冶金设备学唐谟堂冶金设备基础习题.docx
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冶金设备学唐谟堂冶金设备基础习题
冶金设备基础习题
主讲教师：
李运姣
CollegeofMetallurgicalscienceandEngineering,CSU
2004.5.1
1.流体的基本性质与流体流动现象
1-1流体的连续介质模型的含义是什么？
1-2什么叫流体的压缩性和膨胀性？
什么叫不可压缩流体？
1-3什么叫理想流体？
1-4写出牛顿粘性定律的数学表达式，说明各符号的意义。
1-5流体的粘度是如何产生的？
它的物理意义和单位是什么？
动力粘度与运动粘度有何关系？
1-6流体的流动型态可分为哪几种？
其叛别依据是什么？
1-7紊流有何特点？
如何将工程中不稳定的紊流现象转化为稳定流动现象来处理？
1-850kg密度为1600kg•m-3的溶液与50kg25℃的水混合，问混合后溶液的密度为多少？
（设混合前后溶液的体积不变）。
1-9如图所示为一平板在油面上作水平运动，已知运动速度u为0.8m•s-1，平板与固定板之间的距离
，油的粘度为1.253Pa•s，由平板所带动的油运动速度呈现直线分布，问作用在平板单位面积上的粘性力为多少？
1-1025℃水在内径为50mm的管内流动，流速为2m•s-1，试求其雷诺准数为若干？
1-11运动粘度为4.4cm2•s-1的油在内径为50mm的管道内流动，问：
（1）油的流速为0.015m•s-1时，其流动ss型态如何？
（2）若油的流速增加5倍，其流动型态是否发生变化？
1-12某输水管路，水温为20℃，管内径为200mm，试求：
（1）管中流量达到多大时，可使水由层流开始向湍流过渡？
（2）若管内改送运动粘度为0.14cm2•s-1的某种液体，且保持层流流动，管中最大平均流速为多少？
2流体静力学基本方程
2-1何谓绝对压力、表压和真空度？
它们之间有何关系？
2-2写出流体静力学基本方程式，说明方程式中各项的物理意义及方程式的应用条件。
2-3某地区大气压力为750mmHg。
有一设备需在真空度为600mmHg条件下工作，试求该设备的绝对压力，以mmHg和Pa表示。
2-4如附图所示，回收罐中盛有密度分别为1200kg•m-3和1600kg•m-3的两种液体，罐上方与大气相通，设大气压力为100kPa，其它数据如图所示，试求M、N两点所受压力。
2-5如附图所示，在盛有空气的球形密封容器上联有两根玻璃管，一根与水相通，另一根装有水银，若h1=0.3m，求h2=?
2-6如附图所示，已知容器A中水面上的压力P0=2.5×104Pa，h=0.5m，h1=0.2m，h2=0.5m，h3=0.22m。
酒精密度为800kg•m-3，水银密度为13600kg•m-3。
求空气室中的压力为多少？
2-7如图所示为一真空测试装置。
当真空度为零时，杯中液面和测试管中的液面都位于0标线处。
杯中装有水银，若杯内径为0.06m，测试管内径为6mm，h=0.3m。
（1）试确定真空度的计算公式；
（2）求出在上述给定条件下真空度的数值。
2-8常温水在如附图所示的管道中流过，现用一复式U形压差计（即两个U形压差计串联组成）测定a、b两点的压差。
指示液为汞，其余充满水。
水的密度为1000kg•m-3，汞的密度为13600kg•m-3，现测得：
h1=1.2m，h2=0.8m，h3=1.3m，h4=0.6m。
试计算a、b两点间的压差。
2-9本题附图为远距离测量控制装置示意图，用以测定分相槽内煤油和水的相界面位置。
已知两吹气管出口的距离H=1m，U型管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820kg•m-3。
试求当压差计读数R=68mm时，相界面与油层的吹气管出口距离h。
2-10用本题附图中的串联U型管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸汽压，U型管压差计的指示液为水银，两U型管间的连接管内充满水。
已知水银面与基准面的垂直距离分别为h1=2.3m、h2=1.2m、h3=2.5m及h4=1.4m。
锅炉中水面与基准面间的垂直距离hs=3m。
大气压强pa=99.3×103Pa。
试求锅炉上方水蒸气的压力p。
2-11如图所示的测压管分别与三个设备相通，连通管的上部都是水，下部都是水银，三个设备是水面处于同一水平面上。
问：
（1）1、2、3处的压力是否相等？
（2）4、5、6处的压力是否相等？
（3）若h1=100mm，h2=200mm，且设备B直接与大气相通（大气压力为1.013×105Pa），求A、C两设备水面上的压力。
3 流体动力学基本方
3-1什么叫稳定流动与不稳定流动？
3-2什么叫流线和流管？
3-3试述体积流量、质量流量和质量流速的概念。
3-4写出欧拉方程的表达式，说明其适用条件。
3-5分别写出理想流体与实际流体的柏努利方程，说明各项的单位及物理意义。
3-6已知流体运动的速度场为：
式中：
a为常数。
试求t=1时，过（0，b）点的流线方程。
3-7证明不可压缩流体的连续性方程式有如下形式：
并回答：
（1）上述方程的物理意义是什么？
（2）该方程式是否适用于不稳定流动？
3-8密度为1500kg•m-3的某液体流经一φ57×3.5mm的管道，若其流速为0.8m•s-1， 求该液体的体积流量（m3•h-1）、质量流量（kg•s-1）和质量流速（kg•m-2•s-1）。
3-9某列管式换热器的管束由121根φ25×2.5mm的钢管组成。
空气以9m•s-1的速度在列管内流动。
已知空气在管内的平均温度为50℃、压力为1.96×105Pa（表压），当地大气压为9.87×104Pa。
试求：
（1）空气的质量流量；
（2）操作条件下空气的体积流量；
（3）将
（2）的计算结果换算为标准状况下空气的体积流量。
3-10如附图所示，一变径输水管道内径分别为：
d1=25mm，d2=80mm，d3=50mm。
试求流量为20m3•h-1时各管道的平均流速。
3-11如图所示水平放置的分支管路，已知D=100mm，Q=0.015l•s-1，d1=d2=25mm，d3=50mm，Q1=3Q3，
2=4m•s-1。
求Q1、Q2、Q3及
1、
３。
3-12测量流速的皮乇管如附图所示，设被测流体密度为ρ，测压管内液体密度为ρ1，测压管中液面高度差为h。
证明所测管中流速为：
3-13水流过一变径管，细管为φ38×2.5mm的管子，粗管为φ53×3mm的管子。
水在细管中流速为2.5m•s-1，在A、B两点各插入一垂直玻璃管，如附图所示。
已知两点间的能量损失为0.343J•kg-1，问两玻璃管中的水面相差多少？
3-14水在如附图所示的管中流动，截面1处的内径为200mm，流速为0.5m•s-1，水的压力产生的水柱高度为1m，截面2处的内径为100mm。
若忽略两截面间的能量损失，试计算在两截面处的水柱高度差h。
3-15用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。
各部分相对位置如本题附图所示。
管路的直径均为φ76×2.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66×103Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的能量损失可分别按Σhf,1=2
2,Σhf,2=10
2计算，由于管径不变，故式中
为吸入排出管的流速（m•s-1）。
排水管与喷头连接处的压力为9.807×104Pa（表压）。
试求泵的有效功率。
3-16用压缩空气将密度为1100kg•m-3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液面维持恒定。
管路径均为ф60×3.5mm，其它尺寸见本题附图。
各管段的能量损失为Σhf,AB=Σhf,CD=
2,Σhf,BD=1.18
2。
两压差计中的指示液均为水银。
试求当R1=45mm，h=200mm时：
（1）压缩空气的压力P1为若干？
（2）U型管压差计读数R2为多少？
3-17如图所示，某厂用压缩空气压送扬液器中密度为1840kg•m-3的浸出料浆，流量为3m3•h-1。
管道采用φ37×3.5mm的无缝钢管，总的能量损失为1m液柱（不包括出口损失），假设两槽中液位恒定，试求压缩空气的压力。
3-18图示吸液装置中，吸入管尺寸为φ32×2.5mm，管的下端位于水面下2m，并装有底阀及拦污网，该处的局部压头损失为
。
若截面2-2处的真空度为4m水柱，由1-1截面至2-2截面的压头损失为
。
求：
（1）吸入管中水的流量，m3•h-1；
（2）吸入口1-1处的表压。
3-19在图示装置中，水管直径为φ57×3.5mm。
当阀门全闭时，压力表读数为0.3大气压，而在阀门开启后，压力表读数降至0.2大气压，设总压头损失为0.5m。
求水的流量为若干m3•h-1?
3-20某烟道系统如附图所示，两分烟道完全对称排列，标准状态下烟气总流量QVO=7200Nm3•h-1，烟气平均湿度t=819℃，烟气密度ρ=1.3kg•m-3，分支烟道断面尺为0.6×0.6m2，总烟道断面为0.72×1.0m2。
求自分烟道入口处1至烟道底部II的总压头损失。
3-21本题附图所示的贮槽内径D为2m，槽底与内径do为32mm的钢管相连，槽内无液体补充，其液面高度h1为2m（以管子中心线为基准）。
液体在本题管内流动时的全部能量损失可按Σhf=20
2公式计算，式中
为液体在管内的流速m•s-1。
试求当槽内液面下降1m时所需的时间。
4相似理论与量纲分析原理
4-1试述几何相似、运动相似、动力相似的概念，并举例说明之。
4-2什么叫力学相似准则？
试说明各相似准则的物理意义。
4-3什么叫量纲？
基本量纲的选择有什么要求？
4-4什么叫量纲分析方法？
量纲分析方法的理论依据是什么？
4-5用相似准则来描述物理现象有何优点？
4-6测量水管阀门的局部阻力系数，拟用同一管道通过空气的办法进行。
已知水和空气的温度均为20℃，管路直径为50mm。
（1）当水的流速为2.5m•s-1时，风速应为多大？
（2）通过空气时测得的压力损失应扩大多少倍才是通过水时的压差？
4-7某烟气以8m•s-1的速度在烟道中流动，通过烟道的压降为120Pa。
测得烟气温度为500℃，密度为0.4kg•m-3，粘度为3.6×10-5Pa•s。
今欲采用20℃的水作为模型进行实验研究，模型与实的特征尺寸之比为1/10，试问：
（1）为了保证流动相似，模型中水的流速应为多少？
（2）模型中的压降为多少？
4-8实验研究表明，固体颗粒在流体中匀速沉降速度
与固体颗粒的直径d、密度ρs、及流体的密度ρ、粘度μ和重力速度g有关，试用量纲分析方法建立固体颗粒匀速沉降速度公式。
4-9已知不可压缩粘性流体绕球体流动时所受的流动阻力F与球体的直径D、流体的流速
、流体的密度ρ和粘度μ有关。
试用量纲分析方法推导流动阻力F的计算公式。
4-10紊流光滑管单位长度的压头损失
和平均流速
、管径d、密度ρ、粘度μ和重力加速度g有关，试用量纲分析方法确定
的计算表达式。
4-11某容器中搅拌器所需功率为以下四个变量的函数：
（1）搅拌桨的直径D；
（2）搅拌桨在单位时间内的转数n；
（3）液体的粘度μ；
（4）液体的密度ρ。
试用量纲分析法导出功率与这四个变量之间的关系。
4-12欲用文丘里流量计测量空气（
=1.57×10-5m2•s-1）流量为Q1=2.78m2•s-1，该流量计的尺寸为D1=4.50m，d1=2.25m，现设计模型文丘里流量计用tm=10℃的水做试验，测得流量为Qm=0.1028m3•s-1，这时水与空气动力相似，试确定文丘里流量计的尺寸。
5 流体流动阻力与管路计算
5-1何谓流体的流动阻力？
流体的流动阻力如何计算？
5-2某输水管路，水温为10℃，求：
（1）当管长为6m，管径为φ76×3.5mm，输水量为0.08l•s-1时的压头损失；
（2）当管径为φ76×3.5mm时，若其它条件不变，则压头损失又为多少？
5-3求常压下35℃的空气以12m•s-1的流速流经120m长的水平通风管的能量损失，管道截面为长方形，高300mm，宽200mm。
（设ε/d=0.0005）。
5-4某油品的密度为800kg•s-3、粘度为41cP，由附图中所示的A槽送至B槽，A槽的液面比B槽的液面高1.5m。
输送管径为φ89×3.5mm、长50m（包括阀门的当量长度），进、出口损失可忽略。
试求：
（1）油的流量（m3•h-1）；
（2）若调节阀门的开度，使油的流量减少20%，此时阀门的当量长度为若干（m）？
5-5流体通过圆管湍流流动时，管截面的速度分布可用下面的经验公式来表示：
试求其平均速度u与最大速度umax的比值。
5-6内截面为1000mm×1200mm的矩形烟囱的高度为30m。
平均分子量为30kg•kmol-1、平均温度为400℃的烟道气自下而上流动。
烟囱下端维持49Pa的真空度。
在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为20℃，地面处的大气压力为1.013×105Pa。
流体经烟囱时的摩擦系数可取为0.05，试求烟道气的流量为若干kg•h-1?
5-7某冶金炉每小时产生20×104Nm3的烟道气，通过烟囱排至大气，烟囱由砖砌成，内径为3.5m，烟道气在烟囱中的平均温度为260℃，密度为0.6kg•m-3，粘度为0.028×10-3Pa•s。
要求在烟囱下端维持160Pa的真空度，试求烟囱高度。
已知在烟囱高度范围内，大气的平均密度为1.10kg•m-3，地面处大气压力为常压（砖砌烟囱内壁粗糙度较大，其摩擦阻力系数约为光滑管的4倍。
）
5-8水塔每小时供给车间90m3的水。
输水管路为Φ114×4mm的有缝钢管，总长为160m（包括各种管件及阀门的当量长度，不包括进出口损失）。
水温为25℃，水塔液面上方及出水口均为常压。
问水塔液面应高出管路口若干米才能保证车间用水量。
设水塔液面恒定不变，管壁粗糙度ε为0.1mm。
5-9有一溶液输送系统如本题附图所示。
输液管直径为Φ45×2.5mm，已知管路摩擦损失Σhf为
（
指管路内水的流速），求溶液的流量。
又欲使溶液的流量增加20%，管路摩擦损失仍可用前述公式计算，问应将高位槽的水面升高多少m？
5-10为测定90º弯头的局部阻力系数ξ，可采用如本题附图所示的装置。
已知AB段总管总长l为10m，管内径d为50mm，摩擦系数λ为0.03。
水箱液面恒定。
实测数据为：
A、B两截面测压管水柱高差Δh为0.425m；水箱流出的水量为0.135m3•min-1。
求弯头的局部阻力系数ξ。
5-11从设备送出的废气中含有少量可溶物质，在放空之前令其通过一个洗涤器，以回收这些物质进行综合利用，并避免环境污染。
气体流量为3600m3•h-1（在操作条件下），其物理性质与50℃的空气基本相同。
如本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的U型管压差计，其读数为30mm。
输气管与放空管的内径均为250mm，管长与管件、阀门的当量长度之和为50m（不包括进、出塔及管出口阻力），放空口与鼓风机进口的垂直距离为20m，已估计气体通过塔内填料层的压力降为1.96×103Pa。
管壁的绝对粗糙度ε可取为0.15mm，大气压力为1.013×105Pa。
求鼓风机的有效功率。
6 流体输送机械
6-1流体输送机械可以分为哪几类？
6-2离心泵的工作原理是什么？
简述其主要部件的名称和作用。
6-3离心泵的主要性能参数有哪些？
各自的定义和单位是什？
6-4气缚现象和气蚀现象有何区别？
6-5何谓离心泵的允许吸上真空高度和汽蚀余量？
如何确定离心泵的安装高度？
6-6简述离心泵的常用类型和选用方法。
6-7往复泵和齿轮泵各有何特点？
各适用于什么场合？
6-8离心泵的特性曲线有哪几条？
如何确定离心泵的工作范围？
6-9离心式通风机的工作原理和离心泵有何异同？
6-10某离心泵用20℃清水进行性能试验，测得其体积流量为560m3•h-1，出口压力表读数为0.3MPa（表压），吸入口真空表读数为0.03MPa，两表间垂直距离为400mm，吸入管和压出管内径分别为340mm和300mm，试求对应此流量的泵的扬程。
6-11用一台离心泵在海拔100m处输送20℃清水，若吸入管中的动压头可以忽略，全部能量损失为7m，泵安装在水源水面以上3.5m处，试问此泵能否正常工作。
6-12欲用一离心泵将贮槽液面压力为157kPa，温度为40℃，密度为1100kg•m-3、饱和蒸汽压为7390Pa的料液送至某一设备，已知其允许吸上真空高度为5.5m，吸入管路中的动压头和能量损失为1.4m，当地大气压为10.34mH2O。
试求其安装高度（已知其流量和扬程均能满足要求）。
6-13用泵将贮槽中的有机试剂以40m3•h-1的流率，经Φ108×4mm的管子输送到高位槽，如本题附图所示。
两槽的液面差为20m，管子总长（各种阀件的当量长度均计算在内）为450m。
试分别计算泵输送15℃和50℃的有机试剂所需的有效功率。
设两槽液面恒定不变，已知有机试剂在15℃和50℃下的密度分别为684kg•m-3和662kg•m-3，饱和蒸汽压分别为3.214×103Pa和1.962×104Pa。
6-14用泵将池中水送至30m高的水塔。
泵安装在水面以上5m处。
输水管道采用Φ114×4mm、长1700m的钢管（包括管件的当量长度，但未包括进、出口能量损失）。
已知该泵的输水能力为35m3•h-1，设ε/d=0.02，泵的总效率为0.65，试求泵的轴功率。
已知水的密度为1000kg•m-3，粘度为1.005mPa•s。
6-15用泵将贮槽中温度为20℃、密度为1200kg•m-3的料液送往反应器中。
每小时进行料量为3×104kg，贮槽表面为常压，反应器内保持9810Pa的表压。
管路为Φ89×4mm的钢管，总长为45m，其上装有孔径d0为51.3mm的孔板流量计（其阻力系数为8.25）一个、全开闸阀两个和90º标准弯头四个（图中均未标出）。
贮槽液面与反应器入口管之间垂直距离为15m。
若泵的效率为0.65，求泵消耗的功率（贮槽很大，液面可视为稳定）。
7 流态化的基本原理
7-1什么叫流态化现象？
7-2流态化曲线对颗粒床层的流态化有何实际意义？
7-3什么叫临界流化速度和颗粒带出速度？
它们如何计算？
7-4什么叫沟流和腾涌现象？
沟流和腾涌对g-s和l-s流态化有何影响？
如何避免沟流和腾涌现象的发生？
7-5试述气力输送的原理和特点。
7-6流态化过程，颗粒的雷诺数如何计算？
7-7密度为2650kg•m-3的球形石英颗粒在20℃的空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。
7-8在底面积为40m2的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。
气体的处理量为3600m3•h-1，固体的密度ρs=3000kg•m-3，操作条件下气体的密度ρ=1.06kg•m-3，粘度为2×10-5Pa•s。
试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。
7-9平均粒径为0.3mm的氯化钾球形颗粒在单层圆筒形流化床干燥器中进行流化干燥。
固相密度ρs=1980kg•m-3，取流化速度为颗粒带出速度的78%，试求适宜的流化速度和流化数。
干燥介质可按60℃的常压空气查取物性参数。
8 导 热
8-1传热的基本方式有哪几种？
试各举一例说明。
8-2导热系数的意义是什么？
气体、液体和固体的导热机理有可异同？
8-3多层圆筒壁与多层平壁导热有何异同点？
8-4传热过程的推动力和热阻的含义是什么？
8-5什么是单位管长热流量QL?
QL与热流量Q和热流密度q的关系如何？
8-6试由傅立叶定律出发，导出单层平壁沿厚度方向进行一维稳态导热的温度分布方程。
8-7试由傅立叶定律出发，导出单层筒壁中沿半径r方向进行一维稳态导热的温度分布方程。
8-8根据热阻串联规律，分别写出两层平壁和两层圆筒壁导热的热流量计算式，并写出壁面温度的计算式。
8-9厚0.3m的平壁，两侧壁温分别为150℃和50℃，平壁的导热系数λ=0.6+5×10-6t（W•m-1•℃-1），求平壁的热流密度q。
8-10有一无内热源的三层平壁，在稳态下，测得其
、
、
和
依次为650℃、500℃、300℃和50℃，试确定该平壁的各层热阻在总热阻中所占的比例。
8-11如附图所示，为了减少加热器的热损失，在加热器壁外包一层绝热材料，厚度为300mm，导热系数为0.16W•m-1•℃-1。
已测得绝热层外侧温度为30℃，在插入绝热层50mm处测处温度为75℃。
试求加热器外壁面温度为若干？
8-12如附图所示的圆筒壁，其外表面和内表面的温度分别为t0和ti（t0>ti），λ=常数，试证明：
（1）在任意半径r处的温度表达式为
（2）
=常数，并画出圆筒壁中的温度分布曲线。
8-13燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖，外层为230mm厚的绝缘砖。
若炉的内表面温度t1为1400℃，外表面温度t3为100℃。
试求导热的热流密度及两砖间的界面温度。
设两层砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为λ1=0.9+0.0007t，绝缘砖的导热系数为λ2=0.3+0.0003t。
两式中t可分别取为各层材料的平均温度，单位为℃，λ单位为W•m-1•℃-1。
8-14厚200mm的耐火砖墙，热导率λ1=1.3W•m-1•℃-1。
为使每平方米炉墙热损失不超过600W•m-2，在墙外覆盖一层热导率λ2=0.11W•m-1•℃-1的材料。
已知炉墙两侧的温度分别为1300℃和60℃，试确定覆盖材料层的厚度。
8-15某材料厚2.5cm，横截面积为0.1m2，一面保持38℃，另一面保持94℃，四周绝热，材料中心面的温度为60℃，通过材料的热流量为1kW。
试写出材料热导率随温度变化的线性函数关系式。
8-16某红砖平壁墙，厚度为500mm，一侧温度为200℃，另一侧为30℃，设红砖的平均导热系数λ=0.81W•m-1•℃-1。
试求：
（1）单位时间、单位面积上导过的热量；
（2）距离高温侧370mm处的温度。
8-17某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成：
耐火砖 δ1=230mm，λ1=1.05W•m-1•℃-1
绝热砖 δ1=230mm，λ2=0.151W•m-1•℃-1
普通砖 δ3=240mm，λ3=0.93W•m-1•℃-1
若已知耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖接触处的温度为940℃，而绝热砖与普通砖接触处的温度不超过138℃，试问：
（1）绝热层需几块绝热砖？
（2）普通砖外侧温度为若干？
8-18某炉墙大平壁由粘土砖砌成，厚度为δ=230mm，两表面温度分别为370℃与30℃，粘土砖导热系数为0.7W•m-1•℃-1，求单位面积热阻rλ与热流密度q。
若平壁材料改为铸铁，其导热系数为52.3W•m-1•℃-1，其它条件不变，单位面积热阻rλ及热流密度q又为多少？
8-19一炉墙平壁面积为12m2，由两层耐火材料组成，内层为镁砖，其导热系数λ=4.3-0.48×10-3tW•m-1•℃-1，外层为粘土砖，其导热系数为λ=0.698+0.58×10-3tW•m-1•℃-1，两层厚度均为
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