第一章流体流动习题解答化工原理马晓迅等编.docx

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第一章流体流动习题解答化工原理马晓迅等编

第一章流体流动习题解答

1.解：

（1）1atm=101325Pa=760mmHg

真空度=大气压力—绝对压力，表压=绝对压力—大气压力

所以出口压差为

p=N/m2

（2）由真空度、表压、大气压、绝对压之间的关系可知，进出口压差与当地大气压无关，所以出口压力仍为Pa

2.解：

混合气体的摩尔质量

混合气体在该条件下的密度为：

3.解：

由题意，设高度为H处的大气压为p，根据流体静力学基本方程，得

大气的密度根据气体状态方程，得

根据题意得，温度随海拔的变化关系为

代入上式得

移项整理得

对以上等式两边积分，

所以大气压与海拔高度的关系式为

即：

（2）已知地平面处的压力为101325Pa，则高山顶处的压力为

将代入上式

解得H=6500m，所以此山海拔为6500m。

4.解：

根据流体静力学基本方程可导出

所以容器的压力为

5.解：

mm

以设备内液面为基准，根据流体静力学基本方程，得

kPa

6.解：

（1）如图所示，取水平等压面1—1’，2—2’，3—3’与4—4’，选取水平管轴心水平面为位能基准面。

根据流体静力学基本方程可知

同理，有

，）

，

以上各式相加，得

因为

同理，有

故单U形压差的读数为

（2）由于空气密度远小于液体密度，故可认为测压连接管中空气内部各处压强近似相等。

即

故有

因为

所以

此测量值的相对误差为

7.解：

（1）在A—A’，B—B’两截面间列伯努利方程，得

其中=0，=，=2.2J/kg

化简为

由题目知：

输水量m3/hm3/s

m/s

m/s

查表得20℃水的密度为998.2kg/m3

所以J/kg

Pa

（2）若实际操作中水为反向流动，同样在两截面间列伯努利方程，得

其中=0，=，=2.2J/kg

化简为

由于流量没有变，所以两管内的速度没有变，将已知数据带入上式，得

Pa

8.解：

查表1-3，选取水在管路中的流速为，则求管径

查附录13进行管子规格圆整，最后选取管外径为83mm，壁厚为3.5mm，即合适的管径为。

9.解：

（1）管内流体的质量流量

有上式得出质量流速为

所以该气体在管内的流动类型为湍流。

（2）层流输送最大速度时，其雷诺数为2000，于是质量流速可通过下式计算：

所以层流输送时的最大质量流量

10.解：

（1）根据题意得：

，将上式配方得

所以当m时管内油品的流速最大，

（2）由牛顿粘性定律得

其中

代入上式得管道内剪应力的分布式

所以管壁处的剪应力（负号表示与流动方向相反）

11.解：

（1）

根据题意可算出：

mm，mm

mm

通道截面积m2

润湿周边mm=0.218m

m

（2）=40m3/h=0.011m3/s

m/s

故该流型为湍流。

12.解：

如课本图1-17，流体在内外管的半径分别为的同心套管环隙间沿轴向做定态流动，在环隙内取半径为r，长度为L，厚度为dr的薄壁圆管形微元体，运动方向上作用于该微元体的压力为

作用于环形微元体内外表面的内摩擦力分别为

因微元体作匀速直线运动，根据牛顿第二定律，作用于微元体上的合力等于零，即

简化后可得在层流条件下，带入上式可得

上式积分得

利用管壁处的边界条件可得

所以同心套管环隙间径向上的速度分布为

13.解：

取桶内液面为1—1’截面，桶侧面开孔处的截面为2—2’截面，开孔处离桶底距离为h，从1—1’截面至2—2’截面列机械能守恒方程式，得

以2—2’截面为基准面，则

化解得

假设液体的水平射程为X，则

所以当h=时，射程最远，

14.解：

（1）对1—1’至2—2’截面间列伯努利方程，可得

取1—1’截面为位能基准面，由题意得所以

对1—1’至B—B’截面间列伯努利方程，可得

所以

（2）虹吸管延长后，增加使虹吸管出口流速u增加，从而引起降低；当降至与该温度水的饱和蒸汽压相等（时，管内水发生气化现象。

由于此时，故对1—1’至B—B’截面间列伯努利方程，可得

所以

对1—1’至3—3’截面间列伯努利方程，可得

所以（负号表示在1—1’截面位置下方）

15．解：

如图所示在截面间列伯努利方程式，以A点所在水平面为基准面，则：

其中，m，m/s

由题目已知可得m/s

根据流体静力学方程：

m

所以m

16.解：

已知螺钉的直径d=14mm，由题意，取容器液面为1-1截面，侧壁孔中心截面为2-2截面。

根据流体静力学基本方程，可得：

作用在孔盖外侧的是大气压强p，故孔盖内外两侧所受压差为：

此时作用在孔盖上的静压力为：

由于单个螺钉能承受的力为

要想将孔盖紧固，则作用在孔盖上的静压力不能超过螺钉的工作应力，即：

因此，所求螺钉的数量为：

17.解：

（1）取高位槽水面为上游截面，管路出口内侧为下游截面，在两截面之间列伯努利方程：

以地面为基准面，则m，m，，==，

化简得

m/s

m3/h

（2）在截面与截面间列伯努利方程：

其中，

于是上式可化简为

阀门从全开到关闭的过程中，逐渐减小（），由上式可以看出，左边的值不断增大，而不变，所以截面位置处的压力是不断增大的。

18.解：

根据题意，该烟囱正常排烟的基本条件要求烟囱出口压强应不超过外界气压。

若以大气压为计算基准，则有

烟气在烟囱中的流速为

所以

对1—1’至2—2’截面间列机械能守恒式，可得

取1—1’截面为位能基准面即

解得正常排烟时该烟囱的高度为

19.解：

（1）根据流量公式得

m/s

所以管内原油的流动类型为层流。

（2）在管路入口截面与出口截面之间列伯努利方程，得

其中，，于是上式化简为

管内原油流动类型为层流，所以摩擦系数

J/kg

MPa

中途需要加压站的数量

所以为完成上述输送任务，中途需要8个加压站。

20.解：

（1）由题意：

故管内流速

光滑管计算根据布拉修斯公式

对1—1’至2—2’截面间列机械能守恒式，可得

取2—2’截面为基准面

其中局部阻力系数包括管入口的突然缩小（）与回弯头（）。

所以

（2）假设虹吸管最高处的截面为A—A’，对2—2’至A—A’截面间列机械能守恒式，可得

取2—2’截面为基准面

将数值代入上式，解得

21.解：

在储槽水面和管路出口截面之间列伯努利方程，可得

以储槽水面为基准面，则，m，，，kPa

化简为

（1）

m/s

查表：

20℃乙醇的密度为789kg/m3，黏度为Pa·s，

雷诺数

取管壁粗糙度mm

根据和查图得

查表得：

90°标准弯头，全开的50mm底阀，半开的标准截止阀

所以

J/kg

将数据代入

（1）式中，得所需外加功为：

J/kg

22.解：

据题意得进料处塔的压力

管内液体流速

取管壁绝对粗糙度，相对粗糙度。

查图1-22的无缝钢管的摩察系数。

查表1-2，全开截止阀的阻力系数。

选取高位槽液面为1—1’截面，料液的入塔口为2—2’截面，在两截面间列伯努利方程为

以料液的入塔口中心的水平面0—0’为基准面，则有

所以高位槽高出塔的进料口为

23.解：

（1）在截面与截面间列伯努利方程，得

（1）

以截面为基准面，则=0（表压），kPa（表压），，m，

于是

（1）式化简为

即

解得m/s

m3/h

（2）Pa

24.解：

（1）根据流体静力学基本方程，设槽底部管道到槽面的高度为x，则

在槽面处和C截面处列伯努利方程，得

以C截面为基准面，则有

所以阀门全开时流量

（2）对B至C截面间列伯努利方程，可得

由于，

其中

所以阀门全开时B位置的表压为

25.解：

（1）换热器壳程内径m，内管外径m，则可求得换热器壳程的当量直径

de=m

则壳程热水流速m/s

雷诺数Re

所以壳层环隙内水的流型为湍流。

（2）根据题意，摩擦系数

故水通过换热器壳程的压降为

kPa

26.解：

（1）设某时刻t水槽的液面降至h，管内流速为，则有

对1—1’至2—2’截面间列机械能守恒式，可得

输水最初若以2—2’截面为基准面。

故有

所以

因此初始水流量为

（2）将带入质量守恒式，得

整理得

代入积分上下限得

即

解得，输水3h后水槽下降后的高度为

27.解：

（1）并联管路中不可压缩流体的定态流动中，各支路流量满足以下公式

本题中各支管的摩擦系数相等，则：

（2）三支管的阻力损失比为

简化得

由，已知，

解得

于是，即并联时各支管的阻力损失相等。

28.解：

由题意，系一组并联管路，后与串联。

根据并联管路的流量分配方程，有

所以

故并联管路串联管路因此总阻力

油品输送先假设管内为层流，则直接应用Hagen-Poiseuille方程可得

对A—A'至B—B'截面间列伯努利方程，可得

取B—B’截面为位能基准面

故所求重油流量为

校验

与原假设一致，故计算结果有效。

29.解：

（1）在截面至截面列伯努利方程，可得：

以截面为基准面，则m，m，，，

m/s

上式可化简为

于是J/kg

而

所以，解得m/s

m3/h，

m3/h

（2）若将阀门k1全开，假设支管1中无水流出，即假设支管1流量为零。

在截面至截面列伯努利方程，可得：

以截面为基准面，则m，，，，

原式可化简为

而

所以，解得m/s

则此时管路MN的速度为2.20m/s

校核：

在截面至截面之间列伯努利方程

其中m，，（表压），，m/s

上式化简为

而m

于是m<10m

故支管1中无水流过，与假设相符合，因此原计算有效。

30.解：

查表得20时空气的粘度为

20时空气的密度

假设

当查孔板流量计的的关系得到

则体积流量为

流速

核算雷诺准数与假设基本相符，所以空气的质量流量

31.解：

（1）根据孔板流量计流量计算公式

其中，m2

kg/m3，kg/m3，m

代入已知数据解得m3/s

m/s

（2）流体流经AB段所产生的压差是由阻力损失和孔板的永久压降造成的，所以

Pa

即流经AB段所产生的压差为96.2kPa

32.解：

（1）转子出厂标定条件下空气的密度为

操作条件下氨气的密度

由于气体密度远小于被测液体密度或转子密度，根据流量换算公式，有

即：

同一刻度下，氨气的流量应是空气流量的1.08倍。

故此时转子流量计的最大量程为65.0。

（2）液体测量是以常态清水（）为标定介质的，当用于测量丙酮时，根据转子流量计的流量换算公式，得

即：

同一刻度下，丙酮的流量应是清水流量的1.14倍。

故此时该转子流量计测量丙酮时的流量范围为。