流体力学与传热学-2

第二章计算流体力学的基本知识流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些工程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。

这章将首先介绍流体动力学的发展和流体力学中几个重要守恒定律及其数学表达式，最后介绍几种常用的商业软件。

2.1 计算流体力学简介2.1.1计算流体力学的发展流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。

20世纪30～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。

数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了"计算流体力学"。

从20世纪60年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。

数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。

数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。

自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，人们开始利用流动规律来改造自然界。

最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。

航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。

流体运动的规律由一组控制方程描述。

计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解析解。

但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解析解。

计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力学这门交叉学科。

计算流体力学是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程(Euler或Navier-Stokes方程)以发现各种流动现象规律的学科。

冶金工程中的流体力学和传热问题【前言】冶金工程，是用化学、物理、机械等学科的原理及工程技术，从矿石、炉渣、金属等原料中提取有用金属的科技学科。

在冶金过程中，流体力学和传热问题显得尤为重要，下面就来具体了解一下。

【流体力学】流体力学是研究流体（气体和液体）静力学和动力学规律的学科。

在冶金工程中，流体力学的应用非常广泛，比如在冶炼过程中，常常需要通过煤气喷吹炉料，同时也要通过冷却水喷淋来控制温度，这就需要对流体流动的特性和流量进行精细的控制。

在控制喷吹煤气、喷淋冷却水以及调整气体和液体所在反应器的流动状态时，需要基于流体力学原理对管道系统的流量进行计算，以达到控制工艺的目的。

另外，还需要对流体的稳态性和非稳态性进行分析，来预测可燃气体和污染物在冶炼过程中的扩散状态，避免二次污染的发生。

除了上述应用外，流体力学在溶解过程和提取过程中也有着重要的应用。

在溶解过程中，通过研究不同工业设备中的低液位制约条件，以及基于不同液位下的流动和混合机理，可以确定一个有效混合剂量和时间，从而达到溶解效果的最佳化。

而在提取过程中，通过流体力学原理分析和研究液体流动状态及混合状况，则可确定流体处理设备的运行和优化参数，提高产品的产量和质量。

【传热问题】传热问题在冶金工程中也是一个非常重要的问题。

很多工艺过程中都伴随着物质物理性质的变化，如温度、粘度、流变性等，而传热现象是最主要的原因之一。

传热问题主要有三种形式：传导、对流和辐射。

冶金工程中常见的传热过程主要是对流传热，因为对流传热的热传导速率较快，可快速传递热量，从而有效提升炉料的温度。

在炉料加热过程中，无论是加热炉的辐射加热、氧化剂或还原剂的化学反应或燃料燃烧反应，都需要通过对流传热来完成。

对流传热的机理是通过流体的移动，将高温区域的热量迅速传到低温区域的一种传热方式。

在冶金工程中，对流传热是通过控制气体流动状态来实现的。

由于气相的导热系数较小，因此对流传热的效率要比传导传热大得多。

课程名称：流体力学与传热学课程编号：130 200040课程学分：36学分适用专业：测控技术与仪器流体力学与传热学教学课程大纲一、课程性质与任务：本课程是自动化装置、过程控制系统方向的技术基础课。

通过该课程的学习，使学生对流体平衡、运动规律及能量守恒与转换规律方面具备必要的基本知识，获得传热的一些基本理论、基本知识及传热计算的初步能力，学会运用基本规律来处理和解决实际问题的方法和技能，培养分析问题的能力和创新能力，为学生学习后续课程，从事工程技术工作和进行科学研究打下必2要的基础。

二、课程内容及要求：总学时数：36； 2学时/端午节放假一天。

即共17次课。

第一章绪论（2）a) 流体力学工程应用及其主要的物理性质基本要求了解：流体力学的研究对象流体力学：研究流体平衡、机械运动的规律以及在工程实际中的运用、任务研究流体的运动规律；流体之间或流体与固体之间的相互作用力；流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。

和研究方法；熟悉：流体宏观模型─连续介质假定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连续不断的流体质点所构成的一种绝无间隙的连续介质。

、理想流体、不可压缩流动； 掌握：流体的粘性流体微团发生相对运动时所产生的抵抗变形、阻碍流动的性质 和压缩性温度一定时，流体在外力作用下，其体积缩小的性质 等物理性质。

教学及考核内容流体的定义，在静力平衡时，不能承受拉力或剪力的物体。

连续介质的概念，流体的主要物理性质（粘性－牛顿内摩擦定律、流体相对运动时，层间内摩擦力T 的大小与接触面积、速度梯而与接触面压缩性），（质量力、表面力）。

第二章 流体静力学理论基础（4）a) 流体的平衡微分方程；流体静力学基本方程；压力的测量仪表b) 静止流体对平面壁、曲面壁的作用力；液体的相对平衡☐基本要求了解：静压强的概念、性质；熟悉：流体平衡微分方程式；表压力、真空度和绝对压力的概念；掌握：静力学基本方程式（重点）；静压强的分布规律；流体作用在壁上总压力的计算；等压面方程（测压计）☐教学及考核内容流体静压强特性，压强的测量，重力场中静压强分布基本公式，流体作用在壁上总压力的计算。

流体力学与传热学在核能工程中的重要性与应用引言：核能作为一种清洁、高效的能源形式，在现代工业和生活中扮演着重要角色。

而核能工程的安全性和效率都离不开流体力学和传热学的应用，本文将探讨流体力学和传热学在核能工程中的重要性和具体应用。

一、热力学的基本原理核能工程中运用的热力学基本原理为了保证反应核堆内部燃料的稳定性和安全性，必须做到一方面提供足够的冷却剂来吸收焦热的核燃料带来的热量，另一方面通过流体力学的手段将冷却剂从反应堆中引出，维持核燃料的温度在安全范围内。

二、流体力学在核能工程中的应用1. 冷却剂的流动模拟冷却剂在核反应堆中的流动状态对于反应堆安全运行至关重要。

通过对流体力学的分析和模拟，工程师可以预测冷却剂在反应堆内的流动速度、压力分布以及流动的稳定性，从而找出潜在的瓶颈和问题，并设计出更合理的冷却剂系统。

2. 热交换器的设计与优化核能工程中的热交换器是将热量从核反应堆中提取出来并转移给其他介质的重要设备。

通过传热学原理和流体力学的分析，可以优化热交换器的结构和流体的流动状态，提高热传递效率，从而确保核反应堆的稳定和高效运行。

三、传热学在核能工程中的应用1. 固体燃料的热传导在核能工程中，固体燃料承载着核反应的重任。

传热学的应用可以帮助工程师预测燃料的温度分布，优化燃料堆结构，以及提高燃料的热导率，从而增强核反应堆的安全性和效率。

2. 燃料棒管壳的热流动燃料棒管壳是核反应堆中一个重要的保护层，它起到包装燃料和冷却剂的作用。

传热学的原理可以帮助工程师优化燃料棒管壳的材质和结构，提高热传导效率，保持燃料堆的温度在可控制的范围内。

四、结论流体力学和传热学在核能工程中的应用对于确保核反应堆的安全性和高效性起到关键作用。

通过热力学和传热学原理在设计和优化中的应用，可以提高核反应堆的热量传递效率，降低燃料温度，保证核能工程的安全和可靠运行。

因此，研究和掌握流体力学和传热学的知识是核能工程领域的重要任务，也是未来发展核能工程的关键。

流体力学与传热学试题及参考答案一、填空题：（每空1分）1、对流传热总是概括地着眼于壁面和流体主体之间的热传递，也就是将边界层的 和边界层外的 合并考虑，并命名为给热。

答案：热传导；对流传热2、在工程计算中，对两侧温度分别为t1,t2的固体，通常采用平均导热系数进行热传导计算。

平均导热系数的两种表示方法是 或 。

答案；221λλλ+=-；221t t +=-λ3、图3-2表示固定管板式换热器的两块管板。

由图可知，此换热器为 管程，管程流体的走向为 或 。

1 2 3图3-2 3-18 附图答案：4；2→4 →1→5→3；3→5→1→4→24、黑体的表面温度从300℃升至600℃，其辐射能力增大到原来的 倍. 答案: 5.39分析: 斯蒂芬-波尔兹曼定律表明黑体的辐射能力与绝对温度的4次方成正比, 而非摄氏温度,即4273300273600⎪⎭⎫⎝⎛++=5.39。

5、3-24 用0.1Mpa 的饱和水蒸气在套管换热器中加热空气。

空气走管内，由20℃升至60℃，则管内壁的温度约为 。

答案：100℃6、热油和水在一套管换热器中换热，水由20℃升至75℃。

若冷流体为最小值流体，传热效率0.65，则油的入口温度为 。

答案：104℃ 分析： ε=2020751--T =0.65 ∴1T =104℃1 2 37、因次分析法的基础是 ，又称因次的和谐性。

答案：因次的一致性8、粘度的物理意义是促使流体产生单位速度梯度的_____________。

答案：剪应力9、如果管内流体流量增大1倍以后，仍处于滞流状态，则流动阻力增大到原来的 倍。

答案：210、在滞流区，若总流量不变，规格相同的两根管子串联时的压降为并联时的 倍。

答案：411、流体沿壁面流动时，在边界层内垂直于流动方向上存在着显著的_______________，即使____________很小，____________仍然很大，不容忽视。

答案：速度梯度；粘度；内摩擦应力 12、雷诺数的物理意义实际上就是与阻力有关的两个作用力的比值，即流体流动时的______ 与__ ____ 之比。

流体力学与热力学的结合研究引言在物理学领域，流体力学和热力学是两个重要的分支学科。

流体力学研究的是流体的运动和力学性质，而热力学研究的是热能与动能之间的转化关系。

本文将探讨流体力学和热力学的结合研究，以及其在科学研究和工程应用中的重要性和潜在价值。

流体力学和热力学的基本概念流体力学流体力学是研究流体运动和力学性质的学科。

流体是一种物质态，具有流动性和变形能力。

流体力学的研究对象可以是气体和液体。

其中，气体流体力学研究的是气体的运动和动力学特性，而液体流体力学研究的是液体的运动和变形特性。

热力学热力学是研究热能和动能之间转化关系的学科。

热力学研究的是物质的热力学性质和热力学过程。

它与能量、热量、温度等概念密切相关，是热力学定律的基础。

流体力学和热力学的联系与区别流体力学和热力学在许多方面有着联系和相互作用，但也有一些区别。

联系1.热力学与流体力学都是经典物理学的重要分支，它们都是研究物质的运动和能量转化的学科。

2.热力学与流体力学在热传导、传热和能量转移方面有着密切联系。

热力学的第一和第二定律可以应用于流体中的热传导等过程。

3.流体力学可以提供热分析中的速度场和流动性质，而热力学则可以提供流体力学中的温度场和能量转移。

区别1.流体力学注重流体的运动和流动性质，而热力学注重热能与动能之间的转化关系。

2.流体力学研究的是流体在不同条件下的运动行为，而热力学研究的是热力学过程和热力学性质。

3.在方法上，流体力学多使用数学模型和实验手段，而热力学则借助于热力学定律和热力图表进行分析。

流体力学和热力学的结合研究流体力学与热力学的结合研究在科学研究和工程应用中具有重要意义。

它可以帮助我们更好地理解和分析流体系统的行为，并为工程设计提供更准确的模型和方案。

研究领域1.热传导与流体流动的耦合研究：研究在复杂条件下，热传导和流体流动的相互作用。

这对于设计高效的散热系统和流体流动控制系统具有重要意义。

2.辐射传热与流体运动的综合分析：研究在辐射传热与流体运动同时存在的情况下，流体系统的热平衡和能量转移。

流体力学与传热学流体力学和传热学是物理学和工程学中的重要分支，它们在许多领域中都有着广泛的应用。

本文将对流体力学和传热学进行简单的介绍和探讨。

流体力学是研究流体（包括液体和气体）运动、变形和受力规律的学科。

流体力学的研究对象是流体的宏观运动，它涉及到许多自然现象和社会生产实践中的问题。

例如，气象、水利、航空航天、工业制造等领域都离不开流体力学。

流体力学的基本原理包括：流体的性质、流体静力学、流体动力学、流动阻力和能量损失等等。

它在很多领域中有重要应用，如飞机飞行和汽车设计中的气动性能，以及建筑物的风洞实验等等。

传热学是研究热量传递规律和传热过程的学科。

传热学主要涉及到热传导、热对流和热辐射三种基本传热方式。

热传导是指物体内部热能传递的过程，它涉及到物体内部的微观粒子运动；热对流是指由于流体运动而引起的热能传递过程，它主要发生在流体与固体的交界面上；热辐射是指物体通过电磁波的形式向外传递热能的过程。

传热学在能源、建筑、化工、电子、航天等领域中都有广泛的应用，如能源利用中的传热过程优化、建筑物的保温性能设计和微电子器件的散热设计等等。

在能源领域，流体力学和传热学具有非常重要的作用。

例如，在太阳能利用中，如何高效地收集太阳能并进行利用是一个重要问题。

太阳能集热器就是利用传热学原理来提高太阳能的利用率，它可以将太阳能转化为热能，并将其传输到需要加热的地方。

此外，传热学还广泛应用于石油和天然气工业中，例如油井的加热和天然气液化的过程都需要利用传热学的知识来进行优化设计。

建筑领域也是一个广泛应用流体力学和传热学的领域。

例如，建筑物的通风系统和空调系统都需要利用流体力学的知识来进行设计。

同时，建筑物的保温性能和隔热性能是建筑节能的关键因素之一，因此需要通过传热学的知识来进行合理的建筑设计和材料选择。

此外，在桥梁、高速公路和其他基础设施建设领域中，也需要利用流体力学和传热学的知识来进行防水、排水和保温等方面的设计和施工。

1. Water is pumped at a constant velocity 1m/s from large reservoir resting on the floor to the open top of an absorption tower. The point of discharge is 4 meter above the floor, and the friction losses from the reservoir to the tower amount to 30 J/kg. At what height in the reservoir must the water level be kept if the pump can develop only60 J/kg?2222112f 1U P U P w=Z g+h (Z g+)22ρρ++-+ U 1=0 12P =P 10Z = W=60j/kg f h 30/kg =2U =1m/s 2(60300.5)/g 3m Z =--=21Z Z Z 431m ∆=-=-=2. The fluid (density 1200 kg/m 3 ) is pumped at a constant rate 20 m 3 /h from the large reservoir to the evaporator. The pressure above the reservoir maintains atmosphere pressure and the pressure of the evaporator keeps 200 mmHg (vacuum). The distance between the level of liquid in the reservoir and the exit of evaporator is 15 meter and frictional loss in the pipe is 120 J/kg not including the exit of evaporator, what is the pump effective work and power if the diameter of pipe is 60 mm?22112212f U U Z g+W Z g+h 22ρρP P ++=++ 10P = 5422200P x1.013x10 2.67x10N /m 760=-=- 31200Kg /m ρ= 1U 0= f h 120J /kg =22V 20U 1.97m /s A 3600*4006===π/*. 1Z 0= 2Z 15= 422.67x101.97W 15x9.81120246.88J /kg 12002=-+++= N W Q 246.88x1200x20/3600=1646W ρ==3. Water comes out of the pipe (Φ108x4 mm), as shown in Fig. The friction loss of the pipeline which does not cover the loss at the exit of pipe can be calculated by the following equation:h f =6.5U 2where U is the velocity in the pipe, finda. water velocity at section A-A'.b. water flow rate, in m 3 /h. 22112212f U U Z g+Z g+h 22ρρP P +=++ 1U 0= 12P =P 1Z 6m = 2Z 0=2f h 6.5U = 22U 6x9.81 6.5U 2=+ U 2.9m/s = 23V=UA=2.94x01x360082m /h =π/.4. Water passes through the variable pipe. The velocity in the small pipe is 2.5 m/s. The vertical glass tubes are inserted respectively at the section A and B to measure the pressure (see fig.) If the friction loss between two section is 15 J/kg, what is the water column difference between two glass tubes? By the way, draw the relative liquid column height of two tubes in the Fig.a ab b U A U A = 2b U 2.5*(33/47)1.23m /s == 22a a b b a b f U U Z g+Z g+h 22ρρP P +=++ a b Z =Z 22a b b a f U U h 22ρρP P -=-+221.23/2 2.5/21512.63=-+= a b P P R g ρ-=∆ 3312.63R=1.29x10m 9.8x10-∆=5. A centrifugal pump takes brine (density 1180 kg/m 3 , viscosity 1.2 cp) from the bottom of a supply tankand delivers it into another tank. The line between the tanks is 300 m of 25 mm diameter pipe (inner diameter). The flow rate is 2 m 3 /h. In this line, there are two gate valves, four elbows (90o ) and one return bend, what is the friction loss if the roughness of pipe is 0.025 mm?22f fst flocal U U h h h 4f k d 22l ∑=+=+∑ 31180kg /m ρ= 300m, d=0.025m l =3-3v 2m /h =1.2cp=1.2x10Pa.s μ=k=0.025mm k/d=0.025/25=0.001c l r k =0.4 k =1 k =2x0.07=0.14el re k 4x0.75 3 k 1.5-2.2===2u v /A 2/(3600x /4x0.025)1.13m /s π===4u d Re 2.78x10ρμ== f 0.063= 2f 2h 4x0.0063x300/0.025x1.13/2+(0.4+1+2x0.07+4x0.7+1.5)x1.13/2 =197.86J/kg∑=6. The orifice meter (diameter of orifice 0.0001 m) is installed for measuring the flow rate. The indicating liquid of orifice is mercury if U shape pressure gauge reading is 0.6 meter and orifice coefficient can be takenas 0.61, what is the flow rate of water?o u c =20o 0V u s 0.61x /4x0.0001π==835.8x10m /s -=7. Water flows through a pipe with a diameter di 100 mm as shown in figure.a. when the valve is closed, R is 600 mm and h equals 1500 mm. While the valve opens partially, R=400 mm and h=1400 mm, f=0.00625 (Finning factor) and k c =0.5 (contraction coefficient), what is the flow rate of water, in m 3 /h?b. If the valve opens fully, what is the pressure of section 2-2', in N/m 2 ? The equivalent length of the valve is1.5 m and the Fanning factor f keeps the same?(ρH2O =1000kg/m 3, ρHg =13600kg/m 3)(1) the valve opens partially ,for selection 1-1’ and 2-2’ , we have 22112212f 1-2u u gZ gZ h 22ρρP P ++=+++ 2212Hg H o 0 g(R h)39630N/m ρρP =P =-= 2212f1-2c u u u 0 Z =0 h 4f +k 2.13u d 22===l We can get Z1 from the valve closed21Hg H O h=1.5m R=0.6m Z gR/h 6.66m ρρ=-=229.81x6.66u /2 2.13u 39630/1000=++23h u=3.13m/s V 3600x /4x0.1x3.1388.5m /h π==(2) when the valve opens fully, for section 1-1’ and 3-3’, we have 22331113f1-3u u gZ gZ h 22ρρP P ++=+++ 311Z 0 Z 6.66m u =0== 22e f1-3c u 3.1.5h (4f k )(4x0.00625x +0.5) 4.81u d 20.01l l ++=+== 229.81x6.66u /2 4.81u =+ u 3.51m/s =For section 1-1’ and 2-2’22112212f1-2u u gZ gZ h 22ρρP P ++=+++ 112120 Z 6.66 Z 0 u 0 u 3.51P ===== 22f1-2c l u h (4f k )(4x0.00625x15/0.10.5)3.51/226.2J /kg d 2=+=+= 22229.81x6.66 3.15/226.2N 32970mρP =++P =8. The rotameter is installed to measure the water flow rate, as shown in figure. If the total length including equivalent length of pipeline A is 10 m and the reading of rotameter is 2.72 m 3 /h, what is the flow rate for pipeline B? (f A =0.0075, f B =0.0045)For parallel pipe line fA fB total A B22A fA A 2A h h V V +V u (l+le) 2.72h 4f 4x0.0075x10/0.053/2()d 23600x /4x0.053π∑=∑=∑∑== 0.333J /kg = 22B fB B B B 23B B B B u (l+le)h 4f 4x0.0045x2/0.3/2xu 0.333d 2u 2.36m /s V =u A 2.36x /4x0.23600m /h π∑∑======10. A flat furnace wall is constructed of 120 mm layer of sil-o-cel brick, with a thermal conductivity 0.08 w/(m o C), backed by a 150 mm of common brick, of conductivity 0.8 w/(m o C), the temperature of inner face of the wall is 1400 o , and that of the outer face is 200o C.a. What is the heat loss through the wall in w per square meter.b. To reduce the heat loss to 600 w/m 2 by adding a layer of cork with k 0.2 w/(m o C) on the outside of common brick, how many meters of cork are requied? a. 2Q t 1400200711N /m 11L R 0.080.80.120.15∑∆-===∑+ b. 600=(1400-200)/(0.12/0.08+0.15/0.8+x/0.2)x=0.0625m13. Air at the normal pressure passes through the pipe (d i 20 mm) and is heated from 20o C to 100o C. What is the film heat transfer coefficient between the air and pipe wall if the average velocity of air is 10 m/s? The properties of air at 60 o C are as follows:density 1.06 kg/m 3 , viscosity 0.02 cp, conductivity 0.0289 w/(m o C), and heat capacity 1 kJ/kg-K443u d 10x0.02x1.06 Re=1.06x10100.02x10ρμ-==>12T +T 20100T=6022+==℃ 0.141ωμμ⎛⎫= ⎪⎝⎭10000.020.0010.6920.0289p c x x k μ==Pr= ()()0.81/3081/34Nu 0027Re Pr 0.027x 1.06x10x 0.69239.66==.=. ()2i i i h d 39.66 h 39.66x0.0289/0.02=57.22w/m .k k ==14. A hot fluid with a mass flow rate 2250 kg/h passes through a ∅25x2.5 mm tube. The physical properties of fluid are as follows:k=0.5 w/(m o C), C p =4 kJ/kg-K, viscosity 10-3 N-s/m 2 , density 1000 kg/m 3 Find:a. Heat transfer film coefficient h i , in w/(m 2 -K).b. If the flow rate decreases to 1125 kg/h and other conditions are the same, what is the h i ?c. If the diameter of tube (inside diameter) decreases to 10 mm, and the velocity u keeps the same as that of case a, calculate h i .d. When the average temperature of fluid and quantity of heat flow per meter of tube are 40 o C and 400 w/m, respectively, what is the average temperature of pipe wall for case a?e. From this problem, in order to increase the heat transfer film coefficient and enhance heat transfer, what kinds of methods can you use and which is better, explain?Hint: for laminar flow, Nu=1.86[Re Pr]1/3for turbulent flow Nu=0.023Re 0.8 Pr 1/3 (1) 444N 2250x4u d Gd d 3600x x0.02Re 3.98x10100.001ρππμμμ=====> ()()1/30.8081/3424Nu 0023Re Pr 0.023x 3.98x10220.10.5Nuk 220.1x0.5hi 5500w /m k d 0.02⎛⎫== ⎪⎝⎭===.=. (2) 12w 2w = 4421Re Re /2=2x1010=> 0.80.82211Nu Re 0.5Nu Re ⎛⎫== ⎪⎝⎭ 0.8i2i1h 0.5h = ()0.82i2h 5500x0.53159w /m k == (3) 44333u d 2000x0.01Re 2x10100.001ρμ===> 0.81/3Nu 0.023Re Pr = ()2hi=6347w/m k(4)i i w w Q=h A (t-t )=400=500x2x0.02(t-t )πw t=40t 39.41=℃ ℃(5) there methods : increase u or hi or decrease dThe first is better15. In a double pipe exchange (Φ23x2 mm), the cold fluid (Cp=1 kJ/kg, flow rate 500 kg/h) passes throughthe pipe and the hot fluid goes through the outside. The inlet and outlet temperatures of cold fluid are 20 and 80 o , and the inlet and outlet temperatures of hot fluid are 150 and 90o , respectively. The h i (film coefficient inside pipe) is 700 w/(m 2 o C)and overall heat transfer coefficient U o (based on the outside surface of pipe) is 300w/(m 2 o C), respectively. If the heat loss is ignored and the conductivity of pipe wall (steel) is taken as 45 w/(m o C), find:(1) heat transfer film coefficient outside the pipe h o ?(2) the pipe length required for counter flow, in m?(3) what is the pipe length required if the heating medium changes to saturated vapor(140 o C) and it condenses to saturated liquid and other conditions keep unchanged?(4) When the exchanger is used for a year, it is found that it cannot meet the need of production (the outlet temperature of cold fluid cannot reach 80 o C), explain why? (a) 0m o 0i i m d l d 111230.002x23h Vo h d kd 300700x1945x21⎛⎫=-+=-- ⎪⎝⎭ 1/h0=1/U0-(do/hidi+bdo/kdm)=1/300-23/700*19-0.002*23/45*21()20h 642.9w/m k =12t +t LMTD=702∆∆℃= Q=UoAo ∆Tm=mcCp(Tcb-Tca) 300*2π*0.023*70L=500/3600*1000*(80-20)L=5.4m(c) 8020LMTD=86.514020ln 14080-=--℃ 1122L t 70/86.5L t ∆==∆ 2L 0.81L1 4.4m == (d) scale is formed on the outside ,V 0 is decreased16. Water flows turbulently in the pipe of Φ25x2.5 mm shell tube exchanger. When the velocity of water u is 1 m/s, overall heat transfer coefficient Uo (based on the outer surface area of pipe) is 2115 w/(m 2 o C). If the u becomes 1.5 m/s and other conditions keep unchanged, Uo is 2660 w/( m 2 o C ). What is the film coefficient ho outside the pipe? (Heat resistances of pipe wall and scale are ignored)o i h h Uo 111+= (1) oi o h h U 1'1'1+= (2) (1)-(2)= 0.80.80.80.81211111121152660u C u C 1C 1.5C-=-=- C=2859 io h Uo h 111-= ho=8127W/(m2K)17. Water and oil pass parallelly through an exchanger which is 1 m long. The inlet and outlet temperatures of water are 15 and 40 o C, and those of oil are 150 and 100 o C, respectively. If the outlet temperature of oil decreases to 80 o C, and the flow rates and physical properties and inlet temperatures of water and oil maintain the same, what is the pipe length of new exchanger? (Heat loss and pipe wall resistance are neglected) ()()h h 12c c 21m Q W C T -T W C t t VA t ==-=∆()()h h 12c c 21W C T -T 'W C t 't =-2150100401515080t 15--=-- 2t 50=℃ 212m1112m2L T T 't 1508092.51.85L T T t 15010069.8-∆-===-∆- 2m1m2L 1.85m L1=1m t 92.5 t 69.8=∆=∆=18. Air which passes through the pipe in turbulent flow is heated from 20 to 80 o C. The saturated vapor at 116.3 o C condenses to saturated water outside the pipe. If air flow rate increases to 120% of the origin and inlet and outlet temperatures of air stay constant, what kind of method can you employ in order to do that? (Heat resistance of pipe wall and scale can be ignored))(111ca cb pc c m i i T T C m T A h -=∆=1Q)'(2212ca cb pc c m i T T C m T A h -=∆=2Q 128.012112i22.12.1h m m c c m i m T T m m T h T ∆∆===∆∆ )803.116/()203.116ln(20801---=∆m T )80/()20ln(20802---=∆h h m T T T Th=118.5oC19. Water flows through the pipe of a Φ25x2.5 mm shell-tube exchanger from 20 to 50 o C. The hot fluid (C p1.9 kJ/kg o C, flow rate 1.25 kg/s) goes along the shell and the temperatures change from 80 to 30 o C. Film coefficients of water and hot fluid are 0.85kw/(m 2 o C) and 1.7 kw/(m 2 o C). What is the overall heat transfer coefficient Uo and heat transfer area if the scale resistance can be ignored? (the conductivity of steel is 45w/(m o C).W=1.25Kg/s Cp=1.9Kj/kg ℃()()2h p 12Q W C T T 1.25x1.9x 80-30119Kw =-==m 3010t 30ln 10-∆= ()200m 00i i m 1V 472w/m k d l d 1h h d kd ++==32i 0m Q 119x10A 13.9m V t 472x18.2===∆20. A spherical particle (density 2650 kg/m 3) settles freely in air at 20 o C (density of air 1.205 kg/m 3 , viscosity 1x10-5 Pa.s). Calculate the maximum diameter of particle if the settle obeys the Stoke s’ Law?Re ≤1 ()2p t p D g U 18D ρρμμρP -== ()23p 18D g μρρρP =- ()1/3-10p 18x10D 1.205x9.81x 2650-1.205⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭=3.85x10-521. A filter press(A=0.1 m 2 ) is used for filtering slurry. The vacuum inside the filter is 500 mm Hg. One liter filtrate can be got after filtering of 5 min and 0.6 more liter filtrate is obtained after 5 more min. How much filtrate will be got after filtering of 5 more min?for filter press 22e V 2VV =KA θ+5 min 22e 12V 0.1x5K +=(1)10min 22e 1.62x1.6V 0.1x10K +=(2)From (1) (2),we can see Ve=0.7 K=4815 min 22V 2x0.7V=48x0.1x15+ V=2.07m 3/h22. The following data are obtained for a filter press (A=0.0093 m 2) in a lab.------------------------------------------------------------------------------------------------pressure difference (kg f /cm 2 ) filtering time (s) filtrate volume (m 3 )1.05 502.27⨯10-3660 9.10⨯10-33.50 17.1 2.27⨯10-3233 9.10⨯10-3Find1) filtering constant K, q e , t e at pressure difference 1.05 kg f /cm 2 ?2) if the frame of filter is filled with the cake at 660 s, what is the end filtering rate (dV/dt)E at P 1.05 kg f /cm 2 ?3) compressible constant of cake s?For p=1.05Kg/cm 22e 2e 2e q 2qq K 0.002270.0002272x q 50K 0.00930.000930.000910.000912x q 660K 0.000930.00093θ+=⎛⎫+= ⎪⎝⎭⎛⎫+= ⎪⎝⎭We can see K=0.015 qe=0.026For p=3.5Kg/cm 21-s K=2k ∆P 1-s K'=2k '∆P 1s K 'K '-∆P ⎛⎫= ⎪∆P ⎝⎭ ()2E e V KA 2V+V d d θ⎛⎫= ⎪⎝⎭23. A slurry is filtered by a 0.1 m 2 filter press at constant pressure if the cake is incompressible. The filter basic equation is as follows:(q+10)2 = 250(t+ 0.4)where q---l/m 2 t----minfind (1) how much filtrate is got after 249.6 min?(2) if the pressure difference is double and the resistance of cake is constant, how much filtrate can be obtained after 249.6 min? (cake is imcompressible)（1）let θ=249.6 ()()2q+10250x 249.60.4=+ q=240 V=qA=240*0.1=24(2) K 2k =∆P K'2k '=∆P'2∆P =∆P K'2K 500== ()()2q'+10500x 249.60.4=+ q ’=343.6 v=34.36。

流体动力学书籍流体动力学是研究流体运动规律及其相关现象的科学领域。

在学习和研究流体动力学时，我们需要依靠相关的参考书籍来获取准确的理论知识和实践经验。

本文将介绍几本值得推荐的流体动力学书籍，帮助读者选择适合自己的学习和研究材料。

1. 《流体力学与传热学导论》(作者：Cengel，著；沈树忠，译)这本书是一本经典的流体力学和传热学导论教材，适合作为工科类专业本科生或研究生的教材使用。

本书覆盖了流体静力学、流体动力学、流体传热以及流体边界层等内容，并以简明易懂的方式呈现给读者。

书中还包含了丰富的例题和习题，可以帮助读者更好地理解和巩固所学的知识。

2. 《流体力学及其应用》(作者：Daugherty，C.A.等；郑德一等，译)这本书是流体力学领域的经典之作，内容丰富、全面而深入。

书中介绍了流体静力学、流体动力学、流体传热和流体机械等方面的内容，并结合大量实际应用案例进行讲解。

该书采用了简洁清晰的语言和大量的插图，有助于读者对流体力学概念和原理的理解和掌握。

3. 《流体力学基础》(作者：程其飞，冯广中等，编著)这本书是一本较为系统全面的流体力学教材，适合作为工科类专业本科生或研究生的教材使用。

书中内容涵盖了流体力学的基本概念、基本方程、流动形态和流动特性等方面，对各种流动现象进行了深入的分析和讨论。

该书知识点讲解逻辑清晰，配有大量的示例和习题，便于读者理解和巩固所学知识。

4. 《流体力学导论》(作者：Munson, B.R.等；姜景海等，译)这本书是一本经典的流体力学导论教材，内容简洁明了，适合初学者入门。

书中介绍了流体静力学、流体动力学、流体传热和流体机械等内容，并通过大量实际应用案例进行讲解和分析。

该书在讲解流体力学理论的同时，强调了实际应用的重要性，有助于读者将理论知识与实际问题相结合。

5. 《计算流体力学基础》(作者：李洪涛，编著)这本书是一本较为专业的计算流体力学教材，适合研究生或工程技术人员学习和研究使用。

热传导方程的热传输与流体力学问题热传导方程是描述物质内部热传输现象的基本方程，它描述了物质内部温度分布随时间的演化规律。

在实际应用中，热传导方程经常被用于制冷、加热、传热等相关领域中，是热工学、流体力学等领域的基础方程。

在热工学领域中，我们需要掌握热传导方程，才能更好地理解热系数、传热系数、导热系数等概念。

而在流体力学领域中，我们需要了解热传导方程与流体运动的耦合现象，才能更好地掌握流体运动的热传输特性。

下面我们将通过几个例子详细探讨热传导方程的热传输特性以及与流体力学的相关问题。

1. 玄武岩的热传导特性玄武岩是一种在火山岩浆中裂隙中堆积而成的岩石，它的热传导特性与其他一些岩石存在明显的不同。

热传导方程描述了玄武岩内部的热传输情况，我们通过对其热传输特性进行分析，可以更好地了解鲁棒的岩石的特性。

通过实验我们发现，玄武岩的热传导系数远高于其他岩石的热传导系数。

这是由于玄武岩的内部扭曲程度不大，因此导致热传导路径的长度很短。

相应地，当稳定的热流经过岩石时，导致岩石表面温度的升高。

2. 二次流体和热传导问题二次流体通常被定义为在低雷诺数下运动的流体，具有强耦合的非线性特性。

在热传导方程中，热通量通过非线性形式计算，我们需要了解二次流体的相关问题，才能更好地理解热通量的非线性关系。

通过实验我们发现，二次流体的输送能力往往比传统流体更高。

这是由于二次流体中存在类似环流、涡流等的现象，这些现象能够将热能更好地传输到液体表面，并促进其快速散热。

因此，在实际应用中，我们需要根据需要选择不同类型的流体。

3. 自然对流传热自然对流传热是指，在温差作用下，流体内部产生了密度差，导致流体内部出现自然循环的过程，从而实现传热的现象。

在自然对流传热的过程中，流体的压强沿着流动路径不断降低，所以热传导方程需要考虑压强变化对流体运动的影响。

通过实验我们发现，自然对流传热通常比强制对流传热更加复杂。

这是由于自然对流传热需要考虑力学与热学过程的相互作用，因此需要进行结构性计算，同时还需要考虑系统的复杂性。

流体的多相流动和多相传热多相流动和多相传热是流体力学和传热学中的重要研究领域，涉及到两种或多种不同相态的流体在相互作用中的行为及其传热特性。

在工程和科学领域中，多相流动和多相传热的研究对于理解和解决现实生活中的许多问题具有重要意义。

一、多相流动的基本概念多相流动是指在同一空间内同时存在着两种或多种不同相态的流体。

常见的多相流动包括气固、液固和气液两相流动。

在多相流动中，流体与固体或另一种流体之间通过界面相互作用并产生各种现象。

多相流动的特点包括相态转换、相分离、相互作用等。

1. 相态转换相态转换是指流体在不同条件下从一种相态转变为另一种相态的过程。

例如，水从液态转变为气态的过程称为蒸发，气体从气态转变为液态的过程称为冷凝。

相态转换会伴随着能量的吸收或释放，对多相流动和多相传热的研究具有重要影响。

2. 相分离相分离是指在两种或多种相态的流体中，不同相态的物质会产生分离现象。

例如，在液固两相流动中，固体颗粒可能会沉积在底部形成固体堆积。

相分离现象对于流体力学和传热学的研究与应用非常重要。

3. 相互作用相互作用是指在多相流动中不同相态的流体之间通过界面相互作用产生的现象。

例如，在两种相态的气体流动中，气泡的生成和破裂是气液两相流动的典型现象。

相互作用对于多相流动的传热特性具有重要影响。

二、多相流动的数学模型多相流动的数学模型在流体力学和传热学的研究中起着重要作用，它描述了不同相态的流体在空间和时间上的分布及其相互作用规律。

常见的多相流动模型包括欧拉模型、拉格朗日模型和欧拉-拉格朗日混合模型。

1. 欧拉模型欧拉模型假设流体处于连续介质的状态，将流体视为宏观量的集合。

欧拉模型通过质量、动量和能量守恒方程来描述流体的运动及其与固体界面的相互作用。

欧拉模型在多相流动的研究和工程应用中被广泛采用。

2. 拉格朗日模型拉格朗日模型将流体视为由大量微观粒子组成的离散系统。

拉格朗日模型通过分析流体粒子的运动轨迹和相互作用来描述流体的运动规律。

流体力学和传热学《流体力学和传热学》第一章流体力学1.1 流体介质流体（Fluid）是指可用来描述物质在物理状态机制上发生变形，具有形状改变能力的物质类型。

它们包括液体（Liquid）和气体（Gas），可以根据它们的性质将它们分为静力学流体（ statically fluids）和动力学流体（dynamic fluids）。

1.2 流体流动流体力学研究的基础内容是流体流动，它是物质在物理空间内的连续改变，由于流体分布的不均匀性，会产生流动。

它是由于重力、压力差、粘度和其他因素引起的。

1.3 流体力学基本原理流体力学研究的基本原理，可以归纳为三大要素：物理定律、力学方程和保守定律。

物理定律指的是物理现象的基本准则，如流体的流动、密度、压力、速度、温度等，他们是流体力学研究的基本研究对象。

力学方程涉及的是流体的动力学特性，如流体内的力平衡方程、温度方程以及动量守恒方程等，是探索流体流动的机理的基础。

保守定律指的是流体受到外力的作用时，它的总动量、能量、动量和质量的变化，可从它们的定义和物理定律可以推出。

第二章传热学2.1 传热学的定义传热学（Thermodynamics）是研究物质在物理系统中的能量交换及其特性的学科，它是动力学、能源学以及工程热力学的一部分。

它涉及物体的物理特性、热质的传递机理及传热学定律。

2.2 传热学的基本原理传热学的基本原理，一般可以概括为三大要素：物理特性、热质传递机理和传热学定律。

物理特性是指传热学中有关物质的特性，如密度、温度和物性参数等，而热质传递机理是指它的传热原理，如热对流、热传导及热辐射等。

最后的传热学定律，根据物理原理推出了物体内部的热能的变化，也就是“物体内的热能不会凭空灰飞烟灭，只能够从一处转移到另外一处”这一定律。

举实例包含流体力学和传热学原理的例子
【实用版】
目录
1.流体力学原理及其应用实例
2.传热学原理及其应用实例
正文
【流体力学原理及其应用实例】
流体力学是一门研究流体在不同条件下运动和变形的学科。

流体可以是液体或气体，流体力学原理广泛应用于许多领域，例如建筑、机械和航空航天等。

以下是一些具体的实例：
1.伯努利定理：在流体流动过程中，速度增加会导致压力降低。

这一定理在水力学、航空航天等领域有广泛应用，例如飞机翼的设计就是依据伯努利定理，通过产生向上的升力使飞机得以起飞。

2.连续性方程：流体在流动过程中，流速和截面积的乘积在任何地方都是恒定的。

这一方程在流体输送系统中有重要应用，如水管道、天然气管道等。

3.泊肃叶定律：描述流体在管道中层流和湍流的规律。

这一定律在工业管道设计和流体设备选型中有重要意义。

【传热学原理及其应用实例】
传热学是研究热量在不同物体间传递的一门学科。

传热过程主要有三种方式：导热、对流和辐射。

以下是一些具体的实例：
1.导热：热量从高温物体传递到低温物体的过程。

在建筑中，保温材料的选用就是依据导热原理，以降低热量损失。

2.对流：流体中因温差产生的密度差导致流体流动，从而实现热量传递。

在日常生活中，空调、暖气等设备就是利用对流原理进行热量交换的。

3.辐射：物体因温度而产生的红外辐射，无需介质参与，可在真空中进行热量传递。

太阳能热水器就是利用辐射原理将太阳能转化为热能的。

综上所述，流体力学和传热学原理在许多领域具有广泛的应用。

一、填空题1．相对压强的起量点为；绝对压强的起量点为。

2．当理想流体在水平变径管路中作稳定的连续流动时，在管子直径缩小的地方，其质量通量；势能。

3．当流量及其他条件一定，离心泵的吸入管径增加，则泵的允许安装高度，输送流体的温度提高，则离心泵的允许安装高度。

4．调节往复泵流量的方法有：，等。

5．滤饼过滤是指：的操作。

6．对恒压过滤，介质阻力可以忽略时，过滤面积增大一倍，则过滤速率为原来的。

过滤时间增加一倍，过滤液量增加为原来的倍。

7．列举两种间壁式换热器：、等。

（任填两种）8．为了减少保温瓶的热损失，在瓶胆的夹层中抽真空是为了减少形式的热损失；在瓶胆的夹层中镀水银是为了减少形式的热损失。

二、选择题1．当管子由水平放置改为垂直放置，而流速不变，其能量损失( ) 。

A. 增大B. 减小C. 不变D. 不定2．流体静压强P的作用方向为（）。

A．指向受压面B．垂直指向受压面C．垂直受压面D．平行受压面3．流体在圆形直管中流动时，若流动处于层流区，则下列四种论述中不正确的是( )。

A．摩擦系数与速度成反比，阻力损失与速度成正比B．管内速度分布呈抛物体状C．阻力损失与流过的管长成正比，与管径的平方成反比D．摩擦系数与速度成正比，阻力损失与速度成正比4．重力沉降和离心沉降的理论依据是：（）A．颗粒与流体的密度差B．含尘气体中颗粒的浓度C．颗粒自身的重量D．颗粒的直径大小5．为提高离心泵的允许安装高度，以下哪种措施是不当的？（）A．提高流体的温度B．增大离心泵吸入管的管径C．缩短离心泵吸入管的管径D．减少离心泵吸入管路上的管件6．以下哪一措施不利于提高转筒真空过滤机的生产能力？（）A．提高转速B．增加浸没度C．降低悬浮液的温度D．提高真空度7．有一套管换热器，在内管中空气从20C︒被加热到50C︒，环隙内有119.6C︒的水蒸汽︒。

冷凝，管壁温度接近（）CA．35 B．119.6 C．77.3 D．无法判断8．翅片管加热器一般用于（）。