傳遞工程資料

1、【1】試說(shuō)明傳遞現(xiàn)象所遵循的基本原理和基本研究方法。答：傳遞現(xiàn)象所遵循的基本原理為一個(gè)過(guò)程傳遞的通量與描述該過(guò)程的強(qiáng)度性質(zhì)物理量的梯度成正比，傳遞的方向?yàn)樵撐锢砹肯陆档姆较颉鬟f現(xiàn)象的基本研究方法主要有三種，即理論分析方法、實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)值計(jì)算方法。【2】加速度向量可表示為，試寫(xiě)出直角坐標(biāo)系中加速度分量的表達(dá)式，并指出何者為局部加速度的項(xiàng)，何者為對(duì)流加速度的項(xiàng)。解：直角坐標(biāo)系下，速度u有三個(gè)分量，因此加速度也有三個(gè)分量，其表達(dá)式分別為 表達(dá)式中對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)為局部加速度項(xiàng)，即分別為、和；對(duì)流加速度項(xiàng)為后面的含速度分量的三項(xiàng)之和，即分別為、和?！?】為強(qiáng)化一臺(tái)冷油器的傳熱，有人用提高冷卻水流速

2、度的辦法，但發(fā)現(xiàn)效果并不顯著，試用熱量傳遞原理分析其中原因?冷油器中由于油的粘度較大，對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，占整個(gè)傳熱過(guò)程中熱阻的主要部分，而冷卻水的對(duì)流換熱熱阻較小，不占主導(dǎo)地位，因而用提高水速的方法，只能減小不占主導(dǎo)地位的水側(cè)熱阻，故效果不顯著。【4】某一流場(chǎng)的速度向量可以下式表述試寫(xiě)出該流場(chǎng)隨體加速度向量的表達(dá)式。解：由速度向量的表達(dá)式得：所以【5】溫度為20的甘油以10kg/s的質(zhì)量流率流過(guò)寬度為1m、高度為0.1m的矩形截面管道，流動(dòng)已充分發(fā)展，試求甘油在流道中心處的流速與離中心25mm處的流速；通過(guò)單位管長(zhǎng)的壓降；管壁面處的剪應(yīng)力。解：已知質(zhì)量流率w = 10kg/s；查表得甘

3、油密度1261kg/m3；甘油粘度1.5Pa·s；流道寬度B = 1m；流道高度h = 0.1m；所以，b = h/2 = 0.05m；y =0.025 m； 首先判斷一下流動(dòng)類型當(dāng)量直徑 所以流動(dòng)為層流在流道中心出的流速： 在離流道中心25mm處的流速： 單位管長(zhǎng)的壓降： 管壁面處的剪應(yīng)力： 【6】流體在兩塊無(wú)限大平板間作一維穩(wěn)態(tài)層流。試求截面上等于主體速度的點(diǎn)距壁面的距離。又如流體在圓管內(nèi)作一維穩(wěn)態(tài)層流時(shí)，該點(diǎn)與壁面的距離為若干？解：當(dāng)流體在平板壁面間流動(dòng)時(shí)，速度分布方程為 當(dāng)截面某處的流速等于主體流速時(shí)，有 由此解得：，此處距壁面的距離為（B為流道寬度） 當(dāng)流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，

4、速度分布方程為 當(dāng)截面某處的流速等于主體流速時(shí)，有 由此解得：，此處距壁面的距離為（D為管徑）【7】某流體以0.15kg/s的質(zhì)量流率沿寬為1m的垂直平壁呈膜狀下降，已知流體的運(yùn)動(dòng)粘度為1×10-4m2/s，密度為1000kg/m3。試求流動(dòng)穩(wěn)定后形成的液膜厚度。解：已知質(zhì)量流率w = 0.15kg/s；密度1000kg/m3；運(yùn)動(dòng)粘度1×10-4m2/s；板寬B = 1m；傾角 = 90°先假設(shè)該降膜流動(dòng)為層流，設(shè)液膜的厚度為，則 又因?yàn)椋瑥亩獾?然后驗(yàn)算一下雷諾數(shù)：，所以流動(dòng)為層流，假設(shè)正確。 【8】試推導(dǎo)不可壓縮流體在圓管中作一維穩(wěn)態(tài)層流時(shí)，管壁面剪應(yīng)力與

5、主體速度的關(guān)系。解：因?yàn)?，而流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，速度分布方程為將其代入上式得：【9】在平板壁面上的湍流邊界層中，流體的速度分布方程可用布拉修斯1/7次方定律表示試證明該式在壁面附近（即處）不能成立。證：由于該公式中的 為湍流邊界層的厚度，而在壁面附近（即處）邊界層的流動(dòng)為層流，此時(shí)已不再適用，因此該公式在壁面附近（即處）不能成立?！?0】溫度為20的水，以5m/s的流速流過(guò)寬度為1m的平板壁面，試求距平板前緣2m處的邊界層厚度及水流過(guò)2m距離對(duì)平板所施加的總曳力。解：已知流速u5m/s；查表得20水的密度998.2kg/m3；20水的粘度1.005×10-3Pa·s；b1m

6、；L2m；首先判斷一下流型：，所以流動(dòng)為湍流【11】不可壓縮流體沿平板壁面作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，并在平板壁面上形成湍流邊界層，邊界層內(nèi)為二維流動(dòng)。若方向上的速度分布滿足1/7次方定律，試?yán)眠B續(xù)性方程導(dǎo)出方向上的速度分量表達(dá)式。解：由連續(xù)性方程可知 （1）平板壁面上的湍流邊界層中流體的速度分布的1/7次方定律為 于是， （2） 將式（2）代入式（1）得 （3） 上式對(duì)y積分可得 （4）平板壁面上的湍流邊界層厚度的表達(dá)式為所以 （5）將（5）代入（4）中可得【12】20的水流過(guò)內(nèi)徑為0.06m的水平光滑圓管，已知水的主體流速為20m/s，試求距離管壁0.02m處的速度、剪應(yīng)力及混合長(zhǎng)。解：已知20下水的物

7、性值如下：（1）流動(dòng)的雷諾數(shù)為：，所以為湍流流動(dòng)的阻力系數(shù)為：于是，摩擦速度 而無(wú)因次壁面距離 ，所以距離管壁0.02m處為湍流核心區(qū)。無(wú)因次速度 由因?yàn)椋跃喙鼙?.02 m處的速度u為 （2）由得：距離管壁0.02m處的剪應(yīng)力為當(dāng)流體在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部任意一質(zhì)點(diǎn)受力平衡，因此單位體積的流體受到的流動(dòng)阻力相等，而流動(dòng)阻力來(lái)自于剪應(yīng)力，因此有常數(shù)，考慮到壁面附近流體所受的剪應(yīng)力有 由此可得故距管壁0.02 m處的剪應(yīng)力為 （3）將式(543)兩側(cè)同乘以u(píng)*可得 兩邊對(duì)y +求導(dǎo)數(shù)得：由于，所以故根據(jù)普蘭德混合長(zhǎng)理論：所以普蘭德混合長(zhǎng) l 為【13】標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，20的空氣以15m

8、/s的流速流經(jīng)直徑為0.0508m的光滑管，空氣的密度為1.205kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為，范寧摩擦系數(shù)可按計(jì)算。對(duì)于充分發(fā)展了的流動(dòng)，試估算層流內(nèi)層、過(guò)渡層及湍流中心的厚度各位若干？解：已知u15m/s；空氣的密度1.205kg/m3；空氣的運(yùn)動(dòng)粘度；d0.0508m；首先計(jì)算一下雷諾數(shù)，以判斷流型 所以流動(dòng)為湍流 在上題情況下，試求壁面、層流內(nèi)層外緣、過(guò)渡層外緣以及管中心處的流速和剪應(yīng)力。解：（1）在壁面處流速為0，剪應(yīng)力滿足下面的關(guān)系式 （2）在層流內(nèi)層外緣處，而此時(shí) 所以此處流速為 此處的剪應(yīng)力為 （3）在過(guò)渡層外緣處，而此時(shí)所以此處的剪應(yīng)力為 （4）在管中心處而此時(shí)所以或由布拉修斯公式

9、得管中心處最大速度 此處的剪應(yīng)力為【14】水以2m/s的平均流速流過(guò)直徑為25mm、長(zhǎng)2.5m的圓管。管壁溫度恒定，為320K。水的進(jìn)、出口溫度分別為292K和295K，試求柯?tīng)柋疽驍?shù)的值。解：定性溫度查表得，294K下水的密度：997.95kg/m3；水的粘度98.51×10-5Pa·s首先計(jì)算雷諾數(shù)以判斷流型：，所以為湍流，所以有：【15】試寫(xiě)出費(fèi)克第一定律的四種表達(dá)式，并證明對(duì)同一系統(tǒng)，四種表達(dá)式中的擴(kuò)散系數(shù)為同一數(shù)值，討論各種形式費(fèi)克定律的特點(diǎn)和在什么情況下使用。答：以質(zhì)量濃度、摩爾濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)、摩爾分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)表示的費(fèi)克第一定律的四種表達(dá)式分別為 （1） （2）

10、（3） （4）菲克擴(kuò)散定律表達(dá)式（1）的特點(diǎn)是擴(kuò)散通量表達(dá)為質(zhì)量濃度梯度的線性函數(shù)，比例系數(shù)描述的是質(zhì)量傳遞通量與質(zhì)量濃度梯度之間的關(guān)系；菲克擴(kuò)散定律表達(dá)式（2）的特點(diǎn)是擴(kuò)散通量表達(dá)為摩爾濃度梯度的線性函數(shù)，比例系數(shù)描述的是摩爾傳遞通量與摩爾濃度梯度之間的關(guān)系。表達(dá)式（1）和表達(dá)式（2）的適用范圍是等溫、等壓下的單向分子擴(kuò)散。菲克擴(kuò)散定律表達(dá)式（3）的特點(diǎn)是擴(kuò)散通量表達(dá)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度的線性函數(shù)，比例系數(shù)描述的是質(zhì)量傳遞通量與質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度之間的關(guān)系；菲克擴(kuò)散定律表達(dá)式（4）的特點(diǎn)是擴(kuò)散通量表達(dá)為摩爾分?jǐn)?shù)梯度的線性函數(shù)，比例系數(shù)描述的是摩爾傳遞通量與摩爾分?jǐn)?shù)梯度之間的關(guān)系。表達(dá)式（3）的適用范圍是

11、等溫、等壓下的單向分子擴(kuò)散，且總質(zhì)量濃度為常數(shù)；表達(dá)式（4）的適用范圍是等溫、等壓下的單向分子擴(kuò)散，且總摩爾濃度為常數(shù)。下面以表達(dá)式（3）和表達(dá)式（4）為例，證明其中的比例系數(shù)為同一數(shù)值。對(duì)于雙組分而言，由于A組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系滿足而，所以又由于，而，于是有，由此可得，即表達(dá)式（3）和表達(dá)式（4）實(shí)際上是等價(jià)的，所以其中的比例系數(shù)為同一數(shù)值?！?6】試證明組分A、B組成的雙組分系統(tǒng)中，在一般情況（存在主體流動(dòng)，）下進(jìn)行分子擴(kuò)散時(shí)，在總濃度恒定條件下，。證：在擴(kuò)散體系中選取分子對(duì)稱面作為研究對(duì)象。分子對(duì)稱面的定義是分子通過(guò)該面的靜通量為零，即有一個(gè)A分子通過(guò)這個(gè)截面，那么必有一個(gè)

12、B分子反方向通過(guò)該截面，于是有而，又因?yàn)?，所以，即于是有所以，【17】在容器內(nèi)裝有等摩爾分率的氧氣、氮?dú)夂投趸?，它們的質(zhì)量分率各為多少？若為等質(zhì)量分率，則它們的摩爾分率各為多少？解：當(dāng)容器內(nèi)的氧氣、氮?dú)夂投趸紴榈饶柗致蕰r(shí)，有，這時(shí)它們的質(zhì)量分率分別為當(dāng)容器內(nèi)的氧氣、氮?dú)夂投趸紴榈荣|(zhì)量分率時(shí)，有，這時(shí)它們的質(zhì)量分率分別為【18】平板邊界層內(nèi)的對(duì)流傳質(zhì)可由下述方程描述層流：，湍流：設(shè)邊界層由層流想湍流的轉(zhuǎn)變發(fā)生在Re=2×105，如果一塊大平板上的來(lái)流為層流，平板另一端（x=L）的Reynolds數(shù)為ReL=3 ×105，試確定發(fā)生在平板上方層流區(qū)域中質(zhì)量傳遞的

13、百分比?！?9】水在恒定溫度293K下，由細(xì)管底部通過(guò)在直立的細(xì)管向干空氣中蒸發(fā)。干空氣的總壓為，溫度為293K。水蒸汽在細(xì)管內(nèi)由液面到頂部的擴(kuò)散距離為，在上述條件下，水蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為，試求穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)水蒸汽的摩爾通量及濃度分布方程。解：此題為組分A（水蒸汽）通過(guò)停滯組分B（空氣）的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問(wèn)題。（1）求水蒸汽的摩爾擴(kuò)散通量NA在水面（即z1=0）處， 水的飽和蒸汽壓在管頂部（即z2=0.15m）處，由于水蒸汽的分壓很小，可視為零，即pA20。所以將各分壓數(shù)據(jù)代入得水蒸汽的摩爾通量為（2）求濃度分布 由可得由氣相摩爾分?jǐn)?shù)表示的濃度分布方程為其中，將yA1和yA2代入上式可得整理得：濃度

14、分布方程為【20】 當(dāng)平板壁面與其上的層流邊界層中的流體之間同時(shí)進(jìn)行動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞時(shí)，壁面噴出物質(zhì)對(duì)邊界層的速度分布和速度邊界層厚度會(huì)產(chǎn)生什么影響？壁面由邊界層中吸入物質(zhì)時(shí)的影響又為何？為什么？答：當(dāng)壁面噴出物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生，使邊界層的速度分布和厚度改變。當(dāng)噴出物質(zhì)時(shí)，它必然由被加速到而消耗一部分動(dòng)量。與之相毗鄰的流體將被減速，從而速度梯度變小，速度分布均勻，邊界層加厚。反之當(dāng)壁面吸入物質(zhì)時(shí)，會(huì)使高速層中的微團(tuán)向壁面低速層中傳遞，使靠近壁面處的速度梯度增加，邊界層減薄。【21】 當(dāng)平板壁面與其上的層流邊界層中的流體同時(shí)進(jìn)行動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞時(shí)，由于壁面向邊界層噴出物質(zhì)而使速度邊界層厚度發(fā)生變化，試問(wèn)這種變化相應(yīng)地對(duì)溫度邊界層和濃度邊界層厚度將發(fā)生什么影響？又對(duì)各傳遞系數(shù)（曳力系數(shù)、對(duì)流傳熱