第一章 流体的流动

第一章流体的流动1.什么事连续性假设？质点的含义是什么？答：连续性介质假定是将流体视为无数流体微团或质点组成的连续介质。流体致电是有大量分子组成的分子集合，在宏观上其几何尺寸很小，但包含足够多的分子，在微观上其尺寸度远大于分子的平均自由程。2.不可压缩流体在半径ri的水平管内流动，试写出以duz/dr表示牛顿粘度定律的表达式，其中r为管中心算起的径向距离坐标，ur为r处的流体流速。答：duz/dr3．黏性流体在静止时有无剪应力？理想流体在运动时有无剪应力？若流体在静止时无剪应力，是否意味着它们没有黏性？答:(1)黏性流体在静止时无剪应力；（2）理想流体无剪应力；（3）黏性是流体的固有特性，在静止或运动时都有黏性。4.静压力有什么特性？答：静压力的方向与其作用面相垂直，且在各个方向的数值相同，即静压力为标量。5.流体在均匀直管内作定态流动时，其平均数度u沿流程保持定值，并不因摩擦而减速，这一说法是否正确？为什么？答：不正确。根据连续性方程，流体在直管中向下定态流动时，其平均流速随管截面积和流体密度而变。但流体不可压缩时，该说法是正确的。6.在满流的条件下，水在垂直直管中向下定态流动。则对沿管长不同位置处的平均流速而言，是否会因重力加速度而使下部的速度大于上部的速度？答：不会。7．在应用机械能衡算方程解题时需要注意哪些问题？答：（1）所选控制面的上下游都应与流动方向垂直；（2）流体在两截面间应是连续的待求的未知量应在截面上或两截面之间；（3）截面上的物理量均取截面上的平均值；(4)位压头的基准面应是水平面，且z值是指截面中心点与基准水平面之间的距离；（5）物理量的单位要一致。8.雷诺数的物理意义是什么？答：惯性力与黏性力之比。9.湍流与层流有何不同，湍流的主要特点是什么？答：层流时，流体质点沿流线向下游作规则的流动，质点之间无宏观混合；流体分子在不同流速的流体层之间作随机热运动产生黏性力——内摩擦力。湍流流动时，质点强烈混合和随机高频脉动；流体层之间由于质点碰撞与混合所产生的湍流应力，远远大于流体黏性所产生的黏性力；离开壁面的区域，湍流的流速分布较均匀；而在壁面附近，湍流的速度梯度较大。10.分别写出描述流体作层流运动时的分子动量传递的通量方程和流体作湍流时涡流动量传递的通量方程，以及流体与固体壁面之间进行对流动量的传递的速率方程，说明各个方程代表的物理意义。答:层流：xd(ru)dy式中，为分子动量通量，/m2；d(ux)为动量浓度梯度，（kg.m.s-1）/(m3.m2);为动量扩散系数，m2/s。湍流：rxd(u)dy式中，式中，r为分子动量通量，/m2；为动量扩散系数，m2/s。流体—壁面之间的动量传递通量：ｓu8(u-us)式中，式中，ｓ为分子动量通量；u-us为流体的平均动量浓度之差；u/8为流体—壁面间的动量传递系数。11.试通过流体进行动量传递的机理分析流体流动产生摩擦阻力的原因。答：流体与壁面纸巾啊传递的动量通量为壁面剪应力ｓ它反映了壁面拖曳体层运动的力或流动阻力。但流体阻力产生的原因是由于流体的内摩擦消耗了机械能。流体在固体壁面上产生边界层分离的必要条件是什么？试通过边界层分离现象分析形体阻力（局部阻力）产生的原因。答：边界层分离的必要条件是流体具有黏性和流动过程中存在逆压梯度。当发生边界层分离时，流体脱离壁面形成回流漩涡，流体质点产生强烈碰撞与混合，大量消耗流体的机械能，即形成局部阻力。第三章非均相混合物分离及固体流态化1.根据颗粒沉降原理，设计一个简单的装置来测定液体的黏度。答：可在一个透明玻璃容器内用落球法测定的黏度。在透明玻璃容器内盛满待测液体，让一个刚性小球在待测液体中下落，测定一定时间内小球下落的距离H，便可求得液体的黏度。测定中已知液体的密度，小球的密度S，直径d，计算公式下：2()18stdgu要求小球的沉降必须在滞流区，玻璃容器的尺寸需足够大以消除壁效应。2.已知颗粒的沉降速度tu求颗粒的直径d时，试根据（3-15）的思路。找出一不含d的量纲为一数群，作为三个流型区域的判断。答：滞流区由2()18stdgu可得18()tsudg因此有2318()ttesuduRg（1）湍流区由()1.74stdgu可得221.74()utdgs因此有2321.75()ttesuduRg（2）比较（1），（2）两式，令23'()tsuKg滞流区2318Re18'1()ttSuduKg'0.056K湍流区23'221.75()1.75ttesuduKRg≥1000'K≥3062.5所以，已知颗粒的沉降速度tu求颗粒的直径d时，可用'K作判据。当'K≤0.056时，沉降在滞流区；当'K≥3062.5时，沉降在湍流区；当0.056≤'K≤3062.5时，沉降在过渡区。3.试分析过滤压力差对过滤常数的影响。答：K=2kΔp1-s其中1'ekruq不随压力差变化，则1seqp若介质阻力Rm=rLe=smeeRrLpuq不随压力变化，则seqp若滤饼不可压缩，则有Kp，qe与p无关。5.试分析采取下列措施后，转筒过滤机的生产能力将如何变化，再分析上述各项措施的可能性。已知过滤介质阻力可忽略，滤饼不可忽略。（1）转筒尺寸按比例增大50%，'D=1.5D，'L=1.5L则'2.25QQ（2）转筒浸没度增大50%，'1.5则'1.51.22QQQ（3）操作真空度增大50%，'K=1.5K则'1.51.22QQQ（4）转速增大50%，'1.5nn则'1.51.22QQQ（5）滤浆中固相体积分数由10%增稠至15%，已知滤饼中固相体积分数为60%根据滤浆中的固相含量及滤饼中固相体积分数，可求出滤饼体积与滤液体积之比。滤浆中固相体积分数为10%时，形成1m3滤饼需要固体颗粒0.6m3，所对应的料浆量是(0.6/0.1)m3，因此，形成1m3滤饼可得到(6-1)33m5m滤液，则=15m3/m3=0.2m3/m3滤浆中固相体积分数为15%时，形成1m3滤饼需要固体颗粒0.6m3，所对应的料浆量是0.6/0.15m3=4m3，因此，形成1m3滤饼可得到（4-1）m3=33m滤液，则331'3mm=33'0.33mm滤饼不可压缩，所以2pKr，'0.606'KKK则'0.6060.778QQQ（6）升高滤浆温度，使滤液黏度减小50%，'0.5，则'2KK'21.414QQQ从上面的计算可以看出，增大转筒尺寸，增大转筒浸没度，增大操作真空度，增大转速，升高滤浆温度使滤液黏度减小均可使过滤机的生产能力增大。滤浆中固相体积分数增大则会减小（按滤液体积计的）过滤机的生产能力。6.理想流化床和实际流化床的差别主要是什么？答：理想流化床的压降为一恒定值。实际流化床pu曲线上，在固定床向流化床转化时有一“驼峰”，且在流化床阶段，压力降是波动的。第五章传热1.在热传导问题中，术语“一维”是什么意思？何谓稳态热传导？答：所谓“一维”导热是指只沿着一个方向进行的热传导过程（包括圆筒的径向导热）；所谓稳态热传导是指传热速率不随时间而变化，即温度梯度只是位置的函数而与时间无关。2.什么叫热阻？试说明在多层平壁和多层筒壁热传导中应用热阻的优点及在传热分析中的作用？答：热阻是反映阻止热量传递的能力的综合参量。由于系统中任一段的热阻与该段的温度差成正比，利用此关系可以计算界面温度或物体内温度分布。3.对流传热系数的作用是什么？说明对流传热的机理及求算对流传热系数的途径。答：对流传热系数反映了对流传热的快慢，反映了对流传热热阻的大小。对流传热系数越大表示对流传热越快。运动着的流体质点以内能形式携带着能量由一处移向另一处，此类热量传递过程称为对流传热。固体壁面处的热量首先以热传导方式通过静止的流体层进入层流内层，在层流内层中传热方式亦为热传导；在缓冲层内兼有热传导和涡流传热两种传热方式；湍流核心的热量传递以涡流传热为主。由流动边界层的概念和对流传热的机理分析可知，传热的温度梯度主要存在紧贴壁面的热边界层处，即热边界层是进行对流传热的主要区域。求算对流传热系数的主要途径有：（1）实验测定；（2）关联式估算，必要时可查资料获得。4.试说明流体有相变时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数的理由。答：有相变时的传热过程特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热，但流体温度不会发生变化。有相变时在气液两相界面处产生强烈的扰动，从而使对流传热系数较无相变时的更大。5.为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的对流传热系数高？答：膜状冷凝在壁面上一旦形成液膜后，蒸气的冷凝只能在液膜的表面上进行，即蒸气冷凝是放出的潜热，必须通过液膜后才能传给冷壁面。液膜内依靠热传导，流体的导热系数通常较小，这层冷凝液膜往往成为冷凝的主要热阻。在滴状冷凝时，壁面大部分面积直接暴露在蒸气中，可供蒸气冷凝。由于没有液膜阻碍热流，因此滴状冷凝传热系数比膜状冷凝的可高几倍甚至几十倍。6.对于膜状冷凝，雷诺数是怎样定义的？答：用来判断膜层流型的雷诺数Re经常表示为冷凝负荷M的函数。若以A表示凝液的流通面积，P表示润湿周边长度，qm表示凝液的质量流量，并令PqMm表示单位长度润湿周边上的冷凝也质量流量，则有MPqudme44Re7.如何理解辐射传热中黑体和灰体的概念？答：（1）能全部吸收辐射能，即吸收率A=1的物体，称为黑体或绝对黑体。黑体是理想物体，实际上并不存在。（2）凡能以相同的吸收率且部分地吸收由0到∞所有波长范围的辐射能的物体，定义为灰体。灰体有一下特点：①灰体的吸收率A不随辐射线的波长而变。②灰体是不透热体，即A+R=1。灰体也是理想物体，但大多数的工程材料都可视为灰体。8.蒸气管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍，其导热系数也为内层的两倍。若将两层材料位置互换，而假定其他条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少？说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为合适？答：因为rm2=2rm1，λ2=2λ1所以Sm2=2Sm11.25qq131m12m22()ttQqbbLSS132m11m22()ttQqbbLSS故1.25qq即每米管长的热损失将变为原来的1.25倍。所以，导热系数较小的那种材料包扎在内层较为合适。9.在管壳式换热器中，热应力是如何产生的，热应力有何影响，为克服热应力的影响应采取何种措施？答:管壳式热应器又称列管式热应器，是一种通用的标准换热设备。当换热管与管壳的温差较大（大于50摄氏度）时产生温差应力，为克服热应力的影响，在换热器结构上采取如下措施：（1）在管壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度限制不能太高。固定管板式换热器适用于两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合；（2）浮头式转换器两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，当转换器与壳体有温差存在，壳体或转换器膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；（3）U形管式换热器只有一个管板，换热器为U形，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，当壳体与U形换热器有温差时，不会产生温差应力；（4）填料函式换热器管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。10.管壳式换热器为何常采用多管程，分程的作用是什么？答：当流体的流量较小时，采用多管程可以提高管内流速，进而提高对流传热系数。11.换热器传热计算有哪两种方法，他们之间的区别是什么？答：这两种方法是：平均温度差法和传热单元数法。总传热速率方程式是换热器计算的基本关系式。若以Δtm表示传热过程冷、热流体的平均温度差，则积分结果可表示为Q=KAΔtm,用该式进行传热计算时需先计算出Δtm，故此方法