化工原理上册课后习题及答案.docx
第一章：流体流淌二、本章思索题IT何谓志向流体？实际流体与志向流体有何区分？如何体现在伯努利方程上？1-2何谓肯定压力、表压和真空度？表压与肯定压力、大气压力之间有什么关系？真空度与肯定压力、大气压力有什么关系？1-3流体静力学方程式有几种表达形式？它们都能说明什么问题？应用静力学方程分析问题时如何确定等压面？1-4如何利用柏努利方程测量等宜径管的机械能损失？测量什么量？如何计算？在机械能损失时，直管水平安装与垂直安装所得结果是否相同？1-5如何推断管路系统中流体流淌的方向？1-6何谓流体的层流流淌与湍流流淌？如何推断流体的流淌是层流还是湍流？1-7肯定质量流量的水在肯定内径的圆管中稳定流淌，当水温上升时，RC将如何变更？1-8何谓牛顿粘性定律？流体粘性的本质是什么？1-9何谓层流底层？其厚度与哪些因素有关？ITO摩擦系数与雷诺数Re与相对粗糙度的关联图分为4个区域。每个区域中，.人与哪些因素有关？哪个区域的流体摩擦损失与流速”的一次方成正比？哪个区域的勿与成正比？光滑管流淌时的摩擦损失勿与的几次方成正比？1-11管壁粗糙度对湍流流淌时的摩擦阻力损失有何影响？何谓流体的光滑管流淌？1-12在用皮托测速管测量管内流体的平均流速时，须要测量管中哪一点的流体流速，然后如何计算平均流速？三、本章例题例17如本题附图所示，用开口液柱压差计测量敞口贮槽中油品排放量。已知贮槽宜径D为3m,油品密度为900kgm3.压差计右侧水银面上灌有槽下移动30mm时，贮槽内油面相应下移的高度，可阿求出排放量。首先应了解槽内液面下降后压差计中指示剂读数的变更状况，然后再寻求压差计中油面下移高度与槽内油面下移高度间的关系。设压差计中油面下移h高度，槽内油面相应下移H高度。不管槽内油面如何变更，压差计右侧支管中油品与整个管内水银体积没有变更。故当压差计中油面下移h后，油柱高度没有变更，仍为h1.,但因右侧水银面也随之下移h,而左侧水银面必上升h,故压差计中指示剂读数变为（R-2h）,槽内液面与左侧水银面间的垂直距离变为（HI-H-h）。当压差计中油面下移h后，选左侧支管油与水银交界面为参考面m,再在右侧支管上找出等压面n（图中未画出m与n面），该两面上的表压强分别为：Pm=(Hi-H-h)pug(%为油品密度)Pe=Kp0S+(0-油PHXg因P1.%,由上二式得:(1)(2)(M-H-h)p,g_1p,>g+(R1.-2h)p1.1.gg上式中第一项"向国=4*送+&""那将式(2)代分(4(20并招理得：H=P<i%,03(2？¾(X)-900,将萼代入上式:H=0.8767119(X)即压差计右侧支管油面下移30mm,槽内液面下降0.8767m,油品排放量为：-D'Hpa=-×3i×0.8767×900=5574.?44例1-2直径D为3m的贮水槽下部与直径4为40mm的水平输送管相连。管路上装有一个闸阀，闸阀上游设有水银液柱压差计，开口管水根面上方有一段式为20mm的清水。当阀门全关时，压差计上读数R为740mm,左侧指示剂液面与水管中心线间的垂直距离h为1m。当阀门全开时，不包括管子出口损失的系统阻力用阅历公式幼，=4OXJ计弊。式中幼，为流淌系数的总摩擦阻力，Jkg,“为水在管路中的流速，m/so试求将水放出24m3需经验若干时间。解：依据题意画出如附图所示的流程图。1-2见图由题意知流淌过程中槽内水面不断下降，故本题属于不行压缩流体作非定态流淌系统。液面高度随流淌时间增加而渐渐降低，管中水的流速随液面下降而渐渐减小。在微分时间内列全系统的物料衡算，可求得液体高度随时间变更的微分关系，再列瞬间的柏努利方程式可以获得液体在输送管内流速随液面高度的变更关系。联立微分式和瞬间的柏努利式即可求出排水时间。以水平管的中心线为基准面，另初始液面与基准而间的垂宜距离为H1,放出24m'水后的最终液面与基准面间的垂直距离为比(图中未画出)。用静力学基本方程式先求出H1,再用贮槽体积、宜径、液体深度间的关系求出Hzo当阀门全关时，压差计读数R=0.74m,按常规的方法在压差计上确定等压参考面，可得：(H1.+h)pH：og=R'pH；oh+Rp1.1.tf>取QHWg=100Okg/m'、Phs=13600kgm故：(H1+1.)X1000=0.02X1.000+0.74×13600解得H尸9.084m放出2痴'水后液面高度为：94，=9.084=5.64事实上本题是计算贮槽液面由9.084m降到5.687m所需时间。设四秒内液面下降高度为4，管中瞬间流速为，在面时间内列全系统水的体积衡算：K"0=MM"+"匕式中V1水的瞬间加入量，m/s；匕一水的瞬间排出量，m7s；4匕4。时间内，水在槽中的枳累量，/。式中各项为：V1=O4Vd,=-d0'ud+-D2dH444整理得初=Tiy也(1)«n«上式中瞬间液面高度H与瞬间速度的关系可通过列瞬间柏努利式求得。在瞬间液面(图中未画出)与管出口内侧截面2-Z间列瞬间柏努利方程式，以水平管中心线为基准面：8z'+V三21.+MtP2p2式中z1.=Hzi=O=0(表压)Pa=0(表压)U1.N0Mj=U(瞬间速度)%=40rJ9.81H=+4()m-2或W=0.492277(2)将式(2)代入式(1)：d=%0.492277或也一广看而二积分上式的边界条件为：4=0H1=9.084w2=2sH2=5.687/n.,&=fd0=-11430广缥*1.JM/=11430x2两阿中靛=11430×2(9.0tU-I7)=1438(4/例卜3流体在管内的汽化用虹吸管将水从水池中吸出，水池液面与虹吸管出口的垂宜距离z=5n,管路最高点与水面的垂直距离为2m,虹吸管出口流速与虹吸管最高点压强各为多少？若将虹吸管延长，使池中水面与出口的垂直距离增为Z=8,”，出口流速有何变更？（水温为30,大气压为101.3kPa,水按志向流体处理解：（1）由断面1-1、1-2之间的机械能守恒式得U2=2gz=-2x9.81x5=9.9m/s由断面1-1和C-C之间的机械能守恒式，并考虑到此=%可得2Pc=Pa-Pgh-号-=pa-Pf!（h+z）=1.013X10-1000X9.81X7=3.27X1.O1Pa（2）虹吸管延长后，假定管内流体仍保持连续状态，由断面11和T-Z之间的机械能守恒式得修，=斥Pc'=pa-pgf>-=pa-pg（s'+A）=1.013X10-1000X9.81X10=3.30×IO1Pa因”,小于水在30C的饱和蒸汽压出=4242Pa,故在最高点C旁边将出现汽化现象.此时，C点压强不再按机械能守恒式的规律变更，而保持为流体的饱和蒸汽压不变。因此，在断面IT和Z-2间，机械能守恒式不适用，算出的心无效。但是，在断面17和C-C之间，流体依旧是连续的，C点的流速可在断面1-1和C-C之间列出机械能守恒式求出：=/心”一国）=卜（1.°1327生_9.81.x2）=12,4ms出口流速心=小例1-4阻力损失与势能的消耗高位槽水面距管路出口的垂直距离保持为5m不变，水面上方的压强为4.095X10'Pa（表压），管路直径为20mm,长度为24m（包括管件的当量长度），阻力系数为0.02,管路中装球心阀一个，试求：（1）当阀门全开<=6.4）时，管路的阻力损失为多少？阻力损失为出11动能的多少倍？（2）假定义数值不变，当阀门关小（4=20）时，管路的出口动能和阻力损失有何变更？解：（1）在断面IT和2-2之间列机械能衡算式1+-+y=5+-+-+P2P2业=（g4+且）一（gz2+丝）PPP若取大气压强和管出口高度为基准，并忽视容器内归酬般（即，/0）,P0M,'z,Ie1.4,2Pp1.a22婢+生9.8MX"吆里9=六=胖=3也依1÷yi-+u1÷0.02×+6.4d'0.02，Az=(-+)-=(24+6.4)3.1=957Kj?d2或f=-=(905x1.0.-t.5x9.81)-3,1.=95JP21000（倍）(I24-4=-+=0.02×-+6.4=30.4M?d"0.02此结果表明，实际流体在管内流淌时，阻力损失和动能的增加是造成流体势能削减的两个缘由。但时于通常管路，动能增加是一个可以忽视的小量，而阻力损失是使势能减小的主要缘由。换言之，阻力损失所消耗的能量是由势能供应的。（2）当夕=20时g"+R9x5+E05x.电-TE-='臀一22依+-+,1.+0.02×-+20(I'0.02以=等一容/SM+岑镇-2=95M依与（1）比较，当阀门关小时，出口动能削减而阻力损失略有增加，但是，绝不行因此而误会为阻力所消耗的能量是由动能供应的。事实上，动能的增加和阻力损失皆由势能供应，当阀门关小时，由于损失的能量增加使得动能削减了。例1-5虹吸管顶部的最大安装高度利用虹吸管将池中温度为90C热水引出，两容器水面的垂直距离为2m,管段AB长5m,管段BC长IOm（皆包括局部阻力的当量长度），管路直径为20mm,直管阻力系数为0.02。若要保证管路不发生汽化现象，管路顶点的最大安装高度为多少？（已知90C热水饱和蒸汽压为7.01×10,Pa）解：在断面IT和2-2之间列机械能横算式T可求得由隐速仝丝捍“62必002x02设顶点压强=PV，在断面IT和断面B-B之间列机械能横算式，可求出B点最大安装高'H度为J=2n-<1÷1-5附图=10.33-70"K)-(1+0.02X)×=2.38"?9.81×I(XX)().0219.6虹吸管是实际工作中常常遇到的管道，为使吸液管正常工作，安装时必需留意两点：（1）虹吸管顶部的安装高度不宜过大：（2）在入口侧管路（图中AB段）的阻力应尽可能小。例1-6运用同一水源各用户间的相互影响从自来水总管引一支路AB向居民楼供水，在端点B分成两路各通向一楼和二楼。已知管段AB、BC和BD的长度（包括管件的当量长度）各为100m、IOin和20m,管径皆为30mm,宜管阻力系数皆为0.03,两支路出口各安装球心阀。假设总管压力为3.43X10Ta（表压）试求：（1）当一楼阀门全开（¢=6.4）,高度为5m的二楼能否有水供应？此时管路AB内的流量为多少？（2）若将一楼阀门关小，使其流量减半，二楼最大流量为多少？解，（1）首先推断二楼是否有水供应，为此，可假定支路BD流量为零,并在断面A和IT之间列机械能衡算式区二江+展+g匹p2d2I2x3.43×IO5/1(X)0=2.42，/S在断面A与B之间列机械能衡算式，得PupA.,h八3.43XIO,z_1001.2.422,_/二=-（2+1）=（0.03×+1.）×=4,8in<bmPgPgd2gI（XX）X9.810.032×9.81此结果表明二楼无水供应。此时管路AR内的流量为qv=d2ut=O.785×O.（）32x2.
