1、化工原理天大柴誠敬02定第一頁，共47頁。2 流體靜力學(xué) 流體靜力學(xué)主要研究流體靜止時流體內(nèi)部各種物理量的變化規(guī)律，特別是在重力場作用下，靜止流體內(nèi)部的壓力變化規(guī)律。 第二頁，共47頁。3 第一章 流體流動1.2 流體靜力學(xué)1.2.1 流體的受力第三頁，共47頁。4 外界作用于流體上的力體積力表面力第四頁，共47頁。5一、體積力 體積力(body force)又稱為場力，質(zhì)量力，是一種非接觸力。地球引力，帶電流體所受的靜電力，電流通過流體產(chǎn)生的電磁力等均為體積力。 本書只涉及重力： 設(shè)流體密度為，體積為V，則其所受的重力為體積力第五頁，共47頁。6表面力（又稱接觸力或機械力） 與流體元相接觸的

2、環(huán)境流體（有時可能是固體壁面）施加于該流體元上的力。表面力又稱為機械力，與力所作用的面積成正比。二、表面力 第六頁，共47頁。7圖1-2 作用在流體上的力 二、表面力 第七頁，共47頁。8二、表面力 切向應(yīng)力 (剪應(yīng)力) 法向應(yīng)力單位面積上的表面力稱為表面應(yīng)力。表面應(yīng)力第八頁，共47頁。9 第一章 流體流動1.2 流體靜力學(xué)1.2.1 流體的受力1.2.2 靜止流體的壓力特性第九頁，共47頁。10靜止流體的壓力特性 靜止的流體內(nèi)部沒有剪應(yīng)力，只有法線方向的應(yīng)力，通常將該法向應(yīng)力稱為流體的靜壓力，以p表示。流體的靜壓力特性：垂直于作用面，方向與法線方向相反。 靜止流體內(nèi)部任意一點在各個方向上受靜

3、壓力值相等。第十頁，共47頁。11靜止流體的壓力特性 在SI單位制中，壓力單位是N/m2或Pa。其他單位還有：1atm101300 N/m2101.3kPa1.033kgf/cm210.33mH2O760mmHg壓力的單位第十一頁，共47頁。12表壓=絕對壓力-大氣壓力 真空度大氣壓力-絕對壓力 壓力有兩種表達(dá)方式絕對壓力表壓（真空度）靜止流體的壓力特性 第十二頁，共47頁。13 第一章 流體流動1.2 流體靜力學(xué)1.2.1 流體的受力1.2.2 靜止流體的壓力特性1.2.3 流體靜力學(xué)方程第十三頁，共47頁。設(shè)：敞口容器內(nèi)盛有密度為的靜止流體，取任意一個垂直流體液柱，上下底面積均為A 。1、

4、方程推導(dǎo)第十四頁，共47頁。（1）作用在液柱上端面上的總壓力P1 P1= p1 A (N) （2）作用在液柱下端面上的總壓力 P2 P2= p2 A (N) （3）作用于整個液柱的重力G G =gA(Z1-Z2) (N) 作用在上、下端面上并指向此兩端面的壓力分別為 P1和 P2 。該液柱在垂直方向上受到的作用力有：第十五頁，共47頁。由于液柱處于靜止?fàn)顟B(tài)，在垂直方向上的三個作用力的合力為零，即 ： p1 A+ gA(Z1 -Z2) -p2 A = 0令： h= (Z1 -Z2) 整理得： p2 = p1 + gh 若將液柱上端取在液面，并設(shè)液面上方的壓強為 p0 ； 則： p0 = p1 +

5、 gh 上式均稱為流體靜力學(xué)基本方程式，它表明了靜止流體內(nèi)部壓力變化的規(guī)律。 即：靜止流體內(nèi)部某一點的壓強等于作用在其上方的壓強加上液柱的重力壓強。第十六頁，共47頁。17流體靜力學(xué)方程 圖1-3 流體靜力學(xué)方程的推導(dǎo) 微元立方流體邊長:dx、dy、dz密度:第十七頁，共47頁。18流體靜力學(xué)方程 z方向上的力（向上為正）僅為重力和靜壓力（2）作用整個微元體的重力為 （1）作用于微元體上、下底面的表面力（壓力）分別為第十八頁，共47頁。19流體靜力學(xué)方程 則z方向上力的平衡式為化簡得 靜止流體的歐拉(Euler)方程 第十九頁，共47頁。20 同理，在x，y方向上： y 軸 x 軸 流體靜力學(xué)

6、方程 第二十頁，共47頁。21或 當(dāng)流體不可壓縮（= 常數(shù)）時，積分可得 流體靜力學(xué)方程 或 (1-11)(1-12)(1-14)總勢能守恒第二十一頁，共47頁。（1）在靜止的液體中，液體任一點的壓力與液體密度和其深度有關(guān)。（2）在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上各點的壓力均相等。（3）當(dāng)液體上方的壓力有變化時，液體內(nèi)部各點的壓力也發(fā)生同樣大小的變化。2、靜力學(xué)基本方程的討論:第二十二頁，共47頁。23不可壓縮流體的靜力學(xué)基本方程式反映重力場作業(yè)下，靜止流體內(nèi)部壓力的變化規(guī)律（5）方程是以不可壓縮流體推導(dǎo)出來的，對于可壓縮性的氣體，只適用于壓強變化不大的情況。（4）整理得第二十三頁，

7、共47頁。24 第一章 流體流動1.2 流體靜力學(xué)1.2.1 流體的受力1.2.2 靜止流體的壓力特性1.2.3 流體靜力學(xué)方程1.2.4 流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用第二十四頁，共47頁。25一、壓力與壓力差的測量1.U管壓差計（U-tube manometer） 圖1-5 U管壓差計第二十五頁，共47頁。26根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式可得于是 一、壓力與壓力差的測量第二十六頁，共47頁。27上式化簡，得 若被測流體為氣體，由于氣體的密度比指示液的密度小得多，氣體的密度可以忽略，于是 若U管的一端與被測流體連接，另一端與大氣相通，此時讀數(shù)反映的是被測流體的表壓力。一、壓力與壓力差的測量第二十七頁，共4

8、7頁。282.雙液U管微壓差計（two-liquid manometer）圖1-6 雙液U管微壓計一、壓力與壓力差的測量第二十八頁，共47頁。29如果雙液壓差計小室內(nèi)液面差不可忽略時， 式中 為小室的液面差； d U管內(nèi)徑； D 小室內(nèi)徑。一、壓力與壓力差的測量第二十九頁，共47頁。30如果雙液壓差計小室內(nèi)液面差可忽略，則 (1-17) 一、壓力與壓力差的測量第三十頁，共47頁。31二、液位的測量圖1-7 壓差法測量液位1- 容器 2-平衡器的小室 3- U管壓差計第三十一頁，共47頁。32三、液封高度的計算設(shè)備的液封也是過程工業(yè)中經(jīng)常遇到的問題，設(shè)備內(nèi)操作條件不同，采用液封的目的也就不同。流

9、體靜力學(xué)原理可用于確定設(shè)備的液封高度。具體見例1-6 第三十二頁，共47頁。33 第一章 流體流動1.3 流體流動概述1.3.1 流動體系的分類第三十三頁，共47頁。34一、定態(tài)與非定態(tài)流動流體流速或其它物理量僅隨位置變化而不隨時間變化，即 定態(tài)流動第三十四頁，共47頁。35一、定態(tài)與非定態(tài)流動流體流速或其它物理量不僅隨位置變化而且隨時間變化，即 非定態(tài)流動第三十五頁，共47頁。36 若物理量只依賴于一個曲線坐標(biāo)，則稱此流動為一維流動；依賴于兩個曲線坐標(biāo)稱為二維流動；依賴于三個曲線坐標(biāo)則稱為三維流動。 應(yīng)予指出,過程工業(yè)中的流體輸送因多在封閉管道內(nèi)進(jìn)行，故其流動以一維居多。二、一維與多維流動第

10、三十六頁，共47頁。37三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動流體流動問題流體的繞流流動在封閉管道內(nèi)的流動第三十七頁，共47頁。38繞流流動 流體繞過一個浸沒的物體流過，故也稱為外部流動。例如細(xì)顆粒物在大量流體中的沉降、填充床內(nèi)的流動等。封閉管道內(nèi)的流動 被輸送的流體在管路中的流動。研究流體在管路中的流動規(guī)律是本章的重要內(nèi)容。三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動第三十八頁，共47頁。39 第一章 流體流動1.3 流體流動概述1.3.1 流動體系的分類1.3.2 流率與平均流速第三十九頁，共47頁。40一、流量 單位時間內(nèi)流過任一流通截面的流體體積稱為體積流率(volume flow rate)，習(xí)慣上亦稱之為體積流

11、量。 第四十頁，共47頁。41一、流量流量的表示方法：體積流量，以qv,s表示，單位為m3/s。質(zhì)量流量，以qv,s 表示，單位為kg/s。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為第四十一頁，共47頁。42二、平均流速 流速是空間位置的函數(shù)，我們稱之為流體的點速度。例如當(dāng)流體流經(jīng)一段管路時，由于流體存在黏性，使得管截面上各點的速度不同。從而由壁面至管中心建立起一個速度分布。在工程計算時，通常采用平均速度來代替這一速度分布。第四十二頁，共47頁。43平均速度 平均速度(bulk velocity)系指體積流量與流通截面積之比，以u 表示，其單位為m/s。二、平均流速 第四十三頁，共47頁。44二、平均流速 由于氣體的體積流率隨溫度和壓力變化，故采用質(zhì)量平均流速更為方便，通常稱之為質(zhì)量