概 体静力 3流体在单通道流,动时的物料衡箅及能量衡算 4流 分层流力计展算 1.6管路计算 1.7流速及流量测定
第 一 章 流 体 流 动 1.1 概 述 1.2 流 体 静 力 学 1.3 流 体 在 单 通 道 中 流 动 时 的 物 料 衡 算 及 能 量 衡 算 1.4 流 体 阻 力 分 析 及 层 流 阻 力 计 算 1.5 湍 流 阻 力 计 算 1.6 管 路 计 算 1.7 流 速 及 流 量 测 定
第章流体流动udto §1.1概述 流体流动是在化工生产中的一个基本过程,在化工生产中常见的流体流动如下 Ⅰ)流体输送-需要硏究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送杋械的选择及所需 功率的计算 ②)压强、流速、流量的测量-了解、控制生产过程,需对压强、流速、流量等一系列 参数进行测定,而这些测定多以流体静止或流动规律为依据。 3)为强化设备提供适宜的条件-化工设备中传热、传热等多是在流动条件下进行,故流 体流动对这些过程有重要影响 1.1.1流体及其特征 定义:液体和气体统称为流体 特征:具有流动性;无固定形状随容器的形状而改变在外力作用下内部发生相对运动 1.1.2连续介质模型 流体是由无数流体质点连续组成,流体质点与分子自由程比充分地大,体现了宏观性 质,同时液体质点对所考虑工程问题的尺度来说,又是充分地小,体现了“点”位置 流体性质
第一章 流体流动(Fluid flow) §1.1概述 流体流动是在化工生产中的一个基本过程,在化工生产中常见的流体流动如下: 1) 流体输送 ---需要研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需 功率的计算 2) 压强、流速、流量的测量---了解、控制生产过程，需对压强、流速、流量等一系列 参数进行测定，而这些测定多以流体静止或流动规律为依据。 3) 为强化设备提供适宜的条件---化工设备中传热、传热等多是在流动条件下进行,故流 体流动对这些过程有重要影响。 1.1.1流体及其特征 定义: 液体和气体统称为流体 特征: 具有流动性; 无固定形状,随容器的形状而改变; 在外力作用下内部发生相对运动 1.1.2 连续介质模型 流体是由无数流体质点连续组成，流体质点与分子自由程比充分地大，体现了宏观性 质，同时液体质点对所考虑工程问题的尺度来说，又是充分地小，体现了“点”位置 流体性质
第一节概述 1.1.3流体力学和流体流动 什么叫流体力学( fluid mechanics)?以流体作为硏究对象,探讨流体处于平衡或运动 状态时的力学规律及其与边界间的相互作用的学科。流体流动是“化工流体力学”的 一部分,主要介绍流体静力学、流体在管道内流动的基本规律及流量测定等方面 §1,2流体静力学 流体静力学( fluid static)是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 流体于固体边壁间的作用规律 1.2.1流体静压强( Pressure) 1.静压强:静止流体中单位面积受到的内法向压力,用P表示 2.压强常用单位: P=lmAA latm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2=1.0133bar lat=11.033kgf/cm735.6mmHg10mH20-981= 0.9807bar 3.压强表达方式: 1)绝对压强:以绝对真空为基准零点计量的
1.1.3 流体力学和流体流动 什么叫流体力学（fluid mechanics）?以流体作为研究对象，探讨流体处于平衡或运动 状态时的力学规律及其与边界间的相互作用的学科。流体流动是“化工流体力学”的 一部分，主要介绍流体静力学、流体在管道内流动的基本规律及流量测定等方面。 §1.2流体静力学 流体静力学(fluid static) 是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、 流体于固体边壁间的作用规律 1.2.1 流体静压强(Pressure) 1. 静压强：静止流体中单位面积受到的内法向压力，用P表示 2. 压强常用单位： 1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/ =1.0133bar 1at=1 1.033kgf/ =735.6mmHg=10mH2O=9.81= =0.9807bar 3. 压强表达方式： 1)绝对压强：以绝对真空为基准零点计量的 第一节 概述 2 cm 2 cm A P P A = → lim 0 2 cm
第一节流体静力学一基本概念 2)表压强以外界大气压强为基准零点计量的 3)真空度:被测流体的绝对压强低于当地大气压的数值 122流体密度 密度:单位体积流体所具有的质量用ρ表示。 △ p=lim △F △→0 2.据流体密度是否随压强和温度的变化而变化将流体分为恒密度流体和变密度流体 1)恒密度流体:密度为常量的流体 2)变密度流体:密度为变量的流体 。说明:没有绝对的恒密度流体,一般液体随温度和压力的变化小,可视为恒密度流体,而气 体随温度、压力的变化较大,但当过程的温度、压力变化不大时,也可将气体视为恒 密度流体。 般可将气体视为理想气体,故气体密度可据理想气体方程计算 PM MTP RT 22.4TP
第二节流体静力学--基本概念 2)表压强:以外界大气压强为基准零点计量的 3)真空度:被测流体的绝对压强低于当地大气压的数值 1.2.2 流体密度 1. 密度:单位体积流体所具有的质量,用表示。 2. 据流体密度是否随压强和温度的变化而变化,将流体分为恒密度流体和变密度流体 1) 恒密度流体:密度为常量的流体 2) 变密度流体:密度为变量的流体 说明: 没有绝对的恒密度流体,一般液体随温度和压力的变化小,可视为恒密度流体;而气 体随温度、压力的变化较大，但当过程的温度、压力变化不大时，也可将气体视为恒 密度流体。 一般可将气体视为理想气体，故气体密度可据理想气体方程计算 V m V → = lim 0 RT PM = 0 0 22.4TP MT P =
第节流体静力学一流体静打学基本方程的推导 1.2.3流体静力学基本方程 1.流体流动中的作用力 1)质量力:作用于流体的每一个质点上,并与流体的质量成正比,对均质流体也与流体体 积成正比如:重力场中的重力、离心力场的离心力 2)表面力:作用于流体微元的表面,并与其表面积成正比如垂直于微元表面的力-压力、 平行于微元表面的力-剪力 2.流体静力学基本方程 1)静力学基本方程的推导人 任取一微元体,令X、Y、Z为单位质量流体的质量力分别在ⅹ、y、z轴上的分力,对x 方向作受力分析,得到 (p-12)+ah=(p+1①) 2 a 化简可得 同理可得 0 0
第二节流体静力学--流体静力学基本方程的推导 1.2.3 流体静力学基本方程 1. 流体流动中的作用力: 1) 质量力: 作用于流体的每一个质点上,并与流体的质量成正比,对均质流体也与流体体 积成正比,如:重力场中的重力、离心力场的离心力 2) 表面力: 作用于流体微元的表面,并与其表面积成正比,如:垂直于微元表面的力---压力、 平行于微元表面的力--剪力 2. 流体静力学基本方程 1) 静力学基本方程的推导人 任取一微元体，令X、Y、Z为单位质量流体的质量力分别在x、y、z轴上的分力，对x 方向作受力分析,得到 化简可得 同理可得 dx dydz x p dx dydz X dxdydz p x p p ) 2 1 ) ( 2 1 + = + （ − 0 0 0 = − = − = z p Z y p Y x p X －
流体静力学基本方程的推导 以上三式分别乘以dx、dy、dz并加和 p(Xdx+ray+ Zd=)=op dx t op dv+ op d z 中p=p(Xax+c+Zz) 当在重力场中,X=0Y=0Z=-g dp=-pgdz 上式积分可得 2+g=P2+g P2-P1 品说明:a、b、己三武只适于重场中静正的不可压缩的单一连续流体中各质点的 势能守恒而位能和压能不一定相等,但两者之间可相互转换 单位质量流体具有的位能pp-单位质量流体具有的压能 b式表明:静压强仅与垂直位置有关而与各点的水平位置无关 式表明可用液柱高度表示压强或压差,但必须注明是何种液体 p=p+pg2 pmI= pm2
流体静力学基本方程的推导 以上三式分别乘以dx、dy、dz并加和 当在重力场中，X＝0 Y＝0 Z= -g dp = -gdz ------------------ (a) 上式积分可得 说明:a、b、 c三式只适用于重力场中静止的、不可压缩的单一连续流体中各质点的 势能守恒,而位能和压能不一定相等,但两者之间可相互转换 gz---单位质量流体具有的位能 p/---单位质量流体具有的压能 b式表明: 静压强仅与垂直位置有关而与各点的水平位置无关 c式表明可用液柱高度表示压强或压差,但必须注明是何种液体 ( ) ( ) dp Xdx Ydy Zdz dz z p dy y p dx x p Xdx Ydy Zdz = + + + + + + = ( ) ( ) 2 1 1 2 2 2 1 1 c g p p z z gz b p gz p − − − − − − − − − − = + = + − − − − − − m1 m 2 m p p p p gz = = +
第二节流体静力学压强测定 124流体静力学方程的应用 压 强 与 压 强 差 的 测 定 利用流体静力学基本方程可以测量流体的静压强,使用的测压仪器一般称为液柱压差 较为典型的 U 形 有压 以下两种 差 U形压差计结构如图所示,是由一根U形玻璃管,内装有液体作为指示液。指示液要与 被侧液体不互溶,不起化学作用,且其密度大于被测流体的密度 U形压差计不但可以测量流体的压强差,也可以测量流体在某一处压强若U管的一端与 设备或管道某一截面连接,另一端与大气相通,此时的读数反映的是设备的流体的绝 对压强与大气压强之差,即为表压强。 p=p + pgR P.=pm. R p,=p+pgi Pr=p A p-p=p-p)gR P -p =p-p=p-p Pr-Ps=e-p)gR =e -pgR-(E,-Ereg R
第二节流体静力学--压强测定 1.2.4 流体静力学方程的应用 1. 压 强 与 压 强 差 的 测 定 利用流体静力学基本方程可以测量流体的静压强，使用的测压仪器一般称为液柱压差 计 ， 较 为 典 型 的 有 以 下 两 种 ： 1. U 形 压 差 计 U形压差计结构如图所示，是由一根U形玻璃管，内装有液体作为指示液。指示液要与 被 侧 液 体 不 互 溶 ， 不 起 化 学 作 用 ， 且 其 密 度 大 于 被 测 流 体 的 密 度 。 U形压差计不但可以测量流体的压强差,也可以测量流体在某一处压强若U管的一端与 设备或管道某一截面连接，另一端与大气相通，此时的读数反映的是设备的流体的绝 对压强与大气压强之差，即为表压强。 B A 3 4 R 1 2 i p p ( )gR p p gR p p gR i i − = − = + = + 3 4 2 4 1 3 ( ) p p ( )gR (z z ) g p p gR p p p p p p p p p p A B i A B m A m B i m A m B m m m B m m A m − = − − − − = − − = − = − = = , , , , ,3 , 4 3 4 , , 4 , ,3
M⊥a 2 微 差 压 差 计 由式可以看出,若所测量的压强差很小,U形压差计的读数R也就很小,有时难以准确 读出R值,为把读数R放大,除了在选用指示液时尽可能使其密度与被测流体的密度p 相接近外 可采用微差压差计 其特点是 ①压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A、C,而C指示液与被测流体B不互 溶 ②为了读数方便,使U形管的两侧臂顶端各装有扩大室,俗称水库,扩大室内径与U形 管内径之比应大于10 p-p=(e-pgR R
2. 微差压差计 由式可以看出，若所测量的压强差很小，U形压差计的读数R也就很小，有时难以准确 读出R值，为把读数R放大，除了在选用指示液时尽可能使其密度与被测流体的密度ρ 相接近外 ， 可采用微差压差计 ， 其特点是： ①压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A、C，而C指示液与被测流体B不互 溶 。 ②为了读数方便，使U形管的两侧臂顶端各装有扩大室，俗称水库，扩大室内径与U形 管内径之比应大于10。 R pm,A − pm,B = (i − )gR
液位的三流体游力学速 化工厂中经常要了解容器里液体的贮存量,或要控制设备里的液面,因此要进行液位 的测量。大多数液位计的工作原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。 1.连通管,最原始的液位计,在容器底部器臂及液面上分器壁处各开一小孔,两孔间 用玻璃管相连 2.远程液位计:如图所示,于容器或设备处设一称为平衡器的小室2,里面所装的液体 与容器里的相同,平衡器的液面高度维持在容器液面允许达到的最大高度处。用一装 有指示液的U厐形管压差计3把容器与平衡器连通起来,由读数R可换算出液位高度, 液面达到最大的高度时,压差计读数R=0,液面愈低,R愈大 例:用远距离液位装置测量贮槽内对硝基氯苯的液位,流程如图。自 管口流入压缩空气,用调节阀调节流量。管内氮气流速调节的很小, 只要在鼓泡观察器内看出有气泡缓慢逸出即可。管内某截面上压强用 U形压差计测量,则压差计读数R可反应贮槽内液位高度。已知R=200mm 液体密度为1250Kgm3试求贮槽液面离吹气管出口距离h为若干? N2解: pa→ Po+pgh p=po+p;gR h=p;pR=13600/1250×0.2=2.72m
第二节流体静力学--液位测定 二. 液位的测定 化工厂中经常要了解容器里液体的贮存量，或要控制设备里的液面，因此要进行液位 的测量。大多数液位计的工作原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。 1. 连通管，最原始的液位计，在容器底部器臂及液面上分器壁处各开一小孔，两孔间 用玻璃管相连 2. 远程液位计：如图所示，于容器或设备处设一称为平衡器的小室2，里面所装的液体 与容器里的相同，平衡器的液面高度维持在容器液面允许达到的最大高度处。用一装 有指示液的U形管压差计3把容器与平衡器连通起来，由读数R可换算出液位高度，当 液面达到最大的高度时，压差计读数R=0，液面愈低，R愈大。 例： 用 远 距 离 液 位 装 置 测 量 贮 槽 内 对 硝 基 氯苯 的 液 位， 流 程 如 图。 自 管 口 流 入 压 缩 空 气， 用 调 节 阀 调 节 流 量。 管 内 氮 气 流 速 调 节 的 很 小， 只 要 在 鼓 泡 观 察 器 内 看 出 有 气 泡 缓 慢 逸 出 即 可。 管 内 某 截 面 上 压 强 用 U 形 压 差 计 测 量， 则 压 差 计 读 数R 可 反 应 贮 槽 内 液 位 高 度。已 知R=200mm, 液 体密 度 为1250Kg/m3, 试 求 贮 槽 液 面 离 吹 气 管 出 口 距 离h 为 若 干？ N2 解：p a = p b p a =p 0+gh p b= p 0+i gR R h = i / R= 13600/12500.2 = 2.72 m h
第山节流体静力学一液封高度的计算 三、液封高度的计算 化工生产中常遇到设备的液封问题,设备内操作条件不同,采用液封的目的也就不相同。 例:某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过107×108Pa(表),需在炉外装有安全液 封裝置,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 解:以液封管口为基准水平面0-0° po≈p1=pa+pgh 所以: h=(p1-pa)/pg=1.09m
第二节流体静力学--液封高度的计算 三、液封高度的计算 化工生产中常遇到设备的液封问题，设备内操作条件不同，采用液封的目的也就不相同。 例：某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7×108Pa（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。 解：以液封管口为基准水平面 0 － 0’ p 0 p 1 = p a+gh p a 所 以： h=(p1 - pa ) / g=1.09 m h 0 0’