化工原理上冊(cè)課后習(xí)題及答案

1、第一章：流體流動(dòng)二、本章思考題1-1何謂理想流體？實(shí)際流體與理想流體有何區(qū)別？如何體現(xiàn)在伯努利方程上？1-2何謂絕對(duì)壓力、表壓和真空度？表壓與絕對(duì)壓力、大氣壓力之間有什么關(guān)系？真空度與絕對(duì)壓 力、大氣壓力有什么關(guān)系？1-3流體靜力學(xué)方程式有幾種表達(dá)形式？它們都能說(shuō)明什么問(wèn)題？應(yīng)用靜力學(xué)方程分析問(wèn)題時(shí)如何 確定等壓面？1-4如何利用柏努利方程測(cè)量等直徑管的機(jī)械能損失？測(cè)量什么量？如何計(jì)算？在機(jī)械能損失時(shí)， 直管水平安裝與垂直安裝所得結(jié)果是否相同？1-5如何判斷管路系統(tǒng)中流體流動(dòng)的方向？1-6何謂流體的層流流動(dòng)與湍流流動(dòng)？如何判斷流體的流動(dòng)是層流還是湍流？1-7 一定質(zhì)量流量的水在一定內(nèi)徑的圓管中

2、穩(wěn)定流動(dòng)，當(dāng)水溫升高時(shí)，Re將如何變化？1-8何謂牛頓粘性定律？流體粘性的本質(zhì)是什么？1-9何謂層流底層？其厚度與哪些因素有關(guān)？ 1-10摩擦系數(shù) 入與雷諾數(shù)Re及相對(duì)粗糙度；/d的關(guān)聯(lián)圖分為4個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域中，入與哪些因hh2素有關(guān)？哪個(gè)區(qū)域的流體摩擦損失f與流速U的一次方成正比？哪個(gè)區(qū)域的f與U成正比？光滑管流動(dòng)時(shí)的摩擦損失 hf與U的幾次方成正比？1-11管壁粗糙度對(duì)湍流流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力損失有何影響？何謂流體的光滑管流動(dòng)？1-12在用皮托測(cè)速管測(cè)量管內(nèi)流體的平均流速時(shí)，需要測(cè)量管中哪一點(diǎn)的流體流速，然后如何計(jì)算平均流速？三、本章例題例1-1如本題附圖所示，用開(kāi)口液柱壓差計(jì)測(cè)量敞口貯槽中

3、油品排放量。已知貯槽直徑D為3m,油品密度為900kg/m3。壓差計(jì)右側(cè)水銀面上灌有槽內(nèi)的油品，其高度為h1。已測(cè)得當(dāng)壓差計(jì)上指示劑讀數(shù)為R1時(shí)，貯槽內(nèi)油面與左側(cè)水銀面間的垂直距離為H1。試計(jì)算當(dāng)右側(cè)支管內(nèi)油面向下移動(dòng)30mm后，貯槽中排放出油品的質(zhì)量。解：本題只要求出壓差計(jì)油面向下移動(dòng)30mm時(shí)，貯槽內(nèi)油面相應(yīng)下移的高度，即可求出 排放量。首先應(yīng)了解槽內(nèi)液面下降后壓差計(jì)中指示 劑讀數(shù)的變化情況，然后再尋求壓差計(jì)中油面下 移高度與槽內(nèi)油面下移高度間的關(guān)系。設(shè)壓差計(jì)中油面下移 h高度，槽內(nèi)油面相應(yīng)下移H高度。不管槽內(nèi)油面如何變化，壓差計(jì)右側(cè)支管中油品及整個(gè)管內(nèi)水銀體積沒(méi)有變化。故當(dāng)壓差計(jì)中油面下

4、移 h后，油柱高度沒(méi)有變化，仍為hl,但因右側(cè)水銀面也隨之下移h，而左側(cè)水銀面必上升 h，故壓差計(jì)中指示劑讀數(shù)變?yōu)椋≧-2h），槽內(nèi)液面與左側(cè)水銀面間的垂直距離變?yōu)椋℉1-H-h ）。當(dāng)壓差計(jì)中油面下移 h后，選左側(cè)支管油與水銀交界面為參考面m，再在右側(cè)支管上找出等壓面n （圖中未畫出 m及n面），該兩面上的表壓強(qiáng)分別為：Pm =（H, -H -口仏 （訂為油品密度）Pn = hi-0 g R -2h”Hgg因Pm = Pn，由上二式得:(1)上式中第一項(xiàng)Hi：*汕°g Eg(2)(Hi -H -h)r°g_ “丸(Ri -姑)沐3將式（2）代入（1h（2并整理得：）3取

5、HO.O3(TOt36o- 90將)已知值代入上式900H0.8767 m即壓差計(jì)右側(cè)支管油面下移30mm，槽內(nèi)液面下降 0.8767m，油品排放量為:D2HT032 0.8767 900 = 5574 kg44例1-2 直徑D為3m的貯水槽下部與直徑 do為40mm的水平輸送管相連。 管路上裝有一個(gè)閘閥，閘閥上游設(shè)有水銀液柱壓差計(jì)，開(kāi)口管水銀面上方有一段R'為20mm的清水。當(dāng)閥門全關(guān)時(shí)，壓差計(jì)上讀數(shù)R為740mm,左側(cè)指示劑液面與水管中心線間的垂直距離h為1m。當(dāng)閥門全開(kāi)時(shí)，不2包括管子出口損失的系統(tǒng)阻力用經(jīng)驗(yàn)公式"hf =40u計(jì)算。式中丄hf為流動(dòng)系數(shù)的總摩擦阻力，J

6、/kg，u為水在管路中的流速,m/s。試求將水放出24m3需經(jīng)歷若干時(shí)間。#解：根據(jù)題意畫出如附圖所示的流程圖。1-2附圖由題意知流動(dòng)過(guò)程中槽內(nèi)水面不斷下降，故本 題屬于不可壓縮流體作非定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)。液面高度 隨流動(dòng)時(shí)間增加而逐漸降低，管中水的流速隨液面 下降而逐漸減小。在微分時(shí)間內(nèi)列全系統(tǒng)的物料衡 算，可求得液體高度隨時(shí)間變化的微分關(guān)系，再列瞬間的柏努利方程式可以獲得液體在輸送管內(nèi)流速隨液面高度的變化關(guān)系。聯(lián)立微分式和瞬間的柏努利式即可求出排水時(shí)間。以水平管的中心線為基準(zhǔn)面，另初始液面與基準(zhǔn)面間的垂直距離為Hi,放出24m3水后的最終液面與基準(zhǔn)面間的垂直距離為H2 （圖中未畫出）。用靜力學(xué)基

7、本方程式先求出Hi,再用貯槽體積、直徑、液體深度間的關(guān)系求出H2。當(dāng)閥門全關(guān)時(shí)，壓差計(jì)讀數(shù)R=0.74m，按常規(guī)的方法在壓差計(jì)上確定等壓參考面，可得：（H 1 h） ： H 2O g = R' ： H 2O h R ： Hg g取?H2og =1000kg/m 3、也=13600 kg/m3,故：（Hi+1） X1000=0.02 杓00+0.74 怡600解得H i=9.084m放出24m3水后液面高度為：H2 =9.084 也=5.687m（3）24實(shí)際上本題是計(jì)算貯槽液面由9.084m降到5.687m所需時(shí)間。設(shè)竟秒內(nèi)液面下降高度為 dH ,管中瞬間流速為U，在dr時(shí)間內(nèi)列全系統(tǒng)

8、水的體積衡算：Vid ： -V°dr dVA式中Vj3水的瞬間加入量，m /s;V。水的瞬間排出量，m /s;dVA時(shí)間內(nèi)，水在槽中的積累量，m3式中各項(xiàng)為：V1 =0江2V°= d0 u4：:. 2 二 2VdAd0 udD dH44整理得“/D、2dHd -()(1)d° u上式中瞬間液面高度 H與瞬間速度U的關(guān)系可通過(guò)列瞬間柏努利式求得。在瞬間液面1-1'（圖 中未畫出）及管出口內(nèi)側(cè)截面 2-2間列瞬間柏努利方程式，以水平管中心線為基準(zhǔn)面:2 2gz1P1 U1P2 U2gz2hfuP2P25式中Z二 HZ2 二 0P1 =0 （表壓）P2 =0 （

9、表壓）u1 ： 0u2 = u （瞬間速度） 23hf 2 = 40u2二 9.81H =+40u22或u= 0.4922 . H（ 2）將式（2）代入式（1）：Dd°）2dH0.4922 . HdH0.4922、H= 11430dHH積分上式的邊界條件為:3=0 H 1 = 9.08 4m匕- n2sH 2 =5.6 87n- -11430h2 dH1 一 H= 11430 2（. H1 - H2）H；：08：=11430 2（ .9.084 - 5.687）=14380s ： 4h例1-3流體在管內(nèi)的汽化用虹吸管將水從水池中吸出，水池液面與虹吸管出口的垂直距離 z = 5m，管路

10、最高點(diǎn)與水面的垂直距離為2m，虹吸管出口流速及虹吸管最高點(diǎn)壓強(qiáng)各為多少？若將虹吸管延長(zhǎng)，使池中Ch = 2m"1z' = 8m水面與出口的垂直距離增為z 8m,出口流速有何變化？（水溫為30C,大氣壓為101.3kPa，水按理想流體處理）。解: （ 1）由斷面1-1、1-2之間的機(jī)械能守恒式得II1-3附圖U2 二 2gz 二.2 9.81 5 二9.9m/s由斷面1-1和C-C之間的機(jī)械能守恒式，并考慮到UC = u2可得PUC2Pc = Pa -，ghPa - ;g（h z）254=1.013 X05-1000 S.81 7=3.27 氷04Pa1-1和2-2'之

11、間的機(jī)械能守恒式（2）虹吸管延長(zhǎng)后，假定管內(nèi)流體仍保持連續(xù)狀態(tài)，由斷面得 上二2gz'Pc' = Pa - 'gh -牛二 Pa -g(z' h)253=1.013 10 -1000 79.81 10=3.30 10 Pa因P'c小于水在30C的飽和蒸汽壓 Pv =4242Pa，故在最高點(diǎn)C附近將出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。此時(shí)，C點(diǎn)壓強(qiáng)不再按機(jī)械能守恒式的規(guī)律變化，而保持為流體的飽和蒸汽壓不變。因此，在斷面1-1和2'-2'間，機(jī)械能守恒式不適用，算出的 u'2無(wú)效。但是，在斷面1-1和C-C之間，流體依然是連續(xù)的，C點(diǎn)的流速可在斷面 1-1

12、和C-C之間列出機(jī)械能守恒式求出:U'c 二2嚴(yán)13 105一4242 -9.81 2)=12.4m/s10007#出口流速u'2二u'c。例1-4阻力損失與勢(shì)能的消耗4高位槽水面距管路出口的垂直距離保持為5m不變，水面上方的壓強(qiáng)為 4.095 10 Pa（表壓）,管路直徑為20mm，長(zhǎng)度為24m （包括管件的當(dāng)量長(zhǎng)度），阻力系數(shù)為0.02，管路中裝球心閥一個(gè),試求：（1）當(dāng)閥門全開(kāi)（ =6.4 ）時(shí)，管路的阻力損失為多少？阻力損失為出口動(dòng)能的多少倍?（2）假定數(shù)值不變，當(dāng)閥門關(guān)小（=20）時(shí)，管路的出口動(dòng)能和阻力損失有何變化?#解：（1）在斷面1-1和2-2之間列機(jī)械

13、能衡算式2 2P1丄U1丄P2丄U2丄wgz112- hfT P0)一©2XL1-4附圖U1 = 0 )，則5m若取大氣壓強(qiáng)和管出口高度為基準(zhǔn)，并忽略容器內(nèi)的流速（即2U2gH P049.81 5 4.905 10ihf或Zhf2U21 -d10.02246.40.021000=3.1 J/kgl . u2= ()旦=(246.4) 3.1 =95J/Kgd 2V? u2205® 9=95J/kgP 21000-0.0224 6.4 二 30.4 (倍)d0.02此結(jié)果表明，實(shí)際流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，阻力損失和動(dòng)能的增加是造成流體勢(shì)能減少的兩個(gè)原因。但對(duì)于通常管路，動(dòng)能增加是一

14、個(gè)可以忽略的小量，而阻力損失是使勢(shì)能減小的主要原因。換言之，阻力損失所消耗的能量是由勢(shì)能提供的。（2）當(dāng)、20時(shí)u'2210002.2J / kg1 0.02 200.023h'f2.vr u'24.905 1042 珂9$1 5 ) 2"95.9與（1）比較，當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，出口動(dòng)能減少而阻力損失略有增加，但是，絕不可因此而誤解為阻 力所消耗的能量是由動(dòng)能提供的。實(shí)際上，動(dòng)能的增加和阻力損失皆由勢(shì)能提供，當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)， 由于損失的能量增加使得動(dòng)能減少了。例1-5虹吸管頂部的最大安裝高度利用虹吸管將池中溫度為90C熱水引出，兩容器水面的垂直距離為2m，管段AB長(zhǎng)

15、5m,管段BC長(zhǎng)10m （皆包括局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度），管路直徑為20mm，直管阻力系數(shù)為 0.02。若要保證 管路不發(fā)生汽化現(xiàn)象，管路頂點(diǎn)的最大安裝高度為多少？（已知90C熱水飽和蒸汽壓為 7.01 >104Pa）解：在斷面1-1和2-2之間列機(jī)械能橫算式，可求得管內(nèi)流速2gHl2x9.81x2, “，=1.62m/s150.02 x 0.02設(shè)頂點(diǎn)壓強(qiáng)Pb二Pv，在斷面1-1和斷面B-B之間列機(jī)械能橫算式，可求出B點(diǎn)最大安裝高度為H =2mPa2maxPaPv2u2g1-5附圖7.01 OO451.622= 10.33(10.02)2.38m9.81X0000.0219.6虹吸管是實(shí)際

16、工作中經(jīng)常碰到的管道，為使吸液管正常工作，安裝時(shí)必須注意兩點(diǎn)：（1）虹吸管頂部的安裝高度不宜過(guò)大；（2）在入口側(cè)管路（圖中 AB段）的阻力應(yīng)盡可能小。例1-6使用同一水源各用戶間的相互影響從自來(lái)水總管引一支路 AB向居民樓供水，在端點(diǎn) B分成兩路各通向一樓和二樓。已知管段AB、BC和BD的長(zhǎng)度（包括管件的當(dāng)量長(zhǎng)度）各為 100m、10m和20m，管徑皆為30mm，直管阻力系數(shù)皆為0.03，兩支路出口各安裝球心閥。假設(shè)總管壓力為3.43 >105Pa （表壓）試求：（1）當(dāng)一樓閥門全開(kāi)（© =6.4 ），高度為5m的二樓能否有水供應(yīng)？此時(shí)管路 AB內(nèi)的流量為多少？（2）若將一樓閥

17、門關(guān)小，使其流量減半，二樓最大流量為多少？解：（1）首先判斷二樓是否有水供應(yīng)， 為此，可假定支路 BD流量為零，并在斷面 A和1-1之間列機(jī)械能衡算式PaBC2U12Pa/ ?- .1a1b'.<10.032 3.43 105/1000100 100.036.4 1=2.42m/su111#在斷面A與B之間列機(jī)械能衡算式，得#Pbgl2Ba _(込 1)土 g d 2g3.43 105100 八2.422(0.031)1000 9.810.032 9.81=4.8 m v5m此結(jié)果表明二樓無(wú)水供應(yīng)。此時(shí)管路AB內(nèi)的流量為2233qvd 5 =0.785 0.032.42 =1.7

18、1 10 m /s4(2)設(shè)一樓流量減半時(shí)，二樓流量為qv?此時(shí)管段AB內(nèi)的流速為4(qv 2可)4qVU13uF F 1 -1.414 103qV1.21jid2nd222管段BD內(nèi)的流速為4qV 24qV 23U222 = 1.414 10 qV2nd兀 x 0.032在斷面A與2-2之間列機(jī)械能衡算式2PaU2gz22U22343 105 =9.81 5 0.03 迺(1.414 1°S 1.21)210000.032+ (0.03 -206.4 1)0.03322(1.414 10 ) qV228252.55 108qV23.42 100-442.2 =0qV-3.42 10

19、5(3.42 105)24 2.55 108 442.22 匯 2.55X08= 8.07 10um3/s對(duì)于通常的分支管路，總管阻力既不可忽略也不占主導(dǎo)地位，此時(shí)，改變支路的數(shù)目或阻力，對(duì)總流量及各支路間流量的分配皆有影響。例1-7 提高流量分配均勻性的代價(jià)在相同的容器1、2內(nèi)，各填充高度為1m和8m的固體顆粒，并以相同的管路并聯(lián)組合，兩支路的管長(zhǎng)皆為 5m,管徑皆為200mm ,直管阻力系數(shù)為 0.02，每支管安裝一閘門閥，容器1和2的局部阻力系數(shù)各為 10和&已知管路的總流量為 0.3m3/s，試求:213（2）當(dāng)兩閥門同時(shí)關(guān)小至（1）當(dāng)兩閥門全開(kāi)時(shí)，兩支路的流量比和并聯(lián)管路的阻

20、力損失;I二D =20時(shí)，兩支路的流量比及并聯(lián)管路的阻力損失有何變化？解：由物料守恒關(guān)系求得": 2 二 2dg d u2 = qV44u1 u24qv _4 0.3-：d2 - 3.1416 0.22= 9.55(1)X12因并聯(lián)管路阻力損失相等，由機(jī)械能衡算式得2U12U2IX當(dāng) 兩 閥 門 全1-7附圖開(kāi)2#蟲(chóng)=J 0.02*5/0.2十8+0.17 =0.9(2)u2V0.02X5/0.2+10 + 0.17U2由式（1）、式（3）得0.。2 5/°.2820 = 0.97.0.02 5/0.2 10 20(3)u24.85m/s1+0.97比=9.55-4.85

21、= 4.7m/s由式（1）、式（2）得u9.555 03m /s2u1-10.9= 9.55 -5.03 二 4.52m/s并聯(lián)管路的阻力損失為55.032Zhf =(0.0280.17)109.5J / kg0.22（2）當(dāng)兩閥門同時(shí)關(guān)小2#2#并聯(lián)管路的阻力損失為-(0.020.28 20)4.852= 335.2J/kg2#2#從此例可以看出，在不均勻并聯(lián)管路中串聯(lián)大阻力元件，可提高流量分配的均勻性，其代價(jià) 仍然是能量的消耗。例1-8倒U形管壓差計(jì)水從傾斜直管中流過(guò)，在斷面A和B之間接一空氣壓差計(jì)，其讀數(shù)R=10mm，兩測(cè)壓點(diǎn)垂直距離 z = 0.3m，試求：（1）A、B兩點(diǎn)的壓差等于多

22、少？（2）若采用密度為830kg/m3的煤油作指示液，壓差計(jì)讀數(shù)為多少？（3）管路水平放置而流量不變，壓差計(jì)讀數(shù)及兩點(diǎn)的壓差有何變化？解：首先推導(dǎo)計(jì)算公式。因空氣是靜止的, 故Pl = P2即Pa -，gh =Pb - Mb -R) - gRPa - g = Pb - ?ghB gR('- :?i)在等式兩邊皆加以 JgHPa 'g(H -hA)二 Pb Tg(H -hB) gR('i)(Pa gzA)-(PB ，gzB)=gR(' -i)Pa'-Pb JgR(- ;?i)(i)若忽略空氣柱的重量，則Pa'-Pb J gR(=9.81 0.01

23、1000 =98.iPaPa - Pb 二 Pa'-Pb-g(ZA -zb) = 98.11000 9.81 0.3 =3.04 10Pa（2）若采用煤油作指示液，壓差計(jì)讀數(shù)為Pa'一 Pb'98.1丄R A B5.88 10 m=58.8mmgC-）9.81 （1000 -830）（3） 若管路流量不變，Pa'-Pb'不變，則壓差計(jì)讀數(shù)R亦不變。又因管路水平放置，Za-Zb=0,故Pa - Pb = pA'-pB'=98.1Pa普通U形管壓差計(jì)所用的指示液的密度大于被測(cè)流體的密度，若指示液的密度小于被測(cè)流體的密度，則必須采用倒 U形管壓

24、差計(jì)。最常用的倒U形管壓差計(jì)是以空氣作為指示劑，稱為空氣壓差計(jì)。例1-9管內(nèi)流量與所需勢(shì)能差的關(guān)系215(1)用壓縮空氣將密閉容器中的苯沿直徑為50mm的鋼管送至某容器內(nèi)，在某勢(shì)能差下，10分鐘可將容器內(nèi)1.8m3的苯排空。問(wèn)欲將輸送時(shí)間縮短一半，管路兩端的勢(shì)能差須增加多少倍？(已知苯的溫度為20 C，管壁粗糙度為 0.5mm )。(2)用壓縮空氣將容器中的甘油沿直徑為10mm的管道送至高位槽，甘油溫度為60C，管內(nèi)流量為0.05 >10-3m3/s。若將流量提高一倍，管道兩端的勢(shì)能差須增加多少倍？33解：(1)溫度為20C時(shí)苯的密度 t = 884kg/m，粘度亠-0.67 10 Pa

25、 s，管內(nèi)流速為4V2d 60040.82=1.53m /sRe884 0.05 1.530.67 10= 1.01 105；0.5d 500.013.14 0.0560017#由直管阻力系數(shù)線圖可以確認(rèn)管內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入充分湍流區(qū)。輸送時(shí)間減半，流速u'增加一倍,直管阻力系數(shù)不變，故,2（'-¥dl .心2 （ ）-d2u'22u（倍）#4qv dRe1260 0.01 0.64= 80.2 ： 2 0000.1(2)溫度為60C時(shí)的甘油的密度 t = 1260kg/m3，粘度=0.1Pa s，管內(nèi)流速為4 5 102 二 0.64m/s3.14 0.012流量

26、增加一倍，流速 u'增加一倍，但流動(dòng)形態(tài)仍為層流，故衛(wèi)=2 （倍）p u顯然，在層流條件下，所需勢(shì)能差與管內(nèi)流速(或流量)成正比；而在湍流條件下，所需勢(shì)能 與流速(或流量)的平方成正比。例1-10無(wú)外加功簡(jiǎn)單輸送管路計(jì)算問(wèn)題的自由度在附圖所示的管路中，管長(zhǎng) I =20m，管徑d =53mm，管壁粗糙度；=0.5mm，高位槽液面 距管路出口的垂直距離 H=4m，管路中有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直角彎頭， 一個(gè)1/2開(kāi)的閘門閥。已知水溫為20C, 管內(nèi)流速為0.5m/s，高位槽液面上方壓強(qiáng)為大氣壓，求流體在該管路中的阻力損失為多少？ 解：方法一：20 C水的粘度1=1 10 Pa sPa1#1 10 &q

27、uot;0 50.0094353查得 = 0.0381-10附圖Lac =0.50.75 4.5 =5.75200.523hf =(丄 = (0.038 二 5.75)d20.05322.5J /kgRe000 °.°53 °.5=2.65 104#方法二：若取管路出口高度及大氣壓為基準(zhǔn)，槽內(nèi)每千克水的總機(jī)械能為土二 gz =9.81 4 =39.2J / kg此能量除極小部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能外，其余皆損失掉，即2 2Ap' u20.52Zhf39.239.1J /kgf t 22顯然，兩種方法所求出的結(jié)果是矛盾的。對(duì)于無(wú)外加功簡(jiǎn)單輸送管路的計(jì)算問(wèn)題，只有以下三

28、式可用:物料衡算式也二 d2u4機(jī)械能衡算式. 2匹二gz2 匹(1) PP d2直管阻力系數(shù)計(jì)算式名Pduf(d,)三個(gè)方程只能聯(lián)立求解三個(gè)未知數(shù)，其余變量必須給定。若給定獨(dú)立變量數(shù)目少于方程式組的自由度（即方程式組所含變量數(shù)與方程式之差），問(wèn)題無(wú)確定解；若給定獨(dú)立變量數(shù)多于方程式自由度，必導(dǎo)致相互矛盾的計(jì)算結(jié)果。本例即屬于后一種情況。按題目給定管路情況，管內(nèi)流速必不為0.5m/s，而由管路自身決定，應(yīng)為1.95 m/s （參見(jiàn)例1-11）例1-11在一定勢(shì)能差下管路輸送能力的計(jì)算 在例1-10所示管路中輸送溫度為 20C的水，閘門閥1/2開(kāi)（©c =4.5 ）,管內(nèi)流量為多少？若

29、將閥 門全開(kāi)（巴c =017），管內(nèi)流量為多少？£0 5解：當(dāng)閥門1/2開(kāi)時(shí)，假設(shè)管內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入充分湍流區(qū)，由05 =0.00943d 53查得，=0.037在斷面1-1和2-2之間列機(jī)械能衡算式（參見(jiàn)例1-10附圖），可得2gH1 + Z-中工匕d=1.95m/s2 9.81 41 +0.037 漢-2 + 0.5 十 0.75 十 4.50.053管內(nèi)雷諾數(shù)為Re1000 0.053 1.951 10”5= 1.03 10根據(jù)阻力系數(shù)線圖，由Re和；/d可知管內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入充分湍流區(qū)，以上計(jì)算結(jié)果有效。此時(shí)管內(nèi)流量為0.0532 1.95 =4.3 10 m3/s4當(dāng)閥門全開(kāi)時(shí)，流

30、速增加，管內(nèi)流動(dòng)必處于充分湍流區(qū),-二0.037，管內(nèi)流速為2gH1 1 1d2 9.81 41 0.037200.5 0.75 0.17I0.053= 2.19m/s管內(nèi)流量為qV'd2u'0.0532 2.19 =4.83 10 m3/s44本例管路情況已知，屬操作型問(wèn)題，須聯(lián)立求解關(guān)于簡(jiǎn)單輸送管路方程式組。由于阻力系數(shù) 計(jì)算式是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系式，當(dāng)管內(nèi)流量與流速為待求變量時(shí)，必須用試差法或迭 代法來(lái)計(jì)算。手算時(shí)，可按以下步驟進(jìn)行試差：（1）假定管內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入充分湍流區(qū)，由；/d查出；（2）根據(jù)值，由機(jī)械能衡算式計(jì)算流速u ；（3）據(jù)此u值算出Re，由Re和；

31、/d查出新的值，以檢驗(yàn)是否需要再次計(jì)算。 由于大多數(shù)化工管路的流動(dòng)是處于或接近于充分湍流區(qū)，故經(jīng)一、二次試差便可得到足夠準(zhǔn)確的結(jié)果。選擇題、填空題1-1當(dāng)不可壓縮理想流體在水平放置的變徑管路中作穩(wěn)定的連續(xù)流動(dòng)時(shí)，在管子直徑縮小的地方,其靜壓力（）。（A ）不變（B）增大（C）減小（D）不確定1-2水在內(nèi)徑一定的圓管中穩(wěn)定流動(dòng),若水的質(zhì)量流量保持恒定，當(dāng)水溫升高時(shí)，Re值將（）。（A） 不變 （B）增大 （C）減小 （D）不確定1-3層流與湍流的本質(zhì)區(qū)別是：（）。（A）湍流流速大于層流流速;（B ）流動(dòng)阻力大的為湍流;（C）層流的雷諾數(shù)小于湍流的雷諾數(shù)；（D）層流無(wú)徑向19題5附圖題4附圖）。此

32、時(shí)側(cè)壁小孔所測(cè)1-10如圖所示容器內(nèi)盛有油、水兩種液體，點(diǎn)A位于油水分界的油側(cè),點(diǎn)B位于水側(cè)，試判斷A、脈動(dòng)，而湍流有徑向脈動(dòng)。1-4如圖所示，水流過(guò)一段等徑水平管子，在放置相同壓差計(jì)（測(cè)壓點(diǎn)等高），其讀數(shù)分別為 則（）。(A) R1>R2 (B) R1=R2(C) R1<R2(D) R2= R1+2 r11-5如圖所示的并聯(lián)管路，各支管及其總管阻力間的關(guān)系為（）。(A )(二.hf)A4_B (二.hf)A_2_B ；(B ) ('hf)A_B- C hf)A_B =(' hf)AJ2,_B ；(C)(.二 hf)A_B=(二 hf)A4_B(二 hf)AJ2_B

33、 ；(D ) (._ hf ) a _B = (一 hf)A_B = (一 hf ) a J2 -B ；1-6在皮托管工作時(shí)，測(cè)壓孔正對(duì)流體流動(dòng)方向所測(cè)壓力代表該處的（壓力代表該處的（）。（A ）動(dòng)壓，靜壓；（B）動(dòng)壓，動(dòng)壓與靜壓之和；（C）動(dòng)壓與靜壓之和，靜壓；（D）靜壓,動(dòng)壓與靜壓之和。1-7某流體在圓形直管中作滯流流動(dòng)時(shí)，其速度分布是（）曲線，其管中心最大流速為平均流速的（）倍，摩擦系數(shù) 入與雷諾數(shù)Re的關(guān)系為（）。1-8在湍流摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究中，采用因次分析法的目的是（）。在阻力平方區(qū)，摩擦系數(shù)入只與（）有關(guān)。1-9流速增加一倍后流體在圓管內(nèi)仍作層流流動(dòng)，則流動(dòng)阻力損失為原來(lái)的（）倍

34、。B兩流體質(zhì)點(diǎn)的總勢(shì)能差?。??B -?A）0（,=,）題1.10附圖Z=0為di的d2管圖所示，水從內(nèi)徑管段流向內(nèi)徑為 段， 已知d = 2d1 ， d 1管段流體流動(dòng)的速度頭為0.8m水柱，0 = 0.7m，忽略流經(jīng) AB段的能量損失，則h2 = 1.3m，人3 1.5m。1-12圖示管路裝有 A、B兩個(gè)閥門，試判斷:（1）A閥門關(guān)小, P1變大,P2變小, （變大，變小，不變（2）A閥門不變,P1變小,P2變小, （變大，變小，不變B閥門不變P3 變小, P4 變小, （P2-P3）_變）；B閥門開(kāi)大P3變小,P4變大,（P2-P3）變）；題1.12附圖（3） A閥門開(kāi)大，B閥門不變P1

35、變小,P2變大,P3變大,P4變大,（P1-P2）變小,（P2-P3）變大（變大，變小，不變）；（4） A閥門不變，B閥門關(guān)小P1變大 P2變大,P3變大, P4變小, （P2-P3）變小（變大，變小，不變）。1-13圖示管路兩端連接兩個(gè)水槽，管路中裝有調(diào)節(jié)閥門一 論將閥門開(kāi)大或關(guān)小時(shí)，管內(nèi)流量qV，管內(nèi)總阻力損失直管阻力損失hf1和局部阻力損失hf2有何變化，并以箭頭 文字在下表中予以表達(dá)（設(shè)水槽液位差H恒定）。個(gè)。試討旳，或適當(dāng)題1.13附圖總阻力損失 直管阻力損失局部阻力損失流量qvihfhf1hf2閥開(kāi)大不變t閥關(guān)小不變1!判斷題1-14粘性是流體的物性之一，無(wú)論是靜止的還是流動(dòng)的流體

36、都具有粘性。（）1-15盡管粘性是流體的物性之一，但只有流動(dòng)的流體才考慮粘性的影響，對(duì)靜止的流體可不考慮粘性的影響。（）1-16 U型壓差計(jì)測(cè)量的是兩截面間靜壓強(qiáng)之間的差值。（）1-17轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作時(shí)轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)力的作用，一個(gè)是重力，另一個(gè)的浮力。（）1-18孔板流量計(jì)工作時(shí)，流體在流過(guò)孔板前后的靜壓強(qiáng)差不變。（）1-19轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作時(shí)，流體作用在轉(zhuǎn)子上下兩截面的靜壓強(qiáng)差不變。（）1-20降低溫度液體的粘度增加。（）1-21升高溫度氣體的粘度增加。（）計(jì)算題1-22合成氨廠造氣車間，為防止氣柜中的煤氣倒流至間歇操作的煤氣發(fā)生爐內(nèi)，在管路中裝有水封箱，若管路進(jìn)口垂直距離為2m，氣柜和發(fā)生爐的

37、壓差為多少才可能不發(fā)生倒流現(xiàn)象。答：19.6kPa1-23在化工廠采用附圖所示裝置控制液位， 已知圓閥孔d1=20mm，浮子與圓閥孔之間由鋼絲相連， 固定距離L=150mm，浮子d2=100m m,圓閥與浮子總質(zhì)量 G=0.1kg。試求液位高 H為多少時(shí)圓閥剛 好開(kāi)啟？答：0.17mI1I1LF44題1.23附圖1-24在直徑D=40mm的管路中一文丘里管，文丘里管喉部直徑為10mm，喉部接一細(xì)管，細(xì)管一端浸入池水中。已知管內(nèi)水的流量為1.26 xi0-3m3/s，池水沿細(xì)管上升1.5m，若不計(jì)阻力損失，文丘里管入口斷面的壓強(qiáng)為多少?5答：2.14 XO Pa8m的垂直管，若不計(jì)阻力損失，試求

38、1-25高位槽內(nèi)水深為1m并保持恒定，高位槽底部接一高以下幾種情況下管內(nèi)流速及管路入口斷面A的壓強(qiáng)：(1) 容器內(nèi)的壓強(qiáng)為大氣壓；(2) 容器內(nèi)的壓強(qiáng)為 9.81 >104Pa；(3) 容器內(nèi)保持 4.095 >104Pa的真空度；(4) 容器內(nèi)的壓強(qiáng)為大氣壓，但垂直管延長(zhǎng)至20m (水溫為20C)。答:(1) 13.3m, 22.9kPa； (2) 19.3m/s, 22.9kPa； (3) 8.86m/s, 22.9kPa； (4) 14.75m/s, 2.33 kPa題1.24附圖題1.25附圖1-26在容器側(cè)壁開(kāi)一直徑為d=20mm的小孔，容器內(nèi)的水面維持恒定并高于小孔中心

39、0.5m，試求:(1) 通過(guò)小孔流出的水量(小孔的流量系數(shù)為 0.61)；(2) 在小孔處接一長(zhǎng)度 L=0.5m的水平短管，直管阻力系數(shù)=0.025，水的流量有何變化？(3) 將短管延長(zhǎng)至3m ,仍為0.025，水的流量為多少？(4) 試說(shuō)明以上三種情況流量變化的原因，并計(jì)算水平管為多長(zhǎng)時(shí)，其流量剛好與小孔流量相等？答: (1) 6.0 >0-4m3/s； (2) 6.75 >0-4m3/s； (3) 4.29 X0-4m3/s； (4)孔流系數(shù) C°是綜合考慮了縮脈，能量損失等多種因素的校正系數(shù)，是由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。上述計(jì)算結(jié)果表明直接小孔流出的水流由于縮脈，摩擦等因素其能

40、量是很大的，可近似計(jì)算相當(dāng)于0.95m短管的阻力損失1-27如圖所示管路從 A水池向B水池輸水，已知各段管長(zhǎng)均為l=100m ,管徑均為100 mm，上 游水池面積Sa為100m2，下游水池面積 Sb為80m2, Ha=10 m , Hb=4 m。忽略各種局部阻力，為使上游水池水位下降 1 m，需多少時(shí)間？（設(shè)阻力系數(shù)均為0.025）答：7372.6s1-28 有一真空管路，管長(zhǎng)I = 28m，管徑d = 120mm，管壁粗糙度；=0.2mm，管內(nèi)是溫度為300K的空氣，已知管內(nèi)質(zhì)量流量為 0.02kg/s，出口端壓強(qiáng)為137.3Pa,求管路入口端壓強(qiáng)為多少？答:1.07 kPa題1.26附圖

41、題1.27附圖1-29鼓風(fēng)機(jī)將車間空氣抽入截面為200mm< 300mm、長(zhǎng)155m的風(fēng)道內(nèi)（粗糙度 e=0.1mm）,然后排至大氣中，體積流量為 0.5m3/s。大氣壓力為750mmHg，溫度為15C。求鼓風(fēng)機(jī)的功率，設(shè)其效 率為 0.6。答：0.5kW1-30 在20C下將苯液從貯槽中用泵送到反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)40m的$ 57 X 2.5m的鋼管，管路上有兩個(gè)90°彎頭，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閥（按1/2開(kāi)啟計(jì)算）。管路出口在貯槽的液面以上12m。貯槽與大氣相通，而反應(yīng)器是在500kpa下操作。若要維持0.5L/S的體積流量，求泵所需的功率。泵的效率取0.5。答： 605W1-31 30C的

42、空氣從風(fēng)機(jī)送出后流經(jīng)一段直徑200mm長(zhǎng)20m的管，然后在并聯(lián)的管內(nèi)分成兩段，兩段并聯(lián)管的直徑均為150mm ,其一長(zhǎng)40m，另一長(zhǎng)80m ;合攏后又流經(jīng)一段直徑200mm長(zhǎng)30m的管，最后排到大氣。若空氣在200mm管內(nèi)的流速為10m/s，求在兩段并聯(lián)管內(nèi)的流速各為多少，又求風(fēng)機(jī)出口的空氣壓力為多少。答：U1=7.37m/s, U2=10.41m/s ;風(fēng)機(jī)出口 p=65mmH2O1-32 一酸貯槽通過(guò)管道向下方的反應(yīng)器送酸，槽內(nèi)液面在管出口以上2.5m。管路由$ 38 X 2.5mm無(wú)縫鋼管組成，全長(zhǎng)（包括管件的當(dāng)量長(zhǎng)度）為25m。粗糙度取為0.15m m。貯槽內(nèi)及反應(yīng)器內(nèi)均為大氣壓。求每

43、分鐘可送酸多少m3。酸的密度p =1650kg/nf,粘度 卩=12cP 答：0.068m3/min第二章：流體輸送機(jī)械2-1離心泵在啟動(dòng)前，為什么泵殼內(nèi)要灌滿液體？啟動(dòng)后，液體在泵內(nèi)是怎樣提高壓力的？泵入口 的壓力處于什么狀態(tài)？2-2離心泵的特性曲線有幾條？其曲線形狀是什么樣子？離心泵啟動(dòng)時(shí)，為什么要關(guān)閉出口閥門？2-3在測(cè)定離心泵的揚(yáng)程與流量的關(guān)系時(shí)，當(dāng)離心泵出口管路上的閥門開(kāi)度增大后，泵出口壓力及 進(jìn)口處的液體壓力將如何變化？2-4離心泵操作系統(tǒng)的管路特性方程是怎樣推導(dǎo)的？它表示什么與什么之間的關(guān)系？2-5離心泵的工作點(diǎn)是怎樣確定的？流量的調(diào)節(jié)有哪幾種常用的方法？2-6何謂離心泵的氣蝕現(xiàn)

44、象？如何防止發(fā)生氣蝕？2-7影響離心泵最大允許安裝高度的因素有哪些？2-8什么是液體輸送機(jī)械的揚(yáng)程（或壓頭）？離心泵的揚(yáng)程與流量的關(guān)系是怎樣測(cè)定的？液體的流量、泵的轉(zhuǎn)速、液體的黏度對(duì)揚(yáng)程有何影響？2-9管路特性方程 H二H。 kcv2中的Ho與k的大小，受哪些因素的影響？三、本章例題例2-1 某油田通過(guò)$ 300X 15mm勺水平鋼管將原油輸送至煉油廠。管路總長(zhǎng)為1.6 >105m,輸油量要求為250X103kg/h，現(xiàn)已知油在輸送溫度下的粘度為 0.187Pas；密度為890kg/m3。該油管的局部 阻力可忽略，現(xiàn)決定采用一種雙吸五級(jí)油泵，此泵在適宜工作范圍內(nèi)的性能列于本例附表1中。附

45、表1Q/ (m3/h)200240280320H/m500490470425注：表中數(shù)據(jù)已作粘度校正。kg/h。試求在整個(gè)輸油管路上共需幾個(gè)泵站？實(shí)際輸送量為若干250疋103解：油的體積流量 Q=280.9m3/h280.9管內(nèi)流速890u=2 =1.363m/s3600 0.785 0.270'27 1'363.890 =1751 <2000 為滯流187 1027因原油在直管內(nèi)作滯流流動(dòng)，故:管路壓頭損失Hf=o諾32 187 10- 160 103 1.3630.272 890 9.8129#He=Hf=2=7.302Qe=2050m由附表1單臺(tái)泵的特性數(shù)據(jù)查出：

46、當(dāng)Q=280.9m3/h時(shí)，H=467.5m初估泵系數(shù)n= 2050 =4.385467.5故應(yīng)采用5個(gè)泵站。根據(jù)串聯(lián)原理，用同規(guī)格5臺(tái)泵串聯(lián)的壓頭為單臺(tái)泵的5倍，計(jì)算出數(shù)據(jù)列于本題附表2中。附表23Q/ (m /h)200240280320H/m2500245023502125將以上數(shù)據(jù)標(biāo)繪在本題附 圖中，得泵的串聯(lián)合成特性曲 線。因輸送管路為水平直管，故 管路特性曲線方程為：32叫32叫Qe=X 22d 9 d 乜 ld2 36004.3332 187 10160 10 Qe0.274 890 9.81 0.785 3600將此管路特性曲線方程標(biāo)繪在本題附圖中，得泵的串聯(lián)合成特性曲線。管路

47、特性曲線與泵合成特性曲線的交點(diǎn)，即為工作點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的流量、壓頭分別為：3一3QM=305m /hHM=2230m 故實(shí)際輸油量為 Wh=305 >890=271 >10 kg/h例2-2某水泵性能參數(shù)列于本題附表1中?，F(xiàn)有兩個(gè)管路系統(tǒng)，他們的管路特性方程分別為:He=15+0.077Qe 及He=15+0.88 Qe為提高管路系統(tǒng)的供水量，每條管路系統(tǒng)均用兩臺(tái)相同的泵進(jìn)行組合操作，試比較各個(gè)管路系統(tǒng)泵#的最佳組合方式及最大流量為若干。附表1Q/（ L/s）01357911H/m33.834.734.631.727.421.815解：先按題給已知數(shù)據(jù)畫出單臺(tái)泵的特性曲線M1M2，按壓

48、頭不變流量加倍的原則，畫出二臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)的合成特性曲線 AC，又按流量不變壓頭加倍的原則，畫出二臺(tái)泵串聯(lián)時(shí)的合成特性曲線DB。對(duì)于第一種管路系統(tǒng)，按He=15+0.077Qe2計(jì)算出不同Qe下對(duì)應(yīng) ，計(jì)算結(jié)果列于本題附表 2中，然后在本題附圖中畫出管路特性曲線ABM 1。附表2Q/（ L/s）1357911He/m15.07715.6916.9318.7721.2424.32由圖可讀出泵并聯(lián)時(shí)的工作點(diǎn)AQa=13.1L/s泵串聯(lián)時(shí)的工作點(diǎn)BQb=11.6 L/s單臺(tái)泵工作點(diǎn) M1Qm=9.2 L/s由此可見(jiàn)，對(duì)于第一種管路系統(tǒng)，即管路特性曲線較平坦的低阻管路，用兩臺(tái)泵并聯(lián)組合，可獲得高的流量，最

49、大流量為13.1 L/s。對(duì)于第二種管路系統(tǒng)， 按He=15+0.88 Qe2計(jì)算出不同Qe下對(duì)應(yīng)的He,計(jì)算結(jié)果列于本題附表3,然后在本題附圖中畫出管路特性曲線DCM2。附表3Q/（ L/s）13579He/m15.8822.9237.058.1286.282-2附圖68 L/s。較陡的高阻管路，用二臺(tái)泵串聯(lián)可獲得較大的流量，最大流量為例2-3在圖示管路中裝有一臺(tái)離心泵，離心泵的特性曲線方程為He = 40- 7.2 104qV2 （式中3qv的單位用 m /s表示，He的單位用 m表示），管路兩端的位差Uz = 10m，壓差 鄒=9.51 x104Pa。用此管路輸送清水時(shí)， 供水量為10x

50、io"3m3/s,且管內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入阻力平方區(qū)。若用此管路輸送密度為1200kg/m3的堿液，閥門開(kāi)度及管路兩端條件皆維持不變，試求堿液的流量和離心泵的有效功率為多少?解：聯(lián)立管路兩端之間的機(jī)械能衡算式與泵特性方程可得L '242He = ：z Kqv40-7.2 10 qv據(jù)題意，當(dāng)供水量為10X10"3m3/s時(shí)，泵的壓頭為42He =40 -7.2 100.0132.8m 故He；z.p/ ?g2qV32.8-10 -49.81 101000 9.810.0122-1.28 105因流動(dòng)進(jìn)入阻力平方區(qū)，且閥門開(kāi)度不變，用此管路輸送堿液 K值不變，此時(shí)的管路特性方

51、程可由兩端面之間的機(jī)械能衡算式求得：':匸29.8110 45252He 二". Kq V 101.28 10 qV18.3 1 .28 10 qVP'g1200 X9.81而泵特性方程與流體密度無(wú)關(guān)，由泵和管路特性方程聯(lián)立18.3 1.28 105qV2 =40 -7.2 104qV2 得qV =10.4 10m3/s'5-3 2He =18.3 1.28 10（10.4 10 ）32.2m離心泵的有效功率為 Pe ;?,gHe'qV =1200 9.81 32.2 10.4 1O=3942W當(dāng)此管路輸送水時(shí)，qV =10 10；m3/s, He =

52、 40 -7.2 104 （10 10 冷 2=32.8mPe 二;?gH eqV =1000 9.81 32.8 10 10“ =3218W從本例計(jì)算結(jié)果可以看出，用同樣的管路和離心泵輸送密度較大的液體，流量不會(huì)降低（如管路兩端壓強(qiáng)相同 p = 0，壓頭、流量與流體密度無(wú)關(guān)）。但離心泵的功率與密度成正比，需注意防止電 機(jī)過(guò)載。例2-4 某工藝過(guò)程需要使用溫度為294K、壓強(qiáng)為101.33kPa、流量為1700m3/h的空氣。現(xiàn)用一臺(tái)離心通風(fēng)機(jī)，從溫度為366.3K、壓強(qiáng)為98.9kPa的靜止空間吸入空氣，由風(fēng)機(jī)排出的空氣溫度不變，壓強(qiáng)為102.6kPa，氣體速度為 46m/s,風(fēng)機(jī)的效率為 60%，試計(jì)算風(fēng)機(jī)的軸功率。解：風(fēng)機(jī)前后壓強(qiáng)變化與吸入壓強(qiáng)之比為：P2 - P1二!026 989 =3.74% ： 20%Pi98.9空氣雖為可壓縮氣體，但由上式計(jì)算結(jié)果知，可將空氣當(dāng)作不可壓縮流體處理