述假定。：极低压强（极高真空）下的气体不符合上述假定。4 41 1 流体静力学流体静力学 (Fluid Statics）研究静止流体的基本规律研究静止流体的基本规律静力学方程静力学方程一一. .流体的密度流体的密度二二. .流体的静压强流体的静压强三三. .流体静力学基本方程流体静力学基本方程四四. .流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用重点：静力学基本方程及其应用重点：静力学基本方程及其应用重点：静力学基本方程及其应用重点：静力学基本方程及其应用5 5一、流体的密度（一、流体的密度（densitydensity）1. 1. 1. 1. 定义定义定义定义: : 单位体积流体的质量
4、。单位体积流体的质量。kg/m3 2. 2. 2. 2. 单组分单组分单组分单组分( ( ( (纯物质纯物质纯物质纯物质) ) ) )的密度的密度的密度的密度: :是压力和温度的函数，即是压力和温度的函数，即（1 1 1 1）液液液液体体体体的的的的密密密密度度度度：液液体体可可近近似似看看成成不不可可压压缩缩流流体体，其其密度仅随温度变，可从有关手册中查得。密度仅随温度变，可从有关手册中查得。 水在水在2020时时 9981000 9981000 kg/m3 6 6（2 2） 气体的密度：气体的密度：气体的密度：气体的密度： 当压力不太高、温度不太低时，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气
5、体状态方程计算：可按理想气体状态方程计算： P P 是压力是压力 （kPakPa），），T T 是绝对温度是绝对温度 （K K），），M M 是摩尔分是摩尔分子量（子量（kg/kmol),kg/kmol),R R 是气体常数，是气体常数，R R8.315 8.315 kJ/(kmolK)kJ/(kmolK)。注意注意注意注意：若若p p为为 PaPa，则则R R8.315108.315103 3 J/(kmolK) J/(kmolK)。 空气在空气在2020、1 1 atm atm 时的时的1.2 kg/m1.2 kg/m3 3 kg/m3 7 73. 3. 3. 3. 混合物的密度混合物的密
6、度混合物的密度混合物的密度（1)1)1)1)混合气体混合气体混合气体混合气体 以以1 1m m3 3气体为基准，各组分在混合前气体为基准，各组分在混合前后质量不变，则有后质量不变，则有 气体混合物中各组分的体积气体混合物中各组分的体积( (摩尔摩尔) )分率。分率。 或或混合气体的平均摩尔质量混合气体的平均摩尔质量 气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分率。分率。 8 8(1)(1)(1)(1)混混混混合合合合液液液液体体体体 以以1 1kgkg液液体体为为基基准准，假假设设各各组组分分在在混混合合前前后后体积不变体积不变，则有，则有 液体混合物中各组分的质量分
7、率。液体混合物中各组分的质量分率。 4. 4. 4. 4. 比容比容比容比容指单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。指单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。m3/kg 9 9 二、流体的静压强二、流体的静压强 1.1.1.1.定义定义定义定义： 垂直作用于流体单位面积上的力，简称为垂直作用于流体单位面积上的力，简称为 压强压强，工业上习惯称为，工业上习惯称为压力压力。 2. 2. 2. 2. 单位单位单位单位 SISI制：制：N/mN/m2 2 或或 Pa(Pa(帕斯卡或帕帕斯卡或帕）习惯上有：习惯上有：atmatm（标准大气压）标准大气压）也有以流体柱高度也有以流体柱高度h h 表示表示 ：
8、还有工程大气压即还有工程大气压即 kgf/cmkgf/cm2 2换算关系：换算关系： 1 1atm =101.3310atm =101.33103 3 Pa =760 mmHg Pa =760 mmHg =10.33 m H =10.33 m H2 2O O1.033 kg1.033 kgf f/cm/cm2 2(g9.81m/s2)1010表压表压= =绝对压大气压绝对压大气压真空度真空度= =大气压绝对压大气压绝对压= =表压表压 绝对压绝对压绝对压绝对压 绝对压绝对压绝对压绝对压 绝对真空绝对真空绝对真空绝对真空 表压表压表压表压 真空度真空度真空度真空度 大气压大气压大气压大气压 (1
9、)(1)(1)(1)绝对压强绝对压强绝对压强绝对压强 以绝对真空为基准测得的压强。以绝对真空为基准测得的压强。 (2)(2)(2)(2)表压或真空度表压或真空度表压或真空度表压或真空度 以大气压为基准测得的压强。以大气压为基准测得的压强。3. 3. 3. 3. 压强的表示方法压强的表示方法压强的表示方法压强的表示方法 1111压强测量（1 1）U U形压差计形压差计（2 2）机械式压力表）机械式压力表 （3 3）数字式压力表）数字式压力表p p1 1p pa a1212三、三、流体静力学基本方程流体静力学基本方程 设流体不可压缩，设流体不可压缩， 为常数，为常数，在在重重力力场场中中对对液液柱
10、柱（截截面面积积为为A A）进行受力分析：进行受力分析：（1 1）上端面所受总压力）上端面所受总压力 方向向下方向向下（2 2）下端面所受总压力）下端面所受总压力 方向向上方向向上（3 3）液柱的重力）液柱的重力方向向下方向向下p p0 0p p2 2p p1 1z z1 1z z2 2G G1313液柱处于静止时，上述三项力的合力为零液柱处于静止时，上述三项力的合力为零: :从而得从而得静力学基本方程静力学基本方程： 或 设液面上方的压强为设液面上方的压强为p po o , ,距液面距液面h h处的压强为处的压强为p p，则有则有 1414静力学基本方程静力学基本方程静力学基本方程静力学基本
11、方程讨论：讨论：讨论：讨论：（1 1）适适用用于于重重力力场场中中静静止止、连连续续的的同同种种不不可可压压缩缩性性流流体体（液体），在高度变化不大时也可近似地用于气体。（液体），在高度变化不大时也可近似地用于气体。（2 2）在在静静止止的的、连连续续的的同同种种流流体体内内，处处于于同同一一水水平平面面上各点的压强相等。上各点的压强相等。（3 3）压压强强具具有有传传递递性性：液液面面上上方方压压强强变变化化时时，液液体体内内部各点的压强也将发生相应的变化。部各点的压强也将发生相应的变化。（4 4）压强或压强差可用液柱高度表示即）压强或压强差可用液柱高度表示即 1515（5 5）静力学基本方
12、程的能量形式：）静力学基本方程的能量形式： 上上式式中中左左边边第第一一项项为为单单位位质质量量流流体体的的静静压压能能, ,第第二二项为单位质量流体的项为单位质量流体的位能位能. . 因因此此静静力力学学方方程程的的物物理理意意义义：在在静静止止的的流流体体内内部部，任一点的静压能和位能之和为常数，两者互相转换。任一点的静压能和位能之和为常数，两者互相转换。1616四、四、四、四、静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用 1. 1. 1. 1. 压强及压强降的测量压强及压强降的测量压强及压强降的测量压强及压强降的测量 （1 1 1 1）U U U U形
13、压差计形压差计形压差计形压差计 A A与与AA面为等压面，即面为等压面，即而而p p1 1p p2 2mmR RA AA A 设指示液的密度为设指示液的密度为A A被测流体的密度为被测流体的密度为1717所以所以整理得整理得若被测流体是若被测流体是气体气体，则有，则有 指指示示液液的的选选取取：(1(1）应应根根据据被被测测流流体体的的种种类类及及压压差差的的大大小小选选择择；（2 2）指指示示液液与与被被测测流流体体不不互互溶溶、不不发发生生化学反应；（化学反应；（3 3）其密度要大于被测流体密度。）其密度要大于被测流体密度。1818 若若U U形压差计安装在形压差计安装在倾斜倾斜管路中，则
14、压强差公式变为管路中，则压强差公式变为: :p p1 1p p2 2z z2 2R RA AA A z z1 11919 当当将将U U形形管管一一端端与与被被测测点点连连接接、另另一一端端与与大大气气相相通通时时，可测得流体的表压或真空度；可测得流体的表压或真空度； 测表压测表压测真空度测真空度p p1 1p pa ap p1 1p pa a2020（2 2 2 2）微差（双液体）微差（双液体）微差（双液体）微差（双液体U U U U管）压差计管）压差计管）压差计管）压差计 扩扩大大室室内内径径与与U U管管内内径径之之比比应应大大于于10 10 。 压强差公式：压强差公式：密度接近但不互溶
15、的两种指示密度接近但不互溶的两种指示 液液A A和和C C ；适用于压差较小的场合。适用于压差较小的场合。2121（3 3 3 3） 倒倒倒倒U U U U形压差计形压差计形压差计形压差计 指示剂密度指示剂密度小于小于被测流体密度，被测流体密度，适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。 压强差公式：压强差公式：如用如用空气空气作为指示剂作为指示剂 , ,则则2222P17 例1-2 天津和兰州的大气压强分别为101.33 kPa，和 85.3 kPa，苯乙烯真空精馏塔的塔顶要求维持5.3kPa的绝对压强，试计算两地真空表的读数（即真空度）。解：真空度=大气压强-绝对压强 天津: 真空度=1
16、01.33-5.3=96.03 kPa 兰州: 真空度=85.3-5.3=80 kPa2323P19 例1-3 本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.8m，密度1=800 kg/m3，水层高度h2=0.6m、密度2= 1000 kg/m3。 （1）判断下列关系是否成立， PA=PA PB=PB（2）计算水在玻璃管内的高度h。2424P21 P21 例例1-1-5 5 在本题附图所示的密在本题附图所示的密闭容器闭容器A A与与B B内，分别盛有水和密内，分别盛有水和密度为度为810 810 kg/mkg/m3 3的某溶液，的某溶液，A A、B B间间由一水银由一水银U U管压差计
17、相连。管压差计相连。(1)当当p pA A=2910=29103 3 PaPa（表压）时，表压）时，U U管压差计读数管压差计读数R=0.25mR=0.25m，h=0.8 h=0.8 m m。试求容器试求容器B B内的压强内的压强p pB B。(2)当容器当容器A A液面上方的压强减小液面上方的压强减小至至 p pA A=2010=20103 3 PaPa （表压），而表压），而p pB B 不变时，不变时，U U形管压差计的读数形管压差计的读数为若干？为若干？25252. 2. 2. 2. 液位测量液位测量液位测量液位测量 （1 1 1 1）近距离液位测量装置）近距离液位测量装置）近距离液位
18、测量装置）近距离液位测量装置 压压差差计计读读数数R R反反映映出出容容器器内内的的液面高度。液面高度。 液液面面越越高高，h h 越越小小，压压差差计计读读数数R R越越小小；当当液液面面达达到到最最大大高度时，高度时，h h 为零，为零，R R 亦为零。亦为零。2626（2 2 2 2）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置( ( ( (p23 p23 p23 p23 例例例例1 1 1 17 7 7 7） 管道中充满氮气，管道中充满氮气，其密度较小，近似认其密度较小，近似认为为 而而所以所以 A AB B27273. 3. 液封高度的计算液封高度的
19、计算液封高度的计算液封高度的计算( ( ( (p24 p24 p24 p24 例例例例1 1 1 18 8 8 8） 液封作用：液封作用：（1 1）确确保保设设备备安安全全：当当设设备备内内压压力力超超过过规规定定值值时时，气气体从液封管排出；体从液封管排出；（2 2）防止气柜内气体泄漏。）防止气柜内气体泄漏。液封高度：液封高度：2828P24 P24 例例1-9 1-9 真空蒸发操作中产真空蒸发操作中产生的水蒸气，往往送入本题附生的水蒸气，往往送入本题附图所示的混合冷凝器中与冷水图所示的混合冷凝器中与冷水直接接触而冷凝。为了维持操直接接触而冷凝。为了维持操作的真空度，冷凝器上方与真作的真空度，冷凝器上方与真空泵相通，随时将器内的不凝空泵相通，随时将器内的不凝气体（空气）抽走。同时为了气体（空气）抽走。同时为了防止外界空气由气压管防止外界空气由气压管4 4漏入，漏入，致使设备内真空度降低，因此，致使设备内真空度降低，因此，气压管必须插入液封槽气压管必须插入液封槽5 5中，水中，水即在管内上升一定的高度即在管内上升一定的高度h h，这这种措施称为液封。若真空表的种措施称为液封。若真空表的读数为读数为801080103 3PaPa，试求气压管试求气压管中水上升的高度中水上升的高度h h。2929
