上课用第二章流体流动与输送1,2流体静力学.11

第二章流体流动与输送1.本章教学基本要求通过本章学习:理解流体流动过程的物料衡算和能量算；理解流体流动过程的能量转换及所需动力的计算方法；流速的选择，管径的计算。了解雷诺准数的概念及其在流体流动阻力计算中的应用；了解常用的流体输送设备和操作原理、基本构造和性能。2.本章重点掌握的内容（1）静力学基本方程的应用（2）连续性方程、柏努力方程的物理意义、适用条件、应用柏努力方程解题的要点和注意事项。（3）直管阻力计算本章应掌握的内容（1）两种流型（层流和湍流）的本质区别,边界层的基本概念（2）流量计算本章一般了解的内容（1）牛顿型流体和非牛顿型流体（2）了解雷诺准数的概念及其在流体流动阻力计算中的应用（3）了解常用的流体输送设备和操作原理、基本构造和性能3.本章学习应注意的问题（1）流体力学是传热和传质的基础，它们之间又存在着密切的联系和相似性，从开始学习流体流动就要学扎实，打好基础。（2）应用柏努力方程、静力学方程解题要绘图，正确选取衡算范围。解题步骤要规范。第一节概述1-1流体的流动与输送在化工生产中应用1-2理想流体与实际流体流体主要特征具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。流体种类如果流体的体积不随压力变化而变化，该流体称为不可压缩性流体；若随压力发生变化，则称为缩性流可压体。一般液体的体积随压力变化很小，可视为不可压缩性流体；而对于气体，当压力变化时，体积会有较大的变化，常视为不可压缩性流体，但如果压力的变化率不大时，该气体也可当作不可压缩性流体处理理想流体：理想流体与实际流体—实际流体：第二节流体静力学本节讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律（静止流体内部压力的变化规律）及其工程应用。一、流体的物理性质1密度单位体积流体所具有的流体质量称为密度，以ρ表示，单位为kg/m3。Vm（1-1）式中ρ---流体的密度，kg/m3；m---流体的质量，kg；V---流体的体积，m3。*相对密度指流体的密度与277K时水的密度之比，以Td277表示；表达式为：（1-2）式中)277,(2KOH表示水在277K时的密度，为1000kg/m3;股上式可写成：Td2771000（1-3）2、压强（1）．定义和单位垂直作用于流体单位面积上的压力称为流体的压强，以p表示，单位为Pa。俗称压力，表示静压力强度。AFp（1-4）式中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。（2）．压强的特性①在连续静止的流体内部，压强为位置的连续函数，任一点的压强与作用面垂直，并指向所考虑的流体内部。②流体系统中任意一点的压强在各个方向上相等。（3）．压强的计量在SI中，压强的单位是帕斯卡，以Pa表示。1Pa=1N•m-2但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar（巴）=1.0133×105Pa)277,(2277KOHdTK在工程实践过程中，又是为了简便直观，还常用流体柱的高度表示流体压强的大小，但必须指明流体的种类（如mmHg、mH2O等）。其关系式为（1-6）式中h------液柱的高度，m；g------重力加速度，m/s2。（4）．压强的表示方法压强的基准①以绝对真空为基准——绝对压强，是流体的真实压强。②绝对压强，表压强，真空度之间的关系可用图1-1表示。Δ气压强随温度、湿度和当地海拔高度而变。为了防止混淆，对表压强、真空度应加以标注。【例1-1】天津和兰州的大气压强分别为101.33kPa，和85.3kPa，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=101.33-5.3=96.03kPa兰州真空度=85.3-5.3=80kPa;3、流体的粘度（1）.定义：衡量流体粘性大小的物理量，用μ表示。粘性是指实际流体流动时流体分子之间产生内摩擦力的特性。粘性越大，流动性越差，流动阻力越大。（2）.单位：SI制N•S/m2=Pa•S物理单位制：dny•S/cm21Pa•S=10P=1000CP=1000mPa•S（3）.影响因素：T和P①T:气体：T↑，μ↑液体：T↑，μ↓②P:气体：在很高或很低时才考虑。液体：影响很小，不考虑。Δ注意：理想流体的粘度为零，不存在内摩擦力。理想流体的假设，为工程研究带来方便二、流体静力学基本方程（一）流体静力学基本方程推导：1、重力：大小F=A（Z1-Z2）ρg方向向下2、作用在上表面的压力：大小F1=P1A方向向下3、作用在下表面的压力：大小F2=P2A方向向上F+F1+F2=0P=P0+（Z1-Z2）ρg……①gpZZp201g……②见教材（1-3）若将液体柱向上移至液面，而液面上方压强为pa，液体柱高度差Z1-Z2=h，h下表面距液面的深度，则可将上式改写为：P=Pa+hρg……③见教材（1-4）①②③式都是静力学方程。（二）静力学基本方程的物理意义1．总势能守恒式p/ρ和zg分别表示单位质量流体所具有的静压能和位能。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，但其总势能保持不变。2．等压面由P=Pa+hρg……③见教材（1-4）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（静压强仅与垂直高度有关，与水平位置无关，与容器大小形状无关）。3由P=Pa+hρg…,若液面上方所受压强Pa变化时，P将随之同步增减，即液面上方所受压强能以同样大小传递到液体内部的任一点上（巴斯葛原理）4.液柱高度表示压强（或压强差）大小将式②改写为：压强或压强差的大小可用某种液体的液柱高度表示，但必须注明是何种液体【例1-2】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ρ1=800kg/m3水层高度h2=0.6m、密度ρ2=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，，而与都可以用流体静力学方程式计算，即于是得:分析：求解本题的关键是掌握流体力学方程式的原理和应用(三)、静力学基本方程的应用1.压强与压强差的测量2.液封高度的计算流体静力学原理的应用很广泛，它是连通器和液柱压差计工作原理的基础，还用于容器内液柱的测量，液封装置，不互溶液体的重力分离（倾析器）等。解题的基本要领是正确确定等压面。1.压强与压强差的测量以流体平衡规律为依据的液柱压差计，常见的有以下几种。(1)．U管压差计①.结构：U管压差计是一根U形玻璃管，内装有液体作为指示液。a.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。b.压强差(p1－p2)与压差计读数R的关系图1-4所示的U管底部装有指示液A，其密度为ρA，U管两侧臂上部及连接管内均充满待测流体B，其密度为ρB。(p1－p2)与R的关系式，可根据流体静力学基本方程式进行推导。②.测压原理：a.测系统内两处压强差：若U管两端与系统内不同两处连接，则可测系统内两处的压强差。P1-P2=ΔP=（ρi-ρ）Rg若被测流体是气体，由于ρi-ρ≈0，则上式简化为：P1-P2=ΔP=ρiRgb.绝对压强的测量（测表压强或真空度）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。P1=该截面的绝压=Pc，Pc=Pa+Rρig=p1（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P1≠P2形管压差计二臂读数不相等，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ΔＰ＝P1－P2。（系统内两处压强差）根据静力学基本方程：Pc=P1+（H+R）ρgPc，=p2+Hρg+Rρig因C-C，是等压面，Pc=Pc，P1+（H+R）ρg=P2+Hρg+RρigP1-P2=Hρg+Rρig-（H+R）ρgP1-P2=ΔP=（ρi-ρ）Rg若被测流体是气体，由于ρi-ρ≈0，则上式简化为：P1-P2=ΔP=ρiRg例1-3（见课本9页））*(2)．微压差计（图1－5所示）[提高]①当被测压强差很小时，为把读数R放大，除了在选用指示液时，尽可能地使其密度ρA与被测流体的密度ρB相接近外，还可采用微差压差计。其特点是：a.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。b.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”。扩大室的截面积要比U管的截面积大得很多。当p1≠p2时，A指示液的两液面出现高度差R，扩大室中指示液C也出现高差R’。此时压差和读数的关系为：（1-10）若工作介质为气体，且R’甚小时，式1-10可简化为：（1-10a）【例1-5】本题附图所示的压差计中以油和水为指示液，其密度分别为920kg/m3及998kg/m3，U管中油、水交界面高度差R=300mm。两扩大室的内径D均为60mm，U管的内径d为6mm。试分别用式1-10及式1-10a计算与微压差计相连接的管截面上气体的表压强。解：该题意在比较微压差计的测量误差。当U管中油、水交界面高度差为300mm时，两扩大室出现高度差为R’（图中没有标出R’），R与R’的关系为得:;;用式1-10计算气体表压为忽略R’的影响，用式1-10a求表压两式计算的相对误差为2.液封高度的计算①液封：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事故发生，为了安全生产而设置的一种装置。②液封的种类：a.安全液封在化工生产中，为了控制设备内气体压力不超过规定的数值，常常使用安全液封装置(或称水封装置)。b.切断液封c.溢流液封液封的作用：封住气体，而让液体从塔内流出；泄压。③液封高度的求取：例：见教材10页液封高度H=p表/ρg例：控制乙炔发生器内的压强不大于80mmHg(表压)，求水封中水应比气体出口管高出多少米？H=p表/ρg=80×133.3/(1000×9.8)=1.09m