化工原理第1章綜合練習

一、

填空題：

1.在SI制中壓強的因次為_______；功率的因次

為_______。

2.流體(liútǐ)流動的直管阻力hf,當層流流動時，hf∝da

ublc，a____，b____，c____。完全湍流時，

hf∝μa′ub′lc′，a′____，b′____，c′____。

3.某流體(liútǐ)在直管中作層流流動，在流速不變的情

況下，管長、管徑同時增加一倍，其阻力損失為

原來的_______倍。

4.通常指邊界層的范圍是____________________。

ML-1T-2ML2T-3-2121100.5u=0~u=u主體(zhǔtǐ)速度的99%精品資料5.如圖所示的U形管壓差計兩引壓管中指示液面高

低的畫法正確(zhèngquè)是________________。(設管內流

動的是理想流體)Cacbfed精品資料6.某轉子流量計，其轉子材料為不銹鋼，測量(cèliáng)密度為1.2kg/m3的空氣時，最大流量為400m3/h。

現(xiàn)用來測量(cèliáng)密度為0.8kg/m3氨氣時，其最大流量為______m3/h。

7.如圖所示，液體在等徑傾斜管中穩(wěn)定流動，則閥的局部阻力系數(shù)ξ與壓差計讀數(shù)R的關系式為________________。

490ξ=2Rg(ρ0-ρ)/(ρu2)精品資料8.如圖三所示，水塔高度H一定(yīdìng)，A和B用戶高度相同，但有時打開閥門B幾乎無水,其原因是___________。若A處用水量不變，使B處有水用的具體措施是____________________。9.某液體流過如圖四所示等徑圓管，管段長度AB=CD，則如下式子中_____式不成立。A)勢能差：B)能量損失：hfA-B=hfC-D；C)壓強差pB-pA=pD-pCD)U型壓差計讀數(shù)R1=R2。精品資料6.不可壓縮流體在等徑水平直管中作穩(wěn)定流動(liúdòng)時，由于內摩擦阻力損失的能量是機械能中的______。A)位能；B)靜壓能；C)內能；D)動能。7.層流與湍流的本質區(qū)別是______。A)湍流流速(liúsù)大于層流流速(liúsù)；B)湍流Re>層流Re；C)層流無徑向脈動，湍流有徑向脈動；D)速度分布不同。8.某液體在管路中作滯流流動，提高液體溫度會使阻力損失______。A)減?。籅)增大；C)不變；D)不定。9.流體在圓直管內流動，滯流時摩擦系數(shù)λ正比于___；在充分湍流（阻力平方區(qū)）時，λ正比于__________。（G為質量流速）A)G2；B)G；C)G0；D)G-1；E)G-2。10.如圖五高位水槽液位不變，則a、b、c三點處流體總機械能的關系為：閥門打開時_____；閥門關閉時_______。（槽內流體流動阻力不計）A)a＞b＞c；B)a＝b＝c；C)a＝b＞c；D)a＞b＝c。精品資料11.如圖六所示，裝了U型壓差計測得了_______。A點和B點動壓頭差(u2A-u2B)/(2g)；B)A、B段阻力、損失(sǔnshī)hfA-B；C)阻力損失(sǔnshī)和動壓頭差之和D)B點和A點的壓頭差。12.圖七中，流體在管內流動，由于某局部堵塞(dǔsè)，使p1、p2上升、p3下降，試判斷堵塞(dǔsè)位置在_______段。A)ak；B)kb；C)bc；D)cd。13.圖十一中A、B兩管段內均有流體流過，從所裝的壓差計顯示的情況，對于管段內流體流向的判斷有如下四種答案，你認為______是正確的。A管段內的流向；B)B管段內的流向；C)A、B管段內的流向；D)無法做出任何判斷。精品資料14.層流底層(dǐcénɡ)越薄______。A)近壁面速度梯度越?。籅)流動阻力越?。籆)流動阻力越大；D)流體湍動程度越小。例1.利用本題附圖所示的管路系統(tǒng)向高位槽C送水。當閥E在某一開度時，A、B兩點的壓強表讀數(shù)分別為7.4×104Pa及6.4×104Pa，此時供水量為46m3/h；若將E閥關小使管內流量變?yōu)?0m3/h，試求此時A、B兩點的壓強表讀數(shù)。假設上述兩種工況下流動(liúdòng)均在阻力平方區(qū)?！窘狻拷庠擃}的關鍵是明確不同流量下推動力與流動阻力之間的對應關系，而流動阻力又與流量（流速）的平方成比例，因此可列出相應的推動力與流量之間的關系式。截面與基準面的選取如圖十四所示。在1-1與2-2之間列柏努利方程式，當Vh=46m3/h時得：即

精品資料同理，當流量(liúliàng)為30m3/h時，可列出相對應的關系式：聯(lián)立式(lìshì)1與式2，得到=1000×3.5×9.807+0.4253×(7.4×104－1000×3.5×9.807)=5.12×104Pa由于A、B兩點間的壓強差是用來克服AB管段的流動阻力的，因而有如下關系：Pa精品資料即當流量為30m3/h時，A、B兩點之間的壓強(yāqiáng)讀表分別為5.12×104Pa及4.695×104Pa。討論：對于特定的管路系統(tǒng)，上游阻力加大（關小E閥門，增加局部阻力），必然引起下游流量下降，因而流動阻力減小，A、B兩點壓強(yāqiáng)表讀數(shù)及壓強(yāqiáng)差相應下降。例2.水從貯槽A經圖十九所示的裝置流向某設備。貯槽內水位恒定，管路直徑為φ89×3.5mm，管路上裝一閘閥C，閘閥前路管路入口端20m處安一個U形管壓差計，指示液為汞，測壓點與管路出口之間距離為25m。試計算：⑴當閘閥關閉時測得h=1.6m，R=0.7m：當閥部分開啟時，h=1.5m，R=0.5m，管路摩擦系數(shù)λ=0.023，則每小時從管中流出水量及此時閘閥當量長度為若干？⑵當閘閥全開時(le/d=15,λ=0.022),測壓點B處的壓強為若干？【解】該題為靜力學基本方程、柏努利方程、連續(xù)方程、管路阻力方程聯(lián)合應用的綜合練習題。⑴首先根據(jù)閘閥全關時h、R值，用靜力學基本方程求H。在1-1與B-B截面之間列柏努利方程式求流速，然后再用連續(xù)性方程求流量，用阻力方程求le。當閘閥全關時，對U形管的等壓面4-4列靜力學平衡方程得精品資料當閘閥部分開啟時，以管中心線為基準面，在1-1與B-B兩截面(jiémiàn)之間列柏努利方程得:式中

mmm

將有關(yǒuguān)數(shù)據(jù)代入上式得m/sm3/s51.1m3/h

即解得le＝26.3m精品資料⑵閥門全開時的pB以管中心線為基準面，在1-1與2-2兩截面之間列柏努利方程求得管內(ɡuǎnnèi)速度，再在B-B與2-2兩截面之間列柏努利方程式求pB在1-1與2-2之間列柏努利方程得

在B-B與2-2之間列柏努利方程(fāngchéng)得即Pa解得m/s討論：用柏努利方程解題時，截面的合理選取是至關重要的。例如，本題在閘閥部分開啟時，le為待求量，在計算流速時，衡量范圍就不應該選在1-1與2-2兩截面之間，而B-B截面上的參數(shù)較充分，所以應選1-1與B-B之間為衡算范圍；在求le時選取B-B與2-2截面之間最為簡便，同樣，在閘閥全開求pB時，既可選1-1與B-B，又可選B-B與2-2，但后者使計算簡化。精品資料例3、用水洗塔除去氣體中所含的微量有害組分A，流程如圖二十所示。操作參數(shù)為溫度27℃，當?shù)氐拇髿鈮簭姙閜A=101.33kPa,U形管汞柱壓差(yāchà)計讀數(shù)分別為R1=426mm、R2=328mm。氣體在標準狀況下的密度為1.29kg/m3。試求氣體通過水洗塔的能量損失，分別用J/kg、J/N(即m)、J/m3(即Pa)表示?！窘狻勘绢}為可壓縮流體經過水洗塔的流動，當其壓強變化(biànhuà)不超過入口壓強(絕壓)的20％時，可用平均壓強下的密度ρm代入柏努利方程式進行計算。截面和基準面的選取如本題附圖所示。

kPa

kPa

即壓差變化不超過入口絕壓的20%，可當作不可壓縮流體處理，計算如下：kPa

精品資料在1-1與2-2截面(jiémiàn)之間列柏努利方程得J/kg

J/N或m

J/m3或Pakg/m3精品資料例4.某化工廠的生產廢氣通過圓錐型煙囪(yāncōng)(如圖十八所示)排至大氣。煙囪(yāncōng)高60m，其底端和頂端直徑分別為2.4m和1.4m。廢氣密度為0.9kg/m3(可視作常數(shù))，排放量為94000m3/h，煙囪(yāncōng)壁的摩擦系數(shù)取作0.04。試求廢氣通過煙囪(yāncōng)時因流動阻力(不包括煙囪(yāncōng)進出口阻力)而引起的壓強降為若干Pa。煙囪任一截面上流速和直徑(zhíjìng)D的關系為煙囪任意截面上的直徑和高度的關系為

m/sm/s【解】該題實為定態(tài)流動，但由于煙囪直徑隨高度連續(xù)變細，因而流速相應加大從而使得壓強降的計算更為繁瑣。計算的基本方程仍是直管阻力通式，但需找出不同高度上速度和直徑的關系，進而在直徑D1到D2范圍內積分求取廢氣通過煙囪的壓強降。廢氣通過煙囪底部的流速為精品資料經整理(zhěnglǐ)得到：由直管阻力(zǔlì)通式微分上式得到：積分上式得：討論：上面的計算是假設ρ為常數(shù)的前提下進行的，實際上在60m的高度范圍內，ρ是有一定變化的，故上面的計算只是近似結果。Pa精品資料例5.為了測出平直等徑管AD上某泄漏點M的位置，采用如圖十四所示的方法，在A、B、C、D四處各安裝一個壓力表，并使LAB=LCD?，F(xiàn)已知AD段、AB段管長及4個壓力表讀數(shù)，且管內流體處于完全湍流區(qū)。試用(shìyòng)上述已知量確定泄漏點M的位置并求泄漏量占總流量的百分數(shù)。精品資料

【解】不可壓縮流體(liútǐ)在平直等徑管內流動時，任兩點間的壓力差Δp都等于該管段的阻力損失，即

⑴

對于等徑管中的完全湍流流動，K為常數(shù)。

令LAB=LCD=a,LAD=L，管段ABM及MCD內的流體(liútǐ)流量分別為V1、V2，于是根據(jù)式⑴有：

⑵

⑶

⑷

⑸精品資料由式⑵、式⑶解出KV12、KV22并代入式⑷、式⑸得

以上兩式相加得

可見(kějiàn)，只要測出a、L及pA、pB、pC、pD數(shù)值，代入上式即可得出泄漏點M的位置。用此法查找管路（尤其是埋在地下的管路）中的泄露位置方便而經濟。至于泄漏量占總流量的百分數(shù)可由式⑵、式⑶求得精品資料

例6.用離心泵向E、F兩個敞口高位槽送水，管路系統(tǒng)如圖十六所示。已知:所有管路內徑均為33mm，摩擦系數(shù)為0.028，A、B管段的長度(chángdù)(含所有局部阻力的當量長度(chángdù))為

100m，泵出口出壓強表讀數(shù)為294kPa，各槽內液面恒定。試計算：

⑴當泵只向E槽供水，而不向F槽

供水、F槽內的水也不向E槽倒灌

(通過調節(jié)閥門V1與V2開度來實現(xiàn))，

此時管內流速和BC段的長度(chángdù)(包括

所有局部阻力當量長度(chángdù))為若干；

⑵欲同時向E、F兩槽供水，試定

性分析如何調節(jié)兩閥門的開度？

假設調節(jié)閥門前后泵出口處壓強

表讀數(shù)維持不變。精品資料【解】該題為分支管路系統(tǒng)，為滿足⑴所規(guī)定的條件(tiáojiàn)，水流經AB管段后(即B點)所剩余的能量恰好使F槽內的水靜止不流動(即F槽內水不向E槽倒灌，泵送的水也不流向F槽)，因而BC管段的壓頭損失只好為6m。由于整個管路內徑一致，故BC管段與AB管段的流速相同。管內流速由柏努利方程求解，BC管段長度則由能量損失方程計算。

⑴管內流速及BC段管長

取壓強表處為1-1截面，E槽液面為2-2截面，并取通過測壓口中心線為基準面，則在兩截面間列柏努利方程式得

⑴

其中Z2＝4m精品資料

J/kg⑵

式⑵代入式⑴

解得2.162m/s

又J/kg

所以(suǒyǐ)58.84/1.983=29.7m精品資料⑵欲同時向E、F兩槽供水，需關小V1閥而開大V2閥。

討論：本題⑴為分支管路的特例，當使F槽內水不流動時，實際變成了簡單管路的計算，但對BC管段的能量損失加了限制條件，使問題成為唯一解。欲使水能同時向E、F兩槽供水，在調節(jié)閥門的同時，管內的流量(liúliàng)必然減小，以使AB管段的能量損失降低，在B點水所具有的壓頭應大于6m。精品資料例7.用直徑為500mm的鋼管將25oC的天然氣(主要成分為甲烷)從甲地送到35km以外的的乙地(可忽略所有局部阻力)，管材粗糙度為0.2mm。已測得甲、乙兩地(liǎnɡdì)的氣體壓強分別為506.5kPa及49kPa(均為表壓)，當?shù)氐拇髿鈮簽?01.33kPa。試求天然氣的流量為若干標準m3/h。精品資料【解】該題為可壓縮氣體的遠距離輸送，始終兩端壓強差較大，不宜直接用不可壓縮流體的機械能衡算式。在忽略動能及位能變化的簡化假設條件下，壓強降和質量流速之間的關系可用下式近似(jìnsì)表達：

（1）

由于λ為未知，需試差求解?，F(xiàn)計算如下：

kPa

kg/m3

精品資料

假設(jiǎshè)：流動在阻力平方區(qū)，由ε/d=0.2/500=0.0004，查λ，Re(ε/d)關系曲線，得λ=0.016。

kg/(m2·s)

校核：在25℃下，天然氣的粘度μ=1.05×10Pa·s。

精品資料由Re和ε/d的數(shù)值查λ、Re(ε/d)關系曲線圖，得λ=0.0161，與原假設非常接近，上面計算有效。

kg/m3

m3/sm3/h

討論：對于可壓縮氣體的長距離輸送或真空管路氣體輸送，由于氣體密度較小，忽略氣體動能和位能變化的假設所引起的誤差很小，因此用式⑴進行(jìnxíng)近似計算在工程上是可接受的。

精品資料例8如圖所示,高位槽A內的液體通過一等徑管流向槽B。在管線上裝有閥門，閥門前、后M、N處分別安裝壓力表。假設(jiǎshè)槽A、B液面維持不變，閥門前后管長分別為l1、l2。現(xiàn)將閥門關小，試分析管內流量及M、N處壓力表讀數(shù)如何變化。解：（1）管內流量變化分析(fēnxī)，閥門管小后，管內流量將變小。證明如下：在兩槽液面1-1’與2-2’間列機械能衡算式：

式中p1

1

1‘

2

2‘M

Np2精品資料當閥門(fámén)關小時，Z1、Z2、p1、p2均不變，u1≈u2≈0(槽截面＞＞管截面），故兩截面處的總機械能Et1、Et2不變；又管長L1、L2于管徑d也不變，所以(suǒyǐ)λ變化不大可視為常數(shù)。但閥門關小時∑ξ增大，故由式（1）可知u減小，即管內流量v減小。（2）M處壓力表讀數(shù)變化分析由截面1-1’和M點所在的截面的機械能間的機械能衡算式可知當閥門關小時，式（2）中等號右邊除u減小外，其余量均不變，故PM增大。（3）N處壓力表讀數(shù)變化分析同理，由N點所在的截面和截面2-2’間的機械能衡算式可知(2)精品資料當閥門關小時，式（3）中等號右邊除u減小外，其余各量均不變，且恒大于零（因為∑ξn-2中至少包含(bāohán)一個出口局部阻力系數(shù)ξ0=1），故Pn減小。結論：1、在其他條件不變時，管內任何局部阻力的增大(zēnɡdà)將使該管內的流速下降，反之亦然。2、在其他條件不變時，關小閥門必將導致閥前（或閥上游）靜壓強的上升以及閥后（或閥下游）靜壓強下降，反之亦然。(3)精品資料討論：用機械能衡算式分析管路某出靜壓強的變化(biànhuà)時，不宜將局部阻力系數(shù)已起變化(biànhuà)的部分包括在衡算式內。如題中分析M處壓力變化(biànhuà)時，若在M點所處截面與2-2’截面間列機械能衡算式：當閥關小時，式（4）中u減小，而ξM-2增大，因此難以由式（4）直接判斷出PM的變化趨勢，使分析過程變得復雜。因此適當?shù)倪x取衡算范圍(fànwéi)以避免式中同時出現(xiàn)兩個或兩個以上的變量成相反變化的情況。

（4）精品資料例9、每小