新版化工原理习题答案01第一章流体流动Word文件下载.docx
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103Pa）？
解：
由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为
作用在孔盖上的总力为
每个螺钉所受力为
因此
习题5附图
习题4附图
5．如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U管压差计。
读数分别为R1=500mm，R2=80mm，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灌入一段水，其高度R3=100mm。
试求A、B两点的表压力。
习题6附图
（1）A点的压力
（2）B点的压力
6．如本题附图所示，水在管道流动。
为测量流体压力，在管道某截面处连接U管压差计，指示液为水银，读数R=100mm，h=800mm。
为防止水银扩散至空气中，在水银面上方充入少量水，其高度可以忽略不计。
已知当地大气压力为101.3kPa，试求管路中心处流体的压力。
设管路中心处流体的压力为p
根据流体静力学基本方程式，
则
7．某工厂为了控制乙炔发生炉的压力不超过13.3kPa（表压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。
液封的作用是，当炉压力超过规定值时，气体便从液封管排出。
试求此炉的安全液封管应插入槽水面下的深度h。
习题7附图
流体流动概述
8.密度为1800kg/m3的某液体经一径为60mm的管道输送到某处，若其平均流速为0.8m/s，求该液体的体积流量（m3/h）、质量流量（kg/s）和质量通量[kg/（m2·
s）]。
9．在实验室中，用径为1.5cm的玻璃管路输送20℃的70%醋酸。
已知质量流量为10kg/min。
试分别用用SI和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。
（1）用SI单位计算
查附录70%醋酸在20℃时，
故为湍流。
（2）用物理单位计算
，
10．有一装满水的储槽，直径1.2m，高3m。
现由槽底部的小孔向外排水。
小孔的直径为4cm，测得水流过小孔的平均流速u0与槽水面高度z的关系为：
试求算
（1）放出1m3水所需的时间（设水的密度为1000kg/m3）；
（2）又若槽中装满煤油，其它条件不变，放出1m3煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800kg/m3）？
解：
放出1m3水后液面高度降至z1，则
由质量守恒，得
，（无水补充）
（A为储槽截面积）
故有
即
上式积分得
11．如本题附图所示，高位槽的水位高于地面7m，水从φ108mm×
4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。
已知水流经系统的能量损失可按∑hf=5.5u2计算，其中u为水在管的平均流速（m/s）。
设流动为稳态，试计算
（1）A-A'
截面处水的平均流速；
（2）水的流量（m3/h）。
（1）A-A'
截面处水的平均流速
在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得
（1）
式中z1=7m，ub1～0，p1=0（表压）
z2=1.5m，p2=0（表压），ub2=5.5u2
代入式
（1）得
（2）水的流量（以m3/h计）
习题11附图习题12附图
12．20℃的水以2.5m/s的平均流速流经φ38mm×
2.5mm的水平管，此管以锥形管与另一φ53mm×
3mm的水平管相连。
如本题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。
若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg，求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。
在A、B两截面之间列机械能衡算方程
式中z1=z2=0，
∑hf=1.5J/kg
习题13附图
故
13．如本题附图所示，用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔3的中部进行分离。
已知储罐液面维持恒定，其上方压力为1.0133105Pa。
流体密度为800kg/m3。
精馏塔进口处的塔压力为1.21105Pa，进料口高于储罐的液面8m，输送管道直径为φ68mm4mm，进料量为20m3/h。
料液流经全部管道的能量损失为70J/kg，求泵的有效功率。
在截面和截面之间列柏努利方程式，得
习题14附图
14．本题附图所示的贮槽径D=2m，槽底与径d0为32mm的钢管相连，槽无液体补充，其初始液面高度h1为2m（以管子中心线为基准）。
液体在管流动时的全部能量损失可按∑hf=20u2计算，式中的u为液体在管的平均流速（m/s）。
试求当槽液面下降1m时所需的时间。
由质量衡算方程，得
（1）
（2）
（3）
将式
（2），（3）代入式
（1）得
即（4）
在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程
即
或写成
（5）
式（4）与式（5）联立，得
i.c.θ=0，h=h1=2m；
θ=θ，h=1m
积分得
动量传递现象与管流动阻力
15．某不可压缩流体在矩形截面的管道中作一维定态层流流动。
设管道宽度为b，高度2y0，且b>
>
y0，流道长度为L，两端压力降为，试根据力的衡算导出
（1）剪应力τ随高度y（自中心至任意一点的距离）变化的关系式；
（2）通道截面上的速度分布方程；
（3）平均流速与最大流速的关系。
（1）由于b>
y0,可近似认为两板无限宽，故有
（1）
（2）将牛顿黏性定律代入
（1）得
上式积分得
（2）
边界条件为y=0，u=0，代入式
（2）中，得C=-
因此（3）
（3）当y=y0，u=umax
故有
再将式（3）写成
（4）
根据ub的定义，得
16．不可压缩流体在水平圆管中作一维定态轴向层流流动，试证明
（1）与主体流速u相应的速度点出现在离管壁0.293ri处，其中ri为管半径；
（2）剪应力沿径向为直线分布，且在管中心为零。
（1）
（1）
当u=ub时，由式
（1）得
解得
由管壁面算起的距离为
（2）
由对式
（1）求导得
故（3）
在管中心处，r=0，故τ=0。
17．流体在圆管作定态湍流时的速度分布可用如下的经验式表达
试计算管平均流速与最大流速之比u/umax。
令
18．某液体以一定的质量流量在水平直圆管作湍流流动。
若管长及液体物性不变，将管径减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？
流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时
=
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
习题19附图
19．用泵将2×
104kg/h的溶液自反应器送至高位槽（见本题附图）。
反应器液面上方保持25.9×
103Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。
管道为76mm×
4mm的钢管，总长为35m，管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局部阻力系数为4）、五个标准弯头。
反应器液面与管路出口的距离为17m。
若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。
（已知溶液的密度为1073kg/m3，黏度为6.310-4Pas。
管壁绝对粗糙度可取为0.3mm。
）
在反应器液面1-1，与管路出口侧截面2-2，间列机械能衡算方程，以截面1-1，为基准水平面，得
（1）
式中z1=0，z2=17m，ub1≈0
p1=-25.9×
103Pa（表），p2=0（表）
将以上数据代入式
（1），并整理得
=9.81×
17+++=192.0+
其中=（++）
==1.656×
105
根据Re与e/d值，查得λ=0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为
闸阀（全开）：
0.43×
2m=0.86m
标准弯头：
2.2×
5m=11m
故=（0.03×
+0.5+4）=25.74J/kg
于是
泵的轴功率为
===1.73kW
流体输送管路的计算
习题20附图
20．如本题附图所示，贮槽水位维持不变。
槽的底部与径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m处安有以水银为指示液的U管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。
压差计连接管充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20m。
（1）当闸阀关闭时，测得R=600mm、h=1500mm；
当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。
摩擦系数可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。
问每小时从管中流出多少水（m3）？
（2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。
（闸阀全开时Le/d≈15，摩擦系数仍可取0.025。
（1）闸阀部分开启时水的流量
在贮槽水面1-1，与测压点处截面2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面2-2，的中心作基准水平面，得
（a）
式中p1=0（表）
ub2=0，z2=0
z1可通过闸阀全关时的数据求取。
当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知
（b）
式中h=1.5m,R=0.6m
将已知数据代入式（b）得
将以上各值代入式（a），即
9.81×
6.66=++2.13ub2
水的流量为
（2）闸阀全开时测压点处的压力
在截面1-1，与管路出口侧截面3-3，间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，得
（c）
式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p3
=
将以上数据代入式（c），即
6.66=+4.81ub2
解得
再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得
（d）
式中z1=6.66m，z2
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