第1章流体流动习题解答

化工原理习题及解答 第一章 流体流动第一章 流体流动 11某敞口容器内盛有水与油。如图所示。已知水及油的密度分别为1000和860kg/m3，解：h1=600mm，h2=800mm，问H为多少mm？习题1-1附图12有一幢102层的高楼，每层高度为4m。若在高楼范围内气温维持20不变。设大气静止，气体压强为变量。地平面处大气压强为760mmHg。试计算楼顶的大气压强，以mmHg为单位。13某水池，水深4米，水面通大气，水池侧壁是铅垂向的。问：水池侧壁平面每3米宽度承受水的压力是多少N？外界大气压为1atm。 解：14外界大气压为1atm，试按理想气体定律计算0.20at（表压）、20干空气的密度。空气分子量按29计。15有个外径为R2、内径为R1为的空心球，由密度为的材料制成。若将该球完全淹没在某密度为的液体中，若球能在任意位置停留，试求该球的外径与内径之比。设球内空气重量可略。 16为放大以U形压差计测气体压强的读数，采用倾斜式U形压差计。指示液是=920kg/m3的乙醇水溶液。气体密度为1.20kg/m3。读数R=100mm。问p1与p2的差值是多少mmHg？ 17采用微差U形压差计测压差。如图示。已知U形管内直径d为6mm，两扩大室半径均为80mm，压差计中用水和矿物油作指示液，密度分别为1000及860kg/m3。当管路内气体压强p与外界大气压p0相等时，两扩大室油面齐平，U形管两只管内油、水交界面亦齐平。现读得读数R=350mm，试计算：（1）气体压强p（表）。（2）若不计扩大室油面高度差，算得的气体压强p是多少？（3）若压差计内只有水而不倒入矿物油，如一般U形压差计，在该气体压强p值下读数R0为多少？习题1-7附图18某倾斜的等径直管道内有某密度的液体流过。在管道的A、B截面设置了两套U形压差计测压差，下测用的是一般U形压差计，上测用的是复式U形压差计，所用的指示液均为密度是i的同一种液体。复式压差计中两段指示液之间的流体是密度为的流过管道内的液体。试求读数R1与R2、R3的关系。 19将水银倒入到图示的均匀管径的U形管内，水银高度h1=0.25m。然后将水从左支管倒入，测得平衡后左支管的水面比右支管的水银面高出0.40m。试计算U形管内水与水银的体积比。解： R1 =0.4m R2h1=0.25m 1 1 L=0.015m L 习题1-9附图如图所示1-1为等压面, p1=p1r水g(R1+R2) = r水银gR2103(0.4+R2) = 13.6103R2 R2 = 0.0317mV水银 = d2(2h1+L) V水 = d2(R1+R2) V水银/ V水 = (2h1+L)/ (R1+R2) = (20.25+0.015)/(0.4+0.0317) = 1.19110 一直立煤气管，在底部U形压差计h1=120mm，在H=25m高处的U形压差计h2=124.8mm。U形管指示液为水。管外空气密度为1.28kg/m3。设管内煤气及管外空气皆静止，求管内煤气的密度。h2Hh1 习题1-10附图 p2 p2解：H p1 p1p1p1= r水gh1 (1)p2p2= r水gh2 (2)(1)减(2)，得(p1p2)(p1p2) = r水g(h1h2) (3)其中 p1p2 = r煤gH，p1p2 = r空gH，代入(3)式,得：r煤gHr空gH = r水g(h1h2)即 r煤 = r水(h1h2)/Hr空 = 103(0.1200.1248)/251.28= 1.088 kg/m31-11 以2”的普通壁厚的水煤气钢管输送15的清水，水在管内满流。已知水流速u=1.5m/s，求水的质量流量、质量流速和体积流量。1-12如图所示，质量为3.5kg，面积为4046cm2的一块木板沿着涂有油的斜面等速向下滑动。已知v=1.2m/s，=1.5mm（油膜厚度）。求滑油的粘度。 13 5 12 v d 习题1-12附图 13解： t a 5 12V a G d从受力分析 Gsina = tA mg sina = tAt = =3.59.81/(404610-4) = 71.77 N/m2t = m = mm = = 71.771.510-3/1.2 = 0.0897 Pas1-13以压缩空气将某液体自储槽压送到高度H=5.0m、压强p2为2.5at（表压）的容器内。已知液体密度=1800kg/m3，流体的流动阻力为4.0J/kg。问：所需的压缩空气压强p1至少为多少at（表压）？1-14水以70m3/h的流量流过倾斜的异径管通。已知小管内径dA=100mm，大管内径dB=150mm，B、A截面中心点高度差h=0.3m，U形压差计的指示液为汞。若不计AB段的流体流动阻力，试问：U形压差计哪一支管内的指使液液面较高？R为多少？ 1-15水以6.410-4m3/s的流量流经由小至大的管段内。小管内径d1=20mm，大管内径d2=46mm。欲测1、2两截面处水的压差，为取得较大的读数R，采用倒U形压差计。已知压差计内水面上空是=2.5kg/m3的空气，读数R=100mm。求水由1至2截面的流动阻力hf。 1-16水从喷嘴口1-1截面垂直向上喷射至大气。如图。设在大气中流束截面保持圆形，已知喷嘴内直径d1=20mm，出喷嘴口水流速u1=15m/s。问：在高于喷嘴出口5m处水流的直径是多大？忽略摩擦阻力。解：1-1与2-2之间列柏努利方程 2 2gz1u12/2p1/r = gz2u22/2p2/r z1 = 0，z2 = 5m，p1 = p2 u12/2 = gz2u22/2152/2 = 9.815u22/2 1 1 u2 = 11.26m/s 又， u1d12 = u2d22 习题1-16附图 d2 = (u1/u2)1/2d1 = 0.020 = 0.0231 m1-17高、低水库的水面高度差H=42m，水流量为30m3/s，水流的总阻力为4.5mH2O。如图。已知透平的效率=0.78，试计算透平的输出功率。解：u1=u2=0，p1=p2，z2=0， 1 1z1=H=42m1-1与2-2间列柏努利方程 Hgz1+u12/2+p1/r+Ws=gz2+u22/2+p2/r+ShfWs =gz1+Shf =9.81424.59.81103/103 2 2 =368 J/kgNa = WsVr =36830103=1.10107 W 习题1-17附图Ne= Nah = 1.101070.78=8.61106 W=8.61103 kW1-18某水溶液在圆直、等径管内层流动。管内半径为R。设测点流速的探针头位置与管轴线的距离为r。问：测点相对位置 为多少时该点的点流速等于平均流速？ 1-19以水平圆直管输送某油品。管内径为d1，管两段压差为 。因管道腐蚀，拟更换管道。对新装管道要求如下：管长不变，管段压降为原来压降的0.75，而流量加倍。设前后情况流体皆为层流。问：新管道内径d2与原来管内径d1之比为多少？ 1-20在机械工程中常会遇到流体在两平行固体壁的间隙中作一维定态流动的情况。如图。设流动为层流。设间隙厚为2y0，试证流体沿y轴向点流速呈如下抛物线规律分布： 解：对长度L，高度y，宽度为1的流体元作受力与运动分析: 1-21粘度为，密度为的液体沿铅垂向平壁膜状流下。如图。设液体层流流动，液膜厚度为，平壁宽度为B。试推导任一流动截面上液体点流速v随y的变化规律，并证明平均流速 解：取宽为B,长为dx ,高为y的流体元作受力与运动分析: 1- 22串联两管1、2，d1=d2/2，L1=80m，Re1=1600，Shf1 = 0.54m液柱，Shf2 = 56mm液柱，求L2。局部阻力可略。解： Re = ，Re,2 / Re,1 = d1 / d2 =1/2， Re,2 = Re,1 /2 = 1600/2 = 800，两管内皆为层流又，Shf = 32mul / (rgd2) 32mVl / (d2rgd2) l/d4Shf,2 /Shf,1 = (d1/d2)4l2/l1 即 56/540 = (1/2)4l2/80l2 = 133 m1-23一输油管，原输送r1=920kg/m3、m1=1.30P的油品，现欲改输r2=860kg/m3、m2=1.15P的另一油品。若两种油品在管内均为层流流动，二者质量流量之比W2/W1=1.3，试计算二者因流动阻力引起的压降Dpf之比(局部阻力不计)。解：层流，Dpf = 32mul / d2= 32mWl / (d2rd2) Dpf2 / Dpf1 = (m2/m1)(W2/W1)(r1/r2) = 1.30 = 1.231-24某牛顿型流体在圆、直、等径管内流动，在管截面上的速度分布可表达为v=24y-200y2，式中：y 截面上任一点至管壁的径向距离，m；v 该点的点流速，m/s。试求：(1)管半径中点处的流速。 (2)管壁处的剪应力。该流体的粘度为0.045Pas。解：若为层流，v = vmax1(r/R)2 = vmax(R2r2)/ R2 = vmax(Rr)(R+r)/R2= vmaxy(2Ry) / R2 = 2 vmaxy /Rvmaxy2/R2可见，该流型为层流2vmax / R = 24，vmax / R2 = 200，二式相除，得(vmax / R2) / (2vmax / R) = 1/(2R) = 200/24d=（2R） = 0.06mi . y = 0.06/2 = 0.03m，v = 24y200y2 = (240.03)(2000.032)=0.54m/sii. dv/dy = 24400y , dv/dy y=0 = 24tw = m( dv/dy )y=0 = 0.04524 = 1.08 N/m21-25 W= 35T/h，H= 20m，j1084mm，m = 2840cP，r = 952kg/m3，h = 50%， N= 85kW，求包括局部阻力当量管长的总管长。解： W = 35T/h = 35103kg/hd = 10842 = 100mm = 0.1m ，m = 2840cP = 2.84PasNe = Nh = 851030.5 = 4.25104 WWs = Ne/W = 4.251043600/(35103) = 4371 J/kg1-1与2-2间列柏努利方程gz1+u12/2+p1/r+ Ws = gz2+ u22/2+p2/r+Shfz1 = 0，z2 = H = 20m，u1= u2= 0，p1= p2 Ws = gH+ShfShf = WsgH = 43719.8120 = 4175 J/kgu =35103/ (36009520.12) = 1.30 m/sRe = 43.6 2000 层流l= 1.47Shf = lu2/2 =2/u2 = 2/1.302 = 336 m1-26某有毒气体需通过一管路系统。现拟用水在按1/2尺寸缩小的几何相似的模型管路系统中做实验予估实际气流阻力。实际气体流速为20.5m/s，密度为1.30kg/m3，运动粘度为0.16cm2/s。实验用水的密度为1000kg/m3，运动粘度为0.01cm2/s。为使二者动力相似，水流速应为多少？若模型实验测得流动阻力为15.2J/kg，实际气体的流动阻力是多少？解:欲满足动力相似，必须Re,气=Re,水，设气体管径为d,即 1-27固体光滑圆球颗粒在流体中沉降，颗粒受到的曳力与各有关物理量的一般函数式为 。 式中：曳力，；颗粒直径，；颗粒与流体的相对运动速度，；与为流体的密度与粘度，与。用量纲分析法，确定有关的特征数。解：设 各物理量的因次为： ， ， ， ，为无因次系数。 根据等式两侧因次和谐原则，可写出下列因次等式：其中： 对： 对： 对： 对于三个式子解4个未知量而言，须任选一个未知量作为保留量才能有解。现选为保留量。可解得：， 由此可整理出两个准数，其间一般函数式为：令，称为雷诺准数。1-28 试证明流体在圆管内层流时，动能校正系数 。1-29试按=max(1-r/R)1/7规律推导湍流的 u/max值。1-30某牛顿型流体在圆、直、等径管内流动，管子内半径为50mm。在管截面上的流速分布可表达为=2.54y(1/6)，式中：y截面上任一点至管壁的径向距离，m；v该点的点流速，m/s。试求：（1）流型；（2）最大点流速vmax。解：设v = vmax (1r/R)1/6= vmax()1/6 = (vmax/R1/6)y1/6，故该流型为湍流。 又 vmax/R1/6 = vmax/(0.050)1/6 = 2.54 vmax = 1.54 m/s1-31某直管路长20m，管子是1”普通壁厚的水煤气钢管，用以输送38的清水。新管时管内壁绝对粗糙度为0.1mm，使用数年后，旧管的绝对粗糙度增至0.3mm，若水流速维持1.20m/s不变，试求该管路旧管时流动阻力为新管时流动阻力的倍数。 1-32某流体在光滑圆直管内湍流流动，设摩擦系数可按布拉修斯公式计算。现欲使流量加倍，管长不变，管内径比原来增大20%，问：因摩擦阻力产生的压降为原来的多少倍。1-33如图所示，某液体在光滑管中以u=1.2m/s流速流动，其密度为920kg/m3，粘度为0.82cP。管内径为50mm，测压差管段长L=3m。U形压差计以汞为指示液。试计算R值。 1 1 L 2 2R 习题1-33附图解：在1-1与2-2间列柏努利方程：gz1+u12/2+p1/r = gz2+ u22/2+p2/r+Shf 或(pm,1pm,2)/r = Shf (u1= u2)(rir)gR/r = (0.3164/Re0.25)u2/2其中Re = 0.051.2920/(0.8210-3) = 6.73104则(13.6-0.92)1039.81R/920=0.3164/(6.73104)0.25(3/0.050)(1.22/2)R = 6.2810-3 m1-34有一高位水槽，其水面离地面的高度为H。水槽下面接有2”普通壁厚水煤气钢管130m长，管路中有1只全开的闸阀，4只全开的截止阀，14只标准 90弯头。要求水流量为10.5m3/h，设水温20，=0.2mm，问：H至少需多少米？ 1-35承第34题，若已知H=20m，问水流量多少m3/h？1-36有两段管路，管子均为内径20mm、长8m、绝对粗糙度0.2mm的直钢管，其中一根管水平安装，另一根管铅垂向安装。若二者均输送20清水，流速皆为1.15m/s。竖直管内水由下而上流过。试比较两种情况管两端的额修正压强差与压强差。要用计算结果说明。1-37有A、B两根管道并联。已知：lA=8m，dA=50mm，lB=12m，dB=38mm（上述l中包含了局部阻力，d指内径）。流体工质是常压、20的空气（按干空气计）。总流量是200kg/h。问：B管的质量流量是多少？分支点与汇合点的局部阻力可略。皆为0.2mm。1-38某水塔供水流程如附图的a)图所示，管长为L。现需增加50%的流量，拟采用b)流程。b)流程中各管管径均与a)流程的相同，其L/2管长为两管并联。设局部阻力不计，所有管内流体流动的摩擦系数值均相等且为常数。问：b)方案能否满足要求。习题1-38附图1-39某七层的宿舍楼，第四至第七层楼生活用水均来自房顶水箱。如图。若总输水管为 普通壁厚水煤气钢管，各层楼自来水支管为 普通壁厚水煤气钢管。所用的阀皆为截止阀。水箱内水深2m。有关尺寸示于附图。试计算：（1）只开七楼的阀且阀全开时，V7为多少？（2）当四楼及七楼的阀都全开，五、六楼的阀全关，V4及V7及各为多少？计算支管阻力时只计入局部阻力，直管阻力可略。设皆为0.040。习题1-39附图1-40用离心泵将水由水槽送至水洗塔内。水槽敞口。塔内表压为0.85at。水槽水面至塔内水出口处垂直高度差22m。已知水流量为42.5m3/h，泵对水作的有效功为321.5J/kg，管路总长110m（包括局部阻力当量管长），管子内径100mm。试计算摩擦系数值。解：1-1与2-2间列柏努利方程：gz1+u12/2+p1/r+Ws = gz2+ u22/2+p2/r+Shfz1= 0，z2= 22 m，u1= 0，p1(表)= 0u2= =42.5/(0.123600) = 1.50 m/sp2= 0.85at = 0.859.81104 = 8.34104 PaWs= gz2+u12/2+p2/r+Shf 即321.5= 9.8122+1.502/2+8.34104/103+ShfShf = 21.2 J/kgShf = u2/2 = 1.502/2 = 21.2 l= 0.01711-41 35的水由高位槽经异径收缩管向下流动。如图。若不考虑流动阻力，为保证水在流经收缩管时不发生汽化现象，收缩管的管径应限制在多大尺寸以上？当地大气压为1atm，35的水的密度为994kg/m3，饱和蒸汽压为5.62kPa。H=12m，h=8m，d=150mm（内直径）。1 1 2 2 H h d 33 习题1-41附图解：1 “1-1”至“3-3”列柏努利方程gz1+ p1/r+u12/2= gz3+ p3/r+ u32/2p1= p3，z3 = 0，u1 = 0u3 = 15.3 m/s2 “2-2”至“3-3”列柏努利方程gz2+ p2/r+u22/2= gz3+ p3/r+ u32/22截面刚液体汽化时，p2= 5.62kPa，则9.818+5.62103/994+u22/2 = 1.013105/994+15.32/2u2 = 16.4 m/s3 u3d32 = u2d22 即 15.31502 = 16.4d22 d2 = 145 mm1-42如附图所示，水泵抽水打进B、C水槽。已知各管内径相等，且AB段、AC段和OA段（不包括泵内阻力）的管道长与局部阻力当量管长之和 相等。设摩擦系数值皆相同，过程定态。求 。C水 VCA B 水8.0m VB 5.0m O 习题1-42附图解：由“AB”与“AC”可列下式EAEC = a VC2EAEB = a VB2 ECEB = a (VB2VC2)代入数据：9.81(8.05.0) = a (VB2VC2) 即： 29.4 = a (VB2VC2) (1)由“OB”得 Ws= EB+ a (VC+VB)2+ aVB2代入数据：150 = 9.815.0+ a (VC+VB)2+ aVB2 即： 101 = a (VC+VB)2+ aVB2 (2)(2)/(1)，得 (VC+VB)2+VB2/( VB2VC2)= (VC/VB+1)2+1/1(VC/VB)2解得：VC/VB = 0.3871-43 在1084mm的圆直管内用毕托管测点流速。已知管内流体是平均分子量为35的混合气体，压强为200mmH2O（表压），外界大气压为1atm，气温为32，气体粘度为0.02cP。在测管轴心处vmax时，U形压差计读数R为10mm，压差计指示液为水。问：管内气体流量是多少m3/h? 1-44在内径为50mm的圆直管内装有孔径为25mm的孔板，管内流体是25清水。按标准测压方式以U形压差计测压差，指示液为汞。测得压差计读数R为500mm，求管内水的流量。 1-45某转子流量计，刻度是按常压、20空气实测确定的。现用于测常压下15的氯气，读得刻度为2000 。已知转子的密度为2600kg/m3，问：氯气流量多少？ 1-46已知某容器的容积V=0.05m3，内储压缩空气，空气密度为8.02 kg/m3。在打开阀门时，空气以285m/s流速冲出，出口面积A=65mm2。设容器内任一时刻空气性质是均匀的。外界大气密度为1.2 kg/m3。求打开阀门的瞬时容器内空气密度的相对变化率。18