流体力学与传热复习提纲

流体力学与传热复习提纲第一章 流体流动1） 压强的表示方法绝对压：以绝对真空为基准的真实压强值表压：以大气压为基准的相对压强值如果绝对压小于表压，此时表压称为真空度。例题 当地大气压为745mmHg测得一容器内的绝对压强为350mmHg，则真空度为 。测得另一容器内的表压强为1360 mmHg，则其绝对压强为 。2） 牛顿粘度定律的表达式及适用条件 适用条件：牛顿型流体流体粘度3） 粘度随温度的变化液体：温度上升，粘度下降；气体：变化趋势刚好和液体相反，温度上升，粘度增大。4） 流体静力学基本方程式5） 流体静力学基本方程式的应用等压面及其条件静止、连续、同种流体、同一水平面6） 连续性方程对于稳定流动的流体，通过某一截面的质量流量为一常数：如果流动过程不变，则如果是圆管，则因此管径增大一倍，则流速成平方的降低。7） 伯努利方程式的表达式及其物理意义、单位不可压缩理想流体作稳定流动时的机械能衡算式对于理想流动，阻力为0，机械能损失为0，且又没有外加功，则物理意义：理想流体稳定流动时，其机械能守恒。注意伯努利方程的几种表达形式和各物理量的单位。H例题 如题图所示虹吸装置。忽略在管内流动损失，虹吸管出口与罐底部相平，则虹吸管出口处的流速 8） 流型的判据流体有两种流型：层流，湍流。层流：流体质点只作平行管轴的流动，质点之间无碰撞；湍流：流体质点除了沿管轴作主流运动外，在其它的方向上还作随机脉动，相互碰撞。流型的判据：Re4000，流体在管内湍流，为湍流区；9） 流体在圆管内层流时的速度分布层流时流体在某一截面各点处的速度并不相等，在此截面上呈正态分布。在管中心处的流速最大，其最大流速与平均流速之间的关系：10）直管阻力损失的通式流体流经水平均匀的直管，（静压能的减小） （范宁公式）范宁公式的三种表达形式（压力损失、阻力损失、压头损失）11）直管内层流时的阻力损失由直管内层流时的阻力损失，可得直管内层流时的摩擦系数：例题 已知某油品在园管中稳定流动，其Re1000。已测得管中心处的点速度为0.5m/s,则此管截面上的平均速度为 m/s。若油品流量增加一倍，则每米直管的压头损失为原损失的 倍。（和流速液有关系）例题 米糠油在管中作层流流动，若流量不变u,d不变，管长增加一倍，则摩擦阻力损失 d, l不变，油温升高，粘度为原来的1/2，则摩擦阻力损失 答：根据哈根-泊谡叶方程12）总阻力损失流体流通直管时存在阻力损失，流通管件、设备时，也存在阻力损失。为局部阻力系数，突然扩大时，1；突然缩小时，0.5。13）管路计算利用连续性方程、机械能衡算式、范宁公式、静力学方程式，计算流速、流量、轴功率等。14）流速和流量的测量仪器皮托管、孔板、转子流量计三种常见的流量计皮托管特点：1 测量的是某一点的流速，而不是管截面的平均流速2 皮托管平行于管轴放置3 内管口正对流体，外管壁的小孔与流动方向垂直4 属变压头流量计孔板流量计特点：1 测量孔口处的流速2 利用孔板处静压能的不同测量流速、流量，属变压头流量计3 孔板流量计流速的计算公式：C0为流量系数转子流量计特点：1 倒锥形的玻璃管2 测量时转子上下截面的压差不随流量变化，但截面却发生变化，属变截面的流量计3 读数读最大投影面积处4 转子流量计用20水或者20、1atm下的空气进行标定，如果测量其它流体或者非此状态下的空气，需要重新标定。例题 用泵将密度为850kg/m3，粘度为0.190Pas的重油从贮油池送至敞口高位槽中，升扬高度为20m。输送管路为1084mm钢管，总长为1000m（包括直管长度及所有局部阻力的当量长度）。管路上装有孔径为80mm的孔板以测定流量，其油水压差计的读数R500mm。孔流系数C00.62，水的密度为1000kg/m3。试求： (1)输油量是多少m3/h？ (2)若泵的效率为0.55，计算泵的轴功率。解：孔径处流速在贮油池液面11与高位槽液面22 间列柏努利方程式,并以截面11为基准水平面，得其中将上列数值代入柏努利方程式，并整理得管内油流速（注意：管径为108-4*2100 mm）16m3m例题 用泵将20水从敞口贮槽送至表压为1.5105Pa的密闭容器，两槽液面均恒定不变，各部分相对位置如图所示。输送管路尺寸为f1084mm的无缝钢管，吸入管长为20m，排出管长为100m（各段管长均包括所有局部阻力的当量长度）。当阀门为3/4开度时，真空表读数为42700Pa，两测压口的垂直距离为0.5m，忽略两测压口之间的阻力，摩擦系数可取为0.02。试求：(1)阀门3/4开度时管路的流量(m3/h)；(2)压强表读数（Pa）；(3)泵的压头（m）；(4)若泵的轴功率为10kW，求泵的效率；(5)若离心泵运行一年后发现有气缚现象，试分析其原因。解：（1）阀门3/4开度时管路的流量(m3/h)；在贮槽液面0-0与真空表所在截面1-1间列柏努利方程。以0-0截面为基准水平面，有： 其中， , z0=0， u0=0, p0=0（表压）, z1=3m, p1=-42700Pa（表压）代入上式，得： u1=2.3m/s， Q=(2)压强表读数（Pa）；在压力表所在截面2-2与容器液面3-3间列柏努利方程。仍以0-0截面为基准水平面，有： 解得， p2=3.23105Pa（表压）（3）泵的压头（m）；在真空表与压力表所在截面间列柏努利方程，可得，（4） 泵的有效功率 （5） 若离心泵运行一年后发现有气缚现象，原因是进口管有泄漏。第二章 流体输送机械1） 离心泵的工作原理离心泵的主要部件是固定的泵壳和旋转的叶轮。叶轮高速旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心甩向外周。此时液体静压提高流速也提高，流体进入这个泵壳后，流道逐渐增大，流速逐渐减小，部分动能转化为静压能。这样泵出口处液体具有较高的静压能排入管路。2） 气缚及气蚀现象的概念、危害及避免措施气缚：离心泵启动时，如果泵内存有气体，因气体密度小，产生的离心力很小，在叶轮中心处不能形成足够的低压从贮槽吸入液体，离心泵无法正常工作，这种现象称为气缚。避免措施：离心泵启动前必须向泵壳灌满液体。气蚀：当泵中心处的压强等于或低于操作温度下液体的饱和蒸气压时，液体会部分气化产生气泡，并流向高压区。在高压区气泡消失，产生局部真空，周围的液体高速冲向原气泡中心，产生巨大的冲击力，至少会使泵产生巨大的轰鸣声。叶轮和泵壳受到反复的冲击，材料表面会产生疲劳，甚至蚀点和裂缝，这种现象称为气蚀。危害：泵的流量、压头和效率明显下降，产生巨大的轰鸣，损坏泵体。避免措施：泵的安装高度适当，保证叶轮中心处的压强高于液体的饱和蒸气压。3）升扬高度的概念和扬程泵的扬程：单位质量流体从泵获得的机械能。泵的升扬高度：泵的实际吸上高度与排出高度之和。4）离心泵的性能曲线常用的离心泵的性能曲线有：Hqv，p轴qv，qv曲线。共同特点：扬程与体积流量的关系中，流量增大，扬程减小轴功率与体积流量的关系中，流量增大轴功率增大，流量为0时，轴功率为最小值，但不等于0。效率与体积流量的关系中，流量为0时，效率为0，流量增大效率先是增大而后下降。5）离心泵性能的影响因素液体物性：密度（密度仅对轴功率有影响）粘度（粘度增大，扬程、流量、效率下降，p增大）转速： （N为功率）叶轮直径：6）阀门的安装位置及原因(pa-p1)/g=Z1+u1 2/2g+hfsP1随hfs增大而降低泵的吸上高度不仅与允许吸上“真空度”Hs有关，还与泵吸入管内的压头损失有关而hfs又与le成正比。为了保证泵在实际操作中不发生气蚀现象要尽量减小吸入管的阻力。这就要求吸上管路短而直且无调节阀门，以使hf尽量小。因此，调节流量的阀门一般不装在吸入管路上，而装在出口管路上。7）离心泵流量调节的方法A改变阀门的开度改变管路特性曲线（He为管路所需的压头）阀门开大，B值减小，工作点下移至M1，流量增大；阀门关小，B值增大，工作点上移至M2，流量减小。B改变泵的转速改变泵的特性曲线C改变叶轮直径改变泵的特性曲线各种调节法的特点：A阀门调节法：简便、快捷、可连续调节流量。但该方法的本质是改变管路阻力，当关小阀门调小流量时，造成所需压头的增加，且所增压头作为阀门阻力损耗掉。 B改变转速或叶轮直径法：一定调节范围内可维持泵在高效区工作、不增加阻力损失。但调节装置较复杂且难以实现连续调节。8）离心泵的允许安装高度（计算的知识点） （这个由伯努利方程推导）Hs为允许吸上真空度；Hg为允许安装高度。例题 欲用离心泵将20水以30m3/h的流量由水池打到敝口高位槽，两液面均保持不变，液面高差为18m，泵的吸入口在水池液面上方2m处。泵的吸入管路全部阻力为1mH2O柱，压出管路全部阻力为3mH2O柱，泵的效率为0.6，求泵的轴功率。若已知泵的允许吸上真空高度为6m，问上述安装高度是否合适？（动压头可忽略）。水的密度可取1000kg.m-3。若改为输送80 水，其他条件不变，泵的安装高度是否合适？（ 80 水的饱和蒸汽压为47.4Kpa）解：在水池液面11和敞口高位槽液面22间列柏努利方程式，以11截面为基准面泵的轴功率泵的允许安装高度改为输送80 水Ha为当地大气压，用米水柱表示。第三章 非均相分离1） 层流区的重力沉降速度此式子非常重要，五星级，要记下，沉降速度与直径的平方成正比，对直径非常敏感。适用条件：Rep2。2） 沉降室的分离条件即颗粒沉降所需的时间小于或等于颗粒通过沉降室的时间。极限条件，降尘室最大的生产能力为：沉降室生产能力只和底面积有关，而与降尘室高度无关，如果把降尘室改为n层，则生产能力增加n倍。例题 在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间 ，气流速度 ，生产能力 。3） 过滤速率的基本方程式为滤饼的比阻，v为单位体积滤液产生的滤饼体积，Ve为产生当量厚度Le滤饼的虚拟滤液量。由上式理解操作条件变化时，过滤速率如何变化。4） 掌握恒压过滤的方程式由过滤的基本方程式，利用积分边界条件，可推出例题 用板框过滤机恒压差过滤钛白（TiO2）水悬浮液。过滤机的尺寸为：滤框的边长810mm（正方形），每框厚度42mm，共10个框。现已测得：过滤10分钟得滤液1.31，再过滤10分钟共得滤液1.905。已知滤饼体积和滤液体积之比v0.1，试计算：将滤框完全充满滤饼所需的过滤时间；解：过滤面积 滤饼体积 滤液体积V=VS/=2.76m3已知1=600s V1=1.31m3 q1=0.12=1200s V2=1.905m3 q2=0.1452根据恒压过滤方程式解得K=210-5m2/S qe=0.01 第四章 传热1） 传热的三种基本方式A热传导相互接触的物体之间或物体各部分之间因存在温度差，借助分子、原子或自由电子等的热运动而引起的热量传递。B对流不同温度的流体各部分之间因发生相对运动而引起的热量传递。C由于物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传递。三种传热方式的机理2） 热传导的计算：稳态热传导的温差与热阻的关系单层平壁：多层平壁：多层平壁的热阻为各层热阻之和,总传热推动力为各层推动力之和。123例题 平壁稳定传热过程，通过三层厚度相同的不同材料，每层间温度变化如图1所示，试判断的大小顺序 ，以及每层热阻的大小顺序 。3） 流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数（低粘度）或者（di：管径）h与物性、u、d的关系例题（1）一杯开水（100）置于20的静止空气中，问杯子两侧流体的传热各属何种类型？哪一侧热阻大？（2）若将杯子浸在20的冷水中（两流体不直接接触），能否增强传热？理由？（3）仍置于空气中，但使杯外的空气流动，问能否增强传热？理由？（4）对1的情况，现对杯中流体加以搅动，问是否比2、3两种办法有效呢？4） 黑度和吸收率在热辐射中，可以把物体分为黑体、镜体、透热体和灰体。灰体的辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比，称为黑度，又称为发射率。灰体的辐射能力和吸收率的比值等于同温度下黑体的辐射能力。 （克希霍夫定律）灰体的吸收率，数值上等于同温度下该体的黑度，但物理意义完全不同。由克希霍夫定律可知，物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈大。5） 列管换热器壳程加挡板的作用列管式换热器中，壳程装有折流挡板，当两流体均无相变时，挡板能起强化传热的作用，其原因是：（1）流速增大，使壳程h增大；（2）流体大部分横穿流过管束，流道短，边界层来不及发展，因而边界层薄，比顺着管子纵向流动高；（3）流体在折流档板间穿行时，流向及流速都在不断变化，增强了人工扰动，强化了传热。6） 消除列管换热器热应力的方法消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加 膨胀节 ，采用浮头式结构或采用 U形管 式结构。7） 强化传热的方法及原因换热的强化，就是提高换热器中冷，热流体间的传热速率。 增加单位设备体积的传热面积 增大平均传热温差 当换热器中两流体均无相变时，应尽可能采用逆流的流向,以得到较大的传热温差。 提高传热系数 增大值是在强化传热过程中应该着重考虑的方面。 当流体在圆形管内作强制湍流时 流速对h的影响大于管径的影响； 流速加倍， h不会成倍增加，增加74%； 流速增加，阻力按流速平方增加； 增加流速即增加湍动程度，其它能增加湍动程度的方法同样可提高h值，例如在管内加麻花或选用螺紋管。8）计算：总传热速率方程、热量衡算方程、总传热系数、平均温差（公式六星级重要）tm为对数平均传热温差例题 用一传热面积为3m2由252.5mm的管子组成的单程列管式换热器，用初温为10的水将机油由200冷却至100，水走管内，油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h，其比热分别为4.18KJ/Kg.K和2.0KJ/Kg.K；水侧和油侧的对流传热系数分别为2000W/m2.K和250W/m2.K，两流体呈逆流流动，假设流体流动状态皆为湍流，忽略管壁和污垢热阻。试求：（1）冷却水的出口温度？（2）基于管外表面积的总传热系数？（3）计算说明该换热器是否合用？（4）如水的初温达到30时，冷却水用量增大一倍，计算说明该换热器是否仍合用？ 解：（1）（2）（h0为油的对流传热系数（即管外流体的对流传热系数），hi为水的对流传热系数，d0为外径25，di为内径20）（3）该换热器适用（4）该换热器仍适用