(完整版)化工流体流动自测计算题答案

二．计算题1．内截面为1000mm×1200mm的矩形烟囱的高度为30m。平均摩尔质量为30kg/kmol、平均温度为400℃的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持49Pa的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为20℃，地面处的大气压强为101.33×103Pa。流体流经烟囱时的摩擦系数可取为0.05，试求烟道气的流量为若干kg/h？解：这是B.E对压缩流体的应用1101330490101281pPa31.205/kgm空气＝(20C空气)201013301.2059.830100975ppghPa121101281100975100%100%0.3%20%101281ppp可应用柏努利方程400C时，烟道气的密度3312()(101281100975)300100.542/228.314673mppMkgmRT在烟囱的进出口之间列柏努利方程，以烟囱底端为上游截面11'，以烟囱顶端为下游截面22'，并以截面11'作位能基准面，有22112212,1222fpupugzgzh其中，149pPa(表压)，20.5439.8130159pghPa烟道气(表压)，10z，230zm，12uu，22feluhd＝441.092()eHabdrmab代入上式解得19.8/ums419.811.20.54312.83/4.6210/swuAkgskgh2.如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管口入口端15m处安有以水银为指示液的U形管压差计，其一臂与管路相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20m。（1）当闸阀关闭时，测得R=600mm，h=1500mm，当闸阀部分开启时，测得R=400mm，h=1400mm。摩擦系数可取0.025，管路入口处局部阻力系数为0.5。问每小时从管中流出水多少立方米？（2）当闸阀全开时，U管压差计的静压强为若干（Pa，表压）？闸阀全开时，le/d=15，摩擦系数仍可取0.025。解：在该题所示的附图内，标出几个需列方程的平面。00'为贮水槽所在的平面，'AA和'BB为U管压计和管路出口的截面，并取水平管中心线所在的水平面为基准面(1)闸阀关闭时0ApgHgRgh(H为贮槽水面的高度)代入数据，解得0136000.61.56.661000RHhm当阀门开启之后'0'ApgRgh4136009.810.410009.811.43.9610Pa(表压)在贮槽液面与'AA间列柏努利方程，得22000,022AAAfApupugzgzh(1)其中00p(表压)00u06.66zm0Az43.9610ApPa(表压)2222,015(0.0250.5)2.215220.12AAAfAcAuuulhud(2)将(2)代入(1)式，整理可得到：229.816.662.2152AAuu解得3.13/Aums水的流量2233.140.13.13360088.4/44SVdumh在(1)中，由于贮槽中水位不变，时稳态流动，故水平管中水的流速不变，只需求Au。为此需用柏努利方程，但在哪两个面之间应用？'BB没有相关量且阀门开度不知道，阻力系数难以计算。在贮槽与压差计之间用柏努利方程。在(2)中：欲求'Ap，仍应使用柏努利方程，此时闸阀全开，ABuu，对水平管，ABzz，故,ffABph.可求出u，然后代入到fp的式中可知'Ap，为求u应在00'与'BB间列柏努利方程(2)当闸阀全开时，在00'与'BB间列柏努利方程，得22000,022BBBfBpupugzgzh(3)其中00Bpp(表压)06.66Bzzm00uBuu222,01520150.1()0.025()0.54.81320.12eAfBclluuhud(4)把(4)代入(3)，整理得229.816.664.8132uu，解得3.51/ums再在'AA和'BB间列柏努利方程，得22,22AABBABfABpupugzgzh其中，ABzzABuu，0Bp(表压)，于是,AfABph22eAllupd20150.13.51210000.0250.1243.310Pa(表压)3.某油品的密度为800kg/m3，粘度为41cP，由附图中所示的A槽送至B槽，A槽比B槽的液面高1.5m。输送管径为φ89×3.5mm、长50m（包括阀门的当量长度），进、出口损失可忽略。试求：（1）油的流量，m3/h；（2）若调节阀门的开度，使油的流量减少20％，此时阀门的当量长度为若干，m？解：题给条件下，油品的密度3800/kgm，黏度3414110cpPas(1)在A、B两槽间列柏努利方程，并以B槽液面为基准面，得22,22AABBABfABpupugzgzh其中，0ABpp(表压)，0ABuu，1.5ABzzm将以上数据代入柏努利方程，,()ABfABgzzh即214.72u此情况下，应假设，求出u之后，计算Re，由于并未给出粗糙度的值，且流体黏度很大，可先试验层流的磨擦系数关系式。假设流体处在层流区，有264304.914.72/udu解得1.21/ums3382101.2800Re19204110du假设合理32331.21(8210)360022.99/23/4SVuAmhmh(2)流量减少之后'30.80.82318.4/SSVVmh'2'0.80.81.210.97/4SVuumsd此时流体仍处在层流区，6464Re/du22'64'()22ABlulugzzddud232139.811.5(8210)800'62.21323241100.87gzdlmu'62.215012.21ellllm阀门开度减小流速下降，直管阻力损失减小，但由于阀门关小之后，局部阻力损失过大。所以总阻力损失没变。4.本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从BC与BD两支管排出，高位槽液面与两支管出口间的距离为11m。AB管段内径为38mm、长为58m；BC支管的内径为32mm、长为12.5m；BD支管的内径为26mm、长为14m，各段长均包括管件及阀门全开时的当量长度。AB与BC管段的摩擦系数均可取为0.03。试计算：（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量为若干，m3/h？（2）当所有的阀门全开时，两支管的排水量各为若干，m3/h？BD支管的管壁粗糙度可取为0.15mm，水的密度为1000kg/m3，粘度为0.001Pa·s。解：(1)在高位槽液面11'和BC支管出口内侧截面'CC间列柏努利方程，并以截面'CC为位能基准面，得22111,122CCCfCpupugzgzh(1)其中10Cpp(表压)111zm0Cz10u将以上数值代入方程(1)，整理得21,12CfCugzh222119.18222BCBCBCABABABBCluuludd222335812.50.030.0338102321022BCBCABuuu(2)根据连续性方程22()()ABBCudud，解得0.71ABBCuu代入(2)式，解得1.77/ABums，2.49/BCums23233.14(3210)2.4936007.2/44BCBCBCVdumh(2)根据分支管路的流动规律，有22,,22CCDDCfBCDfBDpupugzhgzh(3)由于出口管BC、BD在同一水平面上，取两支管出口外侧为下游截面，则两截面上,zp和u均相等。(3)式可简化为,,fBCfBDhh，记为方程(4)。但由于BC和BD是不连续的，22DDCCudud不一定成立，C和D的关系也不能确定，需要试差计算。由于C为已知，应假设D，这样可确定Cu和Du的比例。/0.15/260.0058BDBDd，查摩擦系数图，得0.0318BD，将BC和BD代入方程(4)，得223312.5140.030.03181.213210226102BCBDBCBDuuuu(5)在高位槽液面11'和截面'CC间列柏努利方程，并以截面'CC作位能基准面，得22111,122CCCfCpupugzgzh(6)其中，10Cpp(表压)10u0Cz111zm将以上数据代入方程(6)，整理得,,107.9fABfBChh(7)222,358()(0.030.5)23.15238102ABABABfABABcABABluuhud(8)222,312.50.035.86232102BCBCBCfBCBCBCBCluuhud(9)由连续性方程，可得222ABABBCBCBDBDududud(10)其中38ABdmm，32BCdmm，26BDdmm，代入方程(10)中，整理可得0.780.469ABBCBDuuu(11)把1.21BCBDuu代入方程(11)，得到1.15ABBDuu把1.21BCBDuu、1.15ABBDuu代入方程(11)得到1.6/BDums校验BD：3343()26101.610Re4.1610110BDBDdu，/0.0058BDBDd查得'0.033BD，与前面的假设0.0318BD不相符，需重新计算。以'0.033BD代入计算，得1.23BCBDuu，1.16ABBDuu代入方程(11)得到1.45/BDums校验'BD：3343()26101.4510Re3.7710110BDBDdu，查得''0.0326BD，与'0.033BD相符。1.231.231.451.78/CDuums23233.14(3210)3.1636005.16/44BCBCBCVdums23233.14(2610)1.4536002.77/44BDBDBDVdums