第一章 流體的流動(dòng).docx

第一章 流體的流動(dòng)1.什么事連續(xù)性假設(shè)？質(zhì)點(diǎn)的含義是什么？答：連續(xù)性介質(zhì)假定是將流體視為無(wú)數(shù)流體微團(tuán)或質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)。流體致電是有大量分子組成的分子集合，在宏觀上其幾何尺寸很小，但包含足夠多的分子，在微觀上其尺寸度遠(yuǎn)大于分子的平均自由程。2.不可壓縮流體在半徑ri的水平管內(nèi)流動(dòng)，試寫(xiě)出以duz/dr表示牛頓粘度定律的表達(dá)式，其中r為管中心算起的徑向距離坐標(biāo)，ur為r處的流體流速。答：t=-mduz/dr3黏性流體在靜止時(shí)有無(wú)剪應(yīng)力？理想流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)有無(wú)剪應(yīng)力？若流體在靜止時(shí)無(wú)剪應(yīng)力，是否意味著它們沒(méi)有黏性？答:(1)黏性流體在靜止時(shí)無(wú)剪應(yīng)力；（2）理想流體無(wú)剪應(yīng)力；（3）黏性是流體的固有特性，在靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)都有黏性。4.靜壓力有什么特性？ 答：靜壓力的方向與其作用面相垂直，且在各個(gè)方向的數(shù)值相同，即靜壓力為標(biāo)量。5.流體在均勻直管內(nèi)作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，其平均數(shù)度u沿流程保持定值，并不因摩擦而減速，這一說(shuō)法是否正確？為什么？答：不正確。根據(jù)連續(xù)性方程，流體在直管中向下定態(tài)流動(dòng)時(shí)，其平均流速隨管截面積和流體密度而變。但流體不可壓縮時(shí)，該說(shuō)法是正確的。6.在滿(mǎn)流的條件下，水在垂直直管中向下定態(tài)流動(dòng)。則對(duì)沿管長(zhǎng)不同位置處的平均流速而言，是否會(huì)因重力加速度而使下部的速度大于上部的速度？答：不會(huì)。7在應(yīng)用機(jī)械能衡算方程解題時(shí)需要注意哪些問(wèn)題？答：（1）所選控制面的上下游都應(yīng)與流動(dòng)方向垂直；（2）流體在兩截面間應(yīng)是連續(xù)的待求的未知量應(yīng)在截面上或兩截面之間；（3）截面上的物理量均取截面上的平均值；(4)位壓頭的基準(zhǔn)面應(yīng)是水平面，且z值是指截面中心點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面之間的距離；（5）物理量的單位要一致。8.雷諾數(shù)的物理意義是什么？答：慣性力與黏性力之比。9.湍流與層流有何不同，湍流的主要特點(diǎn)是什么？答：層流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)沿流線(xiàn)向下游作規(guī)則的流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)宏觀混合；流體分子在不同流速的流體層之間作隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生黏性力內(nèi)摩擦力。湍流流動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈混合和隨機(jī)高頻脈動(dòng)；流體層之間由于質(zhì)點(diǎn)碰撞與混合所產(chǎn)生的湍流應(yīng)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體黏性所產(chǎn)生的黏性力；離開(kāi)壁面的區(qū)域，湍流的流速分布較均勻；而在壁面附近，湍流的速度梯度較大。10.分別寫(xiě)出描述流體作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)的分子動(dòng)量傳遞的通量方程和流體作湍流時(shí)渦流動(dòng)量傳遞的通量方程，以及流體與固體壁面之間進(jìn)行對(duì)流動(dòng)量的傳遞的速率方程，說(shuō)明各個(gè)方程代表的物理意義。答:層流：t=n 式中，t為分子動(dòng)量通量，N/m2；d(rux)為動(dòng)量濃度梯度，（kg.m.s-1）/( m3. m2); n為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。 湍流：tr=e 式中，式中，tr為分子動(dòng)量通量，N/m2；e為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。 流體壁面之間的動(dòng)量傳遞通量：t= (ru-rus)式中，式中，t為分子動(dòng)量通量；ru-rus為流體的平均動(dòng)量濃度之差；lu/8為流體壁面間的動(dòng)量傳遞系數(shù)。11.試通過(guò)流體進(jìn)行動(dòng)量傳遞的機(jī)理分析流體流動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力的原因。答：流體與壁面紙巾啊傳遞的動(dòng)量通量為壁面剪應(yīng)力t它反映了 壁面拖曳體層運(yùn)動(dòng)的力或流動(dòng)阻力。但流體阻力產(chǎn)生的原因是由于流體的內(nèi)摩擦消耗了機(jī)械能。12.流體在固體壁面上產(chǎn)生邊界層分離的必要條件是什么？試通過(guò)邊界層分離現(xiàn)象分析形體阻力（局部阻力）產(chǎn)生的原因。答：邊界層分離的必要條件是流體具有黏性和流動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度。當(dāng)發(fā)生邊界層分離時(shí)，流體脫離壁面形成回流漩渦，流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞與混合，大量消耗流體的機(jī)械能，即形成局部阻力。第三章非均相混合物分離及固體流態(tài)化1.根據(jù)顆粒沉降原理，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置來(lái)測(cè)定液體的黏度。答：可在一個(gè)透明玻璃容器內(nèi)用落球法測(cè)定的黏度。在透明玻璃容器內(nèi)盛滿(mǎn)待測(cè)液體，讓一個(gè)剛性小球在待測(cè)液體中下落，測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)小球下落的距離H，便可求得液體的黏度。測(cè)定中已知液體的密度，小球的密度，直徑d，計(jì)算公式下：要求小球的沉降必須在滯流區(qū)，玻璃容器的尺寸需足夠大以消除壁效應(yīng)。2. 已知顆粒的沉降速度求顆粒的直徑d時(shí)，試根據(jù)（3-15）的思路。找出一不含d的量綱為一數(shù)群，作為三個(gè)流型區(qū)域的判斷。答：滯流區(qū) 由 可得因此有 （1）湍流區(qū) 由 可得因此有 （2）比較（1），（2）兩式，令滯流區(qū) 湍流區(qū) 1000 3062.5 所以，已知顆粒的沉降速度 求顆粒的直徑d時(shí)，可用作判據(jù)。當(dāng)0.056時(shí)，沉降在滯流區(qū)；當(dāng)3062.5時(shí)，沉降在湍流區(qū)；當(dāng)0.0563062.5時(shí)，沉降在過(guò)渡區(qū)。3.試分析過(guò)濾壓力差對(duì)過(guò)濾常數(shù)的影響。答：K=2kp1-s其中 不隨壓力差變化，則若介質(zhì)阻力Rm=rLe= 不隨壓力變化，則 若濾餅不可壓縮，則有，qe與無(wú)關(guān)。5.試分析采取下列措施后，轉(zhuǎn)筒過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力將如何變化，再分析上述各項(xiàng)措施的可能性。已知過(guò)濾介質(zhì)阻力可忽略，濾餅不可忽略。（1）轉(zhuǎn)筒尺寸按比例增大50%，=1.5D，=1.5L則 （2）轉(zhuǎn)筒浸沒(méi)度增大50%，則 （3）操作真空度增大50%，=1.5K則 （4）轉(zhuǎn)速增大50%， 則 （5）濾漿中固相體積分?jǐn)?shù)由10%增稠至15%，已知濾餅中固相體積分?jǐn)?shù)為60%根據(jù)濾漿中的固相含量及濾餅中固相體積分?jǐn)?shù) ，可求出濾餅體積與濾液體積之比。濾漿中固相體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，形成1m3濾餅需要固體顆粒0.6m3，所對(duì)應(yīng)的料漿量是(0.6/0.1)m3，因此，形成1m3濾餅可得到(6-1) 濾液，則=m3/m3=0.2m3/ m3濾漿中固相體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，形成1m3濾餅需要固體顆粒0.6m3，所對(duì)應(yīng)的料漿量是0.6/0.15 m3 = 4m3，因此，形成1m3濾餅可得到（4-1）m3=3濾液，則=濾餅不可壓縮，所以，則 （6）升高濾漿溫度，使濾液黏度減小50%，則 從上面的計(jì)算可以看出，增大轉(zhuǎn)筒尺寸，增大轉(zhuǎn)筒浸沒(méi)度，增大操作真空度，增大轉(zhuǎn)速，升高濾漿溫度使濾液黏度減小均可使過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力增大。濾漿中固相體積分?jǐn)?shù)增大則會(huì)減?。ò礊V液體積計(jì)的）過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力。6. 理想流化床和實(shí)際流化床的差別主要是什么？ 答：理想流化床的壓降為一恒定值。實(shí)際流化床曲線(xiàn)上，在固定床向流化床轉(zhuǎn)化時(shí)有一“駝峰”，且在流化床階段，壓力降是波動(dòng)的。第五章 傳熱1.在熱傳導(dǎo)問(wèn)題中，術(shù)語(yǔ)“一維”是什么意思？何謂穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)？答：所謂“一維”導(dǎo)熱是指只沿著一個(gè)方向進(jìn)行的熱傳導(dǎo)過(guò)程（包括圓筒的徑向?qū)幔?；所謂穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)是指?jìng)鳠崴俾什浑S時(shí)間而變化，即溫度梯度只是位置的函數(shù)而與時(shí)間無(wú)關(guān)。2.什么叫熱阻？試說(shuō)明在多層平壁和多層筒壁熱傳導(dǎo)中應(yīng)用熱阻的優(yōu)點(diǎn)及在傳熱分析中的作用？答：熱阻是反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。由于系統(tǒng)中任一段的熱阻與該段的溫度差成正比，利用此關(guān)系可以計(jì)算界面溫度或物體內(nèi)溫度分布。3.對(duì)流傳熱系數(shù)的作用是什么？說(shuō)明對(duì)流傳熱的機(jī)理及求算對(duì)流傳熱系數(shù)的途徑。答：對(duì)流傳熱系數(shù)反映了對(duì)流傳熱的快慢，反映了對(duì)流傳熱熱阻的大小。對(duì)流傳熱系數(shù)越大表示對(duì)流傳熱越快。運(yùn)動(dòng)著的流體質(zhì)點(diǎn)以?xún)?nèi)能形式攜帶著能量由一處移向另一處，此類(lèi)熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流傳熱。固體壁面處的熱量首先以熱傳導(dǎo)方式通過(guò)靜止的流體層進(jìn)入層流內(nèi)層，在層流內(nèi)層中傳熱方式亦為熱傳導(dǎo)；在緩沖層內(nèi)兼有熱傳導(dǎo)和渦流傳熱兩種傳熱方式；湍流核心的熱量傳遞以渦流傳熱為主。由流動(dòng)邊界層的概念和對(duì)流傳熱的機(jī)理分析可知，傳熱的溫度梯度主要存在緊貼壁面的熱邊界層處，即熱邊界層是進(jìn)行對(duì)流傳熱的主要區(qū)域。求算對(duì)流傳熱系數(shù)的主要途徑有：（1）實(shí)驗(yàn)測(cè)定；（2）關(guān)聯(lián)式估算，必要時(shí)可查資料獲得。4.試說(shuō)明流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)大于無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)的理由。答：有相變時(shí)的傳熱過(guò)程特點(diǎn)是相變流體要放出或吸收大量的潛熱，但流體溫度不會(huì)發(fā)生變化。有相變時(shí)在氣液兩相界面處產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，從而使對(duì)流傳熱系數(shù)較無(wú)相變時(shí)的更大。5.為什么滴狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)高？答：膜狀冷凝在壁面上一旦形成液膜后，蒸氣的冷凝只能在液膜的表面上進(jìn)行，即蒸氣冷凝是放出的潛熱，必須通過(guò)液膜后才能傳給冷壁面。液膜內(nèi)依靠熱傳導(dǎo)，流體的導(dǎo)熱系數(shù)通常較小，這層冷凝液膜往往成為冷凝的主要熱阻。在滴狀冷凝時(shí)，壁面大部分面積直接暴露在蒸氣中，可供蒸氣冷凝。由于沒(méi)有液膜阻礙熱流，因此滴狀冷凝傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的可高幾倍甚至幾十倍。6.對(duì)于膜狀冷凝，雷諾數(shù)是怎樣定義的？答：用來(lái)判斷膜層流型的雷諾數(shù)Re經(jīng)常表示為冷凝負(fù)荷M的函數(shù)。若以A表示凝液的流通面積，P表示潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度，qm表示凝液的質(zhì)量流量，并令表示單位長(zhǎng)度潤(rùn)濕周邊上的冷凝也質(zhì)量流量，則有7.如何理解輻射傳熱中黑體和灰體的概念？答：（1）能全部吸收輻射能，即吸收率A=1的物體，稱(chēng)為黑體或絕對(duì)黑體。黑體是理想物體，實(shí)際上并不存在。（2）凡能以相同的吸收率且部分地吸收由0到所有波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體，定義為灰體。灰體有一下特點(diǎn)：灰體的吸收率A不隨輻射線(xiàn)的波長(zhǎng)而變?；殷w是不透熱體，即A+R=1?；殷w也是理想物體，但大多數(shù)的工程材料都可視為灰體。8.蒸氣管道外包扎有兩層導(dǎo)熱系數(shù)不同而厚度相同的絕熱層，設(shè)外層的平均直徑為內(nèi)層的兩倍，其導(dǎo)熱系數(shù)也為內(nèi)層的兩倍。若將兩層材料位置互換，而假定其他條件不變，試問(wèn)每米管長(zhǎng)的熱損失將改變多少？說(shuō)明在本題情況下，哪一種材料包扎在內(nèi)層較為合適？答：因?yàn)?rm2=2rm1，2=21所以 Sm2=2Sm1 故即每米管長(zhǎng)的熱損失將變?yōu)樵瓉?lái)的1.25倍。所以， 導(dǎo)熱系數(shù)較小的那種材料包扎在內(nèi)層較為合適。9.在管殼式換熱器中，熱應(yīng)力是如何產(chǎn)生的，熱應(yīng)力有何影響，為克服熱應(yīng)力的影響應(yīng)采取何種措施？答:管殼式熱應(yīng)器又稱(chēng)列管式熱應(yīng)器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。當(dāng)換熱管與管殼的溫差較大（大于50攝氏度）時(shí)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，為克服熱應(yīng)力的影響，在換熱器結(jié)構(gòu)上采取如下措施：（1）在管殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強(qiáng)度限制不能太高。固定管板式換熱器適用于兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合；（2）浮頭式轉(zhuǎn)換器兩端管板之一不與殼體固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，當(dāng)轉(zhuǎn)換器與殼體有溫差存在，殼體或轉(zhuǎn)換器膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；（3）U形管式換熱器只有一個(gè)管板，換熱器為U形，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U形換熱器有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；（4）填料函式換熱器管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。10.管殼式換熱器為何常采用多管程，分程的作用是什么？答：當(dāng)流體的流量較小時(shí)，采用多管程可以提高管內(nèi)流速，進(jìn)而提高對(duì)流傳熱系數(shù)。11.換熱器傳熱計(jì)算有哪兩種方法，他們之間的區(qū)別是什么？答：這兩種方法是：平均溫度差法和傳熱單元數(shù)法?？倐鳠崴俾史匠淌绞菗Q熱器計(jì)算的基本關(guān)系式。若以tm表示傳熱過(guò)程冷、熱流體的平均溫度差，則積分結(jié)果可表示為Q=KAtm,用該式進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)需先計(jì)算出tm ，故此方法稱(chēng)為平均溫度差法。傳熱單元數(shù)法又稱(chēng)傳熱效率-傳熱單元數(shù)法。該法在換熱器校核計(jì)算、換熱器系統(tǒng)最優(yōu)化計(jì)算方面得到了廣泛的應(yīng)用。例如，換熱器的校核計(jì)算通常是對(duì)一定尺寸和結(jié)構(gòu)的換熱器，確定流體的出口溫度。因溫度為未知數(shù)，若用對(duì)數(shù)平均溫度差法求解，就必須反復(fù)試算。此時(shí)，采用-NTU法則較為簡(jiǎn)便。12.如何強(qiáng)化換熱器中傳熱過(guò)程，如何評(píng)價(jià)傳熱過(guò)程強(qiáng)化的效果？答：所謂換熱器傳熱過(guò)程的強(qiáng)化就是力求使換熱器在單位時(shí)間內(nèi)、單位傳熱面積上傳遞的熱量盡可能增多。傳熱過(guò)程的強(qiáng)化有以下幾條途徑：（1）增大單位體積的傳熱面積 增大傳熱面積，可以提高換熱器的傳熱速率。但增大傳熱面積不能靠增大換熱器的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是要從設(shè)備的結(jié)構(gòu)入手，提高單位體積的傳熱面積。工業(yè)上往往通過(guò)改進(jìn)傳熱面的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）增大平均溫度差 增大平均溫度差，可以換熱器的傳熱效率。平均溫度差的大小主要兩流體的溫度條件和兩流體在換熱器的流動(dòng)形式。一般來(lái)說(shuō)，物料的溫度由生產(chǎn)工藝來(lái)決定，在條件允許時(shí)，提高加熱介質(zhì)溫度和降低冷卻介質(zhì)溫度對(duì)提高平均溫度差都是有效的。另外，采用逆流操作或增加管殼式換熱器的殼程數(shù)使t增大。（3）增大總傳熱系數(shù) 增大總傳熱系數(shù)，可以提高換熱器的效率。由總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式可見(jiàn)，要提高K值，就必須減少各項(xiàng)熱阻。但因各項(xiàng)熱阻所占比例不同，故應(yīng)設(shè)法減少對(duì)K值影響較大的熱阻。減少熱阻的方法有：提高流體的速度；增強(qiáng)流體的擾動(dòng)；在流體中加固體顆粒；在氣流中噴入液滴；采用短管換熱器；防止結(jié)垢和及時(shí)清除垢層。評(píng)價(jià)傳熱強(qiáng)化效果通常用消耗相等輸送功率的前提下，比較傳熱系數(shù)的變化程度。當(dāng)（K0）p1時(shí)，說(shuō)明強(qiáng)化傳熱有效。傳熱過(guò)程強(qiáng)化單純追求S、tm及K的提高是不行的。因?yàn)樗扇〉膹?qiáng)化措施往往使流動(dòng)阻力增大，其他方面的消耗或要求提高。因此，在采取強(qiáng)化措施的時(shí)候，要對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造費(fèi)用、動(dòng)力消耗、運(yùn)行維修等予以全面考慮，采取經(jīng)濟(jì)而合理的強(qiáng)化方法。13.流速的選擇在換熱器設(shè)計(jì)中有何重要意義，在選擇流速時(shí)應(yīng)考慮哪些因素？答：增加流體的換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面沉積的可能，即將低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積