第一章流体流动.ppt
合集下载
流体力学PPT课件
y1, y2...yn ——气体混合物中各组分的摩尔分率。
对于理想气体，其摩尔分率y与体积分率Φ相同。
9
第1节 流体静力学
五、比容
单位质量流体具有的体积，是密度的倒数，单位为m3/kg。
vV 1
m
10
第1节 流体静力学
1.1.2 流体的静压强
一、压强的定义
流体垂直作用在单位面积上的力（压应力）
在SI制单位中压强的单位是N/m2，称为帕斯卡， 以Pa表示。
注意：用液柱高度表示压强时，必须指明流体的 种类。
标准大气压有如下换算关系： 1atm = 1.013×105Pa =760mmHg
=10.33mH2O=1.033kg/cm2=1.013bar 1at=9.807×104Pa=735.6mmHg=10mH2O
为斜管压差计， 用以放大读数，提高测量精度。
R 与 R 的关系为 R' R
sin
式中α为倾斜角，其值越小，则读数放大倍数
越大。
19
第1节 流体静力学
(4) 双液体U管压差计（微差压差计） 内装密度接近但不互溶的两种指示液
A和C（ A C），扩大室内径与U管内径 之比应大于10。
p1－p2≈（pA－pB）gR
16
第1节 流体静力学
三、流体静力学基本方程的应用
1．压强及压强差的测量 (1) U管压差计
p1p2(AB)gR
A－指示液 B－被测液体
A B
17
第1节 流体静力学
(2)倒U形压差计
p 1 p 2 R (B g A ) RB g
A－指示液 B－被测液体
A B
18
第1节 流体静力学
(3)斜管压差计 当所测量的流体压强差较小时，可将压差计倾斜放置，即
化工原理ppt-第一章流体流动
其单位为J/kg。
2022/8/11
34
二、流体系统的质量守恒与能量守恒
2. 柏努利方程
(1) 总能量衡算
4）外加能量 流体输送机械（如泵或风机）向流体作功。单位质量流体所获得
的机械能。用We表示，单位J/kg。 5）能量损失
液体流动克服自身粘度而产生摩擦阻力，同时由于管路局部装置 引起的流动干扰、突然变化而产生的阻力。流体流动时必然要消耗 部分机械能来克服这些阻力。单位质量流体克服各种阻力消耗的机 械能称为能量损失。用Σhf ，单位J/kg。
2022/8/11
27
知识运用
【1-3】某自来水厂要求安装一根输水量为30m3/h的管道，试选择一合 适的管子。
解：水的密度：1000kg/m3， 体积流量：Vs=30000/（3600×1000）=0.0083（m3/s）
查表水流速范围，取u=1.8m3/s
根据d 4Vs
u
d 4Vs 4 30 / 3600 0.077 m 77mm
22
一、流体流量和流速
2.流速
单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。
（1）平均流速：u=Vs/A （m/s）
关系:G =u
（2）质量流速：G=Ws/A (kg/(m2·s))
2022/8/11
23
一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
2022/8/11
24
一、流体流量和流速
3.圆形管道直径的选定
2022/8/11
8
二、流体压力
2.表压与真空度
表压和真空度
p 当地大气压，
表压强=绝对压强-大气压强
p 当地大气压，
真空度=大气压强-绝对压强
化工原理第一章 流体流动.ppt
z1 g
1 2
u1
2
p1
We
z2 g
1 2
u
2
2
p2
W f
(1)
式中各项单位为J/kg。
下午5时49分
24喻国华
（2）以单位重量流体为基准
将(1)式各项同除重力加速度g :
z1
1 2g
u12
p1
g
We g
z2
1 2g
u22
p2
g
Wf g
令
He
We g
1~3 m/s 0.5~1 m/s 8~15 m/s 15～25 m/s
下午5时49分
14喻国华
稳定流动与不稳定流动
稳定流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量 仅随位置变化，而不随时间变化；
T, p,u f (x, y, z)
不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位 置变化，也随时间变化。
（4）各物理量的单位应保持一致，压力表示方法也 应一致，即同为绝压或同为表压。
下午5时49分
35喻国华
例 如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液
位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液
管 为 φ45×2.5mm 的 钢 管 ， 要 求
pa
送液量为 3.6m3/h。设料液在管 内的压头损失为1.2m（不包括出 h
下午5时49分
4喻国华
例1-2
如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示 液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准 面，各指示液界面高度分别为
Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。
流体流动ppt课件
原始 液位计
液柱压差 液位计
鼓泡式液 柱T液EX位T计
化工单元操作
h 0 R
化工过程仪表是自动控制系统最重要的检测环节 LOGO
液位 检
应用浮力原理检测物位
测 应用静压原理检测液位
方
法 应用超声波反射检测物位
钢带浮子式液位计
法兰式差压液位计
化工单元操作
超声波液位计
第二节 流体静力学
化工单元操作
第一节 概述
气体和液体的统称
A
E
B
流体
D
C
化工单元操作
LOGO
第一节 概述
LOGO
一般 液体
流体
一般 气体
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。
化工单元操作
第二节 流体静力学
LOGO
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
水柱（mH2O）和毫米汞柱（mmHg）等。若 流体的密度为ρ，则夜柱高度h与压强p的关系为
p =hρg
或
h p
g
用液柱高度表示压强时，必须注明流体的名称， 如10mH2O、760mmHg等。
化工单元操作
标准大气压（物理大气压）：atm
LOGO
1atm 760mmHg 1.013105 Pa 1.033at 10.33mH2O
解： 绝对压强 = 大气压强 - 真空度 = 640-500 = 140mmHg=140×133.3Pa = 1.86×104 Pa=18.6kPa
化工单元操作
LOGO
流体力学(共64张PPT)
1) 柏努利方程式说明理想流体在管内做稳定流动，没有
外功参加时，任意截面上单位质量流体的总机械能即动能、
位能、静压能之和为一常数，用E表示。
即：1kg理想流体在各截面上的总机械能相等，但各种形式的机
械能却不一定相等，可以相互转换。
2) 对于实际流体，在管路内流动时，应满足：上游截面处的总机械能大于下游截面
p g 1z12 u 1 g 2W g ep g 2z22 u g 2 2g hf
JJ
kgm/s2
m N
流体输送机械对每牛顿流体所做的功
令
HeW ge,
Hf ghf
p g 1z12 u 1 g 2H ep g 2z22 ug 2 2 H f
静压头
位压头
动压头 泵的扬程（ 有效压头） 总压头
处的总机械能。
22
3)g式中z各、项 的2u 2物、理 意p 义处于g 某Z 个1 截u 2 1 面2上的p 1流 W 体e本 身g Z 所2具u 有2 22 的 能p 量2 ; hf
We和Σhf： 流体流动过程中所获得或消耗的能量〔能量损失〕;
We：输送设备对单位质量流体所做的有效功;
Ne：单位时间输送设备对流体所做的有效功，即有效功率;
u2 2
u22 2
u12 2
p v p 2 v 2 p 1 v 1
Ug Z 2 u2 pQ eW e
——稳定流动过程的总能量衡算式 18
UgZ 2 u2pQ eW e
2、流动系统的机械能衡算式——柏努利方程
1) 流动系统的机械能衡算式〔消去△U和Qe 〕
UQ'e vv12pdv热力学第一定律
26
五、柏努利方程应用
三种衡算基准
流体流动基本方程.ppt
oT o p
Tpo
以1 m3混合气体为基准，设各组分混合前后质 量不变，密度的计算公式：
m
1
y 1
2 y2
...
i yi
yi — 气体混合物中组分i的体积分数
理想混合气体的密度计算公式：
m
pM m RT
M m M A yA M B yB .... M n yn
Mm — 气体混合物的平均摩尔质量 y n— 组分的物质的量分数
[密度数据的获取]：
➢在工程手册上查到一定条件下的纯流体密度 ➢通过计算获得
以1 kg液体混合物为基准，设各组分混 合前后体积不变, 密度的计算公式：
1 1 2 3 ... i
m 1 2 3
i
ωi —— 混合液中组分i的质量分数
理想气体的密度计算公式：
pM
RT
p — 气体的绝对压力， kPa M — 气体的摩尔质量，kg/kmol R — 摩尔气体常数，8.314 kJ/(kmol·K) T — 气体的热力学温度，K
p = p0 + ρgh
①传递定律：p0有变化时，流体内部其他各点上的
压强也发生变化；
②等压面的概念：在静止的同一连续流体内，处于
同一水平面上各点的压强都相等；
③压强可以用一定高度的流体柱来表示 p p0 h
g
但必须说明液体的种类。
④ 静力学方程的能量形式：
p1
z1 g
p2
z2g
zg ——单位质量流体所具有的位能，J/kg；
压缩静止液体，流体所受的体积力仅为重力,于液 体内部任意划出一底面积为A的柱形流体微元作 受力分析：
（1）上端面所受总压力 P1 p1 A 方向向下
（2）下端面所受总压力 P2 p2 A 方向向上
Tpo
以1 m3混合气体为基准，设各组分混合前后质 量不变，密度的计算公式：
m
1
y 1
2 y2
...
i yi
yi — 气体混合物中组分i的体积分数
理想混合气体的密度计算公式：
m
pM m RT
M m M A yA M B yB .... M n yn
Mm — 气体混合物的平均摩尔质量 y n— 组分的物质的量分数
[密度数据的获取]：
➢在工程手册上查到一定条件下的纯流体密度 ➢通过计算获得
以1 kg液体混合物为基准，设各组分混 合前后体积不变, 密度的计算公式：
1 1 2 3 ... i
m 1 2 3
i
ωi —— 混合液中组分i的质量分数
理想气体的密度计算公式：
pM
RT
p — 气体的绝对压力， kPa M — 气体的摩尔质量，kg/kmol R — 摩尔气体常数，8.314 kJ/(kmol·K) T — 气体的热力学温度，K
p = p0 + ρgh
①传递定律：p0有变化时，流体内部其他各点上的
压强也发生变化；
②等压面的概念：在静止的同一连续流体内，处于
同一水平面上各点的压强都相等；
③压强可以用一定高度的流体柱来表示 p p0 h
g
但必须说明液体的种类。
④ 静力学方程的能量形式：
p1
z1 g
p2
z2g
zg ——单位质量流体所具有的位能，J/kg；
压缩静止液体，流体所受的体积力仅为重力,于液 体内部任意划出一底面积为A的柱形流体微元作 受力分析：
（1）上端面所受总压力 P1 p1 A 方向向下
（2）下端面所受总压力 P2 p2 A 方向向上
化工原理第一章第四节流体流动现象-PPT
p2
gz3
u32 2
p3
gz4
u42 2
p4
gz5
u52 2
p5
gz6
u62 2
p6
4
4' 3 3'
1
1' 5 5'
6 6' 2 2'
【例6】水经变径管从上向下流动，粗细管径分别为d2=184mm,
d1=100mm，水在粗管内的流速为u2=2m/s，两测压口垂直距离
h=1.5m，由1-1 至 2-2 截面间能量损失hf1-2=11.38J/kg,问：U
第四节 流体在管内的流动阻力
流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力. ——流动阻力产生的根源
直管阻力 ：流体流经一定管径的直管时由
管路中的阻力
hf
于流体的内摩擦而产生的阻力
hf
局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门及
hf 管截面的突然扩大及缩小等局部
32
h f h f hf 地方所引起的阻力。
h f : 单位质量流体流动时所损失的机械能，J/kg。
14
即Pa。
F u
S y
du
dy
——牛顿粘性定律
式中：
du ：速度梯度 dy
：比例系数，它的值随流体的不同而不同，流
体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简
称粘度。
15
2、流体的粘度
1)物理意义
du dy
促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来
P2= 6.15×104Pa(表压) hf1-2= 160J/kg
u2
Vs
d2
34.5 0.072 3600
化工原理流体流动ppt课件
倾斜 管路 压差 测量:
Pa Pb
根据流体静力学方程
Pa P1 Bgm R
Pb P2 Bg(z m) AgR
P1 B gm R
P2 B g(z m) AgR
P1 P2 A B gR Agz 当管子平放时： P1 P2 A B gR
——两点间压差计算公式
式中 ：M１、M2、… Mn—— 气体混合物各组分的分子量
Ø气体混合物的组成通常以体积分率表示。
Ø对于理想气体：体积分率与摩尔分率、压力分率是相等的。
液体混合物: 液体混合时，体积往往有所改变。若混合前
后体积不变，则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体 积之和，则可由下式求出混合液体的密度ρm。
当被测的流体为气体时，A B , B 可忽略,则
P1 P2 A gR
※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或真空度。
p1 pa
p1 pa
表压
真空度
当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰， 可采取三种措施：①两种指示液的密度差尽可能减
实际流体都是可压缩的
一般，液体可看成是不可压缩的流体 气体可看成是可压缩流体
第一节 流体静力学
流体静力学主要研究流体静止时其 内部压强变化的规律。描述这一规律的 数学表达式，称为流体静力学基本方程 式。先介绍有关概念。
一、流体的压力
（1） 定义和单位
压强－－流体垂直作用于单位面积上的力称为流 体的压强，工程上习惯称为流体的压力。
1mw 1 1w 2 2 w n ni n1w ii (1-7)
式中 w1、w2、…，wn —— 液体混合物中各组分的质量分率； ρ1、ρ2、…，ρn —— 液体混合物中各组分的密度，kg/m3；
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 讨论
(3) 传递定律 上式可改写成，p2＝pa＋(z1－z2) g，当液面
的压强pa有任何大小改变时，液体内部上z2的压 强 p2也有同样的改变。 即：液面上所受的压力能以同样大小传递到液 体内部的任一点。
p2 pa
g
z1 z2
h
上式说明，压强差的大小可用一定高度的液柱来表
示。可引伸出压强的大小也可用一定高度的液柱
式中 m ——混合气体的密度，kg/m3；
i ——混合液体中各纯组分的密度，kg/m3 ；
i——混合气体中各组分的体积分数。
二、压力的表示方法
1. 定义：流体垂直作用于单位面积上的力称为压力强度，简 称压强。工程上习惯上将压强称之为压力。
2. 单位：在SI中，压强的单位是帕斯卡，以Pa表示。但习惯 上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：
第一节 流体静止的基本方程
一、密度
单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。
以表示，单位为kg·m-3 。
m
式中： ——流体的V密度 (kg∕m3)；
m ——流体的质量（kg）； V ——流体的体积（m3）。
因为V随p、T而变化，所以亦随p、T而变。
1.液体的密度
➢ p对液体的密度影响可忽略，液体常称为不可压缩性流体。
对
压
力
大
气
压
0
测定压力 大气压
绝对零压线
P/ MPa
大 气 压
0
大气压
真 空 度
测定压力
绝 对 压 力
绝对零压线
例 已知甲地区大气压为85.3kPa，乙地区大气压为101.33kPa， 甲地区精馏塔内的真空表读数为20kPa，问在乙地区操作时， 如要维持相同的绝对压力，真空表读数应为多少？
解： 甲地区：p＝pa－p真
＝0
p2 －p1 ＝(z1－ z2 ) g
p2 dp g z2 dz
p1
z1
2. 讨论 (1) 机械能守恒
p1
g
z1
p2
g
z2
重力场中在同一种静止流体中不同高度上的微元其静 压能和位能各不相同，但总能量保持不变。 (2) 等压面
在静止的、连续的同一种液体内，处于同一水平面 上各点的静压强相等——等压面（静压强仅与垂直高 度有关，与水平位置无关）。
第一章 流体流动
第一章 流体流动
第一节 流体静止的基本方程 第二节 流体流动的基本方程 第三节 流体流动现象 第四节 管内流动的阻力损失 第五节 管路计算 第六节 流量测定
本章重点： （1）流体静力学基本方程及应用； （2）质量守恒——连续性方程及应用； （3）机械能守恒——柏努利方程； （4）流体在管内流动时流动阻力损失的计算； （5）管路的设计计算； （6）流量测量。
(1)判断下列关系是否成立，即： pA ＝ pA′， pB ＝ pB′， pC＝ pC′
(2)计算水在玻璃管内的高度h。
解：(1)略
(2) pA＝pa＋1gh1 ＋2gh2 pA′＝pa＋2gh
∵ pA ＝ pA′ ∴800×1＋1000×0.8＝1000h
h=1.6m
C
C
例：如图：R＝100mm,h=800mm
表所测，称为表压或真空度。 令 pa表示环境大气压强，则被测流体的绝压与表压强、真
空度的关系为：
p＝pa ＋p表 p＝pa－p真
当p表＞0时，被测流体的压强大于环境大气压强； 当p表＝0 时，被测流体的压强等于环境大气压强； 当 p表＜0 时, 被测流体的压强小于环境大气压强。
P/ MPa
表
压 绝
1atm=1.033 kgf/cm2 =760mmHg=10.33mH2O =1.0133×105Pa
1mmHg＝133.3Pa 1kgf/cm2 ＝9.81×104Pa
3. 绝对压强、表压强、真空 度
➢ 绝对压强：以绝对真空为基准，简称为绝压，用p 表示。
➢ 表压强或真空度：以当地大气压为基准，用压力表或真空
表•示压。强可以用mmHg,mmH2O等单位来计量
• 注意：当用液柱的高度来表示压强时或压强差时， 必须注明是什么流体，否则就失去了意义。
•再强调：注意该方程使用的条件，即同一种不可压 缩的，连续的、静止、均匀的流体内部 。
例：如图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度
h1=1m， 密度1=800kg/m3 ,水层高度h2=0.8m，密度 2=1000kg/m3 。
• 液体和气体统称为流体
特性： （1）流动性 （2）压缩性
分类: (1)不可压缩流体：液体；（若P,t变化小，气体） (2)可压缩流体：实际流体 ，气体
流体连续性
流体是由分子组成的，但在研究流体运动规律时， 不能把流体看成是由分子组成的间断介质。而是假 设整个流体由无数个分子集团构成，每个分子集团 称为“质点”。 因此，在研究流体运动规律时，将流体看成是由流 体质点组成的连续介质。
➢ T对液体的密度有一定影响，因T增大，V增加，所以
随T增加而下降。
➢液体的密度可通过数据手册查得。
相对密度（比重）：
d
T 277
∵T＝277K时， 水=1000kg/m3
ρ ρ水
ρ
ρ水
d
T 277
1000
d
T 277
➢液体混合物的密度
对于液体均相混合物，假定混合前后总体积不变，则
1 a1 a2 an
＝85.3－20＝65.3(kPa) 乙地区：p真＝pa－p
＝101.33－65.3＝36.03(kPa)
三、流体静力学基本方程式
1．流体静力学基本方程式 由图所示，底面积为A的容器中 盛有
密度为 的液体。受力分析： 向上作用力：p A 向下作用力：(p+dp)A 向下作用的重力：gAdz 则: p A －(p＋dp)A －gAdz
式中 M——摩尔质量，kg/(kmol)； p ——压力，kPa； R ——气体常数，R＝8.314kJ /(kmol·K) ； T ——热力学温度，K。
➢ 气体混合物的密度
对于气体混合物，若混合前后总体积及总质量不变，则
m 11 2RT
其中： M均 Mii
m 1 2
n
式中 m ——混合液体的密度，kg/m3； i ——混合液体中各纯组分的密度，kg/m3
ai ——混合液体中各组分的质量分数。
2. 气体的密度
➢ 气体具有可压缩性和热膨胀性，其密度随T、p有较大变化。
➢ 常温常压下，气体密度可用理想气体状态方程近似计算
pV nRT m RT
∵
M
∴
ρ pM RT