第八章 干熄焦的热工和流体力学
第一节 循环气体的组成
在干熄焦装置中，采用以氮气为主的混合气体作为中间载热体。中间载热体（循环气体）将焦炭冷却，并把热量传到锅炉的加热管表面，以生产蒸气。
循环气体的生成，主要发生于红热焦炭装料的一瞬间。干熄焦装置闭路管道中的氧气经过红热焦炭层时，同部分焦炭燃烧， 形成燃烧废气。
同时发生某些主要反应，这些反应将 影响气体的组分。在冷却段（图8—1）， 当红热焦炭同空气中的氧接触时，在开始 的一瞬间，将发生部分焦炭完全燃烧或者 不完全燃烧的反应。焦炭中的碳能够完全 氧化，并转变为二氧化碳：
C + O 2 = CO 2 + 34047KJ/mol （1—1） 或者是不完全氧化，而转变为一氧化碳： 2C + O 2 = 2CO +20522 KJ/mol （1—2） 在设备的正常操作中，也会短时间发 生其他反应，其中漏入系统的空气中的水
分同碳的作用：
H 2O + C = CO + H 2－6596 KJ/mol （1—3）
如果水蒸汽与红热焦炭接触时的温度不高（低于900℃），则就能发生生成CO 2和H 2
的反应：
2 H 2O + C = CO 2 + 2H 2－4177 KJ/mol （1—4）
即形成不燃烧气体CO 2。在干熄焦装置中所进行的反应，不仅在装置投产时会发生，而且在生产运行中，由于某些原因使锅炉加热表面发生穿孔或者是水封串漏、水蒸汽进入循环气体管道时都会发生。
在与红焦炭接触的区域还发生其他反应，红焦炭析出的游离氢与焦炭中的碳接触生成甲烷（CH 4）的反应：
C + 2H 2 CH
4 + 7276 KJ/mol （1—5）
这个反应主要发生在500℃之前。氢气和甲烷以及装入冷却段中的红热焦炭的残余挥发物也能进入循环气体。
如果上述反应是瞬间的，或者是在一定条件下进行的，则在焦炭的高温区，以及在装置的操作期间缺乏氧时，都将发生二氧化碳还原为一氧化碳的反应。
CO 2 + C 2CO －3688 KJ/mol （1—6）
这个反应是可逆反应，反应如何进行取决于冷却段的温度和焦炭与二氧化碳接触的时间。当循环气体在干熄焦装置中多次循环时，气体与焦炭的接触时间实际上是无限的。因此这就促使CO 量增加。随着冷却段温度的提高，由于CO 2的减少，CO 的生成急剧增加，在一定的时间内，如果系统完全密闭，就可以确定平衡常数为Kp 的动力学平衡。 平衡的状态取决于物质的浓度和平衡温度，在一定程度上也取决于压力。对于一定温度和压力下的Kp ，通过测定气体中的CO 、CO 2和N 2的含量就可以求出。
在图8—2上列出了
C + CO 2 2CO （布杜阿尔数据）反应
的气体平衡组成的曲线。由图（8—2）可见，900℃ 时，在处于平衡状态的混合气中，CO 的含 量达97%。
如果在比较良好（理想的）条件下，使纯 碳与空气作用（反应完全，无热损失），则理 想的循环气体将有如下组成
C + CO 2 2CO 的等压线
%7.3410076
.322
=?+=
CO
%3.6510076
.3276
.32=?+=
N 图8—2反应气体平衡图
在标准状态下，循环气体的燃烧热为：
4431=H P Q KJ/m 3
对于与固体碳相互作用的研究，已进行过大量的工作。（1—6）这一反应的研究表明：
1．将二氧化碳还原的过程，取决于反应表面的状态。反应速度随着表面的疏松程度和物料气孔率的增加而增加，且随着还原时间的进程而趋近于常数；
2．还原速度与初始状态下CO 2的浓度成正比。
通过对碳和碳的氧化物的研究，可以确定反应速度随着温度的增加而急速增加（图8—3）。在1300℃时CO 2与焦炭的反应在2~3秒内就结束。而在900℃时，经过80秒之后，反应还没有结束。
图8—3气体的组分与温度及与焦炭接触时间的关系
在实际操作中，循环气体组成的变动范围是很大的，并取决于熄焦装置的工作方式和气密性。当要熄的焦炭数量增加时，热焦炭区转向冷却段的下部，即冷却段增大，并且平衡转向一氧化碳含量比较高的状态。如果循环气体管道的严密性被破坏，则由于气体的吸入或喷出，而使可燃组分的含量降低和焦炭燃烧掉。
要想在不同工作方式下通过实际测量，以确定循环气体组成变化的任何一种严格的规律，实际上是不可能的。因为循环气体的组成，在很大程度上是受熄焦装置本身严密性的影响。所以，在结构和工作方式都相同的许多熄焦装置中，其循环气体的组成可能就有差别。但是，总的规律是，熄焦装置的严密性愈好，生产能力愈大和冷却段出口的温度愈高，则循环气体中可燃成分的浓度也愈大，特别是当水或者水蒸汽进入循环气体管道时，氢和一氧化
碳的浓度就增加。循环气体中所含的可燃组分增加，在很大程度上使干法熄焦装置操作困难，使设备易爆，循环气体剧毒性增加。
为了降低可燃组分的浓度，可以往循环气体管道中通入工业氮气，或者是有计划地吸入空气到高温区，以将可燃组分烧掉，同时调整循环气体的放散量。应该指出，工业氮气中含有1~3%的氧。所以，通入氮气，也与有计划地吸入空气一样，都是为了降低循环气体中的可燃组分而采取的不得已的一项措施。送入氮气和吸入空气，将使焦炭燃烧和失掉排出气体所带走的物理显热，这使熄焦装置蒙受一定的热损失。
在规定的工作方式下，循环气体通常含有如下组分：氮气、一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化碳、氧气和微量的不饱和碳氢化合物。
第二节 熄焦过程的热量平衡
为了确定红热焦炭和循环载热体间的热交换过程，必须准确地提出冷却过程的热平衡。干熄焦的热平衡，一般是用来计算冷却段每小时的生产能力和决定冷却所需的循环气体量及热量的有效利用系数。
进入冷却段的焦炭温度，相当于焦炭在焦炉中结焦末期的温度。对于大多数焦炉来说，这一温度是1050℃ 。对于某一瞬间，其特征关系为：
oc nap aTM y n r u y k Q Q Q Q Q Q Q +=++=+.. （1）
式中 k Q ——在冷却段冷却焦炭所得的热量； y Q ——熄焦时部分焦炭燃烧所得到的热量； r u Q .——焦炭传递给循环气体的热量；
y n Q .——由于系统中吸入气体和漏损循环气体所损失的热量； aTM Q ——由冷却段表面散失于大气的热量； nap Q ——生产蒸汽所利用的热量；
oc Q ——由锅炉系统散失于周围大气的热量。
热工计算
由焦炉推出的红热焦炭中，可以进一步利用的热量，可按下式计算：
()2211t c t c G Q Q Q x r k -=-= （KJ/h ） （2） 式中 r Q 和x Q ——分别为红热焦炭带入冷却段与冷焦炭带出冷却段的热量，KJ/h ； G ——进行冷却的焦炭量，kg/h ；
1c 和2c ——分别为焦炭在装料温度和排料温度时的比热，KJ /kg.℃ ； 1t 和2t ——分别为焦炭在装料和排料时的温度， ℃ 。
100
H
k y Q G Q ?=
（KJ /h ） （3） 式中 k G ——熄焦时焦炭的烧损量（前苏联国立焦化设计院的数据为0.1%），%； H Q ——焦炭的燃烧热， KJ /kg 。
212211
.)(Q Q t c t c V Q r u '-'=''-''=（KJ/h ） （4） 式中 21
Q Q ''和——由循环气体带到锅炉的热量和离开锅炉的气体的热量，KJ /h ； V ——标准状态下，系统中循环气体的体积，m 3/h ；
21
c c ''和——循环气体出冷却段和进入冷却段时的比热，KJ /m 3.℃； 21
t t ''和——循环气体出冷却段和进入冷却段时的温度，℃。 )(..B B r r y n k y n t c t c V G Q -=? （KJ /h ） （5） 式中 r c ——排到大气的循环气体的比热， KJ /m 3.℃； r t ——循环气体的温度，℃； B c ——空气的比热， KJ /m 3.℃； B t ——空气的温度， ℃；
y n V .——（按反应式C+O 2=CO 2）燃烧1kg 焦炭所需空气的体积，m 3。 )1(9.876.412
4
.22)
1(.m m V y n -=?-= （m 3/kg ） （6） 式中 m ——考虑到焦炭中灰分含量的系数；
4.76——标准状态下，含1m 3氧气的空气的体积，m 3。
F t t Q B n aTM ))((-+=κπαα （KJ /h ） （7） 式中 κπαα和——向大气辐射和对流的传热系数，KJ /m 2h ·℃
B
n B n t t T T c -??????????? ??-??? ??=44100100πα （8）
343.1t ?=κα
式中 B n t t t -=?； （9）
c ——冷却段外壁表面材料的辐射系数，KJ /m 2·h ·℃； )(n n T t ——冷却段表面的平均温度，℃（K ）； F ——冷却段外表面积，m 2。
计算πα和κα，可以使用图8—4和图8—5的曲线。
图8—4 向大气辐射的传热系数与空气温度 图8—5 向大气对流的给热系数 和熄焦室外表面温度的关系曲线 与空气温度和熄焦室外
表面温度的关系曲线
热量消耗
锅炉中传递的热量：
???
? ?
?-+-=100)(.....B B B n n n nap i i D i i D Q ηκηηγ （KJ /h ） （10） 式中 η.n D ——发生的蒸汽量，kg/h ；
γ——锅炉排污的百分数，%；
n i .η——蒸汽的焓， KJ /kg ； B i .κ——锅炉中水的焓， KJ /kg ； B n i .——锅炉供水的焓， KJ /kg 。
由于自然对流和锅炉炉体外表面辐射，锅炉散失到大气中的热量： 1005
11.q V
Q t c c o ''= （KJ /h ） （11）
式中 5q ——散失到大气中的热量（用图8—6的曲线计算），%。 当锅炉的负荷与额定生产能力不同时，5q 的值可按下式换算：
%55
D
D q q HOM
='
式中 D D H O M
和——分别为锅炉额定的和实际负荷，t/h 。
图 8—6 锅炉散失到大气中的热量与锅炉额定生产能力的关系曲线
当熄焦装置严密性很好时，焦炭燃烧生成的热量y Q ，空气吸入和气体漏失所损失的热量y n Q .都是相当小的。因此热平衡方程式可以简化为：
c o nap aTM r u Q Q Q Q Q ..+=+=κ （12）
c o a T M
Q Q .和值可以用公式（7）和公式（11）来计算。此时热平衡方程式可变为下列实用的简化计算式：
[]
5
11.....2211221101.0)(01.0)())(()()(q V i i i i D F t t V t c t c G t c t c t c B n n B n n n B n ''''''+-+-=-++-=-κηηκπγαα （13）
对于在实际中经常遇到的概略计算，可以用下列简化方程式：
)(
)(2
2
1
1
2211t c t c V t c t c G ''''-=-=n
n D
.)(..B n n i i -η （14）
式中 21c c 和——焦炭在21t t 和时的平均比热，其值取决于焦炭中的碳含量、挥发分和矿物 杂质的含量。
对于一定质量等级的焦炭，平均比热可以用下式计算：
r c A c p V c c c A c '
++=
100100100,21ο
κοκοκ （KJ /kg.℃） （15） 式中 c
A κ——焦炭的灰分，%（质量）； A c ——灰分的比热，KJ /kg ·℃； ο
κc ——焦炭的碳含量，%（质量）； c c ——碳的比热，KJ /kg·℃；
o
V κ——焦炭的挥发分，%（质量），1.2%； r c ——焦炭挥发分单位体积的比热，KJ /m 3·℃；
ρ——标准状态下挥发分的重度，kg/m 3。
比热的计算可以利用图 8—7的曲线。在表8—1至表8—3中列出了焦炭的灰分、碳和挥发分的比热。石墨在0~t ℃范围内的平均比热等于：
?=t
p pm dt c t c 0
1 （16）
图 8—7 灰分、碳和挥发份的比热与温度的关系曲线图
表 8—1 焦炭灰分的平均比热
表 8—2 碳的平均比热
表 8—3 标准状态下，焦炭挥发分的平均比热
2
--+=cT
bT a c p （17）
式中 000218.0=b
代入方程式（16）后，得到下式： ?--+=
t p dt ctT bT a t
c 02
)(1 （18） 将上式积分，得到在0～1100℃范围内计算石墨比热的公式：
T
c
t b a c p 273)2273(-
++= （19） 实际计算时，可以使用表8—4的数据或者图8—8的曲线。
表 8—4 焦炭平均比热与灰分和温度的关系 KJ/kg ·℃
daf 式（4）中的'1c 和'
2c 分别为离开和进入熄焦室的循环气体的比热，其值取决于循环气体的组分和温度。如前所述，当工作制度不稳定时，循环气体的组分变动范围是较大的。工作制度稳定时，循环气体的组分是稳定的。对于稳定的工作制度来说，在标准状态下，气体混合物的比热，为单种组分含量与比热乘积之和：
CO O CO c CO c O c CO c ?+?+?='-222221
3242/,242m KJ c N c CH c H N CH H ?+?+?+℃ （20）
式中，CO 2、CO 、O 2、H 2、CH 4、N 2——分别为CO 2、CO 、O 2、H 2、CH 4、N 2气体所占的体积百分数，%。
循环气体中每种组分的比热如表8—5所示。
二次载热体（补充的水和水蒸气）的温度，对锅炉出口处的冷却气体的温度有着很大影响。因此，在很大程度上决定着所冷却的焦炭的最终温度。
干熄焦时，焦炭一般不能冷却到周围介质的温度，只能冷却到200～250℃。在干熄焦时，可以规定红热焦炭冷却到250℃。
要冷却到更低的温度,会使循环气体的用量增加，锅炉加热面积增大，蒸汽加热的温度降低。从熄焦时间的计算来看，将焦炭从300℃冷却到200℃，所需时间占总熄焦时间的25%，这将引起熄焦室容积也必须相应地增大。
图8—8 循环气体与不同灰分的焦炭的焓之间的关系曲线
1—循环气体2—灰分为5%～10%的焦炭3—灰分为25%的焦炭
表 8—5 常压下气体的平均比热, KJ/m3·℃
循环气体通过锅炉之后的温度，取决于锅炉尾部的加热面积的大小和补充水的温度。通常此温度规定为140～180℃（相当于固体燃料或煤气锅炉的热负荷）。
在任何情况下，选择焦炭的最终温度和锅炉后的循环气体的温度时，都必须进行技术经济上的计算。
一、设备的有效利用系数
熄焦过程的有效利用系数，是干熄焦锅炉生产蒸汽有效利用的热量与红热焦炭带往熄焦室的总热量之比。有效利用系数不仅取决于焦炭的初始温度、最终温度及比热，而且也取决于热交换设备（熄焦室和干熄焦锅炉）的热损失。应当具有这样的状态，即离开锅炉的气体
不排到大气中，并且以几乎相同的温度返回到熄焦室。必须注意，熄焦室和锅炉总是以热传导和热辐射的形式向大气中散失热量。干熄焦装置的热量的大概有效利用系数一般为（未考虑焦炭燃烧所发生的热量）
Y K K YCT ?=ηηη·
（21） 式中 K η——熄焦室的有效利用系数（概值），%； Y K ?η——废热锅炉的有效利用系数（概值），%。 熄焦室和废热锅炉的有效利用系数可分别用下式计算：
r
aTM
X K Q Q Q +-
=1η
)
(11aTM X r C
O C O Y K Q Q Q Q Q Q +--=-
=???η （22） 式中 Q ——带给锅炉的热量，)(aTM X r Q Q Q Q +-=。 此时熄焦装置的有效利用系数为： %100)1(r
C
O aTM X yCT Q Q Q Q ?++-
=η （23）
熄焦装置的有效利用系数（概值），反映出熄焦过程进行的情况和热量利用的程度。但是熄焦装置中所产生的那一部分热量（以蒸汽出现），总是被焦化厂本身所消耗。 考虑到干熄焦装置本身所消耗的热能和电能而计算出的有效利用系数，称为净有效利用系数。并可按下式计算： %100r
H C YCT H
YCT Q Q Q π
ηη??+-
= （24）
式中 H C Q ?——消耗于熄焦装置本身的热量，它可由测量与综合每部分消耗的热量而得
出，KJ/h ；
π?Q ——生产熄焦装置本身所需的电能而消耗的热量 επQ =3600×Pe （KJ/h ）；
Pe ——熄焦装置本身所消耗的电能，KW/h 。
在熄焦装置的设计中，比较不同方案或选择基本参数时，应考虑净有效利用系数及其他技术经济指标。
对于某些实际计算，可以利用有关的曲线图，这种曲线是根据热平衡方程制出的（图8—9）。由曲线图所得到的结果是很接近干熄焦装置的实际情况的。曲线是根据焦炭的平均灰分为10%时的比热制出的。当红热焦炭的温度和大概的有效利用系数都给定时，利用此曲线可以算出所得到的热量和发生的蒸汽；当红热焦炭温度和冷焦温度都给定时，可以算出有效蒸汽发生量及考虑到全部热损失之后的热量；还可以根据红热焦炭的温度和蒸汽发生量，
算出冷却焦炭的温度和熄焦装置的大概有效利用系数。
图8—9 计算干熄焦蒸气发生量的计算图
表 8—6 物料平衡和热平衡的原始资料
*在工业试验装置中，循环气体的单位用量（比用量）为每吨装入焦炭55200/30=1830m /t ，在工业装置中为77000/56=1370m 3/t 。前苏联国立焦化设计院的定额为1450～1500m 3/t 。
表 8—7 热平衡和物料平衡
熄 焦 室 的 热 平 衡 锅炉排污百分数γ，% 熄焦室的外表面积F ，m 2 干熄焦装置的比蒸发量，即1吨焦炭所产生的标准蒸汽
640
?=
G Q
d H
6.3 330 499
6.3 400 489
热量收入
热量消耗
物料平衡（以焦炭为基准），kg/h
物料收入
物料支出
表8—7所列的是前苏联某厂的干熄焦试验数据。比较试验装置和工业装置的数据，就可以把试验数据与计算数据对照，从而使计算方法得到正确的校正。与设计相比，循环气体量有一定的减少。这说明有一部分气体从操作中的排烟风机的压出侧，经过备用排烟风机溢出到吸入口。很明显，由于有这种溢流，通过熄焦室的气体就减少了，因而使熄焦室焦炭排出口处的焦炭温度提高到275℃，并使锅炉前的循环气体的温度也提高了。
第三节干熄焦流体力学计算
在干熄焦装置中，采用循环风机实现循环气体的闭路循环。鼓风装置的参数选择，取决于冷却焦炭所要求的循环气体量，以及气体管道各构件的流体动力学特性。这就是说，当循
环气体的需要量一定时，循环风机所产生的总压头和所需的功率，应与干熄焦装置气体管网的特性相适应，以使循环风机具有最适宜的工作条件。 知道了气体管道的特性，就可以根据工厂的特点来选择鼓风设备。实际的任务是确定气体管道各结构单元的流体动力学阻力。
干熄焦室—锅炉系统中的循环气体的流体阻力，可用通常的方法确定，即根据气流速度、转换和调节设备的局部阻力来计算。在相应的温度下，干熄焦锅炉中的气体速度不超过8m/s ，而在气体分配管道和气道中，其速度为8～15m/s 。 当气体通过焦炭层运行时，其流体动力学阻力不能用上面的数据来确定。因为在干熄焦室中，不仅有焦炭和气体的机械运动，同时还有焦炭与气体之间的热交换过程和某些化学反应过程。过去对干熄焦室中的流体动力学过程研究极少。到目前为止，尚没有一种统一的计算方法。因此，根据直接测定的原始数据，将计算值与试验中获得的实际值相比较来确定焦炭层的阻力，这是很有意义的。
下面是计算装有焦炭的干熄焦室的流体动力学阻力的两个主要方法（根据前苏联国立焦化设计院的资料）。
1．对于冶金焦的流体动力学特性，当料层厚度为1m 时计算阻力的实验式如下：
3
45.155.145.059CB
gV S W v p ρ=?（Pa/m 2
）（25） 式中 v ——气体的运动粘度，m 2/s ； W ——自由截面的速度，m/s ； ρ——气体重度，kg/m 3； S ——自由截面的面积，m 2/m 3； CB V ——自由体积，m 3/m 3； g ——重力加速度，m/s 2。
循环气体的动力粘度与湿度的 图8—10 循环气体的动力粘度与温度的关系。 关系如图8—10所示。 1—8.25%CO 2，16.8%CO ，3.6H 2，0.55%O 2，70.8%N 2； 2—3.9%CO 2，18.6%CO ，7.2H 2，0.2%O 2，70.1%N 2 ,K И.萨斯柯夫和O.B.月洛别斯卡娅介绍了装有焦炭的高炉的一些数据。焦块之间的空间自由体积可按下式（对于1米3焦炭的计算法）求出；
)3.67.66.71.93.115.15(0005.0654321a a a a a a V CB +++++= （m 3）（26）
式中 1a ～6a ——筛级组成，%；相应于>80、80～60、60～40、40～25、25～10、10～0mm 。 装有焦炭的比表面可根据下列公式计算：
)123.345.18126.87.6(05.0654321a a a a a a S +++++= （27） 根据前苏联国立焦化设计院的数据，商品焦的筛级组成如下： 焦炭块度，mm 筛级组成，% 100～80 8.3 80～60 21.7 60～40 44.3 40～25 22.9
25～10 2.3 10 0.5
表8—8是以工业试验装置和干熄焦工业装置的试验为基础，计算装有焦炭的干熄焦室的流体动力学阻力的数据（根据A ，C ，布鲁克、M.Я.盖鲁曼等的公式）。
2．当气流流经1米厚的焦炭层时，其压头损失可以根据H.M.雅瓦良柯夫的公式确定；
g
d W p 24032?'=?ρλ Pa （28）
式中 W ——气流的实际速度，m/s ；
λ——流体动力学阻力的无因次系数； ρ——平均温度下的气体重度，kg/m 3；
3d ——焦炭颗粒间所形成的气道的当量直径，m ； g ——重力加速度，m/s 2。
表 8—8 干熄焦室流体动力学阻力的计算数据
*根据试验数据，气体用量低于设计值，因为气体经备用排烟风机溢出。
可把气流沿带有孔板的平行气道运动的规律作为公式（28）的基础。如果填充元件的旋转是正规几何排列，则这个概念是完全正确的。
块状物的流体动力学阻力系数λ是TP λ（摩擦阻力系数）和C M ?λ（局部阻力系数）的
总和，并且同是雷诺准数的函数。在湍流状态下： 2
.0Re 8
.3=λ （29） 在层流状态下： Re
100
=
λ （30） 在公式（28）中，在一定范围内所采用的气道当量直径,d ，其计算方法可用И.H.牡兴所推荐的C.3.卡甘的关系式： K d d ε
ε
ψ
-=1, (31)
式中 ψ——取决于焦块形状的系数，其值在0.2～0.4以内；
ε——填充系数，ε=0.4；
K d ——焦块平均直径，m 。
在И.H 牡兴的计算中，根据公式（31）计算当量直径，采取04.0=d m 。 实际的气流速度： 3600
273)
273(?+=
Fe t V W cp r （m/s ） （32）
装有焦炭的干熄焦室，其流体动力学阻力的计算可用H.M.雅瓦良柯夫公式。计算的原
始数据列于表8—9中。
表 8—9 流体动力学计算的原始值
对各种生产能力的熄焦装置进行的试验结果得到了干熄焦工业装置管网的流体动力学特性（表8—10）。
在表8—10中列出了循环气体用量和熄焦装置的总阻力，这些数据是在不同工厂中在干
熄焦装置处于良好工作制度下测得的。计算所得的数值，与实际测得的干熄焦室中焦炭层的平均流体动力学阻力值（表8—5）非常接近（对干熄焦工业试验装置和工业装置都进行了测定）。
通过对前苏联某冶金厂的干熄焦工业试验装置和工业装置的实际测量，掌握了干熄焦装置气体管道的空气动力特性。表8—11列出了测得的气体管道结构单元和熄焦装置总阻力的
数据。相应的试验数据可应用于A.C.布鲁卡、M.Я.盖鲁曼和H.M.雅瓦良柯夫的公式中，以计算干熄焦室的阻力。
表8—11 熄焦装置各结构单元的流体动力学特性数据，Pa
*包括焦炭层和分配气体的鼓风装置的阻力。
根据上述的计算和纯试验数据，可以由下式确定焦炭层的总阻力系数： ρ
ξ'?=
22w g
p （33） 式中 p ?—上焦炭层的阻力，Pa ；
w —气体在干熄焦室中未被焦炭填充的自由空间的平均流速，m/s ；
ρ'—在平均温度下气体的密度， kg/m 3。
将流体动力学阻力系数的结果进行比较后可以确认，按照H.M.雅瓦良柯夫公式计算的
结果所得数值最接近于试验的数据（可参见表8—12）。
显然，在干熄焦工业试验装置的工业装置中，对于装有焦炭的干熄焦室，其试验所得的总的流体动力学阻力系数是与实际系数相符的，因此这是在实际计算阻力时可以采用的最好方法。
装有焦炭的熄焦室的阻力如表8—12所示。
表 8—12 装有焦炭的熄焦室的阻力H/Pa
在表8—13中列出了阻力系数的计算值和试验值（包括由排烟风机到干熄焦室的煤气管道部分和鼓风分配装置的干熄焦室锥体部分的阻力系数）。根据前苏联国立焦化设计院的数据，就整个前苏联的干熄焦工业装置来说，在焦炭层中测得的阻力系数为286。
表8—13 装有焦炭的干熄焦室的阻力系数
意高度的焦炭层的阻力：
Pa h g
d w H 102,2?'
=ρξ （34） 式中 h —焦炭层高度，米。
必须注意，只有当干熄焦室中的气体温度能维持平均值时，公式（34）才是正确的。 通常，用改变循环气体用量的方法来调节干熄焦的工作状态，以维持排出焦炭的温度在200～250℃以内。
因此，在正常的干熄焦工作方式下， 在装料量不同时沿干熄焦室高向的温度场 分布，可以认为是非常接近于恒定的。 图8—11的曲线可以用于下述实际计算： 当工业装置的主要参数为平均值时，计 算干熄焦室中每1m 厚度焦炭层的阻力 与气体流量的关系。在确定沿气体流程 焦炭的阻力时，应考虑干熄焦室在装焦 和连续卸焦过程中所引起的焦炭层的松
动问题。在大多数情况下，可能认为焦
炭移动层与固定层阻力值的偏差，是由
于上述原因造成的。选择干熄焦室的截
面和高度时，还应考虑干熄焦室最合理 的总压力损失。根据干熄焦工业装置的实际操作数据，装有焦炭的干熄焦室的阻力为2000～3000Pa 。通过增加干熄焦室的高度、缩短熄焦时间和增大鼓风量等方法来提高干熄焦室的生产能力时，应进行专门的研究和探明合理的相互关系。
一方面，这些数值的选择，决定于密闭循环系统的总流体动力学阻力，同时也取决于循环风机的能量消耗；另一方面，决定于气道的热交换设备的尺寸，以及用鼓风机装置的尺寸及其成本。所有这些因素，不管用哪种方案解决，最终都将影响整个熄焦装置的经济效果。 必须指出，干熄焦装置流体动力学的一个最大特点，就是气体是密闭循环的。
如果已知干熄焦装置（系统）的流体动力学阻力，就可以确定增高了的和降低了的压力
的适当压力差。在解决系统的不严密性及由此而引起的空气吸入冷却系统等问题时，掌握必要的压力分布特性起着重要的作用。对增高了压力和降低了压力的地点的压力分布特性可能产生的影响，是有不同意见的。因此，对这个问题应进行更详细的研究。首先应提到的是，在温度条件改变的冷却过程中，引起了循环气体的膨胀和压缩。对这个问题，在开始研究时是未有注意的。
压力的中性区或零位区的确定如下：中性区—在循环风机操作或停转时，其标准压力是稳定的，并等于零。
在密封的循环系统中，气体从正压侧的设备流向负压侧的设备时，中性区将出现在密封系统与周围大气相通的地方（假定与大气有专门的通道），或密封系统与大气连接的偶然的不严密处。在后一种情况下，中性区经常出现在最不严密的部位，这是因为在零位区（压力为零处）前经过不严密处放出的气体量，应等于零位区后经由不严密处吸进的空气量（或其他气体）。
如果在循环气体的密封系统中，小的和大的不严密处分散在许多不同的地方，则压力中性区移向大的不严密处。
必须指出，压力中性区位置的某些变动，将引起温度条件的变化。这种现象在熄焦装置开工或停止预存室的红焦供应时，因冷却而引起气体的收缩，都影响到压力分布条件。
在干熄焦装置中，有供应红焦的装焦孔、排
出熄焦的闸门系统、人孔、清扫孔和防爆的安全
阀。这些设备很好密封，以保证系统中的空气和
循环气的混合物减少到最低值。从图8—12上可
以看出，甚至在最严密的密封系统中，仍不可避
免地存在低压区和高压区，且这些区的分布取决
于零点的位置。将这个压力下降程度减少了的系
统与正常的压力系统加以比较，就可得出这样的
结论：前者有许多不严密处，因此与内部介质进
行着剧烈的交换。
实际上压力中性区安排在预存室装焦孔的
地方是最合理的，这样可以保证装焦孔盖的水封
正常操作。装焦时，焦尘是很少的，且配置在图8—12干熄焦装置回路的压力分布室内的锅炉机组的气道处于负压下。
显然，如果系统完全严密，则压力中性区的位置应经常不变并在装料孔区段。但是，实际上几乎经常由于系统中吸入多于排出，而使中性区转移到锅炉的气道上。
为了能进行人工调节和转移干熄焦装置的零位压力，可以利用安装在预存室的排烟风机正压段的放散管。这种起调节作用的装置，可以使系统中排出的气体量等于系统本身补充的吸入量。
第四节干熄焦的传热
干熄焦室中的传热过程是复杂的。因为焦炭层并不固定而是不断地运动的，且鼓风量的分配和焦炭沿截面的下降也是不均衡的。此外，冷却后焦炭的筛分组成也不均匀。
干熄焦室的热工计算有许多方法。我们在下面介绍的是切列波维茨冶金厂所采用的工业试验装置和工业装置干熄焦室的热工计算法。计算时确定焦炭在干熄焦室中冷却的时间是一个主要的问题，只有解决了这个问题，才能作进一步的计算。前苏联国立焦化设计院对干熄焦工业试验装置的热工计算，首先确定熄焦室中焦炭的冷却时间：
《流体力学》选择题库 第一章 绪论 1．与牛顿内摩擦定律有关的因素是： A 、压强、速度和粘度； B 、流体的粘度、切应力与角变形率； C 、切应力、温度、粘度和速度； D 、压强、粘度和角变形。 2．在研究流体运动时，按照是否考虑流体的粘性，可将流体分为： A 、牛顿流体及非牛顿流体； B 、可压缩流体与不可压缩流体； C 、均质流体与非均质流体； D 、理想流体与实际流体。 3．下面四种有关流体的质量和重量的说法，正确而严格的说法是 。 A 、流体的质量和重量不随位置而变化； B 、流体的质量和重量随位置而变化； C 、流体的质量随位置变化，而重量不变； D 、流体的质量不随位置变化，而重量随位置变化。 4．流体是 一种物质。 A 、不断膨胀直到充满容器的； B 、实际上是不可压缩的； C 、不能承受剪切力的； D 、在任一剪切力的作用下不能保持静止的。 5．流体的切应力 。 A 、当流体处于静止状态时不会产生； B 、当流体处于静止状态时，由于内聚力，可以产生； C 、仅仅取决于分子的动量交换； D 、仅仅取决于内聚力。 6．A 、静止液体的动力粘度为0； B 、静止液体的运动粘度为0； C 、静止液体受到的切应力为0； D 、静止液体受到的压应力为0。 7．理想液体的特征是 A 、粘度为常数 B 、无粘性 C 、不可压缩 D 、符合RT p ρ=。 8．水力学中，单位质量力是指作用在单位_____液体上的质量力。 A 、面积 B 、体积 C 、质量 D 、重量
9．单位质量力的量纲是 A、L*T-2 B、M*L2*T C、M*L*T(-2) D、L(-1)*T 10.单位体积液体的重量称为液体的______，其单位。 A、容重N/m2 B、容重N/M3 C、密度kg/m3 D、密度N/m3 11.不同的液体其粘滞性_____，同一种液体的粘滞性具有随温度______而降低的特性。 A、相同降低 B、相同升高 C、不同降低 D、不同升高 12.液体黏度随温度的升高而____，气体黏度随温度的升高而_____。 A、减小，升高； B、增大，减小； C、减小，不变； D、减小，减小 13.运动粘滞系数的量纲是： A、L/T2 B、L/T3 C、L2/T D、L3/T 14.动力粘滞系数的单位是： A、N*s/m B、N*s/m2 C、m2/s D、m/s 15.下列说法正确的是： A、液体不能承受拉力，也不能承受压力。 B、液体不能承受拉力，但能承受压力。 C、液体能承受拉力，但不能承受压力。 D、液体能承受拉力，也能承受压力。 第二章流体静力学 1．在重力作用下静止液体中，等压面是水平面的条件是。 A、同一种液体； B、相互连通； C、不连通； D、同一种液体，相互连通。 2．压力表的读值是 A、绝对压强； B、绝对压强与当地大气压的差值； C、绝对压强加当地大气压； D、当地大气压与绝对压强的差值。 3．相对压强是指该点的绝对压强与的差值。 A、标准大气压； B、当地大气压； C、工程大气压； D、真空压强。
第四章作业答案 4-3水在变直径竖管中流动，已知粗管直径 d 1=300mm ，流速v 1=6m/s 。两断面相距3m,为使两断面的压力表读值相同。试求细管直径（水头损失不计）。 解： 221122122222 112222p v p v Z Z g 2g g 2g p v p v v 6 300 3 4.837m v 9.74m/s g 2g g 2g 2g 2g l h ρρρρ++=+++++=+++=+=?= 2 2 2211 21v d v d d 300235.5mm ==== 4—4变直径管段AB ，d A =0.2m,d B =0.4m ，高差△h=1.5m，测得p A =30kPa ，p B =40kPa ，B 点处断面平均流速v B =1.5m/s ，试判断水在管中的流动方向。 解： 222 2222 0.43061.5()6m/s 0 4.900.229.8240 1.51.5 5.69m 29.819.6 B A A A B A A A B B B B d p H z m d g g g p H Z g g υυυρυρ==?==++=++==++=++= H B >H A , 水由B 流向A; 水头损失5.69-4.90=0.79m 4—5用水银压差计测量水管中的点流速u ，如读值 △h=60mm ，（1）求该点流速；（2）若管中流体是30.8/kg m ρ=的油，△h 不变，不计水头损失，则该点的流速是多少？ 解： (1) 3.85m/s u === (2) 4.34m/s u === 4—6 利用文丘里管的喉管处负压抽吸基坑中的积水，已经知道管道直径1100d mm =， 喉管直径2 50d mm =，2h m =，能量损失忽略不计。试求管道中流量至少为多大， 才能抽出基坑中的积水？ 解：由题意知，只有当12 12()()p p z z h g g ρρ+-+=时，刚好才能把水吸上来，由文丘里流 量计原理有Q =， 其中211 d k π=， 代入数据，有12.7Q l s =。
流体力学试题 一、判断题（每题1分，共10分） 1、紊流可以是均匀流，也可以是非均匀流。 （ ） 2、均匀流中只考虑沿程水头损失，渐变流中只考虑局部水头损失。 （ ） 3、公式g v d l h f 22 λ=既适用于层流，也适用于紊流。 （ ） 4、不可压缩液体连续方程既适用于恒定流，也适用于非恒定流。 （ ） 5、理想流体是指不考虑粘性作用的流体。 （ ） 6、不管是层流还是紊流，其运动要素在时间和空间上都具有脉动性。 （ ） 7、恒定流时，流线的形状不随时间变化，流线不一定与迹线相重合。 （ ） 8、圆形管的直径就是其水力半径。 （ ） 9、几何相似是运动相似和动力相似的前提与依据。 （ ） 10、仅由液体产生作用在水平平面上的总压力与容器的形状无关。 （ ） 二、填空题（每空2分，共20分） 1、流体是在任何微小的 的作用下都能够发生 的物质。 2、当压力体与液体在 时为实压力体，否则为虚压力体。 3、在工程流体力学中，描述流体运动的常用方法有__ 和__ __。 4、简单管路是指 和 沿程不发生变化的管路系统。 5、局部阻力系数与 、 、 有关。 三、单项选择题（每题2分，共30分） 1、不可压缩流体指忽略 的流体。 A ．密度 B ．密度变化 C ．粘度 D ．粘度变化 2、连续介质模型意味着 。 A ．流体分子之间没有间隙 B ．流体中的物理参数是连续函数 C ．流体分子之间有间隙 D ．流体不可压缩 3、已知不可压缩流体的流速场为u x =f （y ，z ），u y =f （x ），u z =0，则该流动为 。 A ．恒定一元流 B ．恒定二元流 C ．恒定三元流 D ．非恒定均匀流 4、静水压力的方向 。 A ．与受力面平行 B ．与受力面斜交
一、选择题 1、流体传动系统工作过程中，其流体流动存在的损失有( A ) A、沿程损失和局部损失， B、动能损失和势能损失， C、动力损失和静压损失， D、机械损失和容积损失 2、液压千斤顶是依据（ C ）工作的。 A、牛顿内摩擦定律 B、伯努力方程 C、帕斯卡原理 D、欧拉方程 3、描述液体粘性主要是依据（ D ） A、液体静力学原理 B、帕斯卡原理 C、能量守恒定律 D、牛顿内摩擦定律 4、在流场中任意封闭曲线上的每一点流线组成的表面称为流管。与真实管路相比（C ）。 A、完全相同 B、完全无关 C、计算时具有等效性 D、无边界性 5、一般把( C )的假想液体称为理想液体 A、无粘性且可压缩， B、有粘性且可压缩， C、无粘性且不可压缩， D、有粘性且不可压缩 6、进行管路中流动计算时，所用到的流速是( D ) A、最大速度 B、管中心流速 C、边界流速 D、平均流速 7、( A )是能量守恒定律在流体力学中的一种具体表现形式 A、伯努力方程， B、动量方程， C、连续方程， D、静力学方程 8、（ A ）是用来判断液体流动的状态 A、雷诺实验 B、牛顿实验 C、帕斯卡实验 D、伯努力实验 9、黏度的测量一般采用相对黏度的概念表示黏度的大小，各国应用单位不同，我国采用的是（ D ） A、雷氏黏度 B、赛氏黏度 C、动力黏度 D、恩氏黏度 10、流体传动主要是利用液体的( B )来传递能量的 A、动力能 B、压力能， C、势能， D、信号 11、静止液体内任一点处的压力在各个方向上都( B ) A、不相等的， B、相等的， C、不确定的 12、连续性方程是( C )守恒定律在流体力学中的一种具体表现形式 A、能量， B、数量， C、质量 D、动量 13、流线是流场中的一条条曲线，表示的是（ B ） A、流场的分布情况， B、各质点的运动状态 C、某质点的运动轨迹， D、一定是光滑曲线 14、流体力学分类时常分为（ A ）流体力学 A、工程和理论， B、基础和应用 C、应用和研究， D、理论和基础 15、流体力学研究的对象（ A ） A、液体和气体 B、所有物质， C、水和空气 D、纯牛顿流体 16、27、超音速流动,是指马赫数在( B )时的流动 A、0.7 < M < 1.3 B、1.3 < M ≤5 C、M > 5 D、0.3 ≤M ≤0.7 17、静压力基本方程式说明：静止液体中单位重量液体的（A ）可以相互转换，但各点的总能量保持不变，即能量守恒。 A、压力能和位能， B、动能和势能， C、压力能和势能 D、位能和动能 18、由液体静力学基本方程式可知，静止液体内的压力随液体深度是呈( A )规律分布的 A、直线， B、曲线， C、抛物线 D、不变 19、我国法定的压力单位为（ A ） A、MPa B、kgf/cm2 C、bar D、mm水柱 20、理想液体作恒定流动时具有（ A ）三种能量形成，在任一截面上这三种能量形式之间可以相互转换。 A压力能、位能和动能，B、势能、位能和动能， C、核能、位能和动能， D、压力能、位能和势能 21、研究流体沿程损失系数的是（A） A、尼古拉兹实验 B、雷诺实验 C、伯努力实验 D、达西实验 22、机械油等工作液体随温度升高，其粘度( B ) A、增大， B、减小， C、不变 D、呈现不规则变化
流体力学网上作业题参考答案 第一章：绪论（56） 一、名词解释 1. 流体：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质/液体和气体统称为流体。 2. 流体质点：质点亦称为流体微团，其尺度在微观上足够大，大到能包含大量的分子，使得在统计平均 后能得到其物理量的确定值；而宏观行又足够小，远小于所研究问题的特征尺度，使其平均物理量可看成是连续的。 3. 惯性：惯性是物体维持原有运动状态的能力的性质。 4. 均质流体：任意点上密度相同的流体，称为均质流体。 5. 非均质流体：各点密度不完全相同的流体，称为非均质流体。 6. 粘性：流体在运动状态下具有抵抗剪切变形能力的性质，成为粘性或者粘滞性。 7. 内摩擦力：流体在流动时，对相邻两层流体间发生的相对运动，会产生阻碍其相对运动的力，这种力称为内摩擦力。 8. 流体的压缩性：流体的宏观体积随着作用压强的增大而减小的性质，称为流体的压缩性。 9. 不可压缩流体：流体密度随压强变化很小，流体的密度可视为常数的流体。 10. 可压缩流体：流体密度随压强变化不能忽略的流体。 11. 表面张力：表面张力是液体自由表面在分子作用半径范围内，由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力。 12. 表面力：作用在所研究流体外表面上，与表面积大小成正比的力。 13.质量力：作用在液体每一个质点上,其大小与液体质量成正比。 14．牛顿流体：把在作剪切运动时满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。 二、选择题 1. 理想流体是指可以忽略（ C ）的流体。A 密度 B 密度变化 C 粘度 D 粘度变化 2. 不可压缩流体是指忽略（ B ）的流体。A 密度 B 密度变化 C 粘度 D 粘度变化 3. 关于流体粘性的说法中，不正确的是（ D ）。 A 粘性是流体的固有属性 B 流体的粘性具有传递运动和阻碍运动的双重性 C 粘性是运动流体产生机械能损失的根源 D 流体的粘性随着温度的增加而降低 4．下列各种流体中，属于牛顿流体的是（ A ） A 水、汽油、酒精 B 水、新拌混凝土、新拌建筑砂浆 C 泥石流、泥浆、血浆 D 水、泥石流、天然气 5. 单位质量力的量纲与（ B ）的量纲相同。A 速度 B 加速度 C 粘性力 D 重力 6、在水力学中，单位质量力是指（ C ） a、单位面积液体受到的质量力； b、单位体积液体受到的质量力； c、单位质量液体受到的质量力； d、单位重量液体受到的质量力。 7、运动粘度与动力粘度的关系是（ A ） A μ υ ρ = B g μ υ= C υ μ ρ = D g υ μ=
第二章 流体静力学 2-1如果地面上空气压力为0.101325MPa ，求距地面100m 和1000m 高空处的压力。 答：取空气密度为( )3 /226.1m kg =ρ，并注意到()()Pa a 6 10MP 1=。 （1）100米高空处： ()()()()()()() Pa Pa Pa m s m m kg Pa gh p p 5 23501000122.11203101325100/81.9/226.11001325.1?=-=??-?=-=ρ （2）1000米高空处： ()()() ()()()() Pa Pa Pa m s m m kg Pa gh p p 5 23501089298.0120271013251000/81.9/226.11001325.1?=-=??-?=-=ρ 2-2 如果海面压力为一个工程大气压，求潜艇下潜深度为50m 、500m 和5000m 时所承受海水的压力分别为多少？ 答：取海水密度为( )3 3 /10025.1m kg ?=ρ，并注意到所求压力为相对压力。 （1）当水深为50米时： () ( ) ()()Pa m s m m kg gh p 523310028.550/81.9/10025.1?=???==ρ。 （2）当水深为500米时： ()() ()()Pa m s m m kg gh p 623310028.5500/81.9/10025.1?=???==ρ。 （3）当水深为5000米时： ()() ()()Pa m s m m kg gh p 723310028.55000/81.9/10025.1?=???==ρ。 2-3试决定图示装置中A ，B 两点间的压力差。已知：mm 500h 1=，mm 200h 2=， mm 150h 3=，mm 250h 4=，mm 400h 5=；酒精重度31/7848m N =γ，水银重度 32/133400m N =γ，水的重度33/9810m N =γ。 答：设A ，B 两点的压力分别为A p 和B p ，1,2,3,4各个点处的压力分别为1p ，2p ，3 p 和4p 。根据各个等压面的关系有： 131h p p A γ+=， 2221h p p γ+=，
2．在现实生活中可视为牛顿流体的有水 和空气 等。 3．流体静压力和流体静压强都是压力的一种量度。它们的区别在于：前者是作用在某一面积上的总压力；而后者是作用在某一面积上的平均压强或某一点的压强。 4．均匀流过流断面上压强分布服从于水静力学规律。 5．和液体相比，固体存在着抗拉、抗压和抗切三方面的能力。 7．流体受压，体积缩小，密度增大 的性质，称为流体的压缩性 ；流体受热，体积膨胀，密度减少 的性质，称为流体的热胀性 。 8．压缩系数β的倒数称为流体的弹性模量 ，以E 来表示 12．液体静压强分布规律只适用于静止、同种、连续液体。 13．静止非均质流体的水平面是等压面，等密面和等温面。 14．测压管是一根玻璃直管或U 形管，一端连接在需要测定的容器孔口上，另一端开口，直接和大气相通。 16．作用于曲面上的水静压力P 的铅直分力z P 等于其压力体内的水重。 17．通过描述物理量在空间的分布来研究流体运动的方法称为欧拉法。 18． 流线不能相交（驻点处除外），也不能是折线，因为流场内任一固定点在同一瞬间只能有一个速度向量，流线只能是一条光滑的曲线或直线。 20．液体质点的运动是极不规则的，各部分流体相互剧烈掺混，这种流动状态称为紊流。 21．由紊流转变为层流的临界流速k v 小于 由层流转变为紊流的临界流速k v '，其中k v '称为上临界速度，k v 称为下临界速度。 23．圆管层流的沿程阻力系数仅与雷诺数有关，且成反比，而和管壁粗糙无关。
25．紊流过渡区的阿里特苏里公式为25.0)Re 68 (11.0+=d k λ。 26．速度的大小、方向或分布发生变化而引起的能量损失，称为局部损失。 29．湿周是指过流断面上流体和固体壁面接触的周界。 31．串联管路总的综合阻力系数S 等于各管段的阻抗叠加。 32．并联管路总的综合阻力系数S 与各分支管综合阻力系数的关系为 3 2 1 1111s s s s + + = 。管嘴与孔口比较,如果水头H 和直径d 相同，其流速比 V 孔口/V 管嘴等于 82.097.0,流量比Q 孔口/Q 管嘴等于82 .060 .0。 33．不可压缩流体的空间三维的连续性微分方程是0=??+??+??z u y u x u z y x 。 34．1=M 即气流速度与当地音速相等，此时称气体处于临界状态。 36．气体自孔口、管路或条缝向外喷射 所形成的流动，称为气体淹没射流。 37．有旋流动是指流体微团的旋转角速度在流场内不完全为零 的流动。 38．几何相似是指流动空间几何相似。即形成此空间任意相应两线段夹角相同，任意相应线段长度保持一定的比例 。 39．因次是指物理量的性质和类别。因次分析法就是通过对现象中物理量的因次以及因次之间相互联系的各种性质的分析来研究现象相似性的方法。他是一方程式的因次和谐性为基础的。 二、判 断 题 3．静止液体自由表面的压强，一定是大气压。错 4．静止液体的自由表面是一个水平面，也是等压面。对 6．当相对压强为零时，称为绝对真空。错
流体力学作业答案-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
例题1：如下图所示，一圆锥体绕自身轴线等速旋转，锥体与固定壁面间的距离为K ，空隙全部被动力粘滞系数为 μ的牛顿流体所充满。当旋转角速度为ω，锥体底部半径 为R ，高为H ，求作用于圆锥的阻力矩。 解：M= ????====K dh r K dA r K dAr K u dAr 3 22cos 2πμω απμωωμμτ= H K R α πμωcos 23 而 22cos R H H +=α;故：M=223 2R H K R +?πμω 例题2：涵洞进口处，装有与水平线成600倾角而边长为1m 的正方形平板闸门（AB=1m ），求闸门所受静水总压力的大小及作用点。
解：坐标只能建在水面上。 a A kp p 807.91807.9=?= a B kp p 300.18)2 3 1(807.9=+?=
KN p p P B A 050.14112 =??+= h h A y I y y C C C C C D 6.160sin 433.1121 60sin 433.1160 sin 121160sin 00 30=+=??+=+= 0=D x 矩形和圆形的 C y 和C I 值 矩形： 2h y C = 123 bh I C =
圆形： r y C = 4 4 r I C π= 例题3：一直立矩形闸门，用三根工字梁支撑，门高及上游水深H 均为3m,把此闸门所受静水压强分布图分为三等份，每根工字梁分别设在这三等份的重心，求三个工字梁的位置？ 解：设静水压力分布图的面积为A ，则每一等份为A/3
液压复习参考题 注意:以下题目仅供参考,并非考试题目 一、填空题 1．液压系统中的压力取决于（负载），执行元件的运动速度取决于（流量）。 2．液压传动装置由（动力元件）、（执行元件）、（控制元件）和（辅助元件）四部分组成，其中（动力元件）和（执行元件）为能量转换装置。 3．液体在管道中存在两种流动状态，（层流）时粘性力起主导作用，（紊流）时惯性力起主导作用，液体的流动状态可用（雷诺数）来判断。 4．由于流体具有（粘性），液流在管道中流动需要损耗一部分能量，它由（沿程压力）损失和（局部压力）损失两部分组成。 5．通过固定平行平板缝隙的流量与（压力差）一次方成正比，与（缝隙值）的三次方成正比，这说明液压元件内的（间隙）的大小对其泄漏量的影响非常大。 6．变量泵是指（排量）可以改变的液压泵，常见的变量泵有( 单作用叶片泵)、( 径向柱塞泵)、( 轴向柱塞泵)其中（单作用叶片泵）和（径向柱塞泵）是通过改变转子和定子的偏心距来实现变量，（轴向柱塞泵）是通过改变斜盘倾角来实现变量。 7．液压泵的实际流量比理论流量（小）；而液压马达实际流量比理论流量（大）。 8．斜盘式轴向柱塞泵构成吸、压油密闭工作腔的三对运动摩擦副为（柱塞与缸体）、（缸体与配油盘）、（滑履与斜盘）。 9．外啮合齿轮泵位于轮齿逐渐脱开啮合的一侧是（吸油）腔，位于轮齿逐渐进入啮合的一侧是（压油）腔。 10．为了消除齿轮泵的困油现象，通常在两侧盖板上开（卸荷槽），使闭死容积由大变少时与（压油）腔相通，闭死容积由小变大时与（吸油）腔相通。 11．齿轮泵产生泄漏的间隙为（端面）间隙和（径向）间隙，此外还存在（啮合）间隙，其中（端面）泄漏占总泄漏量的80%～85%。 12．双作用叶片泵的定子曲线由两段（大半径圆弧）、两段（小半径圆弧）及四段（过渡曲线）组成，吸、压油窗口位于（过渡曲线）段。 13．调节限压式变量叶片泵的压力调节螺钉，可以改变泵的压力流量特性曲线上（拐点压力）的大小，调节最大流量调节螺钉，可以改变（泵的最大流量）。 14．溢流阀为（进口）压力控制，阀口常（闭），先导阀弹簧腔的泄漏油与阀的出口相通。定值减压阀为（出口）压力控制，阀口常（开），先导阀弹簧腔的泄漏油必须（单独引回油箱）。 15．调速阀是由（定差减压阀）和节流阀（串联）而成，旁通型调速阀是由（差压式溢流阀）和节流阀（并联）而成。 16．两个液压马达主轴刚性连接在一起组成双速换接回路，两马达串联时，其转速为（高速）；两马达并联时，其转速为（低速），而输出转矩（增加）。串联和并联两种情况下回路的输出功率（相同）。 17．在变量泵—变量马达调速回路中，为了在低速时有较大的输出转矩、在高速时能提供较大功率，往往在低速段，先将（马达排量）调至最大，用（变量泵）调速；在高速段，（泵排量）为最大，用（变量马达）调速。 18．顺序动作回路的功用在于使几个执行元件严格按预定顺序动作，按控制方式不同，分为（压力）控制和（行程）控制。同步回路的功用是使相同尺寸的执行元件在运动上同步，同步运动分为（速度）同步和（位置）同步两大类。 19.在研究流动液体时，把假设既（无粘性）又（不可压缩）的液体称为理想流体。 20.液体流动时，液体中任意点处的压力、流速和密度都不随时间而变化，称为恒定流动。
流体力学课后答案 一、流体静力学实验 1、同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？ 答：测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。从表1.1的实测数据或实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2、当时，试根据记录数据确定水箱的真空区域。 答：以当时，第2次B点量测数据（表1.1）为例，此时，相应容器的真空区域包括以下3三部分：（1）过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占的空间区域，均为真空区域。（2）同理，过箱顶小杯的液面作一水平面，测压管4中该平面以上的水体亦为真空区域。（3）在测压管5中，自水面向下深度为的一段水注亦为真空区。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等，均为。 3、若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定。 答：最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度和，由式，从而求得。 4、如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？ 答：设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算 式中，为表面张力系数；为液体的容重；为测压管的内径；为毛细升高。常温（）的水，或，。水与玻璃的浸润角很小，可认为。于是有 一般说来，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可略而不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机玻璃作测压管时，浸润角较大，其较普通玻璃管小。 如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时。相互抵消了。 5、过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平是不是等压面？哪一部分液体是同 一等压面？ 答：不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面： （1）重力液体； （2）静止； （3）连通； （4）连通介质为同一均质液体； （5）同一水平面 而管5与水箱之间不符合条件（4），因此，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。 ※6、用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？ 答：关闭各通气阀，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由C进入水箱。这时阀门的出流就是变液位下的恒定流。因为由观察可知，测压管1的液面始终与C点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒定流动。这是由于液位的的降低与空气补充使箱体表面真空度的减小处于平衡状态。医学上的点滴注射就是此原理应用的一例，医学上称之为马利奥特容器的变液位下恒定流。 ※7、该仪器在加气增压后，水箱液面将下降而测压管液面将升高H，实验时，若以时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强（）与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm,箱体内径为20cm。
流体力学标准化作业（三） ——流体动力学 本次作业知识点总结 1.描述流体运动的两种方法 （1）拉格朗日法；（2）欧拉法。 2.流体流动的加速度、质点导数 流场的速度分布与空间坐标(,,)x y z 和时间t 有关，即 流体质点的加速度等于速度对时间的变化率，即 投影式为 或 ()du u a u u dt t ?==+??? 在欧拉法中质点的加速度du dt 由两部分组成， u t ??为固定空间点，由时间变化引起的加速度，称为当地加速度或时变加速度，由流场的不恒定性引起。()u u ??为同一时刻，由流场的空间位置变化引起的加速度，称为迁移加速度或位变加速度，由流场的不均匀性引起。 欧拉法描述流体运动，质点的物理量不论矢量还是标 量，对时间的变化率称为该物理量的质点导数或随体导数。例如不可压缩流体，密度的随体导数 3.流体流动的分类 （1）恒定流和非恒定流 （2）一维、二维和三维流动 （3）均匀流和非均匀流 4.流体流动的基本概念 （1）流线和迹线 流线微分方程 迹线微分方程 （2）流管、流束与总流 （3）过流断面、流量及断面平均流速
体积流量 3(/)A Q udA m s =? 质量流量 (/)m A Q udA kg s ρ=? 断面平均流速 A udA Q v A A ==? （4）渐变流与急变流 5. 连续性方程 （1）不可压缩流体连续性微分方程 （2）元流的连续性方程 （3）总流的连续性方程 6. 运动微分方程 （1）理想流体的运动微分方程（欧拉运动微分方程） 矢量表示式 （2）粘性流体运动微分方程（N-S 方程） 矢量表示式 21()u f p u u u t νρ?+?+?=+??? 7.理想流体的伯努利方 （1）理想流体元流的伯努利方程 （2）理想流体总流的伯努利方程 8.实际流体的伯努利方程 （1）实际流体元流的伯努利方程 （2）实际流体总流的伯努利方程 10.恒定总流的动量方程 投影分量形式
~ 第一章 流体力学 【1-1】 椰子油流过一内径为20mm 的水平管道，其上装有一收缩管，将管径逐渐收缩至 12mm ，如果从未收缩管段和收缩至最小处之间测得的压力差为800Pa ，试求椰子油的流量。 【1-2】 牛奶以2×10－3m 3/s 的流量流过内径等于27mm 的不锈钢管，牛奶的粘度为×10－， 密度为1030kg/m 3，试确定管内流动是层流还是紊流。 【1-3】 用泵输送大豆油，流量为×10－4m 3/s ，管道内径为10mm ，已知大豆油的粘度为40 ×10－，密度为940kg/m 3。试求从管道一端至相距27m 的另一端之间的压力降。 】 【1-7】某离心泵安装在高于井内水面 5.5m 的地面上，吸水量为40m 3/h 。吸水管尺寸为 4114?φmm ，包括管路入口阻力的吸水管路上的总能量损失为kg 。试求泵入口处的真空度。（当地大气压为×105Pa ） 【1-9】每小时将10m 3常温的水用泵从开口贮槽送至开口高位槽。管路直径为357?φmm ， 全系统直管长度为100m ，其上装有一个全开闸阀、一个全开截止阀、三个标准弯头、两个阻力可以不计的活接头。两槽液面恒定，其间垂直距离为20m 。取管壁粗糙度为0.25mm 、水的密度为1000kg/m 3、粘度为1×10－。试求泵的效率为70％时的轴功率。 【1-10】用泵将开口贮槽内密度为1060kg/m 3、粘度为×10－的溶液在稳定流动状态下送到蒸 发器内，蒸发空间真空表读数为40kPa 。溶液输送量为18m 3/h 。进蒸发器水平管中心线高于贮槽液面20m ，管路直径357?φmm ，不包括管路进、出口的能量损失，直管和管件当量长度之和为50m 。取管壁粗糙度为0.02mm 。试求泵的轴功率（泵的效率为65％）。 【1-13】拟用一台3B57型离心泵以60m 3/h 的流量输送常温的清水，已查得在此流量下的允 许吸上真空H s ＝5.6m ，已知吸入管内径为75mm ，吸入管段的压头损失估计为0.5m 。试求： 1) ； 2) 若泵的安装高度为5.0m ，该泵能否正常工作该地区大气压为×104Pa ； 3) 若该泵在海拔高度1000m 的地区输送40℃的清水，允许的几何安装高度为若干米当地大气压为×104Pa 。
工程流体力学练习题 第一章 1-1解：设：柴油的密度为ρ，重度为γ；40 C 水的密度为ρ0，重度为γ0。则在同一地点的相对密度和比重为： 0ρρ=d ，0 γγ=c 30/830100083.0m kg d =?=?=ρρ 30/81348.9100083.0m N c =??=?=γγ 1-2解：336/1260101026.1m kg =??=-ρ 3/123488.91260m N g =?==ργ 1-3解：269/106.191096.101.0m N E V V V V p p V V p p p ?=??=?-=?-=????-=ββ 1-4解：N m p V V p /105.210 41010002956 --?=?=??-=β 299/104.0105.211m N E p p ?=?==-β 1-5解：1）求体积膨涨量和桶内压强 受温度增加的影响，200升汽油的体积膨涨量为： ()l T V V T T 4.2202000006.00=??=?=?β 由于容器封闭，体积不变，从而因体积膨涨量使容器内压强升高，体积压缩量等于体积膨涨量。故： 26400/1027.16108.9140004 .22004.2m N E V V V V V V p p T T p T T ?=???+=?+?-=?+?-=?β 2）在保证液面压强增量个大气压下，求桶内最大能装的汽油质量。设装的汽油体积为V ，那么：体积膨涨量为：
T V V T T ?=?β 体积压缩量为： ()()T V E p V V E p V T p T p p ?+?=?+?=?β1 因此，温度升高和压强升高联合作用的结果，应满足： ()()???? ? ??-?+=?-?+=p T p T E p T V V T V V 1110ββ ()())(63.197108.9140001018.01200006.012001145 0l E p T V V p T =???? ?????-??+=???? ???-?+=β ()kg V m 34.1381063.19710007.03=???==-ρ 1-6解：石油的动力粘度：s pa .028.01.010028=?= μ 石油的运动粘度：s m /1011.39 .01000028.025-?=?==ρμν 1-7解：石油的运动粘度：s m St /1044.0100 4025-?===ν 石油的动力粘度：s pa .0356.010 4100089.05=???==-ρνμ 1-8解：2/1147001 .01147.1m N u =?==δμ τ 1-9解：()()2/5.1621196.012.02 15.0065.021m N d D u u =-?=-==μδμτ N L d F 54.85.16214.01196.014.3=???=???=τπ 第二章 2-4解：设：测压管中空气的压强为p 2，水银的密度为1ρ，水的密度为2ρ。在水银面建立等压面1-1，在测压管与容器连接处建立等压面2-2。根据等压面理论，有 21p gh p a +=ρ （1） gz p z H g p 2221)(ρρ+=++（2） 由式（1）解出p 2后代入（2），整理得：
第一章习题简答 1-3 为防止水温升高时，体积膨胀将水管胀裂，通常在水暖系统顶部设有膨胀水箱，若系统内水的总体积为10m 3，加温前后温差为50°С，在其温度范围内水的体积膨胀系数αv ＝0.0005/℃。求膨胀水箱的最小容积V min 。 锅炉 散热器 题1-3图 解：由液体的热胀系数公式dT dV V 1V = α ， 据题意， αv ＝0.0005/℃，V=10m 3，dT=50°С 故膨胀水箱的最小容积 325.050100005.0m VdT dV V =??==α 1-4 压缩机压缩空气，绝对压强从4 108067.9?Pa 升高到5 108840.5?Pa ，温度从20℃升高到78℃，问空气体积减少了多少？ 解：将空气近似作为理想气体来研究，则由 RT P =ρ 得出 RT P = ρ 故 () 34 111/166.120273287108067.9m kg RT P =+??==ρ () % 80841 .5166.1841.5/841.578273287108840.52121 211213 5 222=-=-=-=-=?=+??==ρρρρρρρm m m V V V V m kg RT P 1-5 如图，在相距δ＝40mm 的两平行平板间充满动力粘度μ＝0.7Pa·s 的液体，液体中 有一长为a ＝60mm 的薄平板以u ＝15m/s 的速度水平向右移动。假定平板运动引起液体流
动的速度分布是线性分布。当h＝10mm时，求薄平板单位宽度上受到的阻力。 解：平板受到上下两侧黏滞切力T1和T2作用，由 dy du A Tμ =可得 12 U1515 T T T A A0.70.0684 0.040.010.01 U N h h μμ δ ?? =+=+=??+= ? -- ?? （方向与u相 反） 1-6 两平行平板相距0.5mm，其间充满流体，下板固定，上板在2 N/m2的力作用下以0.25m/s匀速移动，求该流体的动力黏度μ。 解：由于两平板间相距很小，且上平板移动速度不大，则可认为平板间每层流体的速 度分布是直线分布，则 σ μ μ u A dy du A T= =，得流体的动力黏度为 s Pa u A T u A T ? ? = ? ? = ? = =- - 4 3 10 4 25 .0 10 5.0 2 σ σ μ 1-7 温度为20°С的空气，在直径为2.5cm的管中流动，距管壁上1mm处的空气速度为3cm/s。求作用于单位长度管壁上的黏滞切力为多少？ 解：温度为20°С的空气的黏度为18.3×10-6 Pa·s 如图建立坐标系，且设u=ay2+c 由题意可得方程组 ?? ? ? ? + - = + = c a c a 2 2 ) 001 .0 0125 .0( 03 .0 0125 .0 解得a= -1250，c=0.195 则u=-1250y2+0.195
第一章 绪论 1-1．20℃的水2.5m 3 ，当温度升至80℃时，其体积增加多少？ [解] 温度变化前后质量守恒，即2211V V ρρ= 又20℃时，水的密度3 1/23.998m kg =ρ 80℃时，水的密度32/83.971m kg =ρ 32 1 125679.2m V V == ∴ρρ 则增加的体积为3 120679.0m V V V =-=? 1-2．当空气温度从0℃增加至20℃时，运动粘度ν增加15%，重度γ减少10%，问此时动力粘度μ增加多少（百分数）？ [解] 原原ρννρμ)1.01()15.01(-+== 原原原μρν035.1035.1== 035.0035.1=-=-原 原 原原原μμμμμμ 此时动力粘度μ增加了3.5% 1-3．有一矩形断面的宽渠道，其水流速度分布为μρ/)5.0(002.02 y hy g u -=，式中ρ、μ分别为水的密度和动力粘度，h 为水深。试求m h 5.0=时渠底（y =0）处的切应力。 [解] μρ/)(002.0y h g dy du -= )(002.0y h g dy du -==∴ρμ τ 当h =0.5m ，y =0时 )05.0(807.91000002.0-??=τ Pa 807.9= 1-4．一底面积为45×50cm 2，高为1cm 的木块，质量为5kg ，沿涂有润滑油的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s ，油层厚1cm ，斜坡角22.620 （见图示），求油的粘度。 [解] 木块重量沿斜坡分力F 与切力T 平衡时，等速下滑
y u A T mg d d sin μθ== 001 .0145.04.062 .22sin 8.95sin ????= = δθμu A mg s Pa 1047.0?=μ 1-5．已知液体中流速沿y 方向分布如图示三种情况，试根据牛顿内摩擦定律y u d d μ τ=，定性绘出切应力沿y 方向的分布图。 [解] 1-6．为导线表面红绝缘，将导线从充满绝缘涂料的模具中拉过。已知导线直径0.9mm ，长度20mm ，涂料的粘度μ=0.02Pa ．s 。若导线以速率50m/s 拉过模具，试求所需牵拉力。（1.O1N ） [解] 2 53310024.51020108.014.3m dl A ---?=????==π N A h u F R 01.110024.510 05.05002.053=????==∴--μ 1-7．两平行平板相距0.5mm ，其间充满流体，下板固定，上板在2Pa 的压强作用下以0.25m/s 匀速移动， 求该流体的动力粘度。 [解] 根据牛顿内摩擦定律，得 dy du / τμ=
第一章 绪论 思考题 1-1 何谓流体连续介质模型？含有气泡的液体是否适用连续介质模型？ 答： 所谓流体的连续介质模型，即把流体视为没有间隙地由流体质点充满它所占据的整个空间的一种连续介质其物理性质和物理量也是连续的。 若气泡相对于液体而言可以看作孤立的点的话，则含有气泡的液体可以适用连续介质模型。 习题1 1-3 如题图所示，设平行板间隙为0.5mm ，中间充满液体，上板以U ＝0.25m/s 的速度平移，施于单位面积的力为2Pa ，试求液体的粘度为多少？ 解： Y U dy du A F μμτ=== 液体粘度s Pa AU FY ??=??==--33 10425 .0105.02μ 1-4 求题图所示的轴与轴套之间的流体粘度。 解： s Pa dLU FY dL A Y U dy du A F ?=??????==?==== --0648.0493 .010)140120(14.3102.034.863 πμπμμτ 第二章 流体静力学 习题2 2-5 用多管水银测压计测压，，题图中标高的单位为m ，试求水面的压强p 0。 解： Pa m g m g p pa p m m g p p m m p p m m g p p m m g p p D D C C B B A A 5001065.29.298002.21334169.22.20) 2.1 3.2()2.15.2(g ) 4.1 5.2()4.10.3(?=?-?=?-?=?????? ?? ??=-+=--=-+=-+=水汞汞水汞水ρρρρρρ
2-9 一盛水的敞口容器作加速运动，试求下列两种情况下容器内静压强的分布规律：（1）自由降落；（2）以等加速度a 向上运动。 解： h a g p p )sin (0αρ++= （1） 0,900=∴=?-=p p 相对压强α （2）) (,900a g h p p p p a a ++=∴=?=ρα绝对压强 2-12 试求开启题图所示水闸闸门所需的单宽拉力F 。不计闸门自重及转轴摩擦力。 解： N b h h h g h b F 42112 11005.91 )]23(3[98002 322 )]([60sin 2?=?++? =?++? = ?Ω=ρ闸门所受的单宽静压力 m h h h h h h h y F c 25.1) () (260sin 321121121=++++??=作用点 kN F F F h F y F c 05.9860cos ,60sin 22 2 1=??=? =所求拉力 2-16 试定性绘出题图中各ABC 曲面的压力体图。 答：
第十一章习题简答 11-1 有一梯形断面渠道，底宽b = 3.0m ，边坡系数m =，底坡i = ，粗糙系数i = ，n = ，渠中发生均匀流时的水深h =1.6m 。试求通过渠中的流量Q 及流 速v 。 解：过流断面的面积为2 64.86.1)6.15.13()(m h mh b A =??+=+= 湿周m m h b x 76.85.116.1231222=+??+=++= 所以，通过渠中的流量s m nx A i Q /14.1876 .802.064.80018.033 23 521323521=??== 而流速s m A Q v /1.264 .814 .18=== 11-2 某梯形断面渠道，设计流量Q =12m 3/ s 。已知底宽b = 3m ，边坡系数m =，底坡i = ，粗糙系数n = 。试求水深h 。 解：过流断面面积h h h mh b A )25.13()(+=+= 湿周h h m h b x 2.3325.11231222+=+??+=++= 流量模数s m i Q K /7.169005 .0123=== 又3 2356 161111-=? ?? ??=?? ? ??==x A n x A x A n A R R n A R AC K () ()3 23522.3325.131-++=h h h n 假定一系列h 值，代入上式便可求得对应的K 值，计算结果列于表内，并绘出K=f(h)曲线，如下图所示。当K=169.7m 3/s 时，得h=1.015m 。 (课本答案为12.04m ，显然是错的，不可能水深有那么深的。) h(m) 0 1 K(m 3/s) 0 00.20.40.60.8 11.20 20 40 60 80 100120140160180200 K(m 3 /s) h (m ) 11-3 有一梯形断面渠道，底坡 i =，边坡系数 m =1，粗糙系数 n =，过水断面面积 。试求水力最优断面及相应的最大流量。若改为矩形断面，仍欲维持原有流量， 且其粗糙系数及底坡i 保持不变，问其最佳尺寸如何 解：梯形过流断面面积2 10)(m h mh b A m m m =+= —————————————— ① 水力最优梯形断面的宽深比为 83.0)111(2)1(222=-+=-+== m m h b m m m β —————— ② 由①②两式可得 b m =1.94m ，h m =2.34m 湿周56.81134.2294.1122 =+??+=++=m h b x m m