第一章流体流动试题集及参考答案流体流动试题集及参考答案一、填空题:1、按照化工单元操作所遵循的基本规律的不同,可将单元操作分为动量传递、热量传递、质量传递。2、化工生产中,物料衡算的理论依据是质量守恒定律,热量衡算的理论基础是能量守恒定律。3、当地大气压为750mmHg时,测得某体系的表压为100mmHg,则该体系的绝对压强850mmHg为真空度为-100mmHg.4、液柱压力计量是基于流体静力学原理的测压装置,用U形管压强计测压时,当压强计一端与大气相通时,读数R表示的是表压或真空度。从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是与指示...
4000为湍流。8.如图所示的某一输水管路中,高位槽液位保持恒定,输水管径不变。有人说:由于受到重力的影响,水在管路中会越流越快,即水通过2-2'截面的流速u大于通过1-1'截面的流速u。这种说法对吗?为什么?不对。因为是稳定连续流动.按连续性方程知:m=m,输水则V=V,现管径不变d=d,故u=u10.如图所示,水在水平管中作稳定连续流动,从A流向B,问:(1)体积流量V和V哪个大?为什么?(2)流速u和u哪个大?为什么?(3)静压头P/(ρg)和P/(ρg)哪个大?为什么?(1)因为输水,按连续性方程知V=V(2)∵V=V而d<d∴u>u(3)∵Z+P/(ρg)+u/(2g)=Z+P/(ρg)+u/(2g)+Hf而水平管Z=Z又∵u>u若H=0则P/(ρg)<P/(ρg);若H≠0则P/(ρg)和P(ρg)哪个大?要由u和u、H之值决定。11.在有一个稳压罐的一条管径不变的输送管上的A.B处分别装上一个相同规格的压力表(如图所示)。问:(1)当管路上的阀门C关闭时,两个压力表的读数是否一致?为什么?(2)当管路上阀门C打开时,两个压力表的读数是否相同?为什么?(设A.B处的气体密度近似相等)(1)阀C关闭时,流体为静止状态,同一水平面上∴P=P。(2)阀C打开,流体流动,有阻力,为Z=Z,d=d且ρ=ρ则u=u∴P>P12一定量的液体在园形直管内作稳定连续滞流流动。若管长及液体的物性不变,而管径减至原来的一半,问因流动阻力而产生的能量损失为原来的若干倍?∵hf=λ(L/d)u/2而滞流时λ=64/Re=64μ/(d*u*ρ)流速:u=4Q/(πd)而题设Q、L、μ、d不变,即hfα1/d∵d=d/2∴hf=16hf13.在相同管径的两条园形管道中,同时分别流动着油和清水(μ油>μ水),若雷诺数相同,且密度相近,试判断油速大还是水速大?为什么?∵Re油=Re水而u油>u水,∴u油>u水14.如图所示,液体分别从两容器中流出,液面保持不变,排出管径相同。问:(1)图(a)中1-1和2-2截面的u>u还是u=u?为什么?(2)图(a)、(b)中Z>Z其它条件不变,忽略阻力损失,则出口处的速度u与u哪个大?为什么?(3)图(a)、(b)中Z=Z,则截面2-2*处的速度与u哪个大?为什么?(1)因液体连续稳定流动,且d=d∴u=u=u(2)∵u=[2g(z-∑h)]题设h=h=0∵Z>Z∴u>u(当然∵Z>Z则hf>hf,∴当hf不能忽略时,u与u关系视具体情况而定)。(3)由(1)和(2)结果知∵u=u而u>u∴u>u15.某车间用水量由水塔稳定供给(如图示)。现若将出口阀A关小,其流量有无改变?为什么?∵u=[2g(Z-∑h)]/当阀门A关小时,∑hf↑,但Z不变,则u↓,d不变则V↓即流量变小。16.如图所示,A.B.C三点在同一水平面上,d=d=d,问:(1)当阀门关闭时,A.B.C三点处的压强哪个大?哪个小?或相等?(2)当阀门打开,高位槽液面保持不变,A.B.C三点处的压强哪个大?哪个小?或相等?(1)阀门关闭,水处于静止状态,P=P=P(2)阀门打开,水稳定流动,有阻力,且d=d=d∴P>P>P17.如图所示:A.B.C三点在同一水平面上,d=d,d>d,问:(1)当闸阀关闭时,A.B.C三点处的压强那个大?哪个小?或相等?(2)当阀门打开,高位槽水位稳定不变,A.B.C三截面处的压强、流量、流速哪个大?哪个小?或相等?(1)p=p=p(2)①V=V=V②u=uu>uu>u③流动流体有阻力,由柏努利方程知:P>PP>PP与P的大小由u、u和h→c之值决定20.什么叫化工单元操作?常用的化工单元操作有哪些?化工产品的生产过程中,具有共同物理变化,遵循共同的物理学定律的一些物理操作过程。例如:流体流动、流体输送、非均相分离、传热、蒸发、蒸馏、吸收、萃取、干燥等。五、计算题:1.以复式水银压差计测量某密闭容器内的压力P。已知各水银液面标高分别为h=2.6m,h=0.3m,h=1.5m,h=0.5m,h=3.0m。求此密闭容器水面上方的压强P(kN.m)(表压)按表压计算,p=(h-h)ρ汞.g,p=p-(h-h)ρ水.gp=p+(h-h)ρ汞.gp=p-(h-h)ρ水.g以上相加p=(h-h+h-h)ρ汞.g-(h-h+h-h)ρ水.g=(2.6-0.3+1.5-0.5)×13.6×10g-(1.5-0.3+3-0.5)1000g=404KN/m2.密度为1000kg.m,粘度为1cP的水,以10m/h的流量在φ51×3mm的水平管道内流过,在管路上某处流体静压强为1.5kgf.cm(表压),若管路的局部阻力可略去不计,问距该处100m同一水平线下游处流体静压强为多少Pa?(Re=3×10--1×10时,λ=0.3164/Re)u=V/(πd/4)=10/(3600×π×0.045/4)=1.75m.sRe=duρ/μ=0.045×1.75×1000/(1×10)=78750λ=0.3164/Re=0.3164/78750=0.0189由柏式:Z=Zu=u∴p/ρ=p/ρ+λ(l/d)(u/2)p=p-λ(l/d)(ρu/2)=1.5×9.81×10-0.0189×(100/0.045)×(1.75/2)×1000=8.3×10N.m(表压)3.用泵自敞口贮油池向敞口高位槽输送矿物油,流量为38.4T.h,高位槽中液面比油池中液面高20m,管路总长(包括阀门及管件的当量长度)430m,进出口阻力不计。管径为φ108×4mm,若油在输送温度下的比重为0.96,粘度为3430cp,求泵所需的实际功率,设泵的效率η=50%。对贮油池液面至高位槽液面列柏努利方程:He=△Z+λ[(l+Σle)/d](u/2g)△Z=20ml+Σle=430md=108-2×4=100mm=0.1mu=Q/0.785d=38400/3600×0.785×0.1×960=1.415m.sRe=duρ/μ=0.1×1.415×960/3430×10=39.6<2000λ=64/Re=64/39.6=1.616He=20+1.616×(430/0.1)×(1.415/2×9.81)=729.2mN=Q·He·ρg/η=38400×729.2×9.81/(3600×0.5×1000)=152.6kw4.用离心泵将水由水槽送至水洗塔中,水洗塔内的表压为9.807×10N.m,水槽液面恒定,其上方通大气,水槽液面与输送管出口端的垂直距离为20m,在某送液量下,泵对水作的功为317.7J.kg,管内摩擦系数为0.018,吸入和压出管路总长为110m(包括管件及入口的当量长度,但不包括出口的当量长度)输送管尺寸为φ108×4mm,水的密度为1000kg.m。求输水量为多少m.h。Zg+(p/ρ)+(u/2)+W=Zg+(p/ρ)+(u/2)+Σhf已知数据:Z=0;P(表)=0;u≈0;W=317.7[J.kg];Z=20[m];p=9.807×10[N.m](表);ρ=1000[kg.m]简化上式:W=Zg+(p/ρ)+(u/2)+Σhf又Σhf=λlu/2d=9.9u∴317.7=9.81×20+9.807×10/1000+u/2+9.9u10.4u=23.43∴u=1.5[m.s]V=(π/4)D×u×3600=0.785×0.12×1.5×3600=42.41[m.h5.如图所示,D=100mm,d=50mm,H=150mm,ρ气体=1.2kg.m。当R=25mm时,将水从水池中吸入水平管中间,问此时V气体=?m.s(阻力可忽略)选1-1、2-2截面与基准面0-0,如图所示。在两截面之间列柏方程并简化得到:(p/ρ)+(u/2)=(p/ρ)+(u/2)(1)由已知数据:p=0.025×13600×9.81=3335N.mp=-0.15×1000×9.81=-1472N.mu=(100/50)u=4u代入(1)可得:15u=2(p-p)/ρ=8012u=23.11m.sVs=(π/4)Du=0.1814m.s或V=653m.h6.图示为水泵进水管的装置。管子尺寸为φ57×3.5mm;管的下端位于储水池水面下2m,并装有底阀及滤网,该处之局部阻力压头损失为12u/(2g);截面2-2处的真空度为4m水柱;由1-1至2-2截面的沿程压头损失为9u/(2g)。试求:(1)进水管的流量为多少m.h;(2)进水口1-1处的表压为若干N.m?列水面与2-2截面列柏努利方程:(1)Z+u/2g+P/ρg=Z+u/2g+P/ρg+∑HZ=0,u=0,P=0,Z=3m,P/ρg=-4mHO∑H=12u/2g+9u/2g=21u/2g=21u/2g21u/2g+u/2g=22u/2g=4-3=1m∴u=(2×9.81/22)=0.94m.s∴V=3600×0.785(0.05)×0.94=6.64m.h(2)进水口1-1处的表压P3—3截面为大槽距水面2m深处的大槽截面,3-3及1-1截面间的柏努利方程式Z=Z=0p/ρg=2p/ρgu≈0u=0.94msH=12u/2g2=p/1000g+0.94/2g+12×0.94/2gp=13.88×10P=13.88KP=1.415m水7.一直立煤气管,在底部测压管测得水柱差h=100mm,在H=20m高处的测压管中测得水柱差h=115mm,管外空气的密度ρ=1.29kg.m,求管中静止煤气的密度ρ为多大?P=P+hρ水gP=(P+ρgH)+hρ水g又P=P+Hρg∴(P+Hρg)+hρ水g=(P+hρ水g)+HρgHρ+hρ水=Hρ+hρ水ρ=ρ-ρ水(h-h)/H=1.29-1000×(0.115-0.1)/20=0.54kg.m。8.水从蓄水箱,经过一水管流出,如附图所示。假如,Z=12m,Z=Z=6.5m,d=20mm,d=10mm,水流经d管段的阻力损失为2mHO,流经d管段的阻力损失为1mHO,求:(1)管嘴出口处的流速u;(2)接近管口2-2截面处的流速u及压强P;(1)列1-1与3-3截面柏努利方程式Z+P/ρg+u/2g=Z+P/ρg+u/2g+hu=0,P=P=0(表压)∴12-6.5=u/2g+(2+1)解得u=√(2.5×2×9.81)=7m.s(2)u=u(d/d)=7×(10/20)=1.75m.s由1-1与2-2截面列柏努利方程式可得P/ρg=(Z-Z)-u/2g-h=(12-6.5)-1.75/(2×9.81)-2=3.344m水柱(表压)∴P=3.344×1000×9.81=32804Pa9.密度为1000kg.m,粘度为1cp的水,以5m.h的流量在φ51×3mm的水平管道内流过,在管路上某处流体静压强为1.5kgf.cm(表压),若管路的局部阻力可略去不计,问距该处100m下游处流体静压强为多少Pa?(Re=3×10-1×10时,λ=0.3164/Re)u=V/(πd/4)=5/(3600×π×0.045/4)=0.874m.sRe=duρ/μ=0.045×0.874×1000/(1×10)=39375λ=0.3164/Re=0.3164/78750=0.0225由柏式:Z=Zu=u∴p/ρ=p/ρ+λ(l/d)(u/2)p=p-λ(l/d)(ρu/2)=2.5×9.81×10-0.00225×(100/0.045)×(0.874/2)×1000=1.28×10N.m(表压)10.用泵自贮油池向高位槽输送矿物油,流量为38.4T.h,高位槽中液面比油池中液面高30m,管路总长(包括阀门及管件的当量长度)430m,进出口阻力不计。管径为φ108×4mm,若油在输送温度下的比重为0.96,粘度为3430cp,求泵所需的实际功率,设泵的效率η=50%。***答案***对贮油池液面至高位槽液面列柏努利方程:He=△Z+λ[(l+Σle)/d](u/2g)△Z=30ml+Σle=430md=108-2×4=100mm=0.1mu=Vs/0.785d=38400/(3600×0.785×0.1×960)=1.415m.sRe=duρ/μ=0.1×1.415×960/3430×10=39.6<2000λ=64/Re=64/39.6=1.616He=30+1.616×(430/0.1)×(1.415/2×9.81)=739.13mN=Q·He·ρg/η=38400×739.13×9.81/(3600×0.5×1000)=154.7kw11.用离心泵将水由水槽送至水洗塔中,水洗塔内的表压为9.807×10N.m,水槽液面恒定,其上方通大气,水槽液面与输送管出口端的垂直距离为20m,在某送液量下,泵对水作的功为340J.kg,管内摩擦系数为0.018,吸入和压出管路总长为110m(包括管件及入口的当量长度,但不包括出口的当量长度)输送管尺寸为φ108×4mm,水的密度为1000kg.m。求输水量为多少m.h。Zg+(p/ρ)+(u/2)+W=Zg+(p/ρ)+(u/2)+Σhf已知数据:Z=0;P(表)=0;u≈0;W=340[J.kg];Z=20[m];p=9.807×10[N.m](表);ρ=1000[kg.m]简化上式:W=Zg+(p/ρ)+(u/2)+Σhf又Σhf=λlu/2d=9.9u∴340=9.81×20+9.81×10/1000+u/2+9.9u10.4u=45.7∴u=2.1[m.s]V=(π/4)D×u×3600=0.785×(0.1)×2.1×3600=59.3[m.h]12.用离心泵经φ57×3.5mm的钢管,将敞口贮槽内的有机溶剂(密度为800kg.m,粘度为20cp)输送到反应器中。设贮槽内的液面离反应器内的液面高度Z保持20m,见附图。已知钢管总长度(包括局部阻力当量长度)为25m,反应器内的压力恒定为4kgf.cm(表压),有机溶液输送量为6m.h,泵的效率为60%,试确定泵提供的轴功率。取敞口贮槽液面为1-1截面,反应器内液面为2-2截面,在1-1与2-2截面间列柏努利方程,并以1-1截面为基准面:gZ+(u/2)+(p/ρ)+W=gZ+(u/2)(p/ρ)+ΣhfW=(Z-Z)g+[(u-u)/2]+[(p-p)/ρ]+ΣhfΣhf=λ[(l+le)/d](u/2)u=(6/3600)/[(π/4)×0.05]=0.8488m.su≈u≈0Z=0Re=duρ/μ=0.05×0.8488×800/(20×10)=1697.6<2000则λ=64/Re=64/1697.6=0.0377Σhf=0.0377×(25/0.05)×(0.8488/2)=6.7904J.kg故W=(20-0)×9.807+4×9.807×10/800+6.7904=693.5J.kgN=QρW/η=1.541kw13.(14分)某油品在Φ89×4mm的无缝钢管中流动。在A和B的截面处分别测得压强P=15.2×10N.m,P=14.8×10N.m。试计算管路中油品的流量。已知:A.B间长为60m,其间还有2个90弯头(每个弯头的当量长度l=5d),ρ油=820kg.m,μ油=121cp。A-B间列柏努利方程:Z+u/2g+P/ρg=Z+u/2g+P/ρg+∑H(P-P)/ρg-(Z-Z)=∑H=λ(l+l)/d×u/2g(15.2-14.8)×10/(820×9.81)-1=64/(duρ/μ)×(l+l)/d×u/2g=64μ/(dρ)×(l+l)/d×u/2gu=(3.973×2×9.81×(0.081)×820/(64×121×10×65.67)=0.825m.s校验:R=duρ/μ=0.081×0.825×820/(121×10)=452<2000∴V=Au=0.785(0.081)×0.825=4.25×10m.s=15.3m.h。14.如附图所示,风机的进口吸风管内径为100mm,吸上水柱高度为12mm,空气的密度为1.2kg.m,求风机进口管内空气的流速和风量。u=(2ghρ水/ρ气)=(2×9.81×0.012×1000/1.2)=14m.sV=0.785×0.1×14=0.11m.s=395.6m.h15.欲建一水塔向某工厂供水,如下图所示,从水塔到工厂的管长(包括局部阻力当量长度)为500m。最大流量为20升/秒。管出口处需保持10m水柱的压头(表压)。若摩擦系数λ=0.023,试求:1.当管内流速为1.05m.s时,所需管径及塔高;2.当管内流速为4m.s时,所需管径及塔高;3.由计算1、2,分析满足一定流量时,塔高与管径的关系。1.V=(π/4)dud=0.156mH+P/ρg+u/2g=0+P/ρg+u/2g+λ(l/d)(u/2g)∴H=14.2m2.d'=0.080mH'=128m3.管径越大,塔高越低.管径越小,塔高越高16.某高位槽与内径为100mm的钢管相连,槽内为常温水,直管总长30m,有90度弯头3个,闸阀(全开)和球阀(全开)各1个,水从管口流出。问欲得到每小时22.7m的排水量,槽内水面应比管出口高多少m?(取λ=0.0256,由容器入管口ζ=0.5,管子出口ζ=1.0,闸阀全开ζ=0.17,球阀全开ζ=6.0,90度弯头ζ=0.75)。在高位槽与管出口处截面,列柏努利方程式:gZ+u/2+P/ρ=gZ+u/2+P/ρ+∑hfZ=Z,Z=0u=0p=p=0(表压)d=0.1m,ρ=1000,u=Vs/A=0.803m.sΣζ=0.5+1.0+0.17+6.0+0.75×3=9.92Σh=(λ(l/d)+9.92)u/2=5.67J.kg9.81Z=+5.67Z=0.58m17.有一垂直管道,内径由300mm渐缩至150mm。常温的水从下而上流动。现测得水在粗管和细管内的静压强分别为19.6×10和17.0×10N.m(表压),测压点的垂直距离为1.5m。如两测压点的摩擦阻力可忽略不计,试求水的流量为若干m.h?在两测至点间列柏努利方程得:zg+P/ρ+u/2=zg+p/ρ+u/2+hf0+19.6×10/1000+u/2=1.5g+17.0×10/1000+u/2+0196+u/2=184.7+u/2........(1)由连续性方程知:u=ud/d=u×0.15/0.3=0.25u代入(1)式得:u=4.91m.s∴V=3600.πdu/4=3600.π×(0.15)×4.91/4=312.2m.h18.某车间准备用一台离心泵将储槽内的热水送到敞口的高位槽内,已知管子规格为Φ60×3.5mm钢管,管内流速为2m.s,吸入管路的能量损失为19.6J.kg,压出管路的压头损失为4mHO(均包括全部的局部阻力损失在内),其余参数见附图示。试求该泵提供的有效功率。定储槽液面为1-1,且为基准面,高位槽液面为2-2,列柏式:Zg+P/ρ+u/2+We=Zg+P/ρ+u/2+∑h∑h=h吸+hf压=19.6+4×9.807=58.84J.kg∴-100×13.6/1000+we=8×9.81+58.84∴We=138.7J.kgm=π/4×0.053×2=4.41×10kgs∴Ne=Wem=138.7×4.41×10=0.612W19.某输水管路如图所示,水箱液面保持恒定。当阀门A全关闭时,压力表读数为177kN.m,阀门全开时,压力表读数为100kN.m。已知管路采用Φ108×4mm钢管,当阀门全开后,测得由水箱至压力表处的阻力损失为7.5mHo。问:全开阀A时水的流量为多少m.h?(ρ水=1000kg.m,p大=98.1kN.m)定水箱液面为1-1,压力表处为2-2,列柏式:Z+P/(ρg)+u/(2g)=Z+P/(ρg)+u/(2g)+H∵Z=P/(ρg)=177×10/(1000×9.807)=18m∴18+0+0=0+100×10/(1000×9.807)+u/(2g)+7.5∴u=2.43m.s∴V=3600π2.43×(0.1)/4=68.67m.h20.现有一条水平通风管道,在某处用渐缩管将Φ508×4mm和Φ408×4mm的大小钢管连接起来。现为粗略地估算其流过的空气量,在渐缩管的两端各装上一个U形测压计,得读数如图所示。若空气流过渐缩管的压头损失可忽略不计,试求流过的质量流量为多少kg.h?(已知空气在 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