第一章 流體流動

1、河南工程學院化工原理習題第一章 流體流動一 填空1.流體在圓形管道中作層流流動，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)流動時，如要測取管截面上的流速分布，應選用 流量計測量。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)量流體的機械能衡算式為_；單位重量流體的機械能衡算式為 ；單位體積流體的機械能衡算式為_ _；4.有外加能量時，以單位體積流體為基準的實際流體的柏努利方程為 ， 各項單位為 。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，在管徑縮小的地方其靜壓能 。7.流體流動的連續(xù)性方程是 ；適用于圓形直管的不可壓縮流體流動的連續(xù)性方程為 。8.當?shù)卮髿鈮簽?45mmHg，測得一容器內(nèi)的絕對壓強為350mmHg，則真空度為 。測得另一容器內(nèi)的表壓強為1360 mmHg，則其絕對壓強為 mmHg。9.測流體流量時，隨流量增加孔板流量計兩側(cè)壓差值將 ，若改用轉(zhuǎn)子流量計，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，若流動處于阻力

3、平方區(qū)，則流動阻力與速度的 成正比。14.圓形直管內(nèi)流體滯流流動的速度分布呈 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算方法： 法和 法。16.并聯(lián)管路的特點是 。分支管路的特點是 。17.孔板流量計是通過 來反映流量的大小，又稱為 流量計，而轉(zhuǎn)子流量計是流體流過節(jié)流口的壓強差保持恒定，通過變動的 反映流量的大小，又稱為 。18.牛頓粘性定律的表達式為 ，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)定流動系統(tǒng)中，水由細管流入粗管，細管與粗管的流速分別為2m/s與1m/s。細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，則相同管長的直管阻力損失hf1/hf2=_。22.當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Re = 1800為層流，改造時擬選用的管徑d2 = 0.4 d1，流動狀態(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)流動時，如要測取管截面上的流速分布，應選用_ _流量計測量。A. 皮托管 B. 孔板流量計 C. 文丘里流量計 D. 轉(zhuǎn)子流量計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器，當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.流體流動時的摩擦阻力損失hf，所損失的是機械能中的 項。A. 動能 B. 位能 C. 靜壓能 D. 總機械能4.在完全湍流時（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.孔板流量計的孔流系數(shù)C.0當Re增大時，

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，其平均流速為u0，當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，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)，直管流動阻力與 成正比。A.管內(nèi)流動的雷諾數(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流動阻力越小 C流動阻力越大 D流體湍動程度越小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當兩管中流體均作層流流動時，V1/V2=_。 A 2 B 4 C8 D 1/2 E 1當兩管中流體均作湍流流動時，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，還是運動的流體，都具有粘性；（2）粘性只在流動運動時才表現(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，U型壓差計讀數(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.動壓頭變化 D.阻力與動壓頭變化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)群的確切定時關(guān)系；

9、C 用無因次數(shù)群代替變量，使實驗與關(guān)聯(lián)工作簡化；D 用無因次數(shù)群代替變量，使實驗結(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，而湍流有徑向脈動三 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.粘性流體在流動過程中產(chǎn)生阻力的原因是什么？3.機械能包括哪幾項？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)呈層流流動時，其與/d有何關(guān)系？與Re有何關(guān)系？關(guān)系如何？10.當流體處于阻力平方區(qū)時，與什么有關(guān)？11.局部阻力計算有幾種方法？如何表示？12.流動型態(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.層流時直管阻力損失如何計算？湍流直管阻力損失的經(jīng)驗式？14.為什么高煙囪比低煙囪拔煙效果好？15.柏努利方程的應用條件有哪些？四、計算題【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將儲罐1中的有機混合液送至精餾塔3的中部進行分離。已知儲罐內(nèi)液面維持恒定，其上方壓力為1.0133105 Pa,流體密度為800 kg/m3。精餾塔進口處的塔內(nèi)壓力為1.21105 Pa，進料口高于儲罐內(nèi)的液面8 m，輸送管道直徑為68 mm 4 mm，進料量為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

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，壓差計讀數(shù)R=200mm。試求兩截面間的壓強差。解：因為倒置U管，

13、所以其指示液應為水。設(shè)空氣和水的密度分別為g與，根據(jù)流體靜力學基本原理，截面A.-A.'為等壓面，則 pA.=pA.'又由流體靜力學基本方程式可得 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式U形水銀測壓計，截面2、4間充滿水。已知對某基準面而言各點的標高為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。解

14、：按靜力學原理，同一種靜止流體的連通器內(nèi)、同一水平面上的壓強相等，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 p=p6g（z7z6） 習題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)表壓強為118×104Pa。貯槽C內(nèi)液面維持恒定，液面上方的表壓強為49×103Pa?，F(xiàn)已估算出當管路上的閥門全開，且流量達到規(guī)定的最大值時油品流經(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)流動時的動能很小，可以忽略。各截面離地面的垂直距離見本題附圖。 習題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為任一截面上三項機械能之和，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。為了保證同時完成兩支管的輸送任務

17、，泵所提供的能量應同時滿足兩支管所需的能量。因此，應分別計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。仍以地面為基準水平面，各截面的壓強均以表壓計，且忽略動能，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E2=2006 J/kg時才能保證輸送任務。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算的，當油品

18、從截面22到44的流量正好達到6400kg/h的要求時，油品從截面22到33的流量在管路閥全開時便大于10800kg/h。所以操作時要把泵到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。【1-7】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。當輸水量為36m3/h時，進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），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，需多長時間？設(shè)管道的流體摩擦系數(shù)。解：在任一時間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=， 當大罐水面下降到H時所排出的體積為： ， 這

22、時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，并以底面為基準水平面，有： 其中 大氣壓， u為管中流速， ， 代入方程得： 若在dt時間內(nèi)水面從H下降H-dH，這時體積將變化為-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?shù)卮髿鈮簭姙?.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pB, Pa；（4）截面A.上的壓強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pB, Pa；在右邊壓差計的左側(cè)指示劑液面處作t-s等壓參考面，由流體靜力學原理可知，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。若管長及液體物性不變，將管徑減至原來的1/2，問因流動阻力而產(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時 = 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。測量點處