传输原理

第1页共7页一、名词解释1、流管：在流场中作一封闭曲线，过该曲线的所有流线所构成的管状表面称为流管。2、对流换热：流体内各部分之间发生相对位移或当流体流过一固态物体表面时，而引起的热量传输。3、分子传质：由于体系中某组分存在分布不均的浓度差而引起的质量传输。4、非稳定流：如果流场的运动参数不仅随位置改变，又随时间不同而变化，这种流动就称为非稳定流。5、温度场：物体中存在着时间和空间上的温度分布，称为温度场。6、分子扩散：由于体系中某组分存在分布不均的浓度差而引起的质量传输称为扩散传质。7、导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递称为热传导，简称导热。8、层流：流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和渗混，这种流线呈平行状态的流动称为层流，或称流线型流。9、传质：物质由高浓度向低浓度方向转移的过程称为质量传输过程，简称传质。10、灰体：假定某物体的单色吸引率与波长λ无关，即αλ为常数，这种物体称为灰体。11、边界层：流体在浇流过固体壁面流动时紧靠固体壁面形成速度较大的流体薄层。12、等摩尔逆向扩散：由组分A和B组成的没有化学反应的两组分混合物，且一种组分的摩尔通量密度与另一种组分的摩尔通量密度大小相等，方向相反，这种扩散称为等摩尔逆向扩散。二、分析及简答题1、流动有哪两种形态？各有什么特点？如何判别？答：流体流动时存在两种截然不同的流型——层流和湍流(紊流)。流体处于层流状态时，流体质点作直线运动，即流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂。当流体运动处于湍流状态时，流体在总体上沿管道向前运动，同时还在各个方向上作随机的脉动。用雷诺数Re=vd/ν来判别流体流动的这两种形态，当流体流动时的Re小于临界雷诺数时，流动为层流；Re大于临界雷诺数，流动为湍流。2、什么是粘性？流体的粘性是否与流体的宏观运动有关？静止流体是否有粘性？静止流体内部是否有粘性力？答：在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流体的粘性。流体的粘性主要与流体的温度和压力有关，与流体的宏观运动无关。粘性是流体的固有属性，静止液体也有粘性，只是不表现出粘性。静止流体由于没有运动存在，内部无粘性力。3、影响对流换热的主要因素有哪些？答：影响因素有：1）由于流动的起因不同，对流换热可分为强制对流换热和自然对流换热。2）区别被流体冲刷的换热面的几何形状和布置。3）层流与湍流的换热规律不同，湍流时的换热要比层流时强烈。这是不同的流动形态对对流换热的又一个层次的影响因素。4）此外，流体的物性也是影响对流换热的因素，包括不同温度及不同种类流体的物性的影响。这其中包括：流体的导热系数λ；流体的比热容c和密度ρ；流体的动力粘度η；流体的体膨胀系数β等。4、暖水瓶瓶胆为镀银真空夹层玻璃，瓶塞用软木制成，简述暖水瓶的保温原理。答：热水瓶胆用双层玻璃做成，两层玻璃都镀上了银，像镜子一样，能把热射线反射回去，这就断绝了热辐射的通路。热水瓶的两层玻璃之间抽成真空，就破坏了对流传导的条件。热水瓶盖选用不容易传热的软木塞，隔断了传导传热的通路。5、质量传输过程中的浓度表示方法有哪几种？各是什么？答：1)质量浓度：单位体积混合物中含有i组分的质量称i的质量浓度，或称i的密度，用ρi表示。2)质量分数浓度（质量分率）ωi：单位质量混合物中所含的i组分的质量。3)摩尔浓度（物质的量浓度）：单位体积混合物中含i组分的摩尔数称i的摩尔浓度，用ci表示。4)摩尔分数浓度：单位摩尔混合物中所含的i组分的摩尔数，用xi表示。6、为什么气体的粘性随温度的升高而加强？液体的粘性随温度的升高而减小？试根据粘性的机理进行分析说明？答：因为液体的粘性主要是由分子间的吸引力造成的，当温度升高时，分子间的吸引力减小，动力粘度值η就要降低；而造成气体粘性的主要原因是气体内部分子的杂乱运动，它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量的动量的交换，当温度升高时，气体分子杂乱运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧，所以动力粘度值η将增大。7、对理想流体，伯努利方程的物理意义是什么，式中各项的物理意义？答：对理想流体，其伯努利方程为Cgvpz22(或gvpzgvpz2222222111)(或2222222111vpgzvpgz)表明单位质量无粘性流体沿流线自位置1到位置2时，其各项能量可以相互转化，但它们的总能量却是不变的。zg是单位质量流体流经该点时所具有的位置势能，称比位能；p/ρ是单位质量流体流经该点时所具有的压力能，称比压能；v2/2是单位质量流体流经该点时的动能，称比动能。(或答：z是指流体质点流经给定点时所具有的位置高度，称为位置水头，简称位头；p/γ是指流体质点在给定点的压力高度（受到压力p能上升的高度），称为压力水头，简称压头；v2/2g它表示流体质点流经给定点时，以速度v向上喷射所能达到的高度，称为速度水头)8、试以日常生活或生产实践中的例子说明热传导、对流换热和辐射换热现象。答：热传导：冬天穿棉衣保暖，棉衣的热导率小，有利于防止热量散失过快。对流换热：暖水瓶用双层玻璃制成，中间抽成真空，防止空气对流散热。热辐射：冬天晒太阳取暖，太阳光辐射热量。9、什么是等摩尔逆向扩散？写出无化学反应时，一维稳态传质的质量传输微分方程式。答：由组分A和组分B组成的没有化学反应的两组分混合物，且一种组分的摩尔通量密度与另一种组分的摩尔通量密度大小相等，方向相反，即NA=－NB。这种扩散称为等摩尔逆向扩散。对于无化学反应的一维稳态传质，质量转输微分方程式为dNA/dz=010、沿程阻力和局部阻力的物理本质是什么？答：沿程阻力是由于各流体层之间的内摩擦力而产生的流动阻力。在层流状态下，沿程阻力完全是由粘性摩擦产生。在湍流状态下，沿程阻力的一小部分由边界层内的粘性摩擦产生，主要还由流体微团的迁移和脉动造成。局部阻力是流体在流动中因遇到局部障碍而产生的阻力，局部障碍包括流道发生弯曲、流通截面扩大或缩小、流体通道中设置了各种各样的物件如阀门等。11、下面的平面流场流动是否连续？yxvxsin3，yxvycos33；答：根据连续性方程：0yvxvyx，yxxvxsin32，yxyvysin33，又知0sin3sin332yxyx，则此平面流场不连续。12、请写出导热问题的定解条件。答：非稳态导热问题的定解条件有两个方面：（1）给出初始时刻的温度分布，即初始条件。（2）给出物体边界上的温度或换热情况，即边界条件。只有导热微分方程式连同初始条件和边界条件，才能完整地描写一个具体的导热问题。对于稳态导热，定解条件仅有边界条件。导热问题的常见边界条件可归纳为以下三类：1）规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件。2）规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件。3）规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数α及周围流体的温度Tf，称为第三类边界条件。14、写出圆管中流体层流时沿程损失的达西公式？并指出式中各物理量的含义？答：gvdlhf22或2222vdlgvdlhpff上两式为达西公式，其中Δpf为沿程压力损失，hf为沿程压头损失。式中，λ：沿程阻力系数；l：流程；ρ：流体密度；v：流体流速；d：圆管直径；g：重力加速度；γ：流体重度。15、平板绕流流动时所形成的边界层的特点是什么？答：对平板绕流流动，边界层可分为三个区域：1．层流区流体绕流进入平板后，当进流长度不是很长，x＜xc（xc为对应于Re=2×105的进流深度），这时，Re＜2×105，边界层内部为层流流动，这个区域为层流区。2．过渡区随着进流深度的增长，当x＞xc，使得Re＞2×105，且Re＜3×106，这时边界层内处于一种混合的流动状态，部分层流，部分紊流，故称为过渡区。在这一区域内边界层的厚度随进流尺寸增加的相对较快。3．紊流区随着进流尺寸的进一步增加，使得Re＞3×106，这时边界层内流动形态为紊流，边界层的厚度随进流长度的增加而迅速增加。注意的是：无论是对过渡区还是紊流区，边界层最靠近壁面的一层始终是层流流动，这一层称为层流底层，因为在这层内，由于最靠近壁面，壁面的作用使该层流体所受的粘性力大于惯性力所致。16、写出热辐射的基本定律？各定律的物理意义？答：(1)普朗克定律普朗克定律表明了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了黑体单色辐射力Ebλ随波长和温度而变化的函数关系(2)维恩位移定律对应于最大单色辐射力的波长λm和绝对温度T之间的关系(3)斯蒂芬-玻尔兹曼定律表明黑体辐射力与其绝对温度的四次方成正比。(4)基尔霍夫定律提示了物体的辐射力与吸收率之间的理论关系。17、写出质量传输过程中的定解条件。答：1.初始条件即扩散组分在初始时刻的浓度分布：t=0，cA=cA(x,y,z)比较简单的情况为t=0，cA0=常数对于浓度场不随时间变化的稳定传质，无需初始条件。2、边界条件边界条件的规定是视不同的具体情况而异的。常见的几种边界条件是1)规定了边界上的浓度值；2)规定了边界上的质量通量密度或摩尔通量密度；3)规定了边界上物体与周围流体间的对流传质系数及周围流体中组分A的浓度。4)规定化学反应的速率。三、计算题1、某一炉墙由两层材料叠合组成，最里层为耐火粘土砖，已知其λ1=1.16W/（m·K），δ1=150mm；外层是硅藻土，其λ2=0.116W/（m·K），δ2=120mm。炉墙内、外表面温度分别为T1=500℃和T3=200℃。试计算通过此两层平壁的热流密度，并确定界面上的温度。解：热流密度：258116.0120.016.1150.02005002131iiiTTqW/m2界面温度：46716.115.02585001112qTT℃（注：温度采用绝对温标也可以。）2、输油管道直径d=305mm，长l=1800m，输送密度ρ=980kg/m3、运动粘度系数ν=4cm2/s的重油。流量Q=60L/s，管道起点标高z1=85m，终点标高z2=105m。求管道中重油的压力降及损失功率各为多少？解：所求压力降，指管道起点与终点之间的静压力之差Δp。列起点和终点之间的伯努利方程：fhgvpzgvpz2222222111其中由于管道的流量Q不变，管道截面积一定，则流速不变，上式成为)(1221fhzzppp式中只有hf未知，下面来求解hf。先确定流动类型，计算雷诺数Re：Q=60L/s=0.06m3/s，平均流速824.0/AQvm/s雷诺数Re：625104305.0824.0Re4vd＜2320，流动状态为层流。按达西公式（4-10）：85.2022gvdlhfm（为重油柱高度）(1)所以压力损失为)85.2085105(81.9980)(1221fhzzppp=394000(N/m2)(2)功率损失为05.1285.2081.998006.0ffhQN(KW)3、证明：在A、B组成的双组分系统中，在一般情况下进行分子扩散时（有主体流动，且NA≠NB），并在总浓度c恒定条件下DAB=DBA。证明：对于A组分有：NxdzdxcDNAAABA类似地，对于组分B可以写出NxdzdxcDNBBBAB两式相加，得NxdzdxcDNxdzdxcDNNBBBAAAABBA又知：BANNN，1BAxx，dzdxdzdxBA//，代入上式，即得DAB=DBA(注：如果使用nA、nB证明，则需指明NA与nA、NB与nB之关系，)4、25℃下饱和水蒸汽压力pA=0.03168×105Pa，求1个大气压p下，25℃的空气与饱和水蒸汽的混合物中的空气摩尔分数浓度xB。（1个大气压为1.01325×105Pa）解：水蒸汽压力pA=0.03168×105Pa，则空气的分压pB=1.01325－0.0