传递过程原理作业题和答案.docx
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传递过程原理作业题和答案
传递过程原理作业题和答案
《化工传递过程原理（Ⅱ）》作业题
1.粘性流体在圆管内作一维稳态流动。
设r表示径向距离，y表示自管壁算起的垂直距离，试分别写出沿r方向和y方向的、用（动量通量）＝-（动量扩散系数）×（动量浓度梯度）表示的现象方程。
1．（1-1）解：
（，，>0）
（，,<0）
2.试讨论层流下动量传递、热量传递和质量传递三者之间的类似性。
2.（1-3）解：
从式（1-3）、（1-4）、（1-6）可看出：
（1-3）
（1-4）
（1-6）
1.它们可以共同表示为：
通量=－（扩散系数）×（浓度梯度）；
2.扩散系数、、具有相同的因次，单位为；
3.传递方向与该量的梯度方向相反。
3.试写出温度t对时间的全导数和随体导数，并说明温度对时间的偏导数、全导数和随体导数的物理意义。
3.（3-1）解：
全导数：
随体导数：
物理意义：
——表示空间某固定点处温度随时间的变化率；
——表示测量流体温度时，测量点以任意速度、、运动所测得的温度随时间的变化率
——表示测量点随流体一起运动且速度、、时，测得的温度随时间的变化率。
4.有下列三种流场的速度向量表达式，试判断哪种流场为不可压缩流体的流动。
（1）
（2）
（3）
4.（3-3）解：
不可压缩流体流动的连续性方程为：
（判据）
1.，不可压缩流体流动；
2.，不是不可压缩流体流动；
3.
5.某流场可由下述速度向量式表达：
试求点（2，1，2，1）的加速度向量。
5.（3-6）解：
6.
7.
8.界层还是湍流边界层？
求出层流边界层相应点处的边界层厚度。
此题条件下空气的物性：
，
10.（5-3）解：
（1）
∴为层流边界层
（2）
∴为湍流边界层
9.温度为20℃的水，以1m/s的流速流过宽度为1m的光滑平板表面，试求算：
（1）距离平板前缘x=0.15m及x=0.3m两点处的边界层厚度；
（2）x=0～0.3m一段平板表面上的总曳力
设；物性见第9题
11．（5-4）解：
（1）
∴为层流边界层
（2）
∴为层流边界层
（3）
10.流体在圆管中作湍流流动，若速度分布方程可表示为：
，式中ri表示圆管的半径，y表示速度为u的点距管壁的距离。
试证明截面上主体流速为ub与管中心流速umax的关系为：
ub=0.817umax
12．（6-5）证：
11.在平板壁面上的湍流边界层中，流体的速度分布方程可表示为：
。
试证明该式在壁面附近（即y→0处）不能成立。
13.（6-9）证：
壁面附近为层流内层，故满足：
，则
∴不存在
∴该式在壁面附近（）不能成立.
12.常压和303K的空气，以0.1m3/s的体积流率流过内径为100mm的圆管，对于充分发展的流动，试估算层流底层、缓冲层以及湍流主体的厚度。
此题条件下空气的物性：
，
14.（6-8）解：
∴该流动为湍流
∵
∴
层流内层：
缓冲层：
∴
湍流中心：
13.温度为20℃的水流过内径为50mm的圆管，测得每米管长流体的压降为1500N/m2,试证明此情况下的流体流动为湍流，并求算：
（1）层流底层外缘处水的流速、该处的y向距离及涡流粘度；
（2）过渡区与湍流中心交界处水的流速、该处的y向距离及涡流粘度；
（3）r=ri/2（ri为圆管半径）处水的流速、涡流粘度和混合长的值。
提示：
本题水的物性：
，
15.（6-6，6-7）解：
（见书1-12a）
∴流动为湍流.
1.∵
（∵层流内层无湍动）
2.为湍流中心
3.，
∴
14.有一半径为25mm的钢球，其导热系数为43.3W/m·K，密度为7849kg/m3，比热为0.4609kJ/kg，钢球的初始温度均匀，为700K，现将此钢球置于温度为400K的环境中，钢球表面与环境之间的对流传热系数为11.36W/m2·K。
试求算1小时后钢球所达到的温度。
16.（8-7）解：
∴可用集总热熔法进行求解
15.常压和394K下的空气流过光滑平板表面，平板壁面温度为373K，空气流速u0=15m/s，=5×105。
试求算临界长度xc，该处的速度边界层厚度和温度边界层厚度，局部对流传热系数hx和层流段平均对流传热系数hm的值。
注：
tm=（394+373）/2=383.5K，tm下空气物性：
，，，K=3.27×10-2W/m·K
17.（9-4）解：
∵
16.某油类液体以1m/s的均匀流速沿一热平板壁面流过。
油类液体的均匀温度为293K，平板壁面维持353K。
设=5×105，已知在边界层的膜温度下液体密度为750kg/m3，粘度为3×10-3Pa·s，导热系数k为0.15W/m·K，比热Cp为200J/kg·K，试求算：
（1）临界点处的局部对流传热系数hx；
（2）由平板前缘至临界点这段平板壁面的对流传热通量。
18.（9-7）
17.水以2m/s的平均流速流过直径为25mm、长度为2.5m的圆管，管面温度恒定，为320K，水的进、出口温度分别为292K和295K，试求算柯尔本jH因数的值。
本题水的物性：
，
19.（9-13）解：
∴管内流动为湍流
18.试证明组分A、B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恒定条件下，DAB=DBA。
20.（10-4）证明：
（1）
（2）
（1）+
（2）：
∵
∴
∵
∴
19.将温度为298K、压力为1atm的He和N2的混合气体，装在一直径为5mm、长度为0.1m的管中进行等分子反方向扩散，已知管子双端He的分压分别为0.06atm和0.02atm，在上述条件下扩散系数=0.687×10-4m2/s，试求算：
（1）He的扩散通量；
（2）N2的扩散通量；
（3）在管的中点截面上He和N2的分压。
21.（11-2）解：
设为组分，为组分
1.∵等分子反方向扩散，∴
2.
3.（稳态）
20.在气相中，组分A由某一位置（点1处）扩散至固体催化剂表面（点2处），并在催化剂表面处进行如下反应：
2A→B
B为反应产物（气体）。
反应产物B生成后不停地沿相反方向扩散至气体相主体中。
已知总压P维持恒定，扩散过程是稳态的，在点1和点2处A的分压分别为PA1和PA2，设扩散系数DAB为常数，点1至2的距离为，试导出计算NA的表达式。
22.（11-3）解：
∵，∴
21.常压和45℃的空气以3m/s的流速在萘板的一个面上流过，萘板的宽度为0.1m，长度为1m，试求算萘板厚度减薄0.1mm时所需的时间。
已知45℃和1atm下，萘在空气中的扩散系数为6.92×10-6m2/s，萘的饱和蒸汽压为0.555mmHg。
固体萘密度为1152kg/m3，分子量为128kg/kmol。
本题空气物性：
，
23.（12-6）解：
∴为层流边界层
∴
苯甲酸的浓度很低，可以认为
∵
22.温度为26℃的水，以0.1m/s的流速流过长度为1m的固体苯甲酸平板，试求算距平板前缘0.3m和0.6m两处的浓度边界层厚度，局部传质系数以及整块平板的传质通量NA。
已知26℃时苯甲酸在水中的扩散系数为1.24×10-9m2/s，饱和溶解度为0.0295Kmol/m3
26℃时水的物性：
，
24.（12-7）解：
（）
（2）
（3）
∵苯甲酸的浓度很低，可以认为
∴
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