2022年化工原理课后习题答案第一章流体流动答案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载第一章 流体流淌习题解答1.解：（ 1） 1atm=101325 Pa=760 mmHg 真空度 =大气压力 肯定压力,表压 =肯定压力 大气压力所以出口压差为p=0 .0761013250.0821068 .97104N/m2 （2）由真空度、表压、大气压、肯定压之间的关系可知,进出口压差与当地大气压无关,所以出口压力仍为8 .97104Pa 2.解： T=470+273=703K,p=2200kPa 混合气体的摩尔质量Mm=28 0.77+32 0.065+28 0.038+44 0.071+18 0.056=28.8

2、4 g/mol 混合气体在该条件下的密度为： m= m0 T0T pp0=28.8422.4 273703 2200101.3=10.858 kg/m33.解：由题意,设高度为H 处的大气压为p,依据流体静力学基本方程,得dp=- gdH 大气的密度依据气体状态方程,得 =pMRT 依据题意得,温度随海拔的变化关系为T=293.15+4.81000H 代入上式得 =pMR（293.15-4.8 10-3H）=-dpgdh 移项整理得dpp=-MgdHR293.15-4.8 10-3H 对以上等式两边积分,101325pdpp=-0HMgdHR293.15-4.8 10-3H 所以大气压与海拔高

3、度的关系式为名师归纳总结 lnp101325=7.13 ln293.15-4.8 10-3H293.15 第 1 页,共 20 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载即：lnp=7.13 ln1-1.637 10-5H+11.526 （2）已知地平面处的压力为101325 Pa,就高山顶处的压力为p 山顶 =101325 330763=45431 Pa 将 p 山顶代入上式ln 45431=7.13 ln1-1.637 10-5H+11.526 解得 H=6500 m,所以此山海拔为 6500 m ；4.解：依据流体静力学基本方程可

4、导出p 容器 -p 大气 =Rg 水- 煤油所以容器的压力为p 容器 =p 大气 +Rg水 - 煤油 =101.3+8.31 9.81 （995-848）1000=113.3 kPa 5.解：RRsin120sin3060mm 以设备内液面为基准,依据流体静力学基本方程,得p1p00gR1013258509 .81601031018.kPa 6.解： （1）如下列图,取水公平压面1 1, 2 2, 3 3与 4 4,选取水平管轴心水平面为位能基准面；依据流体静力学基本方程可知 pA=p1+ gz1同理,有p1=p1=P2+ igR2 ,p2=p2=P3- g（z2-z3）p3=p3=p4+ i

5、gR3 ,p4=p4=pB- gz4以上各式相加,得PA-PB= igR2+R3- gz2-z1+z4-z3 由于 z2-z1=R2,z4-z3=R3 PA-PB= i- gR2+R3=13.6-1 9.81 0.37+0.28=80.34kPa 同理,有PA-PB= i- gR1= i- gR2+R3故单 U 形压差的读数为R1=R2+R3=0.37+0.28=0.65 m 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载（2）由于空气密度远小于液体密度,故可认为测压连接管中空气内部各处压强近似相等；即

6、p2=p2 p3=p3故有由于p2=p2=p3=p3=p4+ igR3z2-z1+z4-z3=R2+R3=h+z4-z1 .z4-z1=R2+R3-h 所以 PA-PB= igR2+R3- gz4-z1= i- gR2+R3+ gh=13.6-1 9.81 0.65+1 9.81 0.31=83.68kPa 此测量值的相对误差为名师归纳总结 83.68-80.3480.34 100%=4.16% 第 3 页,共 20 页7.解：（ 1）在 AA,BB 两截面间列伯努利方程,得gz 1p 1u 12Wgz 2p2u 22hf22其中W=0,1z=2z,hf=2.2J/kg 化简为p 1p21u2

7、2u122 .22由题目知：输水量qv1. 16m3/h3. 22104m3/s u 1q v23 . 22104.1 03m/s 4d 1.07852 .0 02u2q v223 . 221042.0 27m/s 4d0 . 7850 . 039查表得 20水的密度为998.2kg/m3 所以p 1p21u22u122 .210. 2721.0322 .21 .706J/kg 22p1p2998.21. 7061 .703103Pa （2）如实际操作中水为反向流淌,同样在AA,BB两截面间列伯努利方程,得gz 2p 2u22Wgz 1p 1u 12hf22- - - - - - -精选学习资

8、料 - - - - - - - - - 其中W=0,1z=2z,优秀学习资料欢迎下载h =2.2 J/kg 化简为p2p 11u12u222 .22由于流量没有变,所以两管内的速度没有变,将已知数据带入上式,得p 2p 1998.21 1. 0320.2722 .22.689103Pa 3.5mm ,即合适28.解：查表 1-3 ,选取水在管路中的流速为u=1.5 ms,就求管径d=qv 4u=2536000.785 1.5=76.8 mm查附录13 进行管子规格圆整,最终选取管外径为83 mm ,壁厚为的管径为 83mm 3.5mm ；9.解： （1） 管内流体的质量流量 qm= qv= 4

9、d2 u 有上式得出质量流速为 u=qm 4d2 雷诺数 Re=du =d qm 4d2 =0.2 120036000.785 0.222 10-5=1.06 1052000 所以该气体在管内的流淌类型为湍流；（2）层流输送最大速度时,其雷诺数为2000,于是质量流速可通过下式运算： u=Re d=2000 2 10-50.2=0.2 kgm2.s所以层流输送时的最大质量流量qm= 4d2 u=0.785 0.22 0.2 3600=22.608kgh10.解： （1）依据题意得：u=20y-200y2 ,将上式配方得u=20y-200y2=-200y-0.052+0.5 所以当 y=0.05

10、m 时管内油品的流速最大,umax=0.5ms （2）由牛顿粘性定律得 =- dudy名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载其中 dudy=20-400y 代入上式得管道内剪应力的分布式 =- dudy=- 20-400y=-60 103（20-400y）所以管壁处的剪应力 s=-60 10320-400 0=-1.2 Nm2 （负号表示与流淌方向相反）11.解：（ 1）d e4管道截面积4A646mm 103m2 润湿周边依据题意可算出：AE40tan3023mm,AD2AEAB4022386m

11、m 2 . 52通道截面积A1ABCDDE1 8640 401022润湿周边AD2CDAB218mm = 0.218m de42 .521030 .046m 0.218（2）vq=40 m3/h=0.011 m3/s u4qv20 .0.01126 .62m/s de7850 .046Red eu0. 04616.623998 .23. 04105400010故该流型为湍流；12.解：如课本图 1-17,流体在内外管的半径分别为 r1 和 r2 的同心套管环隙间沿轴向做定态流淌,在环隙内取半径为 r,长度为 L,厚度为 dr 的薄壁圆管形微元体,运动方向上作用于该微元体的压力为P1=2 r d

12、rp1 ,P2=-2 r drp2作用于环形微元体内外表面的内摩擦力分别为F1=2 rL r=2 L（r ）r,F2=-2 r+drL r+dr=-2 L（r ）r+dr 因微元体作匀速直线运动,依据牛顿其次定律,作用于微元体上的合力等于零,即名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 r drp1-2 r drp2+2优秀学习资料欢迎下载 Lr r-2 Lr r+dr=0简化后可得p1-p2L=1r.（ r ）r+dr-（r ）rdr=1r d（r ）dr 在层流条件下, =- dudy带入上式可得ddrrdudr=-

13、 p L r上式积分得rdudr=- p2 L r2+C1u=- p4 L r2+ C1lnr+C2 利用管壁处的边界条件 r=r1 时, ur=0；r=r2 时, ur=0 可得C1= p4 Lr22-r12lnr2r1 ；C2=- p4 L-r12+r22-r12lnr2r1lnr1 所以同心套管环隙间径向上的速度分布为u= p4 L（ r12-r2） +r22-r12lnr2r1lnrr1 13.解：取桶内液面为 1 1截面,桶侧面开孔处的截面为 2 2截面,开孔处离桶底距离为 h,从 11截面至 22 截面列机械能守恒方程式,得gz 1p 1u 12gz 2p2u 22hf22以 22

14、 截面为基准面,就z1=H-h,z0=0,p =p =0 表压, u1=0, hf=0gH-h+0+0=0+0+u222 化解得X,就u2=2gH-h 假设液体的水平射程为h=12gt2 X=u2t=2gH-h 2hg=2-h2+hH=2-h-H22+H24 名师归纳总结 所以当 h= H2 时,射程最远,Xmax=H ；第 6 页,共 20 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载14.解： （1）对 1 1至 2 2截面间列伯努利方程,可得gz1+p1 +u122=gz2+p2 +u222取 11截面为位能基准面,由题意得 u2=

15、uB；所以 u2=2gz1-z2=2 9.81 3=7.67m/s z1=0,z2=-3 m,zB=h=1m；p1=p2=pa；u1=0,对 11至 BB 截面间列伯努利方程,可得gz1+p1 +u122=gzB+PB +uB22所以PB=Pa- gh-u222=1.01 105-103 9.81 1-103 7.6722=62.1 kPa （2）虹吸管延长后,.z 增加使虹吸管出口流速 u 增加,从而引起 pB 降低；当 pB 降至与该温度水的饱和蒸汽压相等 pB=pv时,管内水发愤怒化现象；由于此时 uB=uD,故对 11至 B B截面间列伯努利方程,可得gz1+pa +u122=gzB+

16、pv +uD22所以uD=2Pa-Pv-gh=21.01 105-1.992 104103-9.81 1=11.9 m/s 对 11至 33截面间列伯努利方程,可得gz1+Pa +u122=gzmax+Pa +uD22所以zmax=z1-uD22=0-11.922 9.81=-7.22 m （负号表示在 11截面位置下方）15解：如下列图在 1 1 和 2 2 截面间列伯努利方程式,以 A 点所在水平面为基准面,就：名师归纳总结 其中1z0,2zuz 1p 1u 12z 22p2u 22Hf第 7 页,共 20 页g2gg2g1m,u 11m/s 由题目已知可得2u1d12124m/s d2-

17、 - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载依据流体静力学方程：p 1gp2z2z 101 h11360010.23. 521000m 所以H fz 1z 2p 1gp 2u 122u2213 . 521421 . 76m g29 . 8116. 解：已知螺钉的直径d=14mm, 由题意,取容器液面为1-1 截面,侧壁孔中心截面为2-2 截面；依据流体静力学基本方程,可得：p2p 1gz 1p 2gz2p ag z 1z 2p 1g z 1z 2作用在孔盖外侧的是大气压强pa,故孔盖内外两侧所受压差为：pp 2p ag z 1z 211209

18、.81100.65103102.73kPa此时作用在孔盖上的静压力为：Fp4d2102.73 0.785 0.7239.52 kN由于单个螺钉能承担的力为f30 10340.01424.61 kN要想将孔盖紧固,就作用在孔盖上的静压力不能超过螺钉的工作应力,即：nf F因此,所求螺钉的数量为：名师归纳总结 nF3 9. 5 28 . 5 7 4 . 6 19 第 8 页,共 20 页f- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载22,在两截面17.解：（ 1）取高位槽水面为上游截面11,管路出口内侧为下游截面之间列伯努利方程：gz 1p 1u

19、 12gz 2p 2u22hf222以地面为基准面,就1z8m,2z2m,u 10,p =p =p ,hf5 . 88 u 2化简得z 1z2gu225. 88u222u2z 16 .z 2g66 .9 .813. 04m/s 3838qv4d2u236000 . 78520 . 0753 . 04360048 . 32m 3/h （2） 在截面11与截面AA 间列伯努利方程：gz 1p 1u 12gz ApAuA2hf 1A22其中z 1zAh,u 10于是上式可化简为p Ap 1hguA2hf 1A 2阀门从全开到关闭的过程中,uA逐步减小（hf1 A也随之减小）,由上式可以看出,左边的值

20、不断增大,而p 不变,所以截面AA 位置处的压力是不断增大的；18.解：依据题意,该烟囱正常排烟的基本条件要求烟囱出口压强p2 应不超过外界气压pa；如以大气压为运算基准,就有 p1=- igR=-103 9.81 0.022=-216 Pa p2=- agH=-1.23 9.81H=-12.07H 烟气在烟囱中的流速为u=qv 4d2=18.80.785 1.42=12.2 m/s 所以名师归纳总结 Hf1 2=ld+ u22g=0.032 H1.4 12.222 9.81=0.173H第 9 页,共 20 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学

21、习资料 欢迎下载对 11至 22截面间列机械能守恒式,可得z1+P1 g+u122g=z2+P2 g+u222g+ Hf1 2取 11截面为位能基准面z1=0,z2=H,u1=u2；即m/s 2000-2160.69 9.81=H-12.07H0.69 9.81+0.173H 解得正常排烟时该烟囱的高度为H=52.3 m 19.解：（ 1）依据流量公式qv4d2u得uqv260000900.36001.054d0.7850152Redu0. 151.059007875.0. 18所以管内原油的流淌类型为层流；（2）在管路入口截面与出口截面之间列伯努利方程,得名师归纳总结 gz 1p 1u 12

22、gz 2p 2u22fh第 10 页,共 20 页22其中z 1z 2,u 1u 2,于是上式化简为p1p2hf管内原油流淌类型为层流,所以摩擦系数64640.081Re7875.h flu20.081501051.052148837.5J/kg d2.152p 1p 2hf900148837 . 5133 . 95MPa 中途需要加压站的数量n133 . 95187 4.8所以为完成上述输送任务,中途需要8 个加压站；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载20. 解 ：（ 1 ） 由 题 意 ： l=5 m , d=0.018 m

23、, =1180 kgm3 , =2.26 10-3 Pa.s, qm =2.5 103kgh,故管内流速u=qm 4d2 =2.5 10336000.785 0.0182 1180=2.31msRe=du =0.018 2.31 11802.26 10-3=2.17 1044000（湍流）光滑管 运算依据布拉修斯公式 =0.3164Re0.25=0.31642.17 .25=0.0261 对 11至 22截面间列机械能守恒式,可得z1+p1 g+u122g=z2+p2 g+u222g+ Hf1 2取 22截面为基准面,就 Hf1 2= ld+ u22gp1=p2= pa,u1=0,z1=h,z

24、2=0；阻力缺失为其中局部阻力系数包括管入口的突然缩小（ =0.5）与回弯头（ =1.5）；所以h=u222g+ Hf1 2=1+0.0261 50.018+0.5+1.5 2.3122 9.81=2.79 m（2）假设虹吸管最高处的截面为 AA , 对 22至 AA 截面间列机械能守恒式,可得zA+pA g+uA22g=z2+p2 g+u222g+ HfA2取 22截面为基准面,就 Pa；阻力缺失为 HfA 2= ldu22gzA=h+0.5=2.79+0.5=3.29,z2=0,u1=u2=2.31ms,p2=101325 pA= gz2-zA+p2+ g. HfA2 即： pA= gz2

25、-zA+p2+ ldu22将数值代入上式,解得pA=1180 9.81 0-3.29+101325+1180 0.0261 3.290.018 2.3122=78260 Pa=78.26 kPa 21.解：在储槽水面和管路出口截面之间列伯努利方程,可得名师归纳总结 gz 1p 1u 120Wz2gz 2p 2u 1u 22,hfp0,p2630kPa 第 11 页,共 20 页22以储槽水面为基准面,就1z,25m,0p 1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 化简为Wgz2p 2优秀学习资料欢迎下载1 p 1u22fh2u2qv2030360025. 2

26、4m/s 1.15103Pas,4d. 7850.045查表： 20乙醇的密度为789 kg/m3,黏度为雷诺数Redu0. 0455. 2437891.621051. 1510取管壁粗糙度0.3mm 210,半开的标准截止阀0 .034依据d.0345.0007和Re查图得查表得： 90标准弯头1.075,全开的50mm 底阀39.503020.75109.55. 242所以h flu220.034d2.04525995.J/kg 将数据代入（ 1）式中,得所需外加功为：W259. 816301031011035 .242599.515289.7892J/kg 22.解： 据题意得进料处塔的

27、压力pa=0.35 at=0.35 101.325=35.46 kPa 管内液体流速u=4.83600 4 0.042=1.06 msRe=du =0.04 1.06 8901.2 10-3=3.15 104 取管壁肯定粗糙度 E=0.3mm,相对粗糙度 .d=0.340=0.0075 ；查图 1-22 的无缝钢管的摩察系数 =0.038；查表 1-2,全开截止阀的阻力系数 =6； Hf= ld+ u22g=0.038 120.04+6+0.5 1.0622 9.81=1.025选取高位槽液面为 11截面,料液的入塔口为 22截面,在两截面间列伯努利方程为z1+P1 g+u122g=z2+P2

28、 g+u222g+ Hf名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 以料液的入塔口中心的水平面优秀学习资料欢迎下载z1=h,z2=0；如以大气压为00为基准面,就有基准,有 p1=0 表压, p2=35.46 kPa 表压； u10所以高位槽高出塔的进料口为h=p2-p1 g+u22g+ Hf=35.46 103-0890 9.81+1.0622 9.81+1.025=5.14 m 23.解：（ 1） 在00截面与22截面间列伯努利方程,得20,g z 0p 0u02g z 2p 2u2hf（1）22以00截面为基准面,就

29、p =0（表压）,p243 . 6kPa（表压）,z02z3m,u00h flu20.028070 .7512u28 .655 ud2. 0432于是（ 1）式化简为gz 2p 2u28 .655 u202即39.81436.103u28.655 u2010002解得u1.244m/s qv4d2u36000 . 78520 . 043.1 2443600.6 5m3/h （2）p 1p 0gh1 .0110510009.8121 .21105Pa 24.解：（ 1）依据流体静力学基本方程,设槽底部管道到槽面的高度为x ,就 水 gh+x= 水银 gR x=水银 gR 水 g-h=13.6 1

30、03 0.5103-1.8=5 m 在槽面处和 C 截面处列伯努利方程,得gz+p +u22=gzC+pC +uC22+ hf 其中hf= l+led+ .uB22=0.018 500.1+15+0.5.uB22=4.885 uB2以 C 截面为基准面,就有zC=0,z=x,p=0 表压, pC=0 表压, u0 ；即：名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载gx+0+0=0+0+uC22+4.885uC2 . uC=gx5.385=9.81 55.385=3.02 ms 所以阀门全开时流量qv=

31、u. 4d2=3.02 0.785 0.12 3600=85.3 m3h（2）对 B 至 C 截面间列伯努利方程,可得gzB+pB +uB22=gzC+pC +uC22+ hf 由于 zB=zC=0,pC=0 表压, uB=uC=u,其中 hf= l+led.uC22=0.018 200.1+15.uC2 2=1.935uC2所以阀门全开时 B 位置的表压为PB=1.935 uC2=1.935 103 3.022=17.65 kPa 25.解：1 换热器壳程内径D0 . 4m,内管外径d.0019m,就可求得换热器壳程的当量直径4A44D2nd20.421740 .01920 .0262m d

32、e=Dnd0.41740 .019uqv0.4 .5360022 .324de27850. 0262就壳程热水流速m/s d eu0. 02622. 3249721.661054000雷诺数 Re3. 5510所以壳层环隙内水的流型为湍流；（2） 依据题意,摩擦系数1 . 741221 . 742lg1.00085 20 . 03592lg2d故水通过换热器壳程的压降为名师归纳总结 pfleu29720 . 0359.062 .2 3221 5.kPa 第 14 页,共 20 页d20262226.解： （1）设某时刻t 水槽的液面降至h,管内流速为u,就有- - - - - - -精选学习资

33、料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载- 4D2dhdt= 4d2u对 11 至 22截面间列机械能守恒式,可得gz1+p1 +u122=gz2+p2 +u222+ hf1 2输水最初如以22 截面为基准面,就z2=0 , z1=h ,p1=p2= pa, u10, u2=u , hf1 2=35.5u2故有gh=u222+ hf1 2 . 9.81h=36u2 所以u=9.8136h=0.522h 因此初始水流量为qv0= 4d2u0=0.785 0.044 0.5229 3600=8.57 m3h（2）将 u=0.522h 带入质量守恒式,得- 4 42 dhdt=

34、 4 0.0442 0.522h整理得dt=-15832dhh 代入积分上下限得03 3600dt=-158329hdhh 即3 3600=-15832 2（h-9）解得,输水 3h 后水槽下降后的高度为 h=7.07 m ；27.解：（1） 并联管路中不行压缩流体的定态流淌中,各支路流量满意以下公式5 5 5q v 1 : q v 2 : q v 3 d 1 : d 2 : d 31 l 1 2 l 2 3 l 3此题中各支管的摩擦系数相等,就：q v 1:q v2:qv 35 1:25:5 31:8:183421（2） 三支管的阻力缺失比为名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - hf1:hf2:hf31l1u 12:优秀学习资料3欢迎下载u 12:2u 22:1u 322l2u22:u 324d 12d2221222322 2 1 24 u 1 : u 2 : u 3简化得 hf1:hf2:hf3 3q vu2由 4 d,已知 q v 1 : q v 2 : q v 3 1 : 8 : 18 3,d 1 2: d 2 2: d 3 21 : 4 : 9解得 u 1 : u 2 : u 3 1 : 2 : 2 3于是 h f 1 : h f 2 : h f 3 1 : 1 : 1,即并联时各支管的阻力