《傳遞現(xiàn)象導(dǎo)論》1-4章課后答案解析

./第一章習(xí)題解1-1.水流進(jìn)高為h=0.2m的兩塊寬平板之間的通道,如圖1-52所示。已知：通道截面具有速度分布。求：通道截面平均速度U。圖1-52解：由式〔1-3圖1-52圖1-531-2.如圖1-53所示,在一密閉容器內(nèi)裝有水及油,密度分別為ρ水＝998.1kg/m3,,ρ油＝850kg/m3,油層高度h1=350mm,容器底部裝有水銀<ρ水銀＝13600kg/m3>液柱壓力計(jì),讀數(shù)為R=700mm,水銀面的高度差h2=150mm,求容器上方空間的壓力p。圖1-53解：在圖1-53中,U型管上取控制面Ⅰ,兩側(cè)壓力相等。由式〔1-20流體靜力學(xué)的平衡定律得將大氣壓和其它已知數(shù)據(jù)代入上式,可得容器上方空間的壓力1-3.如圖1-54所示,已知容器A中水面上的壓力為pA=1.25大氣壓,壓力計(jì)中水銀面的差值h1=0.2m,h2=0.25m,h=0.5m,ρH2O=1000kg/m3,ρHg=13550kg/m3。求：容器B中壓力pB解：在圖1-54中,各U型管上取控制面Ⅰ、Ⅱ,各控制面兩側(cè)壓力相等。圖1-54圖1-54設(shè)中間管中空氣壓力為p,并忽略空氣密度。由式〔圖1-54圖1-54將和其它已知數(shù)據(jù)代入上式,可得容器B中壓力1-4.證明：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積動(dòng)量的量綱與單位面積力的量綱相同。證明：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積動(dòng)量為,量綱為；單位面積力為,量綱為。兩者量綱相同1-8.流體以流過平板,試求距板面0.15米處的切應(yīng)力。已知μ=3.3×10-4Pa.s。解：由式〔1-30可求距板面0.15米1-9.潤滑系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩平行金屬平面間的流動(dòng),其間潤滑油的粘度為10.0cP。下表面以力0.45N拖動(dòng),作用面積為4.6m2,板間距為3.1mm〔1試計(jì)算下表面上的剪切應(yīng)力；〔2若上表面靜止,計(jì)算下表面處流體的運(yùn)動(dòng)速度；〔3若板間流體改為20℃的水或空氣,重復(fù)上述計(jì)算；〔20℃的水粘度為1.0cP〔4用簡(jiǎn)圖表示速度分布；〔5根據(jù)計(jì)算和簡(jiǎn)圖,對(duì)粘度在動(dòng)量傳遞中的作用作簡(jiǎn)單結(jié)論。解：〔1由式〔1-21可求得下表面上的剪切應(yīng)力〔2根據(jù)題意,板間流體的速度分布為線性分布,由式〔1-30得則下表面處流體的運(yùn)動(dòng)速度〔320℃習(xí)題1-9習(xí)題1-9附圖20℃〔4表示速度分布的簡(jiǎn)圖,見習(xí)題1-9附圖?！?不同流體粘度各異,粘度是影響傳遞過程的重要物性。1-11.對(duì)正在加熱中的鋼板,其尺寸長×寬×厚為1.5m×0.5m×0.025m,兩側(cè)溫度分別為15℃和95℃解：查附錄三得熱導(dǎo)率k：鋼45W/m·℃,銅377W/m·℃,不銹鋼16W/m·℃。根據(jù)題意,假定鋼板內(nèi)溫度沿厚度呈線性分布,有溫度梯度通過壁面?zhèn)鳠崃?由式〔1-37得上式中負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度相反。假定通過壁面?zhèn)鳠崃肯嗤?銅板的溫度梯度不銹鋼板的溫度梯度1-13.輸送蒸汽的2in鋼管,內(nèi)徑0.052m,壁厚0.004m,外包0.0508m厚85%氧化鎂,再包0.0508m厚軟木。若管內(nèi)表面溫度為394.3K,軟木外表面溫度為305.4K,試求每小時(shí)單位管長的熱損失。已知熱導(dǎo)率：鋼45.17W/m·K,氧化鎂0.069W/m·K,軟木0.052W/m·K。解：本題為圓管多層保溫問題。對(duì)管壁、氧化鎂保溫層、軟木保溫層,由式〔1-73得、、將以上各式相加,整理得每小時(shí)單位管長的熱損失1-17.直徑為0.7mm的熱電偶球形接點(diǎn),其表面與被測(cè)氣流間的對(duì)流給熱系數(shù)為400W/m2.K,計(jì)算初始溫度為25℃的接點(diǎn)置于200℃的氣流中,需多長時(shí)間其溫度才能達(dá)到<已知接點(diǎn)k=20W/m.K,CP=400J/kg.K,ρ=8500kg/m3>解：先由式〔1-77判別可用集總參數(shù)法計(jì)算,由式〔1-79求解。代入數(shù)據(jù)則需時(shí)間為1-18.一半無限大鋁板,初始溫度為450℃,突然將其表面溫度降低到150℃,試計(jì)算離鋁板表面40mm處溫度達(dá)到<已知k=430W/m.K,a=0.3m2/h解：此題為半無限大平壁升溫,由式〔1-82得查附錄五得所需時(shí)間此期間內(nèi)單位表面?zhèn)鞒龅臒崃?由式〔1-84負(fù)號(hào)表示傳出熱量。第二章習(xí)題解答2-4虹吸管路<如圖>,管徑25mm,,,試求310K時(shí)水的流率,忽略一切損失。解：<1><3>點(diǎn)列伯努力方程：2-5尋求上題中②點(diǎn)壓力〔Psia,若大氣壓力為14.4Psia,該系統(tǒng)能否操作。解：37℃水飽和蒸汽壓為6323.5Pa故不可操作2-8水以流率0.28通過450漸縮管,進(jìn)口絕對(duì)壓力為100Psia,出口絕對(duì)壓力為29.0Psia,進(jìn)出口管的分直徑分別為15cm和10cm,試求作用在彎頭上的力。解：控制體取表壓：作用在彎頭上的合力為2-9文丘里流量計(jì)測(cè)量流率〔如圖,進(jìn)口與喉孔壓差為4.2Psic,進(jìn)口管徑2.5cm,喉孔直徑為1.5cm,管中流體密度為1450,試求流率？解：列伯努利方程：第三章習(xí)題解3-1.在直徑為0.05m的管道內(nèi),流體速度為0.6m/s,求常溫常壓下,下述幾種流體在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù),并判斷各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。a.水〔ρ=998.2kg/m3b.空氣〔ρ=1.22kg/m3c.汞〔ρ=13550kg/m3d.甘油〔ρ=1261kg/m3解：查附錄一得各流體常溫常壓下的粘度μ水：1.005×10-3Pa·s,空氣：0.01813×10-3Pa·s,汞：1.547×10-3Pa·s,甘油872×10-3Pa·s由式〔3-1雷諾數(shù)定義代入各自數(shù)據(jù)可得雷諾數(shù)Re,并以Rec=2100為臨界值判斷其流動(dòng)狀態(tài),結(jié)果為a.水Re=2.980×104湍流,b.空氣Re=2019層流,c.汞Re=2.628×105湍流,d.甘油Re=43.4層流。3-4.流體在半徑為R的圓管內(nèi)流動(dòng),寫出其流動(dòng)邊界條件。當(dāng)在其中心軸處放一半徑為r0的細(xì)線,其流動(dòng)邊界條件為何？解：流體在半徑為R的圓管內(nèi)流動(dòng),最大速度在管中心,管壁上的速度為0,則流動(dòng)邊界條件為在管中心軸處放一半徑為r0的細(xì)線,細(xì)線外表面上的速度為0,管壁上的速度為0,其流動(dòng)邊界條件3-5.密度為1.32g/cm3、粘度為18.3cP的流體,流經(jīng)半徑為2.67cm的水平光滑圓管,問壓力梯度為多少時(shí),流動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?？解：圓管內(nèi)流動(dòng),臨界雷諾數(shù),則由式〔3-1得由式〔3-34得當(dāng)壓力梯度大于112Pa/m時(shí),流動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌?-6.20℃的甘油在壓降0.2×106Pa下,流經(jīng)長為30.48cm、內(nèi)徑為25.40mm的水平圓管。已知20℃時(shí)甘油的密度為1261kg/m3、粘度為解：設(shè)流動(dòng)為層流。由哈根-泊謖葉方程,由式〔3-33得檢驗(yàn)流動(dòng)為層流,計(jì)算正確。3-7.293K及1atm下的空氣以30.48m/s速度流過一光滑平板。試計(jì)算在距離前緣多遠(yuǎn)處邊界層流動(dòng)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?以及流至1m處時(shí)邊界層的厚度。解：查附錄一得空氣的粘度μ=0.01813×10-3Pa·s,密度ρ=1.205kg/m3。沿平板流動(dòng),臨界雷諾數(shù),則由式〔3-1得流至x=1m處流動(dòng)為湍流則由式〔3-166得該處邊界層的厚度為3-8.一塊薄平板置于空氣中,空氣溫度為293K,平板長0.2m,寬0.1m。試求總摩擦阻力,若長寬互換,結(jié)果如何？〔已知U=6m/s,ν=1.5×10-5m2/s,ρ=1.205kg/m3,Rexc解：L=0.2m,B=0.1m。流動(dòng)為層流則由式〔3-103得摩擦阻力長寬互換,L=0.1m,B=0.2m。流動(dòng)為層流計(jì)算結(jié)果表明：層流狀態(tài)下,面積相同,沿流動(dòng)方向板越長摩擦阻力越小。3-9.293K的水流過0.0508m內(nèi)徑的光滑水平管,當(dāng)主體流速U分別為<1>15.24m/s<2>1.524m/s<3>0.01524m/s三種情況時(shí),求離管壁0.0191m處的速度為多少？<已知ρ=1000kg/m3,ν=1.005×10-6m解：<1>U=15.24m/s流動(dòng)為湍流由式〔3-184b得由式〔3-177得管壁上的切應(yīng)力由摩擦速度定義得距離管壁0.0191m處,即y=0.0191m,則由式〔3-139得距離管壁0.0191m處的流速<2>U=1.524m/s流動(dòng)為湍流<3>U=0.01524m/s流動(dòng)為層流由式〔3-36,得3-10.293K的水以0.006m3/s的流率流過內(nèi)徑為0.15m的光滑圓管。流動(dòng)充分發(fā)展,試計(jì)算：〔1粘性底層；〔2過渡區(qū)；〔3解：查附錄一得水的粘度μ=1.005×10-3Pa·s,密度ρ=998.2kg/m3,運(yùn)動(dòng)粘度ν=1.007×10-6m2流動(dòng)為湍流〔1粘性底層厚度,即,由無量綱摩擦距離,得〔2過渡區(qū)厚度〔3湍流核心區(qū)的厚度3-12.用量綱分析法,決定雨滴從靜止云層中降落的終端速度的無量綱數(shù)。考慮影響雨滴行為的變量有：雨滴的半徑r,空氣的密度ρ和粘度μ,還有重力加速度g,表面張力σ可忽略。解：應(yīng)用量綱分析法。決定雨滴從靜止云層中降落的終端速度的函數(shù)為冪指數(shù)形式為各物理量的量綱為將各量綱代入冪指數(shù)形式有確定d、e將其代入冪指數(shù)形式有與該過程相關(guān)的無量綱數(shù)為。3-13.已知,用量綱分析法導(dǎo)出。解：冪指數(shù)形式為各物理量的量綱為將各量綱代入冪指數(shù)形式有確定a、b、d將其代入冪指數(shù)形式有與該過程相關(guān)的無量綱數(shù)為。可得：3-14.水滴在空氣中等速下降,若適用斯托克斯阻力定律,試求水滴半徑及其下落速度。解：流動(dòng)適用斯托克斯阻力定律,即為爬流,取其臨界值習(xí)題3-14附圖空氣阻力大小由式〔3-162決定,根據(jù)習(xí)題3-14附圖聯(lián)立求解已知：ρ水=1000kg/m3,空氣ρ=1.22kg/m3,μ=0.01813×10-3Pa·s,代入上式求得3-17.20℃的二乙基苯胺在內(nèi)徑D=3cm的水平光滑圓管中流動(dòng),質(zhì)量流率為1kg/s,求所需單位管長的壓降？已知20℃時(shí)二乙基苯胺的密度為935kg/m3、粘度為1.95×10-3Pa·s解：圓管截面平均速度判別流動(dòng)狀態(tài)由布拉休斯經(jīng)驗(yàn)阻力定律式〔3-184a可得則由式〔3-175得所需單位管長的壓降3-18.長度為400m,內(nèi)徑為0.15m的光滑管,輸送25℃的水,壓差為1700Pa解：由于無法判別流動(dòng)狀態(tài),所以先假設(shè)流動(dòng)為湍流,有求得查物性數(shù)據(jù)可得25℃的水：ρ=997.0kg/m3,μ=0.9027×10-3Pa·s,代入上式求得檢驗(yàn)流動(dòng)狀態(tài)假設(shè)正確,則體積流率質(zhì)量流率第四章習(xí)題解答4-520℃的空氣以均勻流速U=15m/s平行于溫度為100℃的壁面流動(dòng)。已知臨界雷諾數(shù)Rxc=5×105。求平板上層流段的長度,臨界長度處流動(dòng)邊界層厚度δ和熱邊界層厚度δT,局部對(duì)流傳熱系數(shù)和層流段的平均對(duì)流給熱系數(shù)。<已知:=1.897×10-5m2解；4-6溫度為20℃、壓力為1atm的空氣,以2m/s的流速在一熱平板表面上流過。平板的溫度恒定為60℃,試計(jì)算距平板前緣0.2m及0.4m兩段長度上單位寬度的熱交換速率。<已知:,>。解：4-7空氣P=1atm,T=20℃,以U=10m/s的速度流過一平板壁面,平板寬度為0.5m,平板表面溫度Ts=50<1>臨界長度處的、、；〔2層流邊界層內(nèi)平板壁面的傳熱速率；〔3若將該平板旋轉(zhuǎn)90,試求與〔2相同傳熱面積時(shí)平板的傳熱速率。<已知特性溫度下的物性參數(shù)為:=1