第一章讨论题

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讨 论 题

1. 虹吸管

用一虹吸管将80℃热水从高位槽中抽出,两容器中水面恒定。已知AB长7m,BC 长15m(均包括局部阻力的当量长度),管路内径为20mm,摩擦系数可取为0.023。试求:

(1) 当z1=3m时,水在管内的流量;

(2) 在管子总长不变的情况下,欲使流量增加20%,则H1应为多少?

(3) 当H1=3m时,管路顶点B可提升的最大高度。

解:(1)如图所示,在1-1′与2-2′间列柏努利方程

21,222212112121fWpugzpugz

其中: z1=3m; u1=u2≈0; p1= p2=0(表压); z2=0

简化 2221,1udllWgzef

流速 smlldgzue/525.122023.002.0381.92)(21

流量

hmsmudV/724.1/10789.4525.102.0785.0433422

(1)欲提高流量,需增大两容器中水位的垂直距离。

此时 smuu/83.1525.12.12.1'

22'''1udllWgHef

所以 mgudllHe31.481.9283.102.022023.0222''1

(3)H1一定时,B点的位置愈高,其压力愈低。当pB降至同温度下水的饱和蒸汽压时,水将汽化,流体不再连续,以此确定管路顶点提升的最大高度。 查得80℃水的饱和蒸汽压为47.38kPa,密度为977.8kg/m3。在1-1′与B-B′间列柏努利方程

BfBBBWpugzpugz1,212112121

简化 BfBBWpupgz1,21121

mgudllgugppHBeBB55.481.92525.1)02.07023.01(81.98.97710)38.473.101(2223221max,2

讨论:虹吸管是实际中经常遇到的管路,由以上计算可知:

(1) 输送量与两容器间的距离有关,距离越大,流量越大;

(2) 虹吸管的顶点不宜过高,以避免液体在管路中汽化,尤其是输送温度较高、易挥发的液体时更需注意。

2. 用离心泵将常温水从蓄水池送至常压高位槽(如附图所示)。管路为5.357mm的光滑管,直管长度与所有局部阻力(包括孔板)的当量长度之和为250m。输水量用孔板流量计测量,孔板孔径20odmm,流量系数为0.61,从水池面到A点的管长(含所有局部阻力当量长度)为80m,两U形压差计的指示液均为汞。摩擦系数用25.0Re3164.0计算。若水流量为7.42 m3/h,试求:

(1)每kg水从泵所获得的净功;

(2)A截面处U形压差计读数1R;

(3)孔板处压差计读数2R

解:(1)求有效功eW:

在1-1′与2-2′间列柏努利方程,且以1-1′截面为基准,有 feWpuzgW22

式中,021uu,021pp(表压),01z,mz152

smAVuS/05.105.0785.03600/42.72

52500Redu,0209.0Re3164.025.0

kgJudllWef/6.5722

代入,得 kgJWe/7.2046.57807.915

(2)A截面U形管压差计读数1R:

在A-A′与2-2′间列柏努利方程,并简化

2,222AfAWgzup

式中, smu/05.1,mz12

kgJWAf/17.39205.105.0802500209.022,

所以 PapA41084.4(表压)

对于U形压差计 gRgRpAA115.1

mggpRAA511.081.910001360081.910005.11084.45.141

(3)孔板流量计的U形压差计读数2R:

由 gRACVAS2002

100081.9100013600202.0461.0360042.722R

得 mR468.02

讨论:本题是有关流体力学的综合计算题,其中包括柏努利方程(求ew)、静力学基本方程(求1R),能量损失计算(求fw),孔板流量计应用(求2R)等。

3. 水由敞口高位槽通过内径为25mm的管子输送到容器C中,如附图所示。已知管路全部能量损失为25.82u(不包括管路进、出口能量损失)。设两槽液面保持不变,摩擦系数为0.025。已知1R、2R、3R分别为80mm、50mm、32mm,1、2、3分别为1000

kg/m3、1590 kg/m3、13600 kg/m3。求:

(1)A、B、C各点的压强;

(2)管内流体的流速;

(3)欲使流量增加10%,高位槽液面应比原来升高多少?

(4)若2R变为30mm时,则B点的压强变为多少?

解: (1)由等压面的概念: 11'pp

而 app1, 111'gRppc

所以 11gRppac

即 PagRpc8.78481.908.0100011(表压)

由等压面概念:22"'pp,22'pp

所以 22"pp

而 222gRppa,RppB1.0"2

所以 ggRppaB1.022

即 PaggRpB176181.910001.005.015901.022(表压)

由等压面的概念:33'pp

而 gxRppA33, 3331'gRgxppB 所以 331gRgppBA

Pa1552681.9100013600032.081.9100011761(表压)

(2)AB间U形压差计实际测得的是流体流过AB段的能量损失,即

gRudlAB3322

其中 mlAB230sin10

100081.9100013600032.02025.02025.02u

解得: smsmu/2/99.1

(3)设高位槽液面为1-1’截面,容器C液面为2-2’截面,且为基准水平面。在1-1’~2-2’之间列柏努利方程:

212222121122fhzgugpzgugp

式中,原工况,01p(表),01u, 02u,02z,5.0i,0.1o

guguguhoif210225.822221

代入上式, gugpz210221

新工况,仅1,zu发生变化,改为1','zu,sVu'

则 gugpz2'10'221

smuu/2.221.11.1'

所以, mguuzz43.022.281.952'10'2222

(4)2R变为30mm,则U形管右臂液面距B点距离为m11.0203.005.01.0

原理同(1),可得

PaggRpB154781.9)100011.003.01590(11.0''22(表压)

讨论:

(1) 利用U形压差计可测量流体的表压(B点)、真空度(C点)以及两点间的压力差(AB间); (2) 对于等径的管路,两点间的U形压差计反映了流体流经该段阻力的大小。

4.有一液位恒定的高位槽通过管路向水池供水(见附图),高位槽内液面高度h1为1m,供水总高度h2为10m,输水管内径50mm,总长度100m(包括所有局部阻力的当量长度),025.0。试求:

(1) 供水量为多少hm/3?

(2) 若此时在管垂直部分某处出现一直径为1mm的小孔,有人说因虹吸现象,在某一高度范围内不会从小孔向外流水,而还有人则认为水将从小孔流出。试推导证明哪一种说法正确。

解:(1)取高位槽上液面为截面1,输水管出口外侧为截面2,在1-1’和2-2’间列柏努利方程,可得:

212212121122fWgZupgZup

其中:)(021表压pp,021uu

将阻力公式代入21fW,整理得:

222udlgh

所以 smldghu/98.1100025.005.02807.91025.05.02

供水量 hmsmudV/0.14/108877.3498.105.014.3433322

(2)仍取高位槽上液面为截面1,再取垂直管处任意一点为截面3,在1-1’和3-3’间列柏努利方程,可得:

313233121122fWgZupgZup

将阻力公式代入,整理得:

)25.021(2)(232331233113uudZZugZZpp

)5.1(2)2)((2323313duudgZZppa

=)05.0025.05.1(298.1)05.0298.1025.0807.9)((2231ZZ

=9602.18269.8)(31ZZ

显然,此式为单调增函数,且在mZZ1)(31处时,08667.63app

所以在1)(31ZZ~9m时(即垂直管段任意高度处),03app,即app3,表示管内静压高于大气压力,故不会出现虹吸现象,水将从小孔流出。

讨论:判断水是否流出的依据是孔处压力的大小,若该处压力大于大气压力,则水从小孔流出;否则,水不会流出。

5.如图所示,从自来水总管接一管段AB向实验楼供水,在B处分成两路各通向一楼和二楼。两支路各安装一球形阀,出口分别为C和D。已知管段AB、BC和BD的长度分别为100m、10m和20m(仅包括管件的当量长度),管内径皆为30mm。假定总管在A处的表压为0.343MPa,不考虑分支点B处的动能交换和能量损失,且可认为各管段内的流动均进入阻力平方区,摩擦系数皆为0.03,试求: