冶金傳輸原理2

試比較鋼坯1、有一水平放置的鋼坯，長1.5m，寬0.5m，黑度8=0.6，周圍環(huán)境溫度為20W,溫度在200oC和1000oC時，鋼坯上表面由于輻射和對流造成的單位面積熱損失？解：鋼坯上表面單位面積的輻射熱損失試比較鋼坯200oC時:(200200oC時:(200+273)4=0.6x5.67x [100 )=1702.9W/m21000oC時:E=0.6x5.67x(1000+273=89340.4W/m2I100鋼坯上表面單位面積的對流熱損失定型尺寸L=0.5+鋼坯上表面單位面積的對流熱損失定型尺寸L=0.5+1.5 =1m200oC時:200+202=110oCPr=0.687人=3.27x10-2w/(m?°C)v=24.24mPr=0.687^ppgL3△p9.81x13x(200-20)x0.687 54頂v2 (110+273)x(24.24x10-6)2屬于湍流：N=C(Gr-Pr)n=0.15x(5.4x109)3=263um263x3.27x10-2~um"263x3.27x10-2~um"L=8.6W/(m2-oC)-t)=8.6x(200-20)=1548W/m21000oC時：定型溫度t1000+20 =510oC人=人=5.75x10-2W/(m?°C)v=79.4m/sPr=0.688Gr-Pr=9.81x13x(1000-Gr-Pr=(510+273)x(510+273)x(24.24x10-6屬于湍流：N =C(Gr-Pr)n=0.15x(1.4x109)3=165.4uma=263x3.27x10-21=9.5W/(m2-oC)q=8.6x(1000—20)=9318.5W/m2長1.8m、壁2、 試估算350oC及82atm下氫氣通過儲氣瓶的漏損量？已知：氣瓶直徑為200mm、厚25長1.8m、壁3、 計算CO2在1atm壓強下，溫度為293K空氣中的擴散系數(shù)？4、有一爐頂隔焰加熱熔鋅爐，爐頂被煤氣燃燒加熱到900oC，熔池液態(tài)鋅溫度保持600oC，爐膛高0.5m，爐頂為SiC砌成，設爐頂面積F1和熔池面積F2相等，為3.8x1m2。知：￡=0.85，￡z=0.2(液態(tài)鋅)不計爐墻散熱損失，求爐頂與熔池間的換熱量？1什么是連續(xù)性介質(zhì)，在流體力學中為什么要建立連續(xù)介質(zhì)這一理論模型？答：連續(xù)介質(zhì)模型：任一時刻流動空間的每點都被相應的流體質(zhì)點占據(jù)這樣的模型是連續(xù)介質(zhì)模型。原因：采用連續(xù)介質(zhì)模型，流體性質(zhì)和運動特性的物理量和力學量一般為時間和空間的連續(xù)函數(shù)，就可以用數(shù)學中連續(xù)函這一有力手段來分析和解決流體力學問題。4什么是動力粘性系數(shù)和運動粘性系數(shù)，兩者的關系如何？答：h表征了流體抵抗變形的能力，即流體粘性的大小，稱為流體的動力黏性系數(shù)，或簡稱動力黏度。流體的動力黏度與其密度的比值稱為運動黏性系數(shù)，即門—匕‘I—P6什么是理想流體，引入這一概念有什么意義？答：沒有粘性的流體即不存在內(nèi)摩擦力的流體是理想流體，例2-3如圖所示，設m^是澆包內(nèi)金屬液的初始質(zhì)量，m是需要澆注的鑄件質(zhì)量。為簡化計算，假設包內(nèi)的內(nèi)徑D是不變的。因澆口的直徑d比澆包的直徑小很多，自由液面1的下降速度與澆口處2金屬液的流出速度相比可以忽略不計，求金屬液澆注的時間。解：由題意，v—0,z—H,z—0,p—p—p1 1 2 1 2 ^設:澆注時間為T時，金屬液的液位高度為h由伯努利方程p+Pgh—-Pv2+pnV=、嘉(1)1 2 2 2 2由總質(zhì)量平衡原理，有^-—m.-m2—0-pA2v2將(1)代入上式，得d~—PA//2gh忽略柱塞的體積，有m=pAhn-———也—pA\.;2gh流體的密度一定，可整理得：=-~2\2gdt根據(jù)題1 dt 2 hA1意，按下列范圍積分：t=0,h=H；t-t,h=0定積分：』°= =-—2^2gjT0dtt —0 H Jh A[ 0 0 A2、g1取軸向長度為d和徑向間隙d的兩個同心圓柱面所圍成的體積作為控制體(單元)，試導出流體在圓管內(nèi)做對稱流動時的二維(r、z方向)連續(xù)方程。3試判斷下列平面流場是否連續(xù)？v—2rsin9cos0,v^=2rcos204設有流場，其歐拉表達式為、=x+t,v,=-y+t,v,=0求此流場中的流線微分方程式。若取流場中的一點：x=1,y=2,z=3。在t=1及t=1.5時通過該點的流線方程式又為如何？解：°X=x+t,dy=-y+t,"=0x=AeT-t-1,y=Be-t+t-1,z=Cdt dt dt2-11某爐膛如圖所示。已知爐氣t=1327oC,p0—1.30kg/m3(ST.P)，爐外空氣

t=20°C,p=1.293kg/m3（ST.P）。（1） 在同一坐標圖上繪出兩種氣體壓力隨高度變化的示意圖。（2） 導出p-p隨爐膛高度H的變化關系，并據(jù)此計算出爐頂、爐底兩處的p-p的值。g a g a（3） 在本圖所示的條件下，若打開爐門，爐內(nèi)外氣體將如何流動？1流動有那兩種形態(tài)，各有什么特點，如何判別？答：流動有層流和湍流兩種形態(tài)。層流：流體質(zhì)點在流動方向上分層流動，各層互不干擾和摻混，流線呈平行狀態(tài)。湍流：流體內(nèi)部充滿了可以目測的漩渦，這些漩渦除了在主體流動方向上隨流體運動外，還在各個方向上做無規(guī)則的隨機運動，流體在運動中相互摻混極不規(guī)則。2沿程阻力和局部阻力的物理本質(zhì)是什么？答：由于流體的粘性產(chǎn)生的摩擦力，流體與流體間（沿程阻力），流體與固體壁面間（局部阻力）。沿程阻力：沿流動路程上由于個流體層之間的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的流動阻力；局部阻力：在邊壁尺寸急劇變化的流動區(qū)域，由于尾流區(qū)、漩渦區(qū)等分離現(xiàn)象的出現(xiàn)，使局部流動區(qū)域出現(xiàn)較集中的阻力。9在內(nèi)徑為d的足夠長的圓管內(nèi)，有一外徑為D的同軸圓管，現(xiàn)有不可壓縮黏性流體在套管環(huán)隙內(nèi)沿軸向作定常層流。試確定環(huán)形通道內(nèi)的速度分布式和流量公式。3-12計算下面兩管道的當量直徑：（1） 橫截面邊長為a的正六邊形管道；（2） 內(nèi)、外直徑分別為d1和d2的同心圓環(huán)套管。3-13判斷下列管流條件下流體的流動性質(zhì)：（1） p=1000kg/m3,目=1.00x10-3kg/（m-s）,v=60m/min,d=0.04m；（2） 門=1.568x10-5m2/s,v=1m/s,d=3cm；（3） 門=1.568x10-5m2/s,v=2.5m/s,d=20mm。3-19流體流經(jīng)如圖所示的環(huán)狀間隙管道，兩側(cè)壓力分別為p1和p2，設間隙摩擦系數(shù)為X，局部阻力系數(shù)為&，物體密度為p，求流體的質(zhì)量流量。直徑d=300mm的鑄鐵例3-2設有口=0.1Pa-s,p=850kg/m3直徑d=300mm的鑄鐵管流動，流量為q=41x10-3m3/s。試求摩擦壓力損失△p。6441x10-3?！?0.324pvd850x6441x10-3兀—-0.324pvd850x0.58x0.3=0.58m/s,Re=日=14790.1<2300屬于層流流動。Re1479cLpv2=0.0433 △p=X—=0.04333000 850x0.582=61.9x103N/m20.3例3-3長度l=1000m,內(nèi)徑d=200mm的普通鍍鋅鋼管，用來運輸運動粘性系數(shù)門=0.335cm2/s的重油，已測得其流量q=38L/s。(已知△=0.39,p=880kg/m3)問其沿程損失是多少?解：q0.038 ―解：q0.038 ―，一v=—= =1.21m/s,Re=”—■0.2241.21x0.20.335x10-4=6817>4000對于Re<105，X=03些=匹^=0.0348VRe 4''6817故沿程阻力損失為h=故沿程阻力損失為h=X0.0348x1000x880x1.2120.2x2=112091.5Pa2流體在圓管中流動時，“流動已經(jīng)充分發(fā)展”的含義是什么？在什么條件下會發(fā)生充分發(fā)展了的層流，又在什么條件下會發(fā)生充分發(fā)展了的湍流？4流體平行流過平板，試確定距板端不同距離%處的附面層性質(zhì)：(1)v=120m/min,n=2.00x10-5m2/s,%=0.1m,2.0m,3.0m(2)v=20m/s,n=1.0x10-5m2/s,%=0.1m,2.0m,3.0m4-6按下表計算不同%處平板附面層厚度，并將其繪成圖(已知流體的n=2.00x10-5m2/s)。0.000.010.100.200.400.500.600.801.002.0020.00注：%:距板端的距離，m；v:來流速度，m/s；5:附面層厚度，m。例6-1已知某離心式壓縮機第一級工作輪出口氣流的速度v2=183m/s，出口溫度12=50.8oC，氣體常數(shù)R=288J](kg.K)，絕熱系數(shù)k=1.4，試求出口氣流的馬赫數(shù)Ma2為多大？解：因速度v已知，求Ma只需求的當?shù)匾羲賑即可。T=t+273=50.8+273=323.8K2 2 2 2 2c=\kRT=\，''1.4x288x323.8=361m/s「.Ma=;=竺?0.5062 2c3616-4某轉(zhuǎn)爐氧槍的壓力p=1.08x106Pa,T=313K,p.=13.2kg/m3，爐內(nèi)壓力p=9.81x104Pa，氧氣流量q=2.7kg/s，試求氧槍的臨界直徑、出口速度及出口直徑。9-2磚墻的表面積為10m2，厚為300mm，平均熱導率為1.5W/(m-°C)。設磚墻室內(nèi)側(cè)的表面溫度為20°C，室外側(cè)的表面溫度為-10°C，試確定此磚墻向外散失的熱量。解：F=10m2,5=300x10-3=0.3m,X=1.5W/(m-°C),△t=20-(-10)=30°C

.?.中=入A'F=1.5x30x10=1500WS 0.3例10-1如圖所示，一平壁由三層材料組成。第一層是耐火磚，熱導率人1=1.74W/(m-°C)，允許的最高使用溫度為1450°C，第二次是絕熱磚，熱導率為氣=0.35W/(m-°C)，允許最高是使用溫度為1100°C，第三層是鐵板，厚度S3=6mm,、=40.7W/(m-°C)，爐壁內(nèi)表面溫度\=1350°C，外表面溫度14=220°C，在穩(wěn)定狀態(tài)下，q=4652W/m2。試問各層壁應該多厚才能使壁的總厚度最?。拷猓簽榱耸箍偤穸茸钚?，應該把熱導率最小的材料在其允許的使用范圍內(nèi)做到最厚，因為絕熱磚的熱導率最小，其最高使用溫度1100°C，固將耐火磚和絕熱磚的界面溫度設為/2=1100°C。由-1 t-1 1.7(1350-1100)單層平壁的公式q=X丁 嚀nS=人丁 p= =91mmTOC\o"1-5"\h\zS q 4652又據(jù)多層平壁的公式q=X—廠= =4652nS=0.066m=66mm，即當耐火磚S S S 0.006 2X X 0.35 40.7的厚度為91mm，絕熱磚的厚度為66mm時，爐墻的總厚度最小，總厚度為91+66+6=163mm。例10-2有一爐墻大平壁，內(nèi)層為硅磚，S=0.46m，外層為硅藻土磚，S=0.23m，已知t=1500°C，13=140°C，求導熱熱通量及界面溫度？解：查得：X1=1.05(+0.89x10-31)W/(m-°C),X2=0.198(+1.179x10-31)W/(m-°C)假定界面溫度為1000°C，求得X1假定界面溫度為1000°C，求得X1=1.051+0.89x10-3x1500+1000\=222W/(m-°C)X=0.198^1+1.179x10-3x1000+140\=0.33W/(m-°C)由單層平壁的計算公式由式q=X，—"=1500-140=1504W/m2，驗算界面溫度，由單層平壁的計算公式TOC\o"1-5"\h\zS S 0.46 0.23X X 2.22 0.33t=t—q*=1500—1504°4^=1188°C,t=t+qL=140+15040^=1188°C2 1X 2.22 2 3X 0.331 2與假定溫度相差太大，必須再次計算，以1188°C做為界面溫度，重復以上操作步驟得:q=1587,t=1183°C

例10-3蒸汽直管道的外徑d1=30mm,準備包兩層厚度都是15mm的不同材料的絕熱層，第一種材料的熱導率人=0.04W/(m-°C)，第二種材料的熱導率X=0.1W/(m-°C)，若溫差一定，試問從減少熱損失的觀點看下列倆種方案：(1)一在里層，二在外層；(2)二在里層，一在外層，哪一種好，為什么？解：方案一單位管長熱損失為△t2兀［Xd—ln—r+—ln2兀［Xd—ln—r+—ln2兀［0.0460

ln—+300.190ln—603.4方案二單位管長熱損失為‘22兀［X△t一d1d‘22兀［X△t一d1d—ln+—ln2兀［0.1△t60

ln—+300.04△t90ln—602.7比較倆種方案的熱損失飛=34=1.26，固從減小熱損失的觀點來看，方案一好。q2〃10-2一平壁處于一維穩(wěn)態(tài)導熱(無內(nèi)熱源)。平壁厚度為30mm，平壁左側(cè)表面溫度為270K。平壁分別由下列材料制成：=50°C,X=234W/(m-°C)「.(=50°C,X=234W/(m-°C)「.解：(1)S=30x10-3=0.03m,△t=320-27010-4用345mm厚的普通耐火粘土磚和115mm厚的輕質(zhì)粘土磚，密度p=400kg/m3砌成的平面爐墻，其內(nèi)表面溫度為t1=1250°C，外表面溫度為12=150°C，求導熱通量。已知：普通耐火粘土磚：X=0.84+0.58x10-31 W/(m-°C)輕質(zhì)粘土磚：X=0.29+0.26x10-31 W/(m-°C)解：t=1250°C,12=150°Cn△t=1250-150=1100°C,p=400kg/m3S=345x10S=345x10-3=0.345m,X=0.84+0.58x10-3x(1250+150AS=115x10-3=0.115m,X=0.29+0.26x10-3x(1250+150A、△tq=X—1S1.△tq=X—2S210-8外徑為50mm的熱力管道外，包扎有厚為40mm、平均熱導率為0.13W/(m°C)的礦渣棉，其外為厚45mm、平均熱導率為0.12W/(m-°C)的煤灰泡沫磚。絕熱層外表面溫度為50°C。試檢查礦渣棉與煤灰泡沫磚交界處的溫度是否超過允許值？又，增加煤灰泡沫磚的厚度對熱損

失及交界面處的溫度有什么影響？蒸汽管道的表面溫度取為400°C。解：t1=400°C,12=50°CnNt=400-50=350°C,七=0.13W/(m-°C),入2=0.12W/(m-°C)d0=50mm,d=50b2<4d0=50mm,d=50b2<4=1mmd,=2-50x2=45m2m20qlt—t12i3d2兀Xdql10-9在一根外徑為100mm的熱力管道外擬包扎兩層絕熱保溫材料，dd

t人In+t人In-1-

11d 32d 1 0,dXln2i一種材料的熱導率為0.06W/(m?°C)