1-1 流体静力学基本方程式

第一章流体流动

本章学习指导

1. 本章学习的目的

通过本章学习，掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题，诸如：

（1）流体输送：流速的选择，管径的计算，输送机械选型。

（2）流动参数的测量：压强（压力）、流速（流量）等。

（3）不互溶液体（非均相物系）的分离和分散（混合）。

（4）选择适宜的流体流动参数，以适应传热、传质和化学反应的最佳条件。

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）管路系统总能量损失方程（包括数据的获得）

本章应掌握的内容

（1）两种流型（层流和湍流）的本质区别，处理两种流型的工程方法（解析法和实验研究方法）

（2）流量测量

（3）管路计算

本章一般了解的内容

（1）边界层的基本概念（边界层的形成和发展，边界层分离）

（2）牛顿型流体和非牛顿型流体

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。

4. 本章教学时数分配

知识点1-1 授课学时数2 自学学时数4

知识点1-2 授课学时数3 自学学时数6

知识点1-3 授课学时数1 自学学时数2

知识点1-4 授课学时数3 自学学时数6

知识点1-5 授课学时数1 自学学时数2

知识点1-6 授课学时数2 自学学时数4

5. 本章学习资料

必读书籍

姚玉英主编. 化工原理(上册) （第一章"流体流动"）·天津：天津大学出版社．1999

参考书籍

1．陈敏恒等．化工原理，上册．北京：化学工业出版社．1999

2．谭天恩等．化工原理，上册．北京：化学工业出版社．1990

3．蒋维钧．化工原理，上册．北京：清华大学出版社．1992

4．姚玉英．化工原理例题与习题，第三版．北京：化学工业出版社．1998

5．柴诚敬等．化工原理学习指导．天津：天津科技出版社．1992

6．柴诚敬，张国亮．化工流体流动和传热．北京：化学工业出版社．2000

7．张言文．化工原理60讲，上册．北京：轻工业出版社．1997

8．J.M.Coulson and J.F.Richrdson.Chemical Engineering Vol2.3rd ed.－

oxford:Pergamon,1994

9．C.J Geankoplis. Transport Processes and Unit Operations, 2rd ed.Boston: Allyn and Baccon, Inc. 1993

10．W. L. McCabe and J. C. Smith.Unit Operations of Chemical Engineering, 5th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 1993.

通过本章的学习，掌握气体吸收的基本概念和气体吸收过程的基本计算方法。

一．流体的定义和分类

1．定义：气体（含蒸汽）和液体统称流体。

2．分类：

（1）按状态分为气体、液体和超临界流体。

（2）按可压缩性可分为不可压缩流体和可压缩流体。

（3）依是否可忽略分子间作用力分为理想流体和粘性（实际）流体。

（4）按流变特性（剪力与速度梯度之间关系）分牛顿型和非牛顿型流体。

二．流体特征

1．流动性，即抗剪抗张的能力很小；

2．无固定形状，易变形（随容器形状），气体能充满整个密闭容器空间；

3．流动时产生内摩擦，从而构成了流体流动内部结构的复杂性。

三．作用在流体上的力

外界作用于流体上的力有两种，即质量力和表面力。

1．质量力（又称体积力）

质量力作用于流体的每个质点上，并与流体的质量成正比，对于均质流体也与流体的体积成正比。流体在重力场中受到重力、在离心力场中受到的离心力都是典型的质量力。

2．表面力（又称接触力或机械力）

表面力与流体的表面积成正比。作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类，即垂直于表面的力和平行于表面的力。前者为压力，后者为剪力（切力）。静止流体只受到压力的作用，而流动流体则同时受到两类表面力的作用。

本章重点讨论不可压缩性牛顿型流体在管内流动的有关问题。

知识点1-1 流体静力学基本方程式

【学习指导】

1. 学习目的

通过学习掌握流体在重力场中的平衡规律（静止流体内部压强的变化规律）及其工程应用。

2. 本知识点的重点

学习本知识点要重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例。

应用流体静力学原理解题的关键是正确选取等压面。

3. 本知识点的难点 :本知识点无难点。

4. 应完成的习题

1-1．在本题附图所示的贮油罐中盛有密度为960kg/m3的油品，油面高于罐底9.6m，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔，其中心距罐底800mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为39.23×106Pa，问至少需要几个螺钉？

[答：至少要7个]

1-2．某流化床反应器上装有两个U管压差计，如本题附图所示。测得R1＝400mm，R2＝50mm指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3＝50mm。试求A、B两处的表压强。

[答：P A=7.16×103Pa（表压），P B=6.05×104Pa]

1-3.本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的距离H=1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820kg/m3。试求当压差计读数R=68mm 时，相界面与油层的吹气管出口距离h。

[答：h=0.418m]

1-4.用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽压，U管压差计的指示液为水银，两U管间的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：h1=2.3m、h2=1.2m、h3=2.5m及h4=1.4m。锅中水面与基准面间的垂直距离h5=3m。大气压强P a=99.3×103Pa。试求锅炉上方水蒸气的压强P。（分别以Pa 和kgf/cm2来计量）。

[答：P=3.64×105Pa=3.71kgf/cm2 ]