材料加工冶金传输原理习题答案(吴树森版)

第一章流体的主要物理性质1-1何谓流体，流体具有哪些物理性质？答：流体是指没有固定的形状、易於流动的物质。它包括液体和气体。流体的主要物理性质有：密度、重度、比体积压缩性和膨胀性。2、在图所示的虹吸管中，已知H1=2m，H2=6m，管径D=15mm，如果不计损失，问S处的压强应为多大时此管才能吸水?此时管内流速υ2及流量Q各为若干?(注意：管B端并未接触水面或探入水中)解：选取过水断面1-1、2-2及水准基准面O-O，列1-1面(水面)到2-2面的贝努利方程再选取水准基准面O’-O’，列过水断面2-2及3-3的贝努利方程(B)因V2=V3由式(B)得5、有一文特利管(如下图)，已知d115cm，d2=10cm，水银差压计液面高差h20cm。若不计阻力损失，求常温(20℃)下，通过文氏管的水的流量。解：在喉部入口前的直管截面1和喉部截面2处测量静压力差p1和p2，则由式constvp22可建立有关此截面的伯努利方程：22212122pvpv根据连续性方程，截面1和2上的截面积A1和A2与流体流速v1和v2的关系式为所以])(1[)(2212212AAppv通过管子的流体流量为])(1[)(2212212AAppAQ)(21pp用U形管中液柱表示，所以074.0))15.01.0(1(10)1011055.13(2.081.92)1.0(4])(1[)(22223332212'2AAhgAQ(m3/s)式中、'——被测流体和U形管中流体的密度。如图6-3—17(a)所示，为一连接水泵出口的压力水管，直径d=500mm，弯管与水准的夹角45°，水流流过弯管时有一水准推力，为了防止弯管发生位移，筑一混凝土镇墩使管道固定。若通过管道的流量s，断面1-1和2-2中心点的压力p1相对=108000N/㎡，p2相对=105000N/㎡。试求作用在镇墩上的力。[解]如图6—3—17(b)所示，取弯管前後断面1—1和2-2流体为分离体，现分析分离体上外力和动量变化。图虹吸管设管壁对流体的作用力R，动量方程在x轴的投影为：则动量方程在x轴的投影为：镇墩对流体作用力的合力R的大小及方向为：流体对镇墩的作用力P与R的大小相等方向相反。1-2某种液体的密度ρ=900Kg／m3，试求教重度y和品质体积v。解：由液体密度、重度和品质体积的关系知：∴品质体积为)/(001.013kgm某种可压缩液体在圆柱形容器中，当压强为2MN／m2时体积为995cm3，当压强为1MN／m2时体积为1000cm3，问它的等温压缩率kT为多少?解：等温压缩率KT公式(2-1):TTPVVK1ΔV=995-1000=-5*10-6m3注意：ΔP=2-1=1MN/m2=1*106Pa将V=1000cm3代入即可得到KT=5*10-9Pa-1。注意：式中V是指液体变化前的体积如图所示，在相距h＝的两个固定平行乎板中间放置另一块薄板，在薄板的上下分别放有不同粘度的油，并且一种油的粘度是另一种油的粘度的2倍。当薄板以匀速v＝s被拖动时，每平方米受合力F=29N，求两种油的粘度各是多少?解：流体匀速稳定流动时流体对板面产生的粘性阻力力为平板受到上下油面的阻力之和与施加的力平衡，即代入数据得η=第二章流体静力学（吉泽升版）2-1作用在流体上的力有哪两类，各有什麽特点?解:作用在流体上的力分为品质力和表面力两种。品质力是作用在流体内部任何质点上的力，大小与品质成正比，由加速度产生，与质点外的流体无关。而表面力是指作用在流体表面上的力，大小与面积成正比，由与流体接触的相邻流体或固体的作用而产生。2-2什麽是流体的静压强，静止流体中压强的分布规律如何?解：流体静压强指单位面积上流体的静压力。静止流体中任意一点的静压强值只由该店座标位置决定，即作用於一点的各个方向的静压强是等值的。2-3写出流体静力学基本方程式，并说明其能量意义和几何意义。解:流体静力学基本方程为：hPhPPPZPZ002211g或同一静止液体中单位重量液体的比位能可以不等，比压强也可以不等，但比位能和比压强可以互换，比势能总是相等的。2-4如图2-22所示，一圆柱体d＝，品质M＝50kg．在外力F＝520N的作用下压进容器中，当h=时达到平衡状态。求测压管中水柱高度H＝?解：由平衡状态可知：)()2/()mg2hHgdF（代入数据得H=盛水容器形状如图所示。已知hl＝，h2＝，h3＝，h4＝，h5＝。求各点的表压强。解：表压强是指：实际压强与大气压强的差值。2-6两个容器A、B充满水，高度差为a0为测量它们之间的压强差，用顶部充满油的倒U形管将两容器相连，如图所示。已知油的密度ρ油=900kg／m3，h＝，a＝。求两容器中的压强差。解：记AB中心高度差为a，连接器油面高度差为h，B球中心与油面高度差为b；由流体静力学公式知：2-8一水压机如图所示。已知大活塞直径D＝，小活塞直径d=5cm，杠杆臂长a＝15cm，b＝，活塞高度差h＝1m。当施力F1＝98N时，求大活塞所能克服的载荷F2。解：由杠杆原理知小活塞上受的力为F3：aFbF3由流体静力学公式知：∴F2=2-10水池的侧壁上，装有一根直径d＝的圆管，圆管内口切成a＝45°的倾角，并在这切口上装了一块可以绕上端铰链旋转的盖板，h=2m，如图所示。如果不计盖板自重以及盖板与铰链间的摩擦力，问开起盖板的力T为若干?(椭圆形面积的JC=πa3b/4)解：建立如图所示坐标系oxy，o点在自由液面上，y轴沿着盖板壁面斜向下，盖板面为椭圆面，在面上取微元面dA,纵坐标为y，淹深为h=y*sinθ,微元面受力为板受到的总压力为盖板中心在液面下的高度为hc=d/2+h0=,yc=a+h0/sin45°盖板受的静止液体压力为F=γhcA=9810**πab压力中心距铰链轴的距离为：X=d=,由理论力学平衡理论知，当闸门刚刚转动时，力F和T对铰链的力矩代数和为零，即：22232DF2dFgh故T=2-14有如图所示的曲管AOB。OB段长L1＝，∠AOB=45°，AO垂直放置，B端封闭，管中盛水，其液面到O点的距离L2＝，此管绕AO轴旋转。问转速为多少时，B点的压强与O点的压强相同?OB段中最低的压强是多少?位於何处?解：盛有液体的圆筒形容器绕其中心轴以等角速度ω旋转时，其管内相对静止液体压强分布为：以A点为原点，OA为Z轴建立坐标系O点处面压强为20glPPaB处的面压强为gZPPaB2r22其中：Pa为大气压。21145cos,45sLLZinLr当PB=PO时ω=sOB中的任意一点的压强为对上式求P对r的一阶导数并另其为0得到，2gr即OB中压强最低点距O处mrL15.045sin代入数据得最低压强为Pmin=103060Pa第三章习题（吉泽升版）已知某流场速度分布为，试求过点(3，1，4)的流线。解：由此流场速度分布可知该流场为稳定流，流线与迹线重合，此流场流线微分方程为：即：求解微分方程得过点(3,1,4)的流线方程为：试判断下列平面流场是否连续?解：由不可压缩流体流动的空间连续性方程（3-19，20）知：，当x=0，1，或y=kπ（k=0，1，2，……）时连续。三段管路串联如图所示，直径d1=100cm，d2=50cm，d3＝25cm，已知断面平均速度v3＝10m/s，求v1,v2，和品质流量(流体为水)。解：可压缩流体稳定流时沿程品质流保持不变，1)3(1)2(33yzyx故：品质流量为：水从铅直圆管向下流出，如图所示。已知管直径d1＝10cm，管口处的水流速度vI＝s，试求管口下方h＝2m处的水流速度v2，和直径d2。解：以下出口为基准面，不计损失，建立上出口和下出口面伯努利方程：代入数据得：v2=s由得:d2=水箱侧壁接出一直径D＝的管路，如图所示。已知h1＝，h2=,不计任何损失，求下列两种情况下A的压强。(1)管路末端安一喷嘴，出口直径d=；(2)管路末端没有喷嘴。解：以A面为基准面建立水平面和A面的伯努利方程：以B面为基准，建立A,B面伯努利方程：（1）当下端接喷嘴时，解得va=s,PA=（2）当下端不接喷嘴时，解得PA=如图所示，用毕托管测量气体管道轴线上的流速Umax，毕托管与倾斜(酒精)微压计相连。已知d=200mm，sinα=，L=75mm，酒精密度ρ1=800kg／m3，气体密度ρ2＝m3；Umax=(v为平均速度)，求气体品质流量。sA/Kg490vQM33水gvPgvPhaa20222212211vAvAgvPPhaAa2002D21abAaPgvPgvh2022D222bbaaAvAvbavv解：此装置由毕托管和测压管组合而成，沿轴线取两点，A(总压测点），测静压点为B，过AB两点的断面建立伯努利方程有：其中ZA=ZB,vA=0,此时A点测得的是总压记为PA*，静压为PB不计水头损失，化简得由测压管知：由於气体密度相对於酒精很小，可忽略不计。由此可得气体品质流量:代入数据得M=s如图所示，一变直径的管段AB，直径dA=，dB=，高差h=，用压强表测得PA＝7x104Pa，PB＝4x104Pa，用流量计测得管中流量Q=12m3/min，试判断水在管段中流动的方向，并求损失水头。解:由於水在管道内流动具有粘性，沿着流向总水头必然降低，故比较A和B点总水头可知管内水的流动方向。即：管内水由A向B流动。以过A的过水断面为基准，建立A到B的伯努利方程有：代入数据得，水头损失为hw=4m第四章（吉泽升版）已知管径d＝150mm，流量Q＝15L/s，液体温度为10℃，其运动粘度系数ν＝s。试确定：(1)在此温度下的流动状态；(2)在此温度下的临界速度；(3)若过流面积改为面积相等的正方形管道，则其流动状态如何?解：流体平均速度为：2maxB*A21P-Pv气agLcosP-PB*A气酒精21maxcos2agLvAvA2.1vMmax22雷诺数为：故此温度下处在不稳定状态。因此，由不稳定区向湍流转变临界速度为：由不稳定区向层流转变临界速度为：若为正方形则故为湍流状态。温度T=5℃的水在直径d＝100mm的管中流动，体积流量Q=15L/s，问管中水流处於什麽运动状态?解：由题意知：水的平均流速为：查附录计算得T=5℃的水动力粘度为根据雷诺数公式故为湍流。温度T=15℃，运动粘度ν＝s的水，在直径d=2cm的管中流动，测得流速v=8cm/s，问水流处於什麽状态?如要改变其运动，可以采取哪些办法?解：由题意知：故为层流。升高温度或增大管径d均可增大雷诺数，从而改变运动状态。在长度L=10000m、直径d=300mm的管路中输送重γ＝m3的重油，其重量流量G＝h，求油温分别为10℃(ν=25cm2/s)和40℃(ν=s)时的水头损失解：由题知：油温为10℃时40℃时某一送风管道(钢管，⊿=．长l=30m，直径d=750mm，在温度T=20℃的情况下，送风量Q=30000m3/h。问：(1)此风管中的沿程损失为若干?(2)使用一段时间後，其绝对粗糙度增加到⊿=，其沿程损失又为若干?(T=20℃时，空气的运动粘度系数ν=s)解：（1）由题意知：由於Re＞*105，故（2）：同（1）有直径d=200m，长度l=300m的新铸铁管、输送重度γ=m3的石油．已测得流量Q=s。如果冬季时油的运动粘性系数ν1=s，夏季时ν2=s，问在冬季和夏季中，此输油管路中的水头损失h1各为若干?解：由题意知冬季同理，夏季有因为由布拉休斯公式知：第五章边界层理论流体在圆管中流动时，“流动已经充分发展”的含义是什麽？在什麽条件下会发生充分发展了的层流，又在什麽条件下会发生充分发展了的湍流？答：流体在圆管中流动时，由於流体粘性作用截面上的速度分布不断变化，直至离管