《化工原理》习题集

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《化工原理》习题集

第一章 流体与流体中的传递现象

1-1从力学角度来看,固体和流体、液体和气体的主要区别是什么?

1-2设稀薄气体的分子自由程是几米的数量级,问下列两种情况连续介质假设是否成立?

(1)人造卫星在飞离大气层进入稀薄气体层时; (2)假想地球在这样的稀薄气体中运动。

1-3指出下列作用在流体上的力中,哪些是体积力,哪些是面力?

电磁力,重力,惯性力,静压力,固体边界作用于流体的力,粘性力。 1-4粘性流体的流动型态有几种?如何判别? 1-5从时间和空间来判别下列运动属什么类型。

(1)ux=cy,uy=uz=0; (2)ux=cx,uy=-cy,uz=cxy; (3)ux=yzt,uy=zxt,uz=0;

(4)ur=2k(t)cos?/r3,u?=k(t)sin?/r3,u?=0。

1-6流体在园管中流动时,“进口段”与“流动已充分发展”的含义是什么?在什么情况下充分发展后的

流动为层流,又在什么情况下充分发展后的流动为湍流? 1-7比较三种扩散现象的类似性。

1-8扩散定律前面的负号的物理意义是什么?

1-9粘性流体在静止时有没有剪应力?理想流体在运动时有没有剪应力?若流体静止时没有剪应力,那么

它们是不是都没有粘性?

1-10试分析理想流体与静止流体内部应力的特点。

1-11流线和迹线有什么区别?流体作定常流动,流线与迹线是否重合?流体作非定常流动,流线与迹线

是否重合?为什么?

1-12陨星下坠时在天空划过的白线是什么线?烟囱里冒出的烟是什么线? 1-13设u≠0,说明 Du/Dt=0,?u/?t=0,(u??)u=0的物理意义。

第二章 传递过程基本方程

2-1一搅拌槽中原盛有浓度为60%(质量%,下同)的盐水2000kg。今以2kg/s的质量流率向槽中加入0.25%

的盐水,同时以1.2kg/s的质量流率由槽中排出混合后的溶液。设槽中溶液充分混合。求槽中溶液浓度降至1%时所需要的时间。(总质量衡算,分别按无化学反应和有化学反应考虑) 2-2在下述情况下简化连续性方程,并指出简化过程的依据。(连续)

(1)不可压缩流体在重力作用下沿倾斜平板壁面作二维稳态流动;

(2)不可压缩流体在水平园管中作轴对称的稳态流动(进口段与充分发展); (3)不可压缩流体作球心对称的稳态流动;

(4)不可压缩流体在两水平的平行平板间的稳态流动。 2-3下述不可压缩流体的运动可否存在。(连续)

(1)u=xi+yj+zk; (2)u=yzti+xztj+xytk;

(3)ux=2x2+y,uy=2y2+z,uz=-4(x+y)z+xy; (4)ux=-2x,uy=x+z,uz=2(x+y)。

2-4一不可压缩流体的流动,x方向的速度分量是ux=ax2+by,z方向的速度分量为零,求y方向的速度分

量uy,其中a与b为常数。已知y=0时uy=0。(连续)

2-5加速度向量可表为Du/Dt,试写出直角坐标系中加速度分量的表达式,并指出何者为局部加速度项,

何者为对流加速度项。(随体)

2-6已知成都和拉萨两地的平均大气压强分别为0.095MPa和0.062MPa。现有一设备需保持设备内绝对压

强为3.0kPa。问这一设备若置于成都和拉萨两地,表上读数分别应为多少?

2-7用如附图所示的U型管压差计测定反应器内气体在A点处的压强以及通过催化剂层的压强降。在某

气速下测得R1为750mmH2O,R2为80mmH2g,R3为40mmH2O,试求上述值。

2-8如附图所示,倾斜微压差计由直径为D的贮液器和直径为d的倾斜管组成。若被测流体密度为ρ,指

示液密度为ρ0,试导出用R1表示的压强差计算式。如倾角α为300时,若要忽略贮液器内的液面高度h的变化,而测量误差又不得超过0.1%时,试确定D/d比值至少应为多少?

2-9一水箱用如附图所示的锥阀封水,锥阀底直径为0.5m,高为0.6m,阀重50kg。当水位达1.5m时,

要求阀启动泄水,问外配锤重w应为多少?

p1p2B催化剂R3hR1RW?0DdR1AR2?0.6m

??0.5m

习题2-7 附图

向量。(随体)

习题2-8 附图

习题2-9 附图

2-10某流场可用下述速度向量式表达:u(x,y,z,t)=xyzi+yj-3ztk。试求点(2,1,2,1)处的加速度2-11国际标准大气压取海平面为基准(z=0)。基准面上的物理量取为:t0=288K,p0=101300Pa,

?0=1.225kg/m3。从海平面一直到11公里的高空是对流层。对流层中温度与高度的关系可用下式表示:

T=T0-?z,其中T0=288K,?=0.0065度/米。11公里以上认为是温度不变(216.5K)的同温层。试分别求出对流层及同温层内压力、密度和高度的依赖关系。可认为重力加速度为一恒量。(静) 2-12不可压缩粘性流体在两无限大平行平板间作稳态层流,试推导其速度分布、截面上的平均流速、壁

面处的剪切力。(运动)

2-13不可压缩流体在两根同心的套管环隙间作轴对称的稳态层流,试导出其速度分布,截面上的平均流

速,体积流量,壁面处的剪切力。(运动)

2-14不可压缩粘性流体在重力作用下,沿内径为R的圆筒内壁面向下流动。设流动是定常的平行直线运

动,流体厚度为?。求流体速度分布、流量、平均流速、最大流速及作用在圆筒内壁面上的摩擦力(忽略端效应)。(运动)

2-15具有等深度a的两层不相混合的不可压缩流体,在两个固定的水平板间作稳态层流,如图所示。上

层流体的粘度和密度为?1和?1,下层流体的粘度和密度为?2和?2。压强梯度为?p/?x且与x和z无关。求平板间的速度分布u=f(z)。(注意在交界面上速度的大小是单值的,而且切应力?zx也是单值的)。(运动)

2-16温度为20?C的水,以2kg/h的质量流率流过内径为10mm的水平园管,试求算流动充分发展以后:

(1)流体在管截面中心处的流速和剪应力; (2)流体在壁面距中心半距离处的流速和剪应力; (3)壁面处的剪应力。

2-17一虹吸管放于水桶中,其位置如图所示。如果水桶和虹吸管的截面积分别为A和B,且A>>B,试

计算虹吸管的流量。水看作是不可压缩理想流体,且受重力作用,运动是定常的。(柏)

2-18有一大桶内装有液体,液面距底面高为h。问在桶侧壁什么位置处开出流小空,流体射柱的射程最远?

zxaauh

h习题2-15 附图 习题2-17 附图 习题2-18 附图

2-19水以湍流形式流过一直径相等的90?弯管,该管垂直放置。入口处的压力为p1、平均流速为u1,出

口压力为p2、平均流速为u2。求水流对弯管的作用力。(动量)

2-20水从供水管流入水箱,再经水平管流出,如图所示。流入与流出的流量相同。箱中水面保持在离水

管中心线以上距离h处。箱中各处流速与管中流速相比均可约而不计。水箱与水管出口之间的阻力损失为hf。(1)求流量V(用h、A与hf表示);(2)如要保持水箱不动,需多大的水平推力Fx?(柏,动量)

zFx

习题2-19 附图

习题2-20 附图

h

2-21温度为20?C的水稳态流过内径为25mm的镀锌管,流动已充分发展。试求算下述两种质量流率下的

阻力损失:(1)120kg/h;(2)1200kg/h。(直管阻力)

2-22一钢球(?=7800kg/m3)直径为0.254mm,在水温为25?C的水箱中降落,达到稳定的沉降速度为

8.08cm/s。如果一个钢球在温度为25?C的甘油中降落,速度达到8.08cm/s(什么速度?)。假定两种情况下球体周围的流动是动力相似的,钢球直径应为多少?(相似准则) 2-23管流中热充分发展的含义是什么?热充分发展与流动充分发展有何不同?

2-24试由柱坐标形式的能量方程出发,导出不可压缩流体在园管内进行稳态轴对称对流传热时,流动进

口段的能量方程。(能量)

2-25温度为310.9K的油以0.0126kg/s的质量流率流过内径25.4mm的铜管,管长6.1m。通过在管外冷凝

水蒸汽使管内壁温度保持在374.8K。假定在整个管长上管内流动都是充分发展的,油的物理性质可认为不变,其值如下:Cp=2050J?kg-1?K-1,?=881kg?m-3,?=5.87X10-4Pa?s,k=0.143W?m-1?K-1。试计算:

(1)Re;(2)Pr;(3)油的出口温度。(园管内的对流传热,层流)

2-26在长度为5m,内径为54mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为175kg/s?m2。苯在定性温度下的物

性数据为:?=0.49cP;k=0.14W/m?K;Cp=1.8kJ/kg?K。试求苯对管壁的给热系数。(对流传热,湍流) 2-27一根具有圆形截面的导线,半径为R,电阻率为?。通过此导线的电流密度为I,导线表面温度为T0。

试导出截面温度分布和最大温度。(有内热源的稳态导热)

2-28有一半径为R的热圆球悬浮在大量的静止流体中,球表面温度为T0,远离球的流体温度为T?。试确

定稳态时:(1)周围流体的温度分布;(2)球表面与流体间的传热膜系数及鲁塞尔特数Nu。(稳态导热)

2-29有一厚度为L的固体大平板,其初始温度为t0,自某时刻起,突然将其两个侧面(哪两个侧面?最

好给个图)的温度升至ts,并维持不变。试由普遍化的能量方程简化成上述情况下的导热方程,并写出定解条件。设导热只沿垂直于侧面的方向进行。(一维不稳态导热)

2-30试证明由A、B两组分组成的双组分系统中,在一般情况下进行分子扩散时(有主体流动,且NA≠NB),在总浓度C恒定的条件下,DAB=DBA。(传质)

2-31在一细管中,底部水在恒定温度298K下向干空气中蒸发。干空气压力为0.1MPa、温度亦为298K。

水蒸汽在管内的扩散距离(油液面至管顶部)△z=20cm。在0.1MPa和298K时,水蒸汽在空气中的扩散系数DAB=2.50X10-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸汽的摩尔通量、传质分系数及浓度分布。(一维稳态扩散)

2-32将温度为298K、压力为1.0atm的He和N2的混合气体装在一根直径为5mm、长度为0.1m的管中进

行等摩尔反向扩散。已知管子两端He的分压分别(保持)为0.06atm和0.02atm,在上述条件下的扩散系数DHe-N2=0.687 X10-4m2/s,式计算:(1)He和N2的扩散通量;(2)传质分系数;(3)在管中点截面上He和N2的分压。(等摩尔反向扩散)

2-33在总压为2.0atm下,组分A由湿表面向大量的、流动的不扩散气体B中进行质量传递。已知界面上

A的分压为0.20atm,在传质方向上一定距离处可近似地认为A的分压为零。已测得A和B在等分子方向扩散时的传质系数ky0=6.78X10-5kmol/m2?s(△y)。求传质系数ky、kg及传质通量NA。(传质系数) 2-34在直径为25mm、长度为6m的园管内壁面上有一薄层水膜,将30℃、1atm的空气以0.5 m/s的速度

吹入管内,试计算传质系数、出口浓度和传质速率。由于在空气中水分的分压很低,气体的物性可以近似的采用空气的物性值。(管内层流传质)

2-35在常压下大量的干燥空气吹过湿球温度计,当湿球温度为25℃时,试求算干空气的温度。(湍流传质,

柯尔本)

第三章 流体输送与流体输送机械

3-1烟道气的组成约为N277%,CO213%,O25%,H2O5%(体积百分数)。试计算常压下400℃时,该混

合气体的密度和粘度。

3-2用一毕托(测速)管测定空气在管道中的流速,用水作指示剂的U型管压差计显示的压差R读数仅

为8mmH2O(附图),为了提高读数精度,拟采用以酒精水溶液和煤油为指示剂的双液柱微压差计。试计算若要使压差读数放大15倍,酒精水溶液的密度以及质量分率为多少?(水、酒精和煤油的密度可分别取为1000kg/m3、789 kg/m3和850 kg/m3)

3-3蒸汽锅炉上装有一复式U型水银测压计(附图所示),已知对某基准面而言各点的标高为:z0=1.8m,

z1=0.9m,z2=2.0m,z3=0.7m,z4=2.5m,截面1、2之间充满了水。试计算锅炉上方水蒸汽压力。 3-4硫酸流经大小管组成的串联管路,硫酸的密度为1830kg/m3,体积流量为9m3/h。大小管尺寸分别为

φ57×3.5mm和φ76×4mm,试分别求硫酸在大管和小管中的(1)质量流量;(2)平均流速;(3)质量流速。

3-5如附图将槽A中的NaOH和NaCl的混合水溶液放入反应槽B中,阀C和D同时打开。问如A槽液

面降至0.3m需要多少时间?已知槽A和槽B的直径为2m,管道尺寸为υ32×2.5mm,溶液在管中的瞬时流速u ?0.7?Zm/s,式中ΔZ为该瞬时两槽的液面高差。

u13mABp042103AR 习题3-3 附图

习题3-5 附图

15mB 习题3-2 附图

3-6直径为1.0m的水箱底部有一泄水孔,其孔径为25mm。当以5.0m3/h的固定流量向水箱加水的同时底

部泄水孔也在向外泄水。若小孔的流量系数Cd为0.62(Cd为孔口实际流量与理想流量之比),试求: (1)达到出水与进水流量相等时水箱的水位;

(2)达到与上述水位相差0.1m时所需的(假设水箱最初是空的)时间。

3-7用一长度为0.35m的渐缩管将输水管路由内径100mm缩至30mm。当管内水流量为0.52m3/h,温度

为10℃时,问:

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/tr4g.html

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