2004年流体力学与传热期末考试题(附答案)

发布于:2021-06-24 16:55:25

2004 年流体力学与传热试题
2004.12.29

专业班级
题号 分值 得分 评卷人 一 22 二 8

姓名
三 17 四 16

学号(班顺序号)
五 22 六 15 总分

一、概念题(30 分) 1、流体在管内作完全湍流流动,其他不变,当速度提高到原来的 2 倍时,阻力损失是 原来的( 4 )倍;若为层流流动,其他不变,当速度提高到原来的 2 倍时,阻力损失是原 来的( 2 )倍。 2、LZB-40l 转子流量计其转子为不锈钢(比重:7.92) ,刻度标值以水为基准,量程范 ,则酒精的实际流量值要 围为 0.25~2.5 m /h,若用此转子流量计用测量酒精(比重:0.8) 比刻度值( 大 ) ,校正系数为( 1.134 ) ,测量酒精时,此流量计 3 的最大流量值为( 2.84m /h ) 。 测量压强差 ) 的方法来测量的; 毕托管是利用 同 ( 3、 孔板流量计是利用 ( 截面某点处的冲压能与静压能之差 )来测量点速度的。 4、离心泵的安装高度超过允许安装高度时,离心泵会发生(气蚀)现象。 5、一离心泵在一管路系统中工作,要求流量能力为 Q m /h,阀门全开时管路所需扬程 为 He m,而在泵的性能曲线上与 Q 对应的扬程为 Hm,效率为η,则阀门关小损失的功率为 ( (H-He)Qρg/ η) 占泵的轴功率的( (H-He)/H*100%) 6、在除去某粒径的颗粒时,若降尘室的高度增加一倍,则沉降时间(增加一倍) ,气流 速度 (减少一倍) ,生产能力 (不变) 。 7、当介质阻力不计时回转真空过滤机的生产能力与转速的(1/2)次方成正比。 8、牛顿冷却定律数学表达式为(
3 3

Q=hA?t ) ;
4

斯蒂芬-波尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律数学表达式( Q=σT ) 。 9、干燥器内部无补充加热的情况下,进干燥器的气体状态一定,干燥任务一定,则气体离开 干燥器的温度越 低(高) ,干燥器的热效率越 大(小) 气体离开干燥器的湿度 H2 越 大 ; (小) ,干燥器的热效率越 大(小) 。

一定湿度 H 的气体,总压 P 加大时, 露点温度 td 变大 ;而当气体温度 t 升高而 H 保持不 变时,则 td 不变 。

10、有一列管式蒸气加热器。热方:饱和蒸气冷凝为饱和液体;冷方:生垢液体升温。控制 热阻为 生垢液体;管程宜走 沉积在管壁表面上 ; 生垢液体 ;其理由为 便于清洗,便于增大流速,减少垢层

在测试过程,若维持流体的温度和传热面积不变,发现蒸气冷凝量在换热器清洗前后之比 为 1:2,清洗前,污垢热阻约为该时总热阻的百分数 50% 。

求解:清洗前: Q=Gr=KA?tm 清洗后: Q’=2Gr=K’A?tm K’=2K; Rs=(1/K-1/K’)=1/2K Rs/1/K=1/2K/1/K=50%
11、 离心泵在工作时,其工作点是由离心泵的 特性曲线 和 管路的 特性曲线 确定 12、 被输送流体的温度提高,对提高泵的安装高度 不利 ;提高上游容器的操 作压强,则对安装高度 有利 。 13、 球形颗粒在 20?C 空气中沉降,当空气温度上升时,沉降速度将 下降 (设沉降 过程符合 stocks 定律); 若该颗粒在 20?C 水中沉降,沉降速度将 下降 ,当水温 上升时,沉降速度将 上升 。 14、 用压滤机分离悬浮物,忽略过滤介质阻力,滤饼不可压缩。 过滤时间增加一倍, 滤液量是原来的

2 倍 ;过滤面积增加一倍,滤液量增加 1 倍 ;过滤压强增 2倍 。

加一倍,滤液量是原来的

二、计算题(70 分) :

1、 (20 分)一敞口高位水槽 A 中水流经一喉径为 14mm 的文丘里管,将浓碱液 槽 B 中的碱液(密谋为 1400 kg/ m 3 )抽吸入管内混合成稀碱液送入 C 槽,各部 分标高如附图所示;输水管规格为 φ57×3mm,自 A 至文丘里喉部 M 处 管路总长(包括所有局部阻力损失的 当量长度在内)为 20m,摩擦系数可 A 取 0.025。 (1) 当水流量为 8m3/h 时,试计算 8m 文丘里喉部 M 处的真空度为 多少 mmHg; (2) 判断槽的浓碱液能否被抽吸入 M 文丘里内(说明判断依据) 。如 果能被吸入,吸入量的大小与 1.5 哪些因素有关?

1m

B

C

解 1:主管道 u = Vs / A = (8 / 3600) /[(π / 4) × 0.0512 ] = 1.09m / s (1)文丘里喉部 M 处 u 2 = Vs / A2 = (8 / 3600) /[(π / 4) × 0.014 2 ] = 14.4m / s 在高位水槽上面与 M 处界面间的列柏努利方程得:
p 2 / ρg = ( Z 1 ? Z 2 ) ? (u 2 / 2 g ) ? λ (1 / d )(u 2 / 2 g )
2

= 8 ? 14.4 2 / 2 g ? 0.025(20 / 0.051) × (1.09 2 / 2 g ) = ?3.16mH 2 O = 232mmHg (真空度) (2) h 碱 ρ 碱= ρ 水 h 水 h 水=1.5×1400/1000=2.1m H 2O (<3.6m H 2O )

故浓碱液能被吸入管内。在 B 槽液面与 M 处水*截面间的列柏努利方程得:

Pa /( ρg ) = h′ + u ′ 2 /(2 g ) + P 2 /( ρg ) + h f 吸
(Pa ? P2 ) /( ρg ) = h ′ + u ′ 2 /(2 g ) + h f 吸

可见吸入量的大小不仅与 M 处的真空度、B 槽液面与 M 处的位差有关,而且与 吸入管的管路情况(管径、管长、粗糙度等)有关。
2、 (20 分)用叶滤机在等压条件下过滤某悬浮液,过滤开始后 10 分钟和 20 分钟,获得累 积滤液量分别为 1.327m?/m?和 1.882m?/m?,所得滤饼须用 1/5 滤液体积的清水在相同压差 下洗涤(洗涤水粘度与滤液粘度相同) ,每操作一个周期的辅助时间为 15min,问: 2 (1) 过滤常数 K=?m /s 3 2 (2)当量滤液量 qe=? m / m (3)叶滤机达到最大的生产能力? 解 2:对于等压过滤,满足以下方程:

q 2 + 2qq e = Kτ。
按题意

1.327 2 +2 × 1.327q e=600K, 1.822 2 +2 × 2.882q e=1000K。
由以上两式求得

K=0.003m 2 / s, q e = 0.013m 3 / m 2 ,
过滤时间可表示为

τ=

q 2 + 2qq e q 2 + 0.026q = , K 0.003

洗涤工序为恒速操作,洗涤时间可表示为

τw =

qw 2(q + q e ) × 0.2q 0.4q 2+0.0052q = , = dq K 0.003 ( )w dτ

叶滤机单位过滤面积的生产能力为

Q=


q 0.003q = 。 2 τ+τ w+τ D 1.4q +0.0312q+2.7

dq =0 dτ
求得:q=1.4m3/m2 因此叶滤机达到最大的生产能力为 Q=2.75 m3/h.m2

3、 (20 分)用一套管换热器将 2000kg/h 的甲苯饱和蒸气(110oC)冷凝为饱和液体,甲苯的 气化热为 363KJ/kg。冷却水于 16 oC 及 5000kg/h 的流量进入套管内管(内径 50mm)作强制 湍流流动,其传热膜系数为 1740w/(m 2 K)。水的比热可取为 4.19KJ/(kg oC),假设甲苯侧热 阻和管壁热阻远小于水侧热阻。 (1)求冷却水的出口温度及套管管长。 (2)由于气候变化,冷却水的进口温度升高到 25 oC,试计算换热器的热负荷变化(以%表 示) 。忽略物性参数的变化。 (3)冷却水温度升高后,有人建议将冷却水流率加倍,问此时的热负荷、冷却水出口温度 与未升高时相比如何,计算出热负荷增加或减少的百分数。

解 3: (1)Q=Gr = WCp(t2-t1) t2=Gr/WCp+ t1=2000×363×1000/(5000×4.19×1000)+16=50.65oC K=αi=1740w/(m 2 K) Q=Gr=2000×363×1000/3600=2.01×105w ?t1=110-16=94 oC ?t2=110-50.65=59.35 oC ?t1/?t2<2 o ?tm=(?t1+?t2)/2=(94+59.35)/2=76.8 C Q=KA?tm = αiπdL?tm L=2.01×105/(1740π×0.05×76.8)=9.6m (2) A=πdL=π×0.05×9.6=1.5m2 Q’= WCp(t’2-t’1)= KA?t’m =KA[(T- t’1)+ (T- t’2)]/2 5000×4.19×1000/3600(t’2-25)=1740×1.5×[2×110-25- t’2]/2

t’2=56.1 验算:?t1=110-25=85 oC ?t2=110-56.1=53.9 oC ?t1/?t2<2 故温升后热负荷: Q’= WCp(t’2-t’1)= 5000×4.19×1000/3600(56.1-25)=1.81×105w (Q-Q’)/Q=(2.01×105-1.81×105)/2.01×105=9.9% 热负荷减少了 9.9%. (3) α’i/αi=(W’/W)0.8=20.8=1.74 α’i=1.74×1740=3027.6 w/(m 2 K) K’=α’i=3027.6 w/(m 2 K) 第三问的答案应为: Q’’= K’A?t’’m=2 WCp(t’2-25)
′′ 其中: ?t m = ′ ′ 2 × 110 ? t 2 ? 25 195 ? t 2 = 2 2

根据给出数据算得:t’2-=52.8℃
′′ 所以 ?t m = ′ 195 ? t 2 195 ? 52.8 = = 71.1o C 2 2

Q’’= K’A?t’’m =3027.6×1.5×71.1=3.23×105w W’Cp(t’2-t’1)= WCp(t2-t1) 2 WCp(t’2-25) =WCp(50.65-16) t’2=42.3oC ?t1=110-25=85 oC ?t2=110-42.3=67.7 oC ?t1/?t2<2 o ?t’’m=(?t1+?t2)/2=76.4 C Q’’= K’A?t’’m =3027.6×1.5×76.4=3.47×105w (Q-Q’’)/Q=(2.01×105-3.47×105)/2.01×105=-72.6% 热负荷增加了 72.6%.
4、 (10 分)用 3B33 性泵从敞口容器将水送到别处,流率为 55m3/h,查得该流量下的允许 吸上真空度为 3m。吸入管压头损失为 1m,忽略液体在吸入管的动压头。当地大气压 736mmHg。 (1)3B33 的 B 指的是什么? (2)输送 20?C 水时,泵的安装高度; (3)输送 95?C 水时,泵的最大安装高度。 (95?C 水的饱和蒸气压为 84.556kPa,密 度为 960kg/m3) 解: (1)B 指的是清水泵 (2)根据

Hg = Hs ? H f ?
因为

u12 2g

H s = 3m,

H f = 1m

u12 ≈0 2g

当地大气压 736mmHg 约为 10 mH2O 因此

Hg = Hs ? H f ?

u12 =3-1=2m 2g

(3) 输送 95?C 水时,泵的最大安装高度

Pa ? Pv u12 84556 Hg = ?Hf ? = 10 ? ? 1 ? 0 = 10 ? 9 ? 1 = 0.0m ρg 2g 960 × 9.81


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