化工原理 习题 流体流动.doc

流体流动
一、填空
(1）流体在圆形管道中作层流流动，如果只将流速增加一倍，则阻力损失为原来的 2 倍；如果只将管径增加一倍而流速不变，则阻力损失为原来的 1/4 倍。
(2）离心泵的特性曲线通常包括 H-Q 曲线、 η-Q 和 N-Q 曲线，这些曲线表示在一定 转速 下，输送某种特定的液体时泵的性能。
(3) 处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须是 静止的 、 连通着的 、 同一种连续的液体 。流体在管内流动时，如要测取管截面上的流速分布，应选用 皮托 流量计测量。
(4) 如果流体为理想流体且无外加功的情况下，写出：
单位质量流体的机械能衡算式为____ ______________；
单位重量流体的机械能衡算式为_____ ____________；
单位体积流体的机械能衡算式为______ ___________；
(5) 有外加能量时以单位体积流体为基准的实际流体柏努利方程为 z1ρg+（u12ρ/2）+p1+Wsρ= z2ρg+（u22ρ/2）+p2 +ρ∑hf ，各项单位为 Pa（N/m2） 。
(6）气体的粘度随温度升高而 增加 ，水的粘度随温度升高而 降低 。
(7) 流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能 减小 。
(8) 流体流动的连续性方程是 u1Aρ1= u2Aρ2=······= u Aρ ；适用于圆形直管的不可压缩流体流动的连续性方程为 u1d12 = u2d22 = ······= u d2 。
(9) 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 395mmHg 。测得另一容器内的表压强为1360 mmHg，则其绝对压强为2105mmHg。
(10) 并联管路中各管段压强降 相等 ；管子长、直径小的管段通过的流量 小 。
(11) 测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将 增加 ，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将 不变 。
(12) 离心泵的轴封装置主要有两种： 填料密封 和 机械密封 。
(13) 离心通风机的全风压是指 静风压 与 动风压 之和，其单位为 Pa 。
(14) 若被输送的流体粘度增高，则离心泵的压头 降低，流量减小，效率降低，轴功率增加。
降尘室的生产能力只与 沉降面积 和 颗粒沉降速度 有关，而与 高度 无关。
(15) 分离因素的定义式为 ut2/gR 。
(16) 已知旋风分离器的平均旋转半径为0. 5m，气体的切向进口速度为20m/s，则该分离器的分离因数为 800/9.8 。
(17) 板框过滤机的洗涤速率为最终过滤速率的 1/4 。
(18) 在滞流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 2 次方成正比，在湍流区颗粒的沉降速度与颗粒直径的 0.5 次方成正比。
二、选择
1 流体在管内流动时，如要测取管截面上的流速分布，应选用__A___流量计测量。
A 皮托管 B 孔板流量计 C 文丘里流量计 D 转子流量计
2 离心泵开动以前必须充满液体是为了防止发生___A___。
A 气缚现象 B汽蚀现象 C 汽化现象 D 气浮现象
3 离心泵的调节阀开大时， B
A 吸入管路阻力损失不变 B 泵出口的压力减小
C 泵入口的真空度减小 D 泵工作点的扬程升高
4 水由敞口恒液位的高位槽通过一 管道流向压力恒定的反应器，当管道上的阀门开度减小后，管道总阻力损失 C 。
A 增大 B 减小 C 不变 D 不能判断
5 流体流动时的摩擦阻力损失hf所损失的是机械能中的 C 项。
A 动能 B 位能 C 静压能 D 总机械能
6 在完全湍流时（阻力平方区），粗糙管的摩擦系数l数值 C
A 与光滑管一样 B 只取决于Re C 取决于相对粗糙度 D 与粗糙度无关
7 孔板流量计的孔流系数C0当Re增大时，其值 B 。
A 总在增大 B 先减小，后保持为定值 C 总在减小 D 不定
8 已知列管换热器外壳内径为600mm，壳内装有269根f25×2.5mm的换热管，每小时有5×104kg的溶液在管束外侧流过，溶液密度为810kg/m3，粘度为1.91×10－3Pa·s，则溶液在管束外流过时的流型为 A 。
A 层流 B 湍流 C 过渡流 D 无法确定
9 某离心泵运行一年后发现有气缚现象，应 C 。
A 停泵，向泵内灌液 B 降低泵的安装高度
C 检查进口管路是否有泄漏现象 D 检查出口管路阻力是否过大
10 某液体在内径为d0的水平管路中稳定流动，其平均流速为u0，当它以相同的体积流量通过等长的内径为d2(d2=d0/2)的管子时，若流体为层流，则压降Dp为原来的 C 倍。
A 4 B 8 C 16 D 32
二、简答题
1．如何判断一流体的流动类型?
Re≤2000的流动称为层流流动，Re＞4000的流动称为湍流流动。
2．层流与湍流是如何定义的？
Re≤2000的流动称为层流流动，Re＞4000的流动称为湍流流动。
3．简述层流与湍流的区别。
流体在管内作层流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的漩涡。
4．什么是“当量直径”?
对非圆形截面的通道, 可以找到一个与圆形管直径相当的“直径”来代替, 此直径即称为“当量直径”。
5．当量直径是如何计算的?
当量直径等于四倍的流通横截面积除以润湿周边。
6．某液体分别在本题附图所示的三根管道中定流过，各管绝对粗糙度、管径均相同，上游截面1-1’的压强、流速也相等。问：在三种情况中，下游截面2-2’的流速是否相等？
答：三种情况中，下游截面2-2’的流速相等。

7．某液体分别在本题附图所示的三根管道中稳定流过，各管绝对粗糙度、管径均相同，上游截面1-1’的压强、流速也相等。问：在三种情况中，下游截面2-2’的压强是否相等？如果不等，指出哪一种情况的数值最大，哪一种情况的数值最小？其理由何在？
答：三种情况中，下游截面2-2’的压强不相等，其中（a）的压强最大，（c）的压强最小。这是因为（c）管上不仅有一个阀门消耗能量，且管子末端垂直上升一段，又使得静压强降低。

三、计算
1 为测量腐蚀性液体贮槽中的存液量，采用图示的装置。测量时通入压缩空气，控制调节阀使空气缓慢地鼓泡通过观察瓶。今测得U形压差计读数为R=130mm，通气管距贮槽底面h=20cm，贮槽直径为2m，液体密度为980kg/m3。试求贮槽内液体的贮存量为多少吨？
解：由题意得：R=130mm，h=20cm，D=2m，980kg/，。
观察瓶 压缩空气
H
R
h
（1） 管道内空气缓慢鼓泡u=0，可用静力学原理求解。
（2） 空气的很小，忽略空气柱的影响。

2 测量气体的微小压强差，可用附图所示的双液杯式微差压计。两杯中放有密度为的液体，U形管下部指示液密度为，管与杯的直径之比d/D。试证气罐中的压强可用下式计算：

证明： 作1-1等压面，由静力学方程得：
（1）

代入（1）式得：

即

3 利用流体平衡的一般表达式推导大气压p与海拔高度h之间的关系。设海平面处的大气压强为，大气可视作等温的理想气体。
解： 大气层仅考虑重力，所以：
X=0， Y=0， Z=-g， dz=dh
又理想气体
其中M为气体平均分子量，R为气体通用常数。

积分整理得
H
H1
H2

4 如图所示，用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均恒定不变，输送管路尺寸为f83×3.5mm，泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表，真空表安装位置离贮槽的水面高度H1为48m，压力表安装位置离贮槽的水面高度H2为5m。当输水量为36m3/h时，进水管道全部阻力损失为1.96J/kg，出水管道全部阻力损失为4.9J/kg，压力表读数为2.452×105Pa，泵的效率为70%，水的密度r为1000kg/m3，试求：
（1）两槽液面的高度差H为多少？
（2）泵所需的实际功率为多少kW？
（3）真空表的读数为多少kgf/cm2？
解：（1）两槽液面的高度差H
在压力表所在截面2-2´与高位槽液面3-3´间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，得：

其中， , u3=0, p3=0,
p2=2.452×105Pa, H2=5m, u2=Vs/A=2.205m/s
代入上式得：
（2）泵所需的实际功率
在贮槽液面0-0´与高位槽液面3-3´间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，有：

其中， , u2= u3=0, p2= p3=0, H0=0， H=29.4m
代入方程求得： We=298.64J/kg，
故 ， η=70%，
（3）真空表的读数
在贮槽液面0-0´与真空表截面1-1´间列柏努利方程，有：

其中， , H0=0， u0=0, p0=0, H1=4.8m, u1=2.205m/s
代入上式得，

5 两敞口贮槽的底部在同一水平面上,其间由一内径75mm
长200m的水平管和局部阻力系数为0.17的全开闸阀彼此相
连，一贮槽直径为7m，盛水深7m，另一贮槽直径为5m，盛
水深3m，若将闸阀全开，问大罐内水平将到6m时，需多长
时间？设管道的流体摩擦系数。
解：在任一时间t内，大罐水深为H，小罐水深为h
大罐截面积=，
小罐截面积=，
当大罐水面下降到H时所排出的体积为：
，
这时小罐水面上升高度为x
所以
而
在大贮槽液面1-1´与小贮槽液面2-2´间列柏努利方程，并以底面为基准水平面，有：

其中 大气压， u为管中流速，
，

代入方程得：

若在dt时间内水面从H下降H-dH，这时体积将变化为-38.465dH，则：

故

16m
3m

6 用泵将20℃水从敞口贮槽送至表压为1.5×105Pa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f108×4mm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=3.23×105Pa（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，原因是进口管有泄露。

H=20m
H1=2m

7 如图所示输水系统，已知管路总长度（包括所有当量长度，下同）为100m，压力表之后管路长度为80m，管路摩擦系数为0.03，管路内径为0.05m，水的密度为1000kg/m3，泵的效率为0.8，输水量为15m3/h。求：（1）整个管路的阻力损失，J/kg；（2）泵轴功率，kw；（3）压力表的读数，Pa。
解：（1）整个管路的阻力损失，J/kg；
由题意知，

则
（2）泵轴功率，kw；
在贮槽液面0-0´与高位槽液面11´间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，有：

其中， , u0= u1=0， p1= p0=0（表压）, H0=0， H=20m
代入方程得：
又
故 ， η=80%，

B

R″
A

H R′
R
t s
8 用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均恒定不变，输送管路尺寸为f57×3.5mm，泵出口垂直管段A、B截面上的测压口有软管与两支液柱压差计相连，其上指示剂水银柱的读数分别为R=40mm及R′=1200mm。右边压差计的左侧指示剂液面与截面A的垂直距离H=1000mm， 右侧开口支管的水银面上灌有一段R″=20mm的清水。A、B两截面间的管长（即垂直距离）为hAB =6m。管路中的摩擦系数为002。当地大气压强为1.0133×105Pa，取水的密度为1000kg/m3，水银的密度为13600kg/m3。试求：（1）截面A、B间的管路摩擦阻力损失∑hf,AB, J/kg；（2）水在管路中的流速u, m/s；（3）截面B上的压强pB, Pa；（4）截面A上的压强pA, Pa。
解：（1）截面A、B间的管路摩擦阻力损失∑hf,AB, J/kg；
取截面A为上游截面，截面B为下游截面，并以截面A为基准水平面。在两截面之间列柏努利方程式，即：
gZA + + = gZB + + + （1）
则：
= (ZA - ZB )g + + （2）
其中： ZA - ZB =（0-6）=-6m
=0
（pA - pB）=hABρW g + R（ρHg – ρW）g
=6×1000×9.8 + 0.04（13600 – 1000）×9.8
=63800 Pa
将诸值带入（2）式，得：
=-6×9.8 +63800÷1000=4.94 J/kg
（2）水在管路中的流速u, m/s；
A、B之间的阻力损失与流速有关，可用如下公式表示：
= （3）
其中，l=6m，d=0.05m，=0.02，=4.94 J/kg，带入（3）式：
4.94=0.02××
可得， u=2.029 m/s
（3）截面B上的压强pB, Pa；
在右边压差计的左侧指示剂液面处作t-s等压参考面，由流体静力学原理可知，Pt=Ps
则：
PB +（hAB +H）ρW g =Pa +ρW g +ρHg g
整理得：PB = Pa + ρW g +ρHg g - （hAB +H）ρW g
=1.0133×105 + 0.02×1000×9.81 + 1.2×13600×9.81-（6+1）×1000×9.81
=193000 Pa
（4）截面A上的压强pA, Pa。
PA = PB +ΔPAB
= PB + hAB ρW g
=193000 + 6×1000×9.81
=256000 Pa

9 某石油化工厂每小时将40吨重油从地面油罐输送到20m高处的贮槽内，输油管路为φ108×4mm的钢管，其水平部分的长度为430m，已知在输送温度下，重油的部分物性数据如下：

密度，kg/m3
粘度，cP
平均比热，kJ/kg•℃
15℃的冷油
50℃的热油
960
890
3430
187
1.675
1.675
（1） 试比较在15℃及50℃两种温度下输送时，泵所消耗的功率（该泵的效率为0.60）。
（2）假设电价每千瓦小时（度）0.20元，每吨1.0atm（绝压）废热蒸汽1.80元，试比较用废热蒸汽将油加热到50℃再输送，比直接输送15℃冷油的经济效果如何？（1atm蒸汽潜热为2257.6kJ/kg）
解：（1）首先判断重油的流动类型， d=108 - 4×2=100mm，重油在管内流速为
15℃时
50℃时
雷诺准数：
15℃时
50℃时
（2）摩擦阻力损失：由于重油在两种不同温度下是流动类型均为层流，故可用泊谡叶方程式求摩擦阻力造成的压头损失：
15℃时
50℃时
（3）泵在两种温度下输送重油的压头：
15℃时
50℃时
（4）泵的轴功率
输送15℃重油时
输送50℃重油时
（5）经济效果的比较：
输送15℃重油比输送50℃重油多消耗的功率为：
144.06 - 12.54=131.52kw
若按1小时计算，则多消耗131.52kwh（即132.52度），1小时多消耗电费：
1×132.52×0.20=26.304元
将重油从15℃加热至50℃，每小时所需热量为：

消耗蒸汽量
加热重油所需消耗蒸汽的费用：1.04×1.80=1.872元/时
从以上计算可知，在上述蒸汽和电能的价值条件下，将重油加热后再输送比直接输送冷油是有利的。

10 内截面为1000的矩形烟囱的高度为。平均分子量为、平均温度为的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为，地面处的大气压强为。流体流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。
解： 取烟囱底端为上游截面、顶端内侧为下游截面，并以截面为基准水平面。在两截面间列柏式，即：

式中
由于烟道气压强变化不大，烟道气的密度可按

以：

因烟囱顶端内侧压强等于同高度处的大气压强，故
标准状况下空气的密度为时空气的密度为：

于是
将以上各值代入柏式，解得：

其中
烟道气的流速为：

烟道气的流量为：

11 某工业燃烧炉产生的烟气由烟囱排入大气。烟囱的直径d=2m，。烟气在烟囱内的平均温度为200，在此温度下烟气的密度，粘度，烟气流量。在烟囱高度范围内，外界大气的平均密度，设烟囱内底部的压强低于地面大气压，试求烟囱应有多少高度？
试讨论用烟囱排气的条件是什么？增高烟囱对烟囱内底部压强有何影响？
解： 列烟囱底部（1截面）与顶部（2截面）柏努利方程

烟囱，
，

，查表得
1-2截面间柏努利方程为

烟囱得以排气的必要条件是，
若≮时，≮0，即无法起到抽吸作用。
增加，降低（即真空度增加），抽吸量增加。

15