第一章 流體流動(dòng)

1、河南工程學(xué)院化工原理習(xí)題第一章 流體流動(dòng)一 填空1.流體在圓形管道中作層流流動(dòng)，如果只將流速增加一倍，則阻力損失為原來的 倍；如果只將管徑增加一倍而流速不變，則阻力損失為原來的 倍。 2.處于同一水平面的液體，維持等壓面的條件必須是 、 。流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如要測取管截面上的流速分布，應(yīng)選用 流量計(jì)測量。3.如果流體為理想流體且無外加功的情況下，寫出：單位質(zhì)量流體的機(jī)械能衡算式為_；單位重量流體的機(jī)械能衡算式為 ；單位體積流體的機(jī)械能衡算式為_ _；4.有外加能量時(shí)，以單位體積流體為基準(zhǔn)的實(shí)際流體的柏努利方程為 ， 各項(xiàng)單位為 。5.氣體的粘度隨溫度升高而 ，水的粘度隨溫度升高而 。6.流體在

2、變徑管中作穩(wěn)定流動(dòng)，在管徑縮小的地方其靜壓能 。7.流體流動(dòng)的連續(xù)性方程是 ；適用于圓形直管的不可壓縮流體流動(dòng)的連續(xù)性方程為 。8.當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?45mmHg，測得一容器內(nèi)的絕對壓強(qiáng)為350mmHg，則真空度為 。測得另一容器內(nèi)的表壓強(qiáng)為1360 mmHg，則其絕對壓強(qiáng)為 mmHg。9.測流體流量時(shí)，隨流量增加孔板流量計(jì)兩側(cè)壓差值將 ，若改用轉(zhuǎn)子流量計(jì)，隨流量增加轉(zhuǎn)子兩側(cè)壓差值將 。10.流體阻力產(chǎn)生的根源是 ，粘性是指 。11.在連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過程中，流速與管徑的 成正比。均勻圓管內(nèi)流體的流速不因流阻的存在而 。12.滯流與湍流的根本區(qū)別是 。13.一定量的流體在圓形直管內(nèi)流過，若流動(dòng)處于阻力

3、平方區(qū)，則流動(dòng)阻力與速度的 成正比。14.圓形直管內(nèi)流體滯流流動(dòng)的速度分布呈 形狀。其平均速度是中心最大速度的 。摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系是 。15.局部阻力所引起的能量損失有兩種計(jì)算方法： 法和 法。16.并聯(lián)管路的特點(diǎn)是 。分支管路的特點(diǎn)是 。17.孔板流量計(jì)是通過 來反映流量的大小，又稱為 流量計(jì)，而轉(zhuǎn)子流量計(jì)是流體流過節(jié)流口的壓強(qiáng)差保持恒定，通過變動(dòng)的 反映流量的大小，又稱為 。18.牛頓粘性定律的表達(dá)式為 ，牛頓粘性定律適用于 流體。19.使用因次分析法的目的在于 。 20.在一穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，水由細(xì)管流入粗管，細(xì)管與粗管的流速分別為2m/s與1m/s。細(xì)管與粗管連接處的局部阻力系

4、數(shù)=0.27，則水通過的局部阻力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降為 Pa。21.流量相同，若d1/d2=2, 則Re1/Re2=_, 若相對粗糙度相同。且均在阻力平方區(qū)流動(dòng)，則相同管長的直管阻力損失hf1/hf2=_。22.當(dāng)p1 =p2，如右圖，判斷流體的流向是 。 23題圖23.空氣質(zhì)量流量一定，在換熱器中從30升高至60，其沿管長流速u ，密度 ，粘度 ，Re 。24.已知水的質(zhì)量流量為ms，原管輸送時(shí)Re = 1800為層流，改造時(shí)擬選用的管徑d2 = 0.4 d1，流動(dòng)狀態(tài)為 。25.如圖所示：（1）關(guān)小閥1，流量 ，p1 ，p2 ；（2）關(guān)小閥1，開大閥2，流量不變，p1 ，p2 ，p3 。 25題

5、圖二 選擇題1.流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如要測取管截面上的流速分布，應(yīng)選用_ _流量計(jì)測量。A. 皮托管 B. 孔板流量計(jì) C. 文丘里流量計(jì) D. 轉(zhuǎn)子流量計(jì)2.水由敞口恒液位的高位槽通過一管道流向壓力恒定的反應(yīng)器，當(dāng)管道上的閥門開度減小后，管道總阻力損失 。A. 增大 B. 減小 C. 不變 D. 不能判斷3.流體流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力損失hf，所損失的是機(jī)械能中的 項(xiàng)。A. 動(dòng)能 B. 位能 C. 靜壓能 D. 總機(jī)械能4.在完全湍流時(shí)（阻力平方區(qū)），粗糙管的摩擦系數(shù)l數(shù)值 A. 與光滑管一樣 B. 只取決于Re C. 取決于相對粗糙度 D. 與粗糙度無關(guān)5.孔板流量計(jì)的孔流系數(shù)C.0當(dāng)Re增大時(shí)，

6、其值 。A. 總在增大 B. 先減小，后保持為定值 C. 總在減小 D. 不定6.已知列管換熱器外殼內(nèi)徑為600mm，殼內(nèi)裝有269根f25×2.5mm的換熱管，每小時(shí)有5×104kg的溶液在管束外側(cè)流過，溶液密度為810kg/m3，粘度為1.91×103PA.·s，則溶液在管束外流過時(shí)的流型為 。A. 層流 B. 湍流 C. 過渡流 D. 無法確定7.某液體在內(nèi)徑為D.0的水平管路中穩(wěn)定流動(dòng)，其平均流速為u0，當(dāng)它以相同的體積流量通過等長的內(nèi)徑為D.2(D.2=D.0/2)的管子時(shí)，若流體為層流，則壓降Dp為原來的 倍。A. 4 B. 8 C. 16

7、D. 328.在完全湍流區(qū)，直管流動(dòng)阻力與 成正比。A.管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù) B.管內(nèi)平均速度的平方 C.管長L D.液體的粘度9.層流底層越薄，則以下結(jié)論正確的是 。A近壁處速度梯度越小 B流動(dòng)阻力越小 C流動(dòng)阻力越大 D流體湍動(dòng)程度越小10在完全湍流中粗糙管的摩擦系數(shù) 。A與光滑管一樣 取決于Re B取決于/D. 與Re，/D.有關(guān)11兩管并聯(lián)，若D1=2D2, L1=2L2 , 則hf1/hf2=_。 A2 B 4 C1/4 D 1 E 1/2當(dāng)兩管中流體均作層流流動(dòng)時(shí)，V1/V2=_。 A 2 B 4 C8 D 1/2 E 1當(dāng)兩管中流體均作湍流流動(dòng)時(shí)，并取1=2，則V1/V2=_。 A2

8、 B 4 C 8 D 1/2 E1/412（1）無論是靜止的流體，還是運(yùn)動(dòng)的流體，都具有粘性；（2）粘性只在流動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)才表現(xiàn)出來。以上正確的說法是 。A.兩種都對 B.（1）對（2）不對 C.（2）對（1）不對 D.（1）（2）都不對13如圖所示：一定質(zhì)量流量的流體，從A流向B時(shí)，U型壓差計(jì)讀數(shù)為R1；若流向改為從B流向A，測得讀數(shù)為R2，則（1）R1 R2 ； A.大于 B. 等于 C.小于 D.R1= - R2（2）圖示R值反映的是 。 A.壓差 B.阻力 C.動(dòng)壓頭變化 D.阻力與動(dòng)壓頭變化14.因次分析法的目的在于 。A 得到各變量間的確切定量關(guān)系；B 得到各無因次數(shù)群的確切定時(shí)關(guān)系；

9、C 用無因次數(shù)群代替變量，使實(shí)驗(yàn)與關(guān)聯(lián)工作簡化；D 用無因次數(shù)群代替變量，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可靠。15.層流與湍流的本質(zhì)區(qū)別是 。A. 湍流流速大于層流流速； B.流道截面積大的為湍流，截面積小的為層流；C.層流的雷諾數(shù)小于湍流的雷諾數(shù)； D.層流無徑向脈動(dòng)，而湍流有徑向脈動(dòng)三 簡答題1.粘性的物理本質(zhì)是什么？為什么溫度上升，氣體粘度上升而液體的粘度下降？2.粘性流體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生阻力的原因是什么？3.機(jī)械能包括哪幾項(xiàng)？有何特性？4.牛頓流體與非牛頓流體有何區(qū)別？5. 何為相對粗糙度？它對層流阻力系數(shù)有何影響？6.當(dāng)量直徑如何定義的？7.隨流速的增加而減?。ㄗ枇ζ椒絽^(qū)近于常數(shù)）為什么能量損失反而增

10、加？8.管內(nèi)流體的流速大小與層流內(nèi)層的薄厚有何關(guān)系？流體粘度的大小與層流內(nèi)層的薄厚有何關(guān)系？9. 流體在管內(nèi)呈層流流動(dòng)時(shí)，其與/d有何關(guān)系？與Re有何關(guān)系？關(guān)系如何？10.當(dāng)流體處于阻力平方區(qū)時(shí)，與什么有關(guān)？11.局部阻力計(jì)算有幾種方法？如何表示？12.流動(dòng)型態(tài)有幾種？各為何？流型判據(jù)是什么？各流型是如何判定的？13.層流時(shí)直管阻力損失如何計(jì)算？湍流直管阻力損失的經(jīng)驗(yàn)式？14.為什么高煙囪比低煙囪拔煙效果好？15.柏努利方程的應(yīng)用條件有哪些？四、計(jì)算題【1-1】已知甲地區(qū)的平均大氣壓力為85.3 kPa，乙地區(qū)的平均大氣壓力為101.33 kPa，在甲地區(qū)的某真空設(shè)備上裝有一個(gè)真空表，其讀數(shù)為

11、20 kPa。若改在乙地區(qū)操作，真空表的讀數(shù)為多少才能維持該設(shè)備的的絕對壓力與甲地區(qū)操作時(shí)相同？ 解：（1）設(shè)備內(nèi)絕對壓力 絕壓=大氣壓-真空度= （2）真空表讀數(shù) 真空度=大氣壓-絕壓=【1-2】如本題附圖所示，用泵2將儲(chǔ)罐1中的有機(jī)混合液送至精餾塔3的中部進(jìn)行分離。已知儲(chǔ)罐內(nèi)液面維持恒定，其上方壓力為1.0133105 Pa,流體密度為800 kg/m3。精餾塔進(jìn)口處的塔內(nèi)壓力為1.21105 Pa，進(jìn)料口高于儲(chǔ)罐內(nèi)的液面8 m，輸送管道直徑為68 mm 4 mm，進(jìn)料量為20 m3/h。料液流經(jīng)全部管道的能量損失為70 J/kg，求泵的有效功率。解：在截面和截面之間列柏努利方程式，得 習(xí)

12、題1-2附圖 【1-3】為測量腐蝕性液體貯槽中的存液量，采用圖示的裝置。測量時(shí)通入壓縮空氣，控制調(diào)節(jié)閥使空氣緩慢地鼓泡通過觀察瓶。今測得U形壓差計(jì)讀數(shù)為R=130mm，通氣管距貯槽底面h=20cm，貯槽直徑為2m，液體密度為980kg/m3。試求貯槽內(nèi)液體的貯存量為多少噸？ 解：由題意得：R=130mm，h=20cm，D=2m，980kg/，。（1） 管道內(nèi)空氣緩慢鼓泡u=0，可用靜力學(xué)原理求解。（2） 空氣的很小，忽略空氣柱的影響。 【1-4】如本題附圖所示，在異徑水平管段兩截面（1-1'、2-2）連一倒置U管壓差計(jì)，壓差計(jì)讀數(shù)R=200mm。試求兩截面間的壓強(qiáng)差。解：因?yàn)榈怪肬管，

13、所以其指示液應(yīng)為水。設(shè)空氣和水的密度分別為g與，根據(jù)流體靜力學(xué)基本原理，截面A.-A.'為等壓面，則 pA.=pA.'又由流體靜力學(xué)基本方程式可得 pA.=p1gM pA.'=p2g（MR）ggR聯(lián)立上三式，并整理得： p1p2=（g）gR由于g，上式可簡化為 p1p2gR所以p1p21000×9.81×0.2=1962PA.【1-5】如本題附圖所示，蒸汽鍋爐上裝置一復(fù)式U形水銀測壓計(jì)，截面2、4間充滿水。已知對某基準(zhǔn)面而言各點(diǎn)的標(biāo)高為z0=2.1m， z2=0.9m， z4=2.0m，z6=0.7m， z7=2.5m。試求鍋爐內(nèi)水面上的蒸汽壓強(qiáng)。解

14、：按靜力學(xué)原理，同一種靜止流體的連通器內(nèi)、同一水平面上的壓強(qiáng)相等，故有 p1=p2，p3=p4，p5=p6對水平面1-2而言，p2=p1，即 p2=pa+ig（z0z1） 對水平面3-4而言， p3=p4= p2g（z4z2） 對水平面5-6有 p6=p4+ig（z4z5）鍋爐蒸汽壓強(qiáng) p=p6g（z7z6） 習(xí)題1-5圖 p=pa.+ig（z0z1）+ig（z4z5）g（z4z2）g（z7z6）則蒸汽的表壓為 ppa=ig（z0z1+ z4z5）g（z4z2+z7z6） =13600×9.81×(2.10.9+2.00.7)1000×9.81× (2.

15、00.9+2.50.7) =3.05×105 PA.=305kPa【1-6】用泵輸送密度為710kg/m3的油品，如附圖所示，從貯槽經(jīng)泵出口后分為兩路：一路送到A塔頂部，最大流量為10800kg/h，塔內(nèi)表壓強(qiáng)為98.07×104Pa。另一路送到B塔中部，最大流量為6400kg/h，塔內(nèi)表壓強(qiáng)為118×104Pa。貯槽C內(nèi)液面維持恒定，液面上方的表壓強(qiáng)為49×103Pa。現(xiàn)已估算出當(dāng)管路上的閥門全開，且流量達(dá)到規(guī)定的最大值時(shí)油品流經(jīng)各段管路的阻力損失是：由截面11至22為201J/kg；由截面22至33為60J/kg；由截面22至44為50J/kg。油品

16、在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的動(dòng)能很小，可以忽略。各截面離地面的垂直距離見本題附圖。 習(xí)題1-6圖已知泵的效率為60%，求此情況下泵的軸功率。 解：在11與22截面間列柏努利方程，以地面為基準(zhǔn)水平面。 式中 Z1=5m p1=49×103PA. u10 Z2、p2、u2均未知，hf12=20J/kg設(shè)E為任一截面上三項(xiàng)機(jī)械能之和，則截面22上的E2=gZ2+p2/+u22/2代入柏努利方程得 (a)由上式可知，需找出分支22處的E2，才能求出We。根據(jù)分支管路的流動(dòng)規(guī)律E2可由E3或E4算出。但每千克油品從截面22到截面33與自截面22到截面44所需的能量不一定相等。為了保證同時(shí)完成兩支管的輸送任務(wù)

17、，泵所提供的能量應(yīng)同時(shí)滿足兩支管所需的能量。因此，應(yīng)分別計(jì)算出兩支管所需能量，選取能量要求較大的支管來決定E2的值。仍以地面為基準(zhǔn)水平面，各截面的壓強(qiáng)均以表壓計(jì)，且忽略動(dòng)能，列截面22與33的柏努利方程，求E2。 =1804J/kg列截面22與44之間的柏努利方程求E2 =2006J/kg比較結(jié)果，當(dāng)E2=2006 J/kg時(shí)才能保證輸送任務(wù)。將E2值代入式（a），得 We=200698.06=1908 J/kg通過泵的質(zhì)量流量為 泵的有效功率為 Ne=Wews=1908×4.78=9120W=9.12kW泵的軸功率為 最后須指出，由于泵的軸功率是按所需能量較大的支管來計(jì)算的，當(dāng)油品

18、從截面22到44的流量正好達(dá)到6400kg/h的要求時(shí)，油品從截面22到33的流量在管路閥全開時(shí)便大于10800kg/h。所以操作時(shí)要把泵到33截面的支管的調(diào)節(jié)閥關(guān)小到某一程度，以提高這一支管的能量損失，使流量降到所要求的數(shù)值?！?-7】如圖所示，用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均恒定不變，輸送管路尺寸為f83×3.5mm，泵的進(jìn)出口管道上分別安裝有真空表和壓力表，真空表安裝位置離貯槽的水面高度H1為4.8m，壓力表安裝位置離貯槽的水面高度H2為5m。當(dāng)輸水量為36m3/h時(shí)，進(jìn)水管道全部阻力損失為1.96J/kg，出水管道全部阻力損失為4.9J/kg，壓力表讀數(shù)為2.452&

19、#215;105Pa，泵的效率為70%，水的密度r為1000kg/m3，試求：（1）兩槽液面的高度差H為多少？（2）泵所需的實(shí)際功率為多少kW？（3）真空表的讀數(shù)為多少kgf/cm2？14流體流動(dòng)解：（1）兩槽液面的高度差H 在壓力表所在截面2-2´與高位槽液面3-3´間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，得： 其中， , u3=0, p3=0, p2=2.452×105PA., H2=5m, u2=Vs/A.=2.205m/s代入上式得： （2）泵所需的實(shí)際功率在貯槽液面0-0´與高位槽液面3-3´間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，有

20、： 其中， , u2= u3=0, p2= p3=0, H0=0， H=29.4m代入方程求得： We=298.64J/kg， 故 ， =70%， （3）真空表的讀數(shù)在貯槽液面0-0´與真空表截面1-1´間列柏努利方程，有： 其中， , H0=0， u0=0, p0=0, H1=4.8m, u1=2.205m/s代入上式得， 【1-8】20 的水以2.5 m/s的平均流速流經(jīng)38 mm×2.5 mm的水平管，此管以錐形管與另一53 mm×3 mm的水平管相連。如本題附圖所示，在錐形管兩側(cè)A.、B處各插入一垂直玻璃管以觀察兩截面的壓力。若水流經(jīng)A.、B兩截

21、面間的能量損失為1.5 J/kg，求兩玻璃管的水面差（以mm計(jì)），并在本題附圖中畫出兩玻璃管中水面的相對位置。 解：在A.、B兩截面之間列機(jī)械能衡算方程 式中 z1=z2=0， 題1-8圖 hf=1.5 J/kg 故 【1-9】兩敞口貯槽的底部在同一水平面上,其間由一內(nèi)徑75mm長200m的水平管和局部阻力系數(shù)為0.17的全開閘閥彼此相連，一貯槽直徑為7m，盛水深7m，另一貯槽直徑為5m，盛水深3m，若將閘閥全開，問大罐內(nèi)水平將到6m時(shí)，需多長時(shí)間？設(shè)管道的流體摩擦系數(shù)。解：在任一時(shí)間t內(nèi)，大罐水深為H，小罐水深為h 大罐截面積=， 小罐截面積=， 當(dāng)大罐水面下降到H時(shí)所排出的體積為： ， 這

22、時(shí)小罐水面上升高度為x；所以 而 在大貯槽液面1-1´與小貯槽液面2-2´間列柏努利方程，并以底面為基準(zhǔn)水平面，有： 其中 大氣壓， u為管中流速， ， 代入方程得： 若在dt時(shí)間內(nèi)水面從H下降H-dH，這時(shí)體積將變化為-38.465dH，則： 故 【1-10】用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均恒定不變，輸送管路尺寸為f57×3.5mm，泵出口垂直管段A.、B截面上的測壓口有軟管與兩支液柱壓差計(jì)相連，其上指示劑水銀柱的讀數(shù)分別為R=40mm及R=1200mm。右邊壓差計(jì)的左側(cè)指示劑液面與截面A.的垂直距離H=1000mm， 右側(cè)開口支管的水銀面上灌有一段R=

23、20mm的清水。A.、B兩截面間的管長（即垂直距離）為hA.B =6m。管路中的摩擦系數(shù)為0.02。當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為1.0133×105PA.，取水的密度為1000kg/m3，水銀的密度為13600kg/m3。試求：（1）截面A.、B間的管路摩擦阻力損失hf,AB, J/kg；（2）水在管路中的流速u, m/s；（3）截面B上的壓強(qiáng)pB, Pa；（4）截面A.上的壓強(qiáng)pA, Pa。解：（1）截面A、B間的管路摩擦阻力損失hf,A.B, J/kg；取截面A為上游截面，截面B為下游截面，并以截面A為基準(zhǔn)水平面。在兩截面之間列柏努利方程式，即： gZA. + + = gZB + + + （1

24、）則： = (ZA. - ZB )g + + （2）其中： ZA - ZB =（0-6）=-6m =0 （pA. - pB）=hA.BW g + R（Hg W）g =6×1000×9.8 + 0.04（13600 1000）×9.8 =63800 Pa將諸值帶入（2）式，得： =-6×9.8 +63800÷1000=4.94 J/kg（2）水在管路中的流速u, m/s； A.、B之間的阻力損失與流速有關(guān)，可用如下公式表示： = （3）其中，l=6m，d=0.05m，=0.02，=4.94 J/kg，帶入（3）式： 4.94=0.02×

25、×可得， u=2.029 m/s（3）截面B上的壓強(qiáng)pB, Pa；在右邊壓差計(jì)的左側(cè)指示劑液面處作t-s等壓參考面，由流體靜力學(xué)原理可知，Pt=Ps則： PB +（hA.B +H）W g =Pa+W g +Hg g整理得：PB = Pa+ W g +Hg g - （hA.B +H）W g =1.0133×105 + 0.02×1000×9.81 + 1.2×13600×9.81-（6+1）×1000×9.81 =193000 Pa（4）截面A.上的壓強(qiáng)pA, Pa。 PA. = PB +PA.B = PB + hA.B W g =193000 + 6×1000×9.81 =256000 Pa【1-11】某液體以一定的質(zhì)量流量在水平直圓管內(nèi)作湍流流動(dòng)。若管長及液體物性不變，將管徑減至原來的1/2，問因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來的多少倍？ 解：流體在水平光滑直圓管中作湍流流動(dòng)時(shí) = 或 =/= =（式中 =2 ，=（）2 =4因此 =32又由于 =（=（=（2×=（0.5）0.25=0.841故 =32×0.84=26.9 【1-12】在內(nèi)徑為300 mm的管道中，用測速管測量管內(nèi)空氣的流量。測量點(diǎn)處