化工原理流体滚动章节习题

本文格式为Word版，下载可任意编辑——化工原理流体滚动章节习题第一章流体滚动一基本概念

1、连续性方程

2、液体和气体混合物密度求取3、离心泵特性曲线的测定

二、核心公式

第一章、流体滚动与流体输送机械

（1）流体静力学基本方程（例1－9）

U型管压差计

（2）柏努利方程的应用（例1－14）（3）范宁公式

（4）离心泵的安装高度（例2-5）

三．问答题

1．（7分）离心泵的特性曲线是如何测定的？其特性曲线主要由哪几条曲线构成?

答:离心泵的特性曲线是在一定转速和常压的清水为工质做试验测得的.主要曲线有:H-Q,N-Q,η-Q三条曲线,在曲线中要注明泵型号、转速.

2．

（8分）试说明层流和湍流的主要区别。

答:1.质点的运动运动方式不同,层流只有轴向的运动,没有径向的脉动,而湍流质点是杂乱无章的运动,两个方向的运动都存在.2.流体滚动速度分布不同:层流为抛物线形式,而湍流则是严格的抛物线,它的速度分布线前端基本是平直的.3.运动的受力状况不同:层流主要是内摩擦力,听从牛顿粘性定律,而湍流由湍流应力和内摩擦力共同作用,可以仿造牛顿粘性定律写为:??(??e)dudy3．离心泵启动前，为什么要先灌满水？与离心泵安装高度有关的性能指标有那些？

4．选择输送管路的管径时，从技术经济角度应考虑那些因素？如何选择？

5．离心泵的试验中，泵启动前与关闭时注意什么问题，为什么？流量调理采用什么方法，其优缺点各是什么？

6．搞明白离心泵的扬程与升扬高度、允许吸上高度和安装高度各组概念的区别和联系。（6

分）

（1）扬程又称压头，是泵对1N液体所提供的有效能J/N；而升扬高度指泵上、下游两液面的垂直高度，它只是扬程中位能差一项。

（2）允许吸上高度Hg是指上游贮槽液面与泵吸入口之间允许达到的最大垂直距离。

为保证泵的正常可靠运行，泵的实际安装高度要比Hg再降低（0.5～1.0）m。7．什么是汽蚀余量？

答：为了防止离心泵汽蚀现象的发生，在离心泵的入口处液体的静压头与动压头之和

2pp1u1?（）必需大于操作温度下液体的饱和蒸汽压头（v）某一最小值，此最小值即为?g2g?g2pp1u1??v（NSPH为离心泵的允许汽蚀余量）离心泵的允许汽蚀余量，即NSPH??g2g?g8．何谓气缚现象？如何防止？

答：离心泵只能空转而不能输送液体的现象。离心泵启动前应灌满液体。

12.什么是“气缚〞现象？什么是“气蚀〞现象？

13.什么是离心泵的工作点？如何调理离心泵的工作点？

四．计算题

1、此题附图中所示的高位槽液面维持恒定，管路中ab和cd两段的长度、直径及粗糙度均一致。某液体以一定流量流过管路，液体在滚动过程中温度可视为不变。问：（1）液体通过ab和cd两管段的能量损失是否相等？（2）此两管段的压强差是否相等？并写出它们的表达式；

（3）两U管压差计的指示液一致，压差计的读数是否相等？（10分）

Lu2解：（１）由?hf??，管路一致，则d,u一致，L一致，

d2??f(Re,?/d)，?一致，

?hfab??hfcd流体过ab和cd两段的能量损失一致．(3分)

pa（２）ab段：gza?

??p1212ua?gzb?b?ub??hfab2?2ua?ub

?(pa?pb)???hfab?g?z（１）

Cd段；gzc?pc??p1212uc?gzd?d?ud??hfcd2?2

?(pc?pd)???hfcd

（２）由（１）（２），压强差不相等．

（３）ab间压差：pa?pb??0gR1??gR1??gh（１）与（３）??hfab??gh??0gR1??gR1??gh

?z?h??hfab?gR1(?0??)（５）

Cd间压差：pc?pd??0gR2??gR2（４）（２）与（４）所以，??0gR2??gR2???hfcd?hfcd?gR2(?0??)（６）

由（５）（６），R1?R2压差计读数一致．

2、（20分）在管路系统中装有离心泵，如图。管路的管径均为80mm，吸入管直管长度为6m，压出管直管长度为13m，两段管路的摩擦系数均为0.03，压出管装有阀门，其阻力系数为ζ=6.4，管路两端水面高度差为10m,泵进口高于水面2m，管内流量为0.012m/s。试求：

（1）泵的扬程？

（2）泵进口处断面上的压强为多少？

（标准弯头的局部阻力系数ζ=0.75，入口的局部阻力系数ζ=0.5，大气压强为760mm,高位槽液面维持不变）

（1）选截面1-1’、2-2’如图，以1-1’面为基准

z1=0u1=0p1=0(表压)z2=10mu2=0p2=0(表压)

3

u12p1u12p??He?z2??2?Hf列柏努利方程z1?2g?g2g?g即He=10+Hf

??2??u?l???Vs?1?l入?l出????而Hf??????????2g?dd???d2?2g?????4?2???0.012?16?13?????0.03??0.5?1?0.75?3?6.4??=?3.142?9.810.062???0.06???4??18m∴He=10+18=28m

2(2)取3-3’截面z3=2m,u3=u=

Vs?4?4.25m/s

d2在1-1’,3-3’间列柏努利方程

22u3??入?u30=?gz3??????入??2?d2?p322u3??入?u3∴p3?[gz3??????入?]

2?d?22?4.252?6?4.25???0.03??0.75?0.5??=?1000?9.81?2??20.062????=-62970Pa(表压)

绝对压强P3’=P3+P0=-62970+1.0133x105=38360Pa

3在图示管路中装有离心泵，吸入管直径d1=80mm，长

GpaL1=6m,阻力系数?1=0.02，压出管直径d2=60mm，长L2=13m，阻力系数?2=0.03。在管路A、B、E、F、G处的局部阻力系数分别为?A=0.5,?B=0.75,?E=6.4,?F=0.75,?G=1，管路两端水面高度差H=10m，泵进口高于水面2m，管内流量为12?10-3m3/s，试求：

i.

每千克流体需从离心泵获得多少机械能？

paAHBCDEF2mii.泵进、出口断面的压强PC和PD各为多少？

4Q4?12?10?3解：（1）u吸???2.39m/s22?d1??0.082d10.082?2.39u压?2u吸??4.24m/s

0.06d2

在1?1?和2?2?之间

we?p2?p1?p2?p12u2?u12??g(z2?z1)??hf,1?2

22u2?u12?0?0，

2因

?g(z2?z1)?gH?9.81?10?98.1J/kg

?hf,1?2uull?(?11??A??B)吸?(?22??E??F??G)压d12d22

2262.392134.242?(0.02??0.5?0.75)??(0.03??6.4?0.75?1)?0.0820.062?139.5J/kg所以

we?98.1?139.5?237.6J/kg（10分）

（2）在1?1?和C?C?之间

pc??pa??gzc?2u吸2??hf,1?c1.013?1052.39262.392??9.81?2??(0.02??0.5?0.75)?

100020.082?71J/kgpc?7.1?104Pa

在断面D?D?和2?2?之间

pD??g(z2?zD)?pa??hf,D?22u压?21.013?105134.242?9.8?8??(0.03??6.4?0.75?1?1)?

10000.062?302.5J/kg

pD?3.02?105Pa（10分）

4如此题附图所示。每小时有12×10Kg水在倾斜放置的变径管内从

下向上作定态滚动。已知细管内径d1=100mm，粗管内径d2=240mm，图中2—2’面比1—1’面高H2=300mm，1—1’面与2—2’面间有软管与水银压差计相连，其上指示剂读数R=20mm，求2—2’面与1—1’面间的摩擦阻力。

H1101'H224

2'0'注：水密度：1000Kg/m，指示剂密度：13600Kg/m，g=9.81m/s在1-2截面间列柏努利方程：

332Rmn2u12p2u2gz1???gz2????hf,1?2①?2?2p124mu1?Ws4Wsd12??4.25m/su?u()?0.737m/s，，212?A1??d1d22mZ1?Z2??0.3m对u型管压差计，mn面为等压面，pm?pn，即

p1??gH1?p2??g(H2?H1?R)??汞gR

p1?p2??gH2?(?汞??)gR?1000?9.81?0.3?(13600?1000)?9.81?0.02?5415pa

由①式得

?hf,1?22u12?u2p?p2?g(z1?z2)??12?代入数值得

?h

f,1?24.252?0.73725415??0.3?9.81???11.2J/kg

210005．用泵将贮液池中常温下的水送到吸收塔顶，贮液池水

面维持恒定，各部分相对位置如下图。输水管直径为76×3mm，排水管出口喷头连接处的压强为6.15×104Pa（表压），送水量为34.5m3/h，水流经全部管道（不包括喷头）的能量损失为160J/Kg，泵效率为75%，求①泵的有效功率②轴功率注：水密度：1000Kg/m，g=9.81m/s

3

2

1．取水槽液面为1-1’截面，喷头连接处为2-2’截面，水槽液面为基准面在1-2截面间列柏努利方程：

2u12p2u2gz1???we?gz2????hf,1?2①

?2?2p1u1?0,z1?0,z2?24?2?26m，p1?0Pa(表压)，p2?6.15?104Pa(表压)，?hf,1?2?160J/kg

u2?Vs?d2?434.5?2.49m/s2?3600?4?0.07由①式，得

we?g(z2?z1)?p2?p1?2u2?u12???hf,1?2

26.15?1042.492we?9.81?26???160?479.7J/kg

10002Ne?We?Ws?We???Vs?479.7?1000?2．??

34.5?4.6KW3600NeN4.6?N?e??6.13kwN?0.756．（10分）用3B33型水泵从一敞口水槽中将水送到它处，槽内液面维持恒定。输水量为

50.4m3/h，吸入管路阻力为1.2m，吸入管内径为80mm，求该泵在输送65℃水时的安装位置。已知3B33型水泵的允许吸上真空度为3m，泵工作地点的Ha约为10m，65℃水的饱和蒸汽压Pv=2.554×10Pa，密度为980.5Kg/m，允许吸上真空度校正公式为：Hs=[Hs’+（Ha-10）-（Pv/（9.81×10）-0.24）]×1000/ρ

3

4

3

解：

'Hs?[HS?(Ha?10)?(pv1000?0.24)]?9.81?103?4?[3?10?10?(u?Vs?d2?42.554?101000?0.24)]??0.65m39.81?10980.550.4(3分)

3600??4?2.79m/s（2分）

?0.082u22.792Hg?Hs??Hf,0?1?0.65??1.2??0.95m（3分）

2g2?9.81所以泵的安装位置应比水槽液面至少低0.95m。（2分）

7．如此题附图所示。每小时有12×10Kg水在倾斜放置的变径管内从下向上作定态滚动。

已知细管内径d1=100mm，粗管内径d2=240mm，图中2—2’面比1—1’面高H2=300mm，1—1’面与2—2’面间有软管与水银压差计相连，其上指示剂读数为R，2—2’面与1—1’面间的摩擦阻力为11.2J/Kg，求R。

注：水密度：1000Kg/m，指示剂密度：13600Kg/m，g=9.81m/s1．在1-2截面间列柏努利方程：

2u12p2u2gz1???gz2????hf,1?2①

?2?23

3

2

4

p1u1?Ws4Wsd12??4.25m/su?u()?0.737m/s，21?A1??d12d2代入①式得

p1?p2?2u2?u120.7372?4.2462?g(z2?z1)???hf,1?2?9.81?0.3??11.2?5.4J/kg

22对u型管压差计，mn面为等压面，pm?pn，即

p1??gH1?p2??g(H2?H1?R)??汞gRR?(p1?p2?gH2)??(?汞??)g??(5.4?9.81?0.3)?1000?0.02m

(13600?1000)?9.81即R=20mm

8．用离心泵将密度为1200kg/m的液体由敞口贮槽A送至高位槽B。已知离心泵吸入管路上各种阻力之和∑hf,a=10J/kg、输出管路上各种阻力之和∑hf,b=30J/kg。两槽液面维持恒定，其间垂直距离为20m,每小时液体的输送量为30m。若离心泵效率为0.65，试求：

（3）泵的扬程为多少？（4）求泵的轴功率为多少？

1.（1）选截面1-1’、2-2’如图，以1-1’面为基准面

z1=0u1=0p1=0(表压)

3

3

z2=20mu2=0p2=0(表压)

u12p1u12p??He?z2??2?Hf列柏努利方程z1?2g?g2g?gHe??Z?N??Hf??Z??Hfa??Hfb??20???HegWs10?30?24.1[mH2O]9.81Ne??WeWs??24.1?9.81?1200?30?3634W?3.634kW

0.65?3600五、计算题（20分）

如此题附图所示的输水系统，管路直径为Φ80×2mm，当流量为36m3/h时，吸入管路的能量损失为6J/Kg，排出管的压头损失为0.8m，压强表读数为245KPa，吸入管轴线到U型管汞面的垂直距离为h=0.5m，吸入和排出管路的管径一致，压强表距吸入管路距离可忽略能量损失，当地大气压强为98.1KPa，水的密度取1000kg/m3。试计算：

1、泵的升扬高度Z与扬程；2、泵的轴功率（η=70%）3、泵吸入口压差计读数R。

五.解:（20分）1以0-0,1-1列柏努利方程式:

Z5m4.5mhRgz0?p0??p1212u0?We?gz1?1?u1??hf0?12?2式中:Z0=0,Z1=Z,P0=P1,U0=U1

∴

以0-0,2-2列柏努利方程式:

We=gz+6+0.8=6.8+gz(1)（4分）

gz0?p0??p1212u0?We?gz2?2?u2??hf0?22?2式中:Z0=0,U0=0

p0??We?5g?p0?245?103??12u2?6212?u2?6(2)（4分）212363m3/s∴u?2.2m/s?d?u?φ80×2mm,V?36m/h?4360012代入(2)式:We?5g?245??2.2?6?302.47J/Kg

2∴We?5g?245?代入(1)式:302.47?6.8?ZgZ=30.14m∴He?We302.47??30.83m（4分）g9.81WeQ?gg302.47??36?10003600?4.3KW70%2.N?Ne??HQ?g???3.以0-0,3-3列柏努利方程式:

gz0?p0??p1212u0?We?gz3?3?u3??hf0?32?2式中:Z0=0,P3??gh??0gR?P0

p0??4.5g?p0??gh??0gR??12.22?62

∴0?4.5g?由h=0.5m

?gh??0gR12?2.2?6（4分）

?2∴R=0.35m（4分）

9．某水泵在2900转/分转速下，测得流量为10m3/h。轴功率为1.05KW，泵的入口真空表读数为21.3KPa，出口压强表读数为170KPa，真空表与压强表垂直距离为0.3m。试求该泵的有效功率及效率。吸入和排出管路的管径一致，水的密度取1000kg/m3。

p1?p2170?103?21.3?103He?Z1??0.3??19.8m（5分）3?g10?9.81

（密度为13600kg/m3），并且从蓄水池面到A点的管长（包括所有局部阻力当量长度）为100m。过渡流和湍流时的摩擦系数可近似用λ＝0.3164/Re0.25计算。管路中水的流量为7.42m3/h。试求：（1）每公斤水通过泵所获得的净功；（2）A点的压强；（3）U形管压差计的读数R。一、（20分）

解：（1）（8分）以低位槽水面为1－1’截面，高位槽水面为2-2’截面，列柏努利方程：

We?g?z2?z1??p2?p1?2u2?u12???hf1?2（4分）

2截面1－1’处：u1=0，p1=0（表压），z1=0截面2－2’处：u2=0，p2=0（表压），z2=5m为计算λ，需首先计算Re：Re=duρ/μ

其中，d=57-3.5×2=50mm=0.05m

u?Vs?4?d27.42/3600?1.05m/s

3.1420.054所以Re=0.05×1.05×1000/10-3=52500>4000，λ＝0.3164/Re0.25=0.3164/525000.25=0.021（2分）

?hf1?2l??leu22501.052???0.021?57.88J/kg

d20.052所以

We?9.81?5?57.88?106.93J/kg（2分）

（2）（6分）（2）在A点和高位槽液面间列柏努利方程：

22uAp2u2gzA???gz2????hfA?2（2分）

?2?2pA由于z2-zA=1.0m，uA=1.05m/s，u2＝0，p2=0（表压），

?hfA?2l??leu2250?1001.052???0.021?34.73J/kg(2分)

d20.05222????u1.05A所以pA???g?z?Pa（表压）（2????h?1000?9.81?1.0??34.73?fA?2?????43988.7522????分）

（3）（6分）根据静力学基本方程：

pA??g?h?R??po??HggR（4分）

由于pA=4.40×104Pa，ρ＝1000kg/m3，h=1.5m，ρHg=13600kg/m3，po=0(表压)，所以

pA??gh4.40?104?1000?9.81?1.5R???0.475m（2分）

13600?1000?9.81???g???Hg?

二、（20分）解：（1）（8分）从已知条件看，不能从冷热流体的热量衡算中求出t2，可考虑联合热量衡算方程和传热速率方程来求取t2。

联立冷流体的热量衡算方程和传热速率方程：

Q?Wccpc?t2?t1??KS?tm（2分）

因?tm??T?t1???T?t2??lnT?t1T?t2t2?t1T?t1lnT?t2所以

Wccpc?t2?t1??KSt2?t1T?t1lnT?t2整理上式得：

ln则

T?t1KS?T?t2WccpcKST?t1Wc?ecpc（2分）T?t2其中：

K?11??745.76W/(m2.℃)

11do1125???o?idi1.1?10410002