化工原理 [1-1]流体静力学.pdf

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1、西北大学化工原理电子课件第一章流体流动1.0概述1.研究流体流动问题的重要性流体是气体与液体的总称。流体流动是最普遍的化工单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。1西北大学化工原理电子课件2西北大学化工原理电子课件3西北大学化工原理电子课件2.流体的特征具有流动性；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。不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。4西北大学化工原理电子课件3.流体流动的考察方法①连续介质假定假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的

2、连续介质。质点：由大量分子构成的微团，尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程。工程意义：利用连续函数的数学工具宏观上研究流体。适用范围：一般化工生产，不适用高真空的稀薄气体。5西北大学化工原理电子课件②运动的描述方法—拉格朗日法和欧拉法★拉格朗日法：选定一个流体质点，对其进行跟踪观察，描述运动参数与时间的关系，也称跟踪法。★欧拉法：在固定空间位置上观察流体质点的运动情况。直接描述各有关运动参数在指定空间各点的分布情况随时间的变化，也称站岗法。对于速度uu=f(x,y,z,t)xxx，y，z—位置坐标uy=fx(x,y,z,t)t—时间u=f(x,y,z,t)u—指定点的速度zx6西

3、北大学化工原理电子课件③定态流动（稳态流动，稳定流动）定态流动：运动空间的各点的状态不随时间而变化u=f(x,y,z)xx对速度：u=f(x,y,z)yyu=f(x,y,z)zz∂u∂u∂ux=0y=0z=0∂t∂t∂t非定态流动：运动空间的各点的状态随时间而变化∂u∂u∂uxyz≠≠≠000∂∂∂ttt7西北大学化工原理电子课件④流线和轨线轨线：（轨迹）同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线。拉格朗日法考察流体运动的结果。流线：同一瞬时不同质点的速度方向欧拉法考察的结果。流线特点：定态流动时，流线和轨线重合；各流线不会相交。8西北大学化工原理电子课件1.1流体静力学1.1.1

4、密度1.1.2压力1.1.3流体静力学基本方程1.1.4静力学方程的应用9西北大学化工原理电子课件1.1流体静力学1.1.1密度一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。mρ=kg/m3V二、单组分密度ρ=f(p,T)液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。10西北大学化工原理电子课件气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：pMρ=RT注意：手册中查得的气体密度ρ都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。11西北大学化工原理电子课件三、混合物的密度混合气体各组分在混合前后质量不变，则有：ρm=ρ1φ1+ρ2φ2+?+ρn

5、φnφ,,φφ?——气体混合物中各组分的体积分率。12npMmρ=或mRTM——混合气体的平均摩尔质量mM=My+My+?+Mym1122nny,y?y——气体混合物中各组分的摩尔分率。12n12西北大学化工原理电子课件混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有1aaa12n=++?+ρρρρm12na,a?a——液体混合物中各组分的质量分率。12n四、比容单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。V13v==m/kgmρ13西北大学化工原理电子课件1.1.2压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。一、压力的特性流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；任意

6、界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。二、压力的单位SI制：N/m2或Pa；14西北大学化工原理电子课件或以流体柱高度表示：p=ρgh注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mHO等。2压力的换算关系：大气压：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mHO2工程大气压：1at=1kgf/cm2=9.807×104Pa=0.9678atm=735.5mmHg=10mHO2巴(bar)：1bar=105Pa=0.9869atm=1.1097at=750mmHg=10.2mHO215西北大学化

7、工原理电子课件三、压力的表示方法绝对压力以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度以大气压为基准测得的压力。表压=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力p1表压大气压真空度绝对压力p2绝对压力图1-6绝对真空16西北大学化工原理电子课件1.1.3流体静力学基本方程设流体不可压缩，ρ=Const.p0重力场中对液柱进行受力分析：p（1）上端面所受总压力1P=pA11方向向下Gz（2）下端面所受总压力1P2=p2A方向向上p2z2（3）液柱的重力G=ρgA(z1−z2)方向向下1