化工原理复习

第一章：流体流动1、何谓理想流体？实际流体与理想流体有何区别？如何体现在伯努利方程上？2、何谓绝对压力、表压和真空度？表压与绝对压力、大气压力之间有什么关系？真空度与绝对压力、大气压力有什么关系？3、流体静力学方程式有几种表达形式/他们都能说明什么问题？应用静力学方程分析问题时如何确定等压面？4、如何利用柏努利方程测量等直径管的机械能损失？测量什么量？如何计算？在机械能损失时，直管水平安装与垂直安装所得测结果是否相同？5、如何判断管路系统中流体流动的方向？6、何谓流体的层流流动与湍流流动？如何判断流体的流动是层流还是湍流？7、一定质量流量的水在一定内径的圆管中稳定流动，当水温升高时，Re将如何变化？8、何谓牛顿粘性定律？流体粘性的本质是什么？9、何谓层流底层？其厚度与哪些因素有关？10、摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度ε/d的关联图分为4个区域。每个区域中，λ与哪些因素有关？哪个区域的流体摩擦损失hf与流速u的一次方成正比？哪个区域的hf与u2成正比？光滑管流动时的摩擦损失hf与u的几次方成正比？11、管壁粗糙度对湍流流动时的摩擦阻力损失有何影响？何谓流体的光滑管流动？12、在用皮托测速管测量管内流体的平均流速时，需要测量管中哪一点的流体流速，然后如何计算平均流速？例1-1如本题附图所示，用开口液柱压差计测量敞口贮槽中油品排放量。已知贮槽直径D为3m，油品密度为900kg/m3。压差计右侧水银面上灌有槽内的油品，其高度为h1。已测得当压差计上指示剂读数为R1时，贮槽内油面与左侧水银面间的垂直距离为H1。试计算当右侧支管内油面向下移动30mm后，贮槽中排放出油品的质量。解：本题只要求出压差计油面向下移动30mm时，贮槽内油面相应下移的高度，即可求出排放量。首先应了解槽内液面下降后压差计中指示剂读数的变化情况，然后再寻求压差计中油面下移高度与槽内油面下移高度间的关系。设压差计中油面下移h高度，槽内油面相应下移H高度。不管槽内油面如何变化，压差计右侧支管中油品及整个管内水银体积没有变化。故当压差计中油面下移h后，油柱高度没有变化，仍为h1，但因右侧水银面也随之下移h，而左侧水银面必上升h，故压差计中指示剂读数变为（R-2h），槽内液面与左侧水银面间的垂直距离变为（H1-H-h）。H1HDapaph1hR1m1CEFBA10mn11-1附图当压差计中油面下移h后，选左侧支管油与水银交界面为参考面m，再在右侧支管上找出等压面n（图中未画出m及n面），该两面上的表压强分别为：ghHHpm01)(（0为油品密度）ghRghpHgn)2(101因nmpp，由上二式得：ghHH01)(=ghRghHg)2(101（1）上式中第一项gRghgHHg10101（2）将式（2）代入（1），并整理得：00)2(HghH取3/13600mkgHg，将已知值代入上式：mH8767.0900)900136002(03.0即压差计右侧支管油面下移30mm，槽内液面下降0.8767m，油品排放量为：kgHD55749008767.0344202例1-2阻力损失与势能的消耗高位槽水面距管路出口的垂直距离保持为5m不变，水面上方的压强为4.095×104Pa（表压），管路直径为20mm，长度为24m（包括管件的当量长度），阻力系数为0.02，管路中装球心阀一个，试求：（1）当阀门全开（4.6）时，管路的阻力损失为多少？阻力损失为出口动能的多少倍？（2）假定数值不变，当阀门关小（20）时，管路的出口动能和阻力损失有何变化？解：（1）在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式解：（1）在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式fhupgzupgz2222222111)()(2211pgzpgzfhuu22122若取大气压强和管出口高度为基准，并忽略容器内的流速（即01u），则2)(222220udlupgH5mP011221-4附图kgJdlpgHu/1.34.602.02402.01100010905.4581.9124022KgJudlhf/951.3)4.624(2)(22或kgJuhf/951.3)81.95100010905.4(24224.304.602.02402.0222dluhf（倍）此结果表明，实际流体在管内流动时，阻力损失和动能的增加是造成流体势能减少的两个原因。但对于通常管路，动能增加是一个可以忽略的小量，而阻力损失是使势能减小的主要原因。换言之，阻力损失所消耗的能量是由势能提供的。（2）当20'时kgJdlpgHu/2.22002.02402.01100010905.4581.9'12'4022kgJuhf/9.952.2)100010905.4581.9(2''422与（1）比较，当阀门关小时，出口动能减少而阻力损失略有增加，但是，绝不可因此而误解为阻力所消耗的能量是由动能提供的。实际上，动能的增加和阻力损失皆由势能提供，当阀门关小时，由于损失的能量增加使得动能减少了。例1-3虹吸管顶部的最大安装高度利用虹吸管将池中温度为90℃热水引出，两容器水面的垂直距离为2m，管段AB长5m，管段BC长10m（皆包括局部阻力的当量长度），管路直径为20mm，直管阻力系数为0.02。若要保证管路不发生汽化现象，管路顶点的最大安装高度为多少？（已知90℃热水饱和蒸汽压为7.01×104Pa）解：在断面1-1和2-2之间列机械能横算式，可求得管内流速smdlgHu/62.102.01502.0281.922设顶点压强VBpp，在断面1-1和断面B-B之间列机械能横算式，可求出B点最大安装高度为BB1122mH2hAPaPagudlgpgphABVa2)1(2maxm38.26.1962.1)02.0502.01(100081.91001.733.1024虹吸管是实际工作中经常碰到的管道，为使吸液管正常工作，安装时必须注意两点：（1）虹吸管顶部的安装高度不宜过大；（2）在入口侧管路（图中AB段）的阻力应尽可能小。例1-4使用同一水源各用户间的相互影响从自来水总管引一支路AB向居民楼供水，在端点B分成两路各通向一楼和二楼。已知管段AB、BC和BD的长度（包括管件的当量长度）各为100m、10m和20m，管径皆为30mm，直管阻力系数皆为0.03，两支路出口各安装球心阀。假设总管压力为3.43×105Pa（表压）试求：（1）当一楼阀门全开（4.6），高度为5m的二楼能否有水供应？此时管路AB内的流量为多少？（2）若将一楼阀门关小，使其流量减半，二楼最大流量为多少？解：（1）首先判断二楼是否有水供应，为此，可假定支路BD流量为零，并在断面A和1-1之间列机械能横算式2)(22121udllupBCABAsmdllpuBCABA/42.214.603.01010003.01000/1043.321/251在断面A与B之间列机械能横算式，得8.481.9242.2)103.010003.0(81.910001043.32)1(2521gudlgpgpABABm＜5m此结果表明二楼无水供应。此时管路AB内的流量为smudqV/1071.142.203.0785.0433212（2）设一楼流量减半时，二楼流量为2Vq此时管段AB内的流速为21.110414.124)2(42223122VVVVqudqdqqu管段BD内的流速为222322210414.103.044VVVqqdquC1-5附图5m总管ABC1122D1-4附图在断面A与2-2之间列机械能横算式2)(2222222udludlugzpBDABA2)21.110414.1(03.010003.0581.910001043.32352Vq+2)10414.1()14.603.02003.0(2232Vq02.4421042.31055.222528VVqqsmqV/1007.81055.222.4421055.24)1042.3(1042.334882552对于通常的分支管路，总管阻力既不可忽略也不占主导地位，此时，改变支路的数目或阻力，对总流量及各支路间流量的分配皆有影响。例1-5提高流量分配均匀性的代价在相同的容器1、2内，各填充高度为1m和8m的固体颗粒，并以相同的管路并联组合，两支路的管长皆为5m，管径皆为200mm，直管阻力系数为0.02，每支管安装一闸门阀，容器1和2的局部阻力系数各为10和8。已知管路的总流量为0.3m3/s，试求：（1）当两阀门全开时，两支路的流量比和并联管路的阻力损失。（2）当两阀门同时关小至20DC时，两支路的流量比及并联管路的阻力损失有何变化？解：由物料守恒关系求得Vqudud22124455.92.01416.33.0442221dquuV（1）因并联管路阻力损失相等，有机械能横算式得CDdldluu122221（1）当两阀门全开9.017.0102.0/502.017.082.0/502.021uu（2）由式（1）、式（2）得smu/03.59.0155.921-5附图DCAB12smu/52.403.555.91并联管路的阻力损失为kgJhf/5.109203.5)17.082.0502.0(2（2）当两阀门同时关小97.020102.0/502.02082.0/502.021uu（3）由式（1）、式（3）得smu/85.497.0155.92smu/7.485.455.91并联管路的阻力损失为kgJhf/2.335285.4)2082.0502.0(2从此例可以看出，在不均匀并联管路中串联大阻力元件，可提高流量分配的均匀性，其代价仍然是能量的消耗。例1-6倒U形管压差计水从倾斜直管中流过，在断面A和B之间接一空气压差计，其读数R=10mm，两测压点垂直距离mz3.0，试求：（1）A、B两点的压差等于多少？（2）若采用密度为830kg/m3的煤油作指示液，压差计读数为多少？（3）管路水平放置而流量不变，压差计读数及两点的压差有何变化？解：首先推倒计算公式。因空气是静止的，故21pp即gRRhgpghpBBA1)()(1gRghpghpBBAA在等式两边皆加以gH)()()(1gRhHgphHgpBBAA)()()(1gRgzpgzpBBAA)(''1gRppBA（1）若忽略空气柱的重量，则PagRppBA1.98100001.081.9)(''1PazzgppppBABABA31004.33.081.910001.98)(''12ABzhBzBhAzAHRz=01-6附图(2)若采用煤油作指示液，压差计读数为mmmgppRBA8.581088.5)8301000(81.91.98)(''21（3）若管路流量不变，''BApp不变，则压差计读数R亦不变。又因管路水平放置，0BAzz，故PappppBABA1.98''普通U形管压差计所用的指示液的密度大于被测流体的密度，若指示液的密度小于被测流体的密度，则必须采用倒U形管压差计。最常用的倒U形管压差计是以空气作为指示剂，称为空气压差计。例1-7管内流量与所需