江南大学化工原理黄金题库41页.docx

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江南大学化工原理黄金题库41页

《化工原理》习题集

第一章流体与流体中的传递现象

1-1从力学角度来看，固体和流体、液体和气体的主要区别是什么？

1-2设稀薄气体的分子自由程是几米的数量级，问下列两种情况连续介质假设是否成立？

（1）人造卫星在飞离大气层进入稀薄气体层时；

（2）假想地球在这样的稀薄气体中运动。

1-3指出下列作用在流体上的力中，哪些是体积力，哪些是面力？

电磁力，重力，惯性力，静压力，固体边界作用于流体的力，粘性力。

1-4粘性流体的流动型态有几种？

如何判别？

1-5从时间和空间来判别下列运动属什么类型。

（1）ux=cy，uy=uz=0；

（2）ux=cx，uy=-cy，uz=cxy；

（3）ux=yzt，uy=zxt，uz=0；

（4）ur=2k（t）cos/r3，u=k（t）sin/r3，u=0。

1-6流体在园管中流动时，“进口段”与“流动已充分发展”的含义是什么？

在什么情况下充分发展后的流动为层流，又在什么情况下充分发展后的流动为湍流？

1-7比较三种扩散现象的类似性。

1-8扩散定律前面的负号的物理意义是什么？

1-9粘性流体在静止时有没有剪应力？

理想流体在运动时有没有剪应力？

若流体静止时没有剪应力，那么它们是不是都没有粘性？

1-10试分析理想流体与静止流体内部应力的特点。

1-11流线和迹线有什么区别？

流体作定常流动，流线与迹线是否重合？

流体作非定常流动，流线与迹线是否重合？

为什么？

1-12陨星下坠时在天空划过的白线是什么线？

烟囱里冒出的烟是什么线？

1-13设u≠0，说明Du/Dt=0，∂u/∂t=0，（u•）u=0的物理意义。

第二章传递过程基本方程

2-1一搅拌槽中原盛有浓度为60%（质量%，下同）的盐水2000kg。

今以2kg/s的质量流率向槽中加入0.25%的盐水，同时以1.2kg/s的质量流率由槽中排出混合后的溶液。

设槽中溶液充分混合。

求槽中溶液浓度降至1%时所需要的时间。

（总质量衡算，分别按无化学反应和有化学反应考虑）

2-2在下述情况下简化连续性方程，并指出简化过程的依据。

（连续）

（1）不可压缩流体在重力作用下沿倾斜平板壁面作二维稳态流动；

（2）不可压缩流体在水平园管中作轴对称的稳态流动（进口段与充分发展）；

（3）不可压缩流体作球心对称的稳态流动；

（4）不可压缩流体在两水平的平行平板间的稳态流动。

2-3下述不可压缩流体的运动可否存在。

（连续）

（1）u=xi+yj+zk；

（2）u=yzti+xztj+xytk；

（3）ux=2x2+y，uy=2y2+z，uz=-4（x+y）z+xy；

（4）ux=-2x，uy=x+z，uz=2（x+y）。

2-4一不可压缩流体的流动，x方向的速度分量是ux=ax2+by，z方向的速度分量为零，求y方向的速度分量uy，其中a与b为常数。

已知y=0时uy=0。

（连续）

2-5加速度向量可表为Du/Dt，试写出直角坐标系中加速度分量的表达式，并指出何者为局部加速度项，何者为对流加速度项。

（随体）

2-6已知成都和拉萨两地的平均大气压强分别为0.095MPa和0.062MPa。

现有一设备需保持设备内绝对压强为3.0kPa。

问这一设备若置于成都和拉萨两地，表上读数分别应为多少？

2-7用如附图所示的U型管压差计测定反应器内气体在A点处的压强以及通过催化剂层的压强降。

在某气速下测得R1为750mmH2O，R2为80mmH2g，R3为40mmH2O，试求上述值。

2-8如附图所示，倾斜微压差计由直径为D的贮液器和直径为d的倾斜管组成。

若被测流体密度为ρ，指示液密度为ρ0，试导出用R1表示的压强差计算式。

如倾角α为300时，若要忽略贮液器内的液面高度h的变化，而测量误差又不得超过0.1%时，试确定D/d比值至少应为多少？

2-9一水箱用如附图所示的锥阀封水，锥阀底直径为0.5m，高为0.6m，阀重50kg。

当水位达1.5m时，要求阀启动泄水，问外配锤重w应为多少？

习题2-7附图

习题2-8附图

习题2-9附图

2-10某流场可用下述速度向量式表达：

u（x，y，z，t）=xyzi+yj-3ztk。

试求点（2，1，2，1）处的加速度向量。

（随体）

2-11国际标准大气压取海平面为基准（z=0）。

基准面上的物理量取为：

t0=288K，p0=101300Pa，0=1.225kg/m3。

从海平面一直到11公里的高空是对流层。

对流层中温度与高度的关系可用下式表示：

T=T0-z，其中T0=288K，=0.0065度/米。

11公里以上认为是温度不变（216.5K）的同温层。

试分别求出对流层及同温层内压力、密度和高度的依赖关系。

可认为重力加速度为一恒量。

（静）

2-12不可压缩粘性流体在两无限大平行平板间作稳态层流，试推导其速度分布、截面上的平均流速、壁面处的剪切力。

（运动）

2-13不可压缩流体在两根同心的套管环隙间作轴对称的稳态层流，试导出其速度分布，截面上的平均流速，体积流量，壁面处的剪切力。

（运动）

2-14不可压缩粘性流体在重力作用下，沿内径为R的圆筒内壁面向下流动。

设流动是定常的平行直线运动，流体厚度为。

求流体速度分布、流量、平均流速、最大流速及作用在圆筒内壁面上的摩擦力（忽略端效应）。

（运动）

2-15具有等深度a的两层不相混合的不可压缩流体，在两个固定的水平板间作稳态层流，如图所示。

上层流体的粘度和密度为1和1，下层流体的粘度和密度为2和2。

压强梯度为p/x且与x和z无关。

求平板间的速度分布u=f（z）。

（注意在交界面上速度的大小是单值的，而且切应力zx也是单值的）。

（运动）

2-16温度为20C的水，以2kg/h的质量流率流过内径为10mm的水平园管，试求算流动充分发展以后：

（1）流体在管截面中心处的流速和剪应力；

（2）流体在壁面距中心半距离处的流速和剪应力；

（3）壁面处的剪应力。

2-17一虹吸管放于水桶中，其位置如图所示。

如果水桶和虹吸管的截面积分别为A和B，且A>>B，试计算虹吸管的流量。

水看作是不可压缩理想流体，且受重力作用，运动是定常的。

（柏）

2-18有一大桶内装有液体，液面距底面高为h。

问在桶侧壁什么位置处开出流小空，流体射柱的射程最远？

习题2-15附图

习题2-17附图

习题2-18附图

2-19水以湍流形式流过一直径相等的90弯管，该管垂直放置。

入口处的压力为p1、平均流速为u1，出口压力为p2、平均流速为u2。

求水流对弯管的作用力。

（动量）

2-20水从供水管流入水箱，再经水平管流出，如图所示。

流入与流出的流量相同。

箱中水面保持在离水管中心线以上距离h处。

箱中各处流速与管中流速相比均可约而不计。

水箱与水管出口之间的阻力损失为hf。

（1）求流量V（用h、A与hf表示）；

（2）如要保持水箱不动，需多大的水平推力Fx？

（柏，动量）

习题2-19附图

习题2-20附图

2-21温度为20C的水稳态流过内径为25mm的镀锌管，流动已充分发展。

试求算下述两种质量流率下的阻力损失：

（1）120kg/h；

（2）1200kg/h。

（直管阻力）

2-22一钢球（=7800kg/m3）直径为0.254mm，在水温为25C的水箱中降落，达到稳定的沉降速度为8.08cm/s。

如果一个钢球在温度为25C的甘油中降落，速度达到8.08cm/s（什么速度？

）。

假定两种情况下球体周围的流动是动力相似的，钢球直径应为多少？

（相似准则）

2-23管流中热充分发展的含义是什么？

热充分发展与流动充分发展有何不同？

2-24试由柱坐标形式的能量方程出发，导出不可压缩流体在园管内进行稳态轴对称对流传热时，流动进口段的能量方程。

（能量）

2-25温度为310.9K的油以0.0126kg/s的质量流率流过内径25.4mm的铜管，管长6.1m。

通过在管外冷凝水蒸汽使管内壁温度保持在374.8K。

假定在整个管长上管内流动都是充分发展的，油的物理性质可认为不变，其值如下：

Cp=2050Jkg-1K-1，=881kgm-3，=5.87X10-4Pas，k=0.143Wm-1K-1。

试计算：

（1）Re；

（2）Pr；（3）油的出口温度。

（园管内的对流传热，层流）

2-26在长度为5m，内径为54mm的管内加热苯溶液。

苯的质量流速为175kg/sm2。

苯在定性温度下的物性数据为：

=0.49cP；k=0.14W/mK；Cp=1.8kJ/kgK。

试求苯对管壁的给热系数。

（对流传热，湍流）

2-27一根具有圆形截面的导线，半径为R，电阻率为。

通过此导线的电流密度为I，导线表面温度为T0。

试导出截面温度分布和最大温度。

（有内热源的稳态导热）

2-28有一半径为R的热圆球悬浮在大量的静止流体中，球表面温度为T0，远离球的流体温度为T。

试确定稳态时：

（1）周围流体的温度分布；

（2）球表面与流体间的传热膜系数及鲁塞尔特数Nu。

（稳态导热）

2-29有一厚度为L的固体大平板，其初始温度为t0，自某时刻起，突然将其两个侧面（哪两个侧面？

最好给个图）的温度升至ts，并维持不变。

试由普遍化的能量方程简化成上述情况下的导热方程，并写出定解条件。

设导热只沿垂直于侧面的方向进行。

（一维不稳态导热）

2-30试证明由A、B两组分组成的双组分系统中，在一般情况下进行分子扩散时（有主体流动，且NA≠NB），在总浓度C恒定的条件下，DAB=DBA。

（传质）

2-31在一细管中，底部水在恒定温度298K下向干空气中蒸发。

干空气压力为0.1MPa、温度亦为298K。

水蒸汽在管内的扩散距离（油液面至管顶部）△z=20cm。

在0.1MPa和298K时，水蒸汽在空气中的扩散系数DAB=2.50X10-5m2/s。

试求稳态扩散时水蒸汽的摩尔通量、传质分系数及浓度分布。

（一维稳态扩散）

2-32将温度为298K、压力为1.0atm的He和N2的混合气体装在一根直径为5mm、长度为0.1m的管中进行等摩尔反向扩散。

已知管子两端He的分压分别（保持）为0.06atm和0.02atm，在上述条件下的扩散系数DHe-N2=0.687X10-4m2/s，式计算：

（1）He和N2的扩散通量；

（2）传质分系数；（3）在管中点截面上He和N2的分压。

（等摩尔反向扩散）

2-33在总压为2.0atm下，组分A由湿表面向大量的、流动的不扩散气体B中进行质量传递。

已知界面上A的分压为0.20atm，在传质方向上一定距离处可近似地认为A的分压为零。

已测得A和B在等分子方向扩散时的传质系数ky0=6.78X10-5kmol/m2s（△y）。

求传质系数ky、kg及传质通量NA。

（传质系数）

2-34在直径为25mm、长度为6m的园管内壁面上有一薄层水膜，将30℃、1atm的空气以0.5m/s的速度吹入管内，试计算传质系数、出口浓度和传质速率。

由于在空气中水分的分压很低，气体的物性可以近似的采用空气的物性值。

（管内层流传质）

2-35在常压下大量的干燥空气吹过湿球温度计，当湿球温度为25℃时，试求算干空气的温度。

（湍流传质，柯尔本）

第三章流体输送与流体输送机械

3-1烟道气的组成约为N277%，CO213%，O25%，H2O5%（体积百分数）。

试计算常压下400℃时，该混合气体的密度和粘度。

3-2用一毕托（测速）管测定空气在管道中的流速，用水作指示剂的U型管压差计显示的压差R读数仅为8mmH2O（附图），为了提高读数精度，拟采用以酒精水溶液和煤油为指示剂的双液柱微压差计。

试计算若要使压差读数放大15倍，酒精水溶液的密度以及质量分率为多少？

（水、酒精和煤油的密度可分别取为1000kg/m3、789kg/m3和850kg/m3）

3-3蒸汽锅炉上装有一复式U型水银测压计（附图所示），已知对某基准面而言各点的标高