第一章 流体流动与输送

第一章流体的流动与输送1、滞流（名词解释）：流体流动时，流体的质点做一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。

（墨水在水中呈直线）湍流（名词解释）：流体流动时，流体的质点有剧烈的涡动，只有靠近管壁处还保留滞留的形态。

（墨水无固定轨迹，呈絮状）2、影响流体流动类型的因素有哪些？（简答题）（1）管径（2）密度（3）粘度（4）速度雷诺数Re=dvρ/μ当Re<2000时为滞流，当2000<Re<4000时为过渡态，当Re>4000时为湍流3、流体流动过程中产生阻力的内因（根本原因）：实际流体有粘度4、实验室中常用的两种流量计：（1）转子流量计（2）孔板流量计5、流体阻力实验中测量的是球形截止阀的局部阻力6、伯努利方程应用的条件：静止流体、理想流体、实际流体7、文氏管流量计的压头损失比孔板流量计的小8、伯努利实验中，测压管的测压孔开在管壁处测量的为静压强，测压管的测压孔正对水流方向时，测压管内液注的高度是静压头与动压头之和。

9、 e.g.滞流流量不变，管径缩小一倍，阻力增加16倍10、流体阻力与管长成正比，管长扩大一倍，阻力扩大一倍。

11、离心泵产生汽蚀的原因：安装高度过高。

离心泵产生气缚的原因：启动前没灌满水，离心泵有气体。

12、离心泵靠出口阀调节流量，离心泵在启动之前要关闭出口阀，先启动电机后开出口阀，离心泵关闭时先关出口阀后关闭电机。

13、旋涡气泵属于正位移泵，靠旁路调节阀调节流量，阀门全开体系流量最小，阀门全关体系流量最大。

14、连续性方程是根据物料衡算推导出来的，伯努利方程是根据能量衡算推导出来的。

15、绝对压=大气压+表压，真空度=大气压-绝对压会计算AB之间的压差16、定态流动（名词解释）：流体流动的系统中，若任一截面上流体的性质（如密度、粘度等）和流动参数（如流速、压力等）不随时间而改变，此种流动称为定态流动。

17、流体的流动形态如果为滞流，摩擦阻力系数与Re有关；如果为湍流，摩擦阻力系数与Re和相对粗糙度有关。

化工原理思考题答案第一章流体流动与输送机械1、压力与剪应力的方向及作用面有何不同答：压力垂直作用于流体表面，方向指向流体的作用面，剪应力平行作用于流体表面，方向与法向速度梯度成正比。

2、试说明粘度的单位、物理意义及影响因素答:单位是N·S/m2即Pa·s，也用cp，1cp=1mPa·s，物理意义为：分子间的引力和分子的运动和碰撞，与流体的种类、温度及压力有关3、采用U型压差计测某阀门前后的压力差,压差计的读数与U型压差计放置的位置有关吗？答：无关，对于均匀管路，无论如何放置，在流量及管路其他条件一定时，流体流动阻力均相同，因此U型压差计的读数相同，但两截面的压力差却不相同。

4、流体流动有几种类型？判断依据是什么？答：流型有两种，层流和湍流，依据是：Re≤2000时，流动为层流；Re≥4000时，为湍流，2000≤Re≤4000时，可能为层流，也可能为湍流5、雷诺数的物理意义是什么？答：雷诺数表示流体流动中惯性力与黏性力的对比关系，反映流体流动的湍动状态6、层流与湍流的本质区别是什么？答：层流与湍流的本质区别是层流没有径向脉动，湍流有径向脉动7、流体在圆管内湍流流动时，在径向上从管壁到管中心可分为哪几个区域？答：层流内层、过渡层和湍流气体三个区域。

8、流体在圆形直管中流动，若管径一定而流量增大一倍，则层流时能量损失时原来的多少倍？完全湍流时流体损失又是原来的多少倍？答：层流时W f∝u，流量增大一倍能量损失是原来的2倍，完全湍流时Wf∝u2 ，流量增大一倍能量损失是原来的4倍。

9、圆形直管中，流量一定，设计时若将管径增加一倍，则层流时能量损失时原来的多少倍？完全湍流时流体损失又是原来的多少倍？答：10、如图所示，水槽液面恒定，管路中ab及cd两段的管径、长度及粗糙度均相同，试比较一下各量大小11、用孔板流量计测量流体流量时，随流量的增加，孔板前后的压差值将如何变化？若改用转子流量计，转子上下压差值又将如何变化？答：孔板前后压力差Δp=p1-p2，流量越大，压差越大，转子流量计属于截面式流量计，恒压差，压差不变。

化学工程学例题与习题严世强编兰州大学化学化工学院第一章流体流动与输送例1. 水从倾斜直管中流过，在断面A和B之间接一空气压差计，其读教R=10mm，两测压点垂直距离h = 0.3m。

试求：（1）A、B两点的压差等于多少？（2）若采用密度为830kg·m-3的煤油作指示液，压差计读数为多少？（3）管路水平放置而流量不变，压差计读数及两点的压差有何变化？, 即解：如图取等压面1－2，p1= p2ρgh A）= p B-ρg（h B- R）-ρ0gR（pA-p A-ρgh A= p B-ρgh B+ Rg（ρ -ρ0）等式两边同时加Hρg，得p A+ρg(H - h A)= p B+ρg(H - h B) + Rg（ρ-ρ0）ρgZ A）-（p B + ρgZ B）=Rg（ρ -ρ0）（A）（pA +p B =Rg（ρ - ρ0）- ρg（Z A- Z B）（1）pA-=0.01× 9.81×1000 + 1000 × 9.81 × 0.3=3.04 ×103Pa注：∵ρ水>>ρ空∴ρ - ρ0 ≈ρ（2）若采用煤油作指示液，压差计读数为R'，由式（A）得：（p A + ρgZ A）-（p B + ρgZ B）=R'g(ρ - ρ0) = Rg（ρ -ρ0）= 0.01× 9.81× 1000 = 98.1PaR/ = == 5.88 × 10-2m = 58.8mmρgZ A）-（p B + ρgZ B）]不变，压差计读不变。

又因管路（3）若管路流量不变，[（pA +水平放置，Z即：A= Z BρgZ A）-（p B + ρgZ B）=p A - p B（pA +=Rg（ρ -ρ=98.1Pa0）从本例可知，若管路中流体流量不变时，U形管压差计所指示值不变。

但应注意R值在两种情况下所表示的意义。

第一章 流体流动与输送设备1．已知20℃下水和乙醇的密度分别为998.2 kg/m 3和789kg/m 3,试计算50％（质量％）乙醇水溶液的密度。

又知其实测值为935 kg/m 3，计算相对误差。

解：乙醇水溶液的混合密度7895.02.9985.012211+=+=ρχρχρm3/36.881m kg m =∴ρ相对误差：%74.5-%100193536.881%100=⨯⎪⎭⎫⎝⎛=⨯——实实m m m ρρρ 2．在大气压力为101.3kPa 的地区，某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为85kPa 。

若在大气压力为90 kPa 的地区，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时真空表的读数应为多少？解：''真真绝p p p p p a a -=-=kPa p p p p a a 7.73)853.101(90)(''=--=--=真真3．如附图所示，密闭容器中存有密度为900 kg/m 3的液体。

容器上方的压力表读数为42kPa ，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m ，其读数为58 kPa 。

试计算液面到下方测压口的距离。

解：液面下测压口处压力gh p z g p p ρρ+=+=21Δmh g p p g p gh p z 36.255.081.990010)4258(31212=+⨯⨯-=+-=-+=∴ρρρΔ4. 如附图所示，敞口容器内盛有不互溶的油和水，油层和水层的厚度分别为700mm 和600mm 。

在容器底部开孔与玻璃管相连。

已知油与水的密度分别为800 kg/m 3和1000 kg/m 3。

（1）计算玻璃管内水柱的高度；（2）判断A 与B 、C 与D 点的压力是否相等。

解：（1）容器底部压力gh p gh gh p p 水水油ρρρ+=++=0210mh h h h h 16.16.07.010008002121=+⨯=+=+=∴水油水水油ρρρρρ（2）B A p p ≠ D C p p =题3 附图B Dh 1 h 2AC 题4 附图5．用一复式U 形压差计测量水流过管路中A 、B 两点的压力差。

（完整版）化⼯原理思考题答案化⼯原理思考题答案第⼀章流体流动与输送机械1、压⼒与剪应⼒的⽅向及作⽤⾯有何不同答：压⼒垂直作⽤于流体表⾯，⽅向指向流体的作⽤⾯，剪应⼒平⾏作⽤于流体表⾯，⽅向与法向速度梯度成正⽐。

2、试说明粘度的单位、物理意义及影响因素答:单位是N·S/m2即Pa·s，也⽤cp，1cp=1mPa·s，物理意义为：分⼦间的引⼒和分⼦的运动和碰撞，与流体的种类、温度及压⼒有关3、采⽤U型压差计测某阀门前后的压⼒差,压差计的读数与U型压差计放置的位置有关吗？答：⽆关，对于均匀管路，⽆论如何放置，在流量及管路其他条件⼀定时，流体流动阻⼒均相同，因此U型压差计的读数相同，但两截⾯的压⼒差却不相同。

4、流体流动有⼏种类型？判断依据是什么？答：流型有两种，层流和湍流，依据是：Re≤2000时，流动为层流；Re≥4000时，为湍流，2000≤Re≤4000时，可能为层流，也可能为湍流5、雷诺数的物理意义是什么？答：雷诺数表⽰流体流动中惯性⼒与黏性⼒的对⽐关系，反映流体流动的湍动状态6、层流与湍流的本质区别是什么？答：层流与湍流的本质区别是层流没有径向脉动，湍流有径向脉动7、流体在圆管内湍流流动时，在径向上从管壁到管中⼼可分为哪⼏个区域？答：层流内层、过渡层和湍流⽓体三个区域。

8、流体在圆形直管中流动，若管径⼀定⽽流量增⼤⼀倍，则层流时能量损失时原来的多少倍？完全湍流时流体损失⼜是原来的多少倍？答：层流时W f∝u，流量增⼤⼀倍能量损失是原来的2倍，完全湍流时Wf∝u2 ，流量增⼤⼀倍能量损失是原来的4倍。

9、圆形直管中，流量⼀定，设计时若将管径增加⼀倍，则层流时能量损失时原来的多少倍？完全湍流时流体损失⼜是原来的多少倍？答：10、如图所⽰，⽔槽液⾯恒定，管路中ab及cd两段的管径、长度及粗糙度均相同，试⽐较⼀下各量⼤⼩11、⽤孔板流量计测量流体流量时，随流量的增加，孔板前后的压差值将如何变化？若改⽤转⼦流量计，转⼦上下压差值⼜将如何变化？答：孔板前后压⼒差Δp=p1-p2，流量越⼤，压差越⼤，转⼦流量计属于截⾯式流量计，恒压差，压差不变。

第一章 流体流动与输送1-2 某油水分离池液面上方为常压，混合液中油（o ）与水（w ）的体积比为5:1，油的密度为ρ0 = 830kg·m -3，水的密度为ρ = 1000kg·m -3。

池的液位计读数h c =1.1m 。

试求混合液分层的油水界面高h w 和液面总高度(h w + h o )。

解：如图所示ρ0gh 0 + ρgh w = ρgh c h 0 : h w = 5:1∴ 5ρ0gh w + ρgh w = ρgh c m g g gh h w c w 214.0100083051.1100050=+⨯⨯=+=ρρρh 0 +h w = 6 h w = 6 × 0.214 = 1.284m 习题 1-2 附图1-4 如图所示，在流化床反应器上装有两个U 型水银压差计，测得R 1 = 420mm ，R 2 = 45mm ，为防止水银蒸汽扩散，于U 型管通大气一端加一段水，其高度R 3 = 40mm 。

试求A 、B 两处的表压强。

解：p A = ρgR 3 + ρHg gR 2= 1000×9.81×0.04 +13600×9.81×0.045 = 6396（表压）p B = p A + ρHg gR 1 = 6396 + 13600×9.81×0.42 = 62431（Pa ）（表压）1-5 为测量直径由d 1= 40mm 到d 2= 80mm 的突然扩大的局部阻力系数，在扩大两侧装一U 型压差计，指示液为CCl 4，316004-⋅=m kg CCl ρ。

当水的流量为2.78×10-3m 3·s -1时，压差计读数R 为165mm ，如图所示。

忽略两侧压口间的直管阻力，试求局部阻力系数。

解：在两测压口截面间列能量衡算式2222122222111u u gZ p u gZ p ξρρ+++=++ Z 1 = Z 2 123121.204.041078.2--⋅=⨯⨯=s m u π1232553.008.041078.2--⋅=⨯⨯=s m u π习题 1-5 附图等压面a-b ，则)(214R h g p gR gh p CCl ++=++ρρρ165.081.9)600`11000()(421⨯⨯-=-=-gR p p CCl ρρ= -971.2Pa 2)2(21222121u u u p p -+-=ρξ=544.0221.2)2533.021.210002.971(222=-+-理论值563.0)08.004.01()1(222221/=-=-=A A ξ 相对误差 %49.3%100544.0544.0563.0=⨯-=1-6 如图所示于异径水平管段两截面间连一倒置U 型管压差计,粗、细管的直径分别为∅60×3.5mm 与∅42×3mm.当管内水的流量为3kg·s -1时,U 型管压差计读数R 为100mm ，试求两截面间的压强差和压强降。

第一章 流体流动与输送设备1. 燃烧重油所得的燃烧气，经分析知其中含CO 28.5％，O 27.5％，N 276％，H 2O8％（体积％），试求此混合气体在温度500℃、压力101.3kPa 时的密度。

解：混合气体平均摩尔质量m o lkg M y M i i m /1086.281808.02876.032075.044085.03-⨯=⨯+⨯+⨯+⨯=∑=∴ 混合密度333/455.0)500273(31.81086.28103.101m kg RT pM m m =+⨯⨯⨯⨯==-ρ2．已知20℃下水和乙醇的密度分别为998.2 kg/m 3和789kg/m 3,试计算50％（质量％）乙醇水溶液的密度。

又知其实测值为935 kg/m 3，计算相对误差。

解：乙醇水溶液的混合密度7895.02.9985.012211+=+=ρρρa a m3/36.881m kg m =∴ρ相对误差：%74.5%10093536.8811%100=⨯⎪⎭⎫⎝⎛-=⨯-实实m m m ρρρ3．在大气压力为101.3kPa 的地区，某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为85kPa 。

若在大气压力为90 kPa 的地区，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时真空表的读数应为多少？解：''真真绝p p p p p a a -=-=∴kPa p p p p a a 7.73)853.101(90)(''=--=--=真真4．如附图所示，密闭容器中存有密度为900 kg/m 3的液体。

容器上方的压力表读数为42kPa ，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m ，其读数为58 kPa 。

试计算液面到下方测压口的距离。

解：液面下测压口处压力gh p z g p p ρρ+=∆+=10m h g p p g p gh p z 36.255.081.990010)4258(30101=+⨯⨯-=+-=-+=∆∴ρρρ5. 如附图所示，敞口容器内盛有不互溶的油和水，油层和水层的厚度分别为700mm 和600mm 。

目录第一章流体流动与输送设备 (3)第一节流体静力学 (3)第二节流体动力学 (5)第三节管内流体流动现象 (7)第四节流体流动阻力 (8)第五节管路计算 (11)第六节流速与流量的测量 (11)第七节流体输送设备 (13)第二章非均相物系分离 (21)第一节概述 (21)第二节颗粒沉降 (22)第三节过滤 (25)第四节过程强化与展望 (27)第三章传热 (28)第一节概述 (28)第二节热传导 (28)第三节对流传热 (30)第四节传热计算 (30)第五节对流传热系数关联式 (31)第六节辐射传热 (34)第七节换热器 (35)第四章蒸发 (37)第一节概述 (37)第二节单效蒸发与真空蒸发 (37)第三节多效蒸发 (40)第四节蒸发设备 (41)第五章气体吸收 (42)第一节概述 (42)第二节气液相平衡关系 (45)第三节单相传质 (46)第四节相际对流传质及总传质速率方程 (49)第五节吸收塔的计算 (51)第六节填料塔 (58)第六章蒸馏 (60)第一节概述 (60)第二节双组分物系的气液相平衡 (60)第三节简单蒸馏和平衡蒸馏 (62)第四节精馏 (63)第五节双组分连续精馏的计算 (63)第六节间歇精馏 (67)第七节恒沸精馏与萃取精馏 (67)第八节板式塔 (67)第九节过程的强化与展望 (69)第七章干燥 (71)第一节概述 (71)第二节湿空气的性质及湿度图 (71)第三节干燥过程的物料衡算与热量衡算 (73)第四节干燥速率和干燥时间 (75)第五节干燥器 (76)第六节过程强化与展望 (78)第一章 流体流动与输送设备第一节 流体静力学流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。

1-1-1 密度单位体积流体的质量，称为流体的密度。

),(T p f =ρ液体密度 一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，变化关系可从手册中查得。

液体混合物的密度由下式计算：n n m a a a ρρρρ+++= 22111式中，i a 为液体混合物中i 组分的质量分数；气体密度 气体为可压缩性流体，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算RT pM =ρ一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则此值需进行换算。

第一章 流体流动与输送机械1. 流体静力学基本方程：gh p p ρ+=022. 双液位U 型压差计的指示: )21(21ρρ-=-Rg p p )3. 伯努力方程：ρρ222212112121p u g z p u g z ++=++4. 实际流体机械能衡算方程：f W p u g z p u g z ∑+++=++ρρ222212112121+ 5. 雷诺数：μρdu =Re6. 范宁公式：ρρμλfp d lu u d l Wf ∆==⋅⋅=22322 7. 哈根-泊谡叶方程：232d lup f μ=∆ 8. 局部阻力计算：流道突然扩大：2211⎪⎭⎫ ⎝⎛-=A A ξ流产突然缩小：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2115.0A A ξ第二章 非均相物系分离1. 恒压过滤方程：t KA V V V e 222=+令A V q /=，A Ve q e /=则此方程为：kt q q q e =+22第三章 传热1. 傅立叶定律：n t dAdQ ϑϑλ-=，dxdt A Q λ-= 2. 热导率与温度的线性关系：)1(0t αλλ+= 3. 单层壁的定态热导率：bt t AQ 21-=λ，或mA b tQ λ∆=4. 单层圆筒壁的定态热传导方程： )ln1(21221r r t t l Q λπ-=或m A b tt Q λ21-=5. 单层圆筒壁内的温度分布方程：C r l Qt +-=ln 2λπ（由公式4推导）6. 三层圆筒壁定态热传导方程：34123212141ln 1ln 1ln 1(2r r r r r r t t l Q λλλπ++-=7. 牛顿冷却定律：)(t t A Q w -=α，)(T T A Q w -=α8. 努塞尔数λαl Nu =普朗克数λμCp =Pr 格拉晓夫数223μρβtl g Gr ∆= 9. 流体在圆形管内做强制对流：10000Re >，1600Pr 6.0<<，50/>d lk Nu Pr Re 023.08.0=，或kCp du d ⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λμμρλα8.0023.0，其中当加热时，k=，冷却时k= 10. 热平衡方程：)()]([1222211t t c q T T c r q Q p m s p m -=-+=无相变时：)()(12222111t t c q T T c q Q p m p m -=-=，若为饱和蒸气冷凝：)(12221t t c q r q Q p m m -== 11. 总传热系数：21211111d d d d b K m ⋅+⋅+=αλα 12. 考虑热阻的总传热系数方程：212121211111d d R R d d d d b K s s m ⋅++⋅+⋅+=αλα 13. 总传热速率方程：t KA Q ∆=14. 两流体在换热器中逆流不发生相变的计算方程：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=--22111112211lnp m p m p m c q c q c q KA t T t T 15. 两流体在换热器中并流不发生相变的计算方程：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=--22111122111lnp m p m p m c q c q c q KA t T t T 16. 两流体在换热器中以饱和蒸气加热冷流体的计算方程：2221ln p m c q KAt T t T =--第四章 蒸发1. 蒸发水量的计算：110)(Lx x W F Fx =-=2. 水的蒸发量：)1(1x x F W -= 3. 完成时的溶液浓度：WF F x -=4. 单位蒸气消耗量：rr D W '=，此时原料液由预热器加热至沸点后进料，且不计热损失，r 为加热时的蒸气汽化潜热r ’为二次蒸气的汽化潜热 5. 传热面积：mt K QA ∆=，对加热室作热量衡算，求得Dr h H D Q c =-=)(，1t T t -=∆，T 为加热蒸气的温度，t 1为操作条件下的溶液沸点。