化工原理试题答案

南京工业大学材料工程导论试题（B）卷闭
试题标准答案
2010--2011 学年第二学期使用班级材实验0801
一、名词解释（每题3分，共18分）
1、泵的气缚与气蚀
答：气缚是离心泵在启动前未充满液体时，泵壳内存在的空气所产生的离心力很小，造成吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内的现象（分）。

汽蚀为离心泵叶轮入口最低压力点处压力降至液体在该温度下的饱和蒸汽压时，液体部分汽化并有部分气体解吸，生成大量小汽泡。

这些小汽泡在泵内流动过程的突然破裂产生很好的局部冲击压力造成叶轮呈现海绵状、鱼鳞状的破坏现象（分）。

2、运动相似与动力相似
答：运动相似指原、模型对应点两流动相应流线几何相似或流速大小成比例，方向相同。

（分）原、模型对应点同名力作用下的流动，相同同名力大小成比例的现象称动力相似。

（分）3、节点与控制容积：
答：节点是数值模拟中需要求解未知量的几何位置（分）控制容积：数值模拟中用于控制方程的最小几何单位（分）。

4、油的闪点与着火点
答：闪点：液体燃料受热时表面出现油蒸汽，当蒸汽浓度增大到遇到很小的点火源即发生瞬间闪火现象时的最低温度（分）。

着火点为液体燃料自燃的最低温度。

（分）
5、扩散传质与对流传质
答：在浓度差驱动下通过分子热运动而引起的组分传递现象称扩散传质；（分）流体中由于流体宏观流动引起物质从一处迁移到另一处的现象称对流传质。

（分）
6、恒定干燥条件与干燥曲线
答：恒定干燥条件是干燥介质（或热空气）的温度、湿度、流速及与物料的接触方式在整个干燥过程中保持不变的条件（2分）。

干燥曲线：表征相同干燥条件下，物料含水量X 及物料表面温度与干燥时间的关系曲线。

二、简答题（每题6分，共36分）
1、根据所学流体力学知识，简述减小管内流体流动阻力的途径及措施。

答：途径1：改进流体外部边界，改善边壁对流动的影响，具体措施有：（1）减小管壁粗造度；（2）采用柔性边壁代替刚性边壁；（3）采用平顺管道进口、渐扩管、突扩管；
（4）减小支管与合流管间的夹角或将支管与合流管连接处的折角改缓，等。

（4分）途径2：在流体内部投加少量添加剂，使其影响流体内部结构实现减阻。

具体措施有：在流体内部加入减小粘度的添加剂；加热流体等。

（2分）
2、简述离心泵的轴功率、效率定义及其离心泵功率损失的主要原因。

答：离心泵泵轴所需功率N称为轴功率（1分）；有效功率（单位时间内液体从泵中叶轮所获得的有效能量N e）与轴功率之比称为离心泵的效率（1分）。

离心泵功率损失的主要原因有：（1）泵内流体流动的摩擦损失。

（2）泵内高压流体泄漏至低压区造成的流量损失或容积损失。

（3）泵轴与轴承间的机械摩擦损失。

（三点共4分）。

3、简述减少工业窑炉燃烧过程中NOx气体产生的途径。

答：（1）降低火焰温度；（2）降低空气系数；（3）缓慢冷却高温区内气体；（4）燃烧系统中实现烟气循环；（5）火焰根部喷水或水蒸汽；（6）尽量使煤气完全燃烧；（7）采用含氮量低的煤气燃料。

（1）、（5）为1分，其他每点1分。

4、简述换热器的强化途径及措施。

答：（1）增大平均传热温度差：可通过增加热流体温度、降低冷流体温度和尽可能保证或接近逆流操作实现；（2分）（2）增大换热器单位体积的传热面积：可改进传热面结构和扩展传热面积，如表面加装翅片等；（2分）（3）增大总传热系数K：可采取增大流体流速；管内插入旋流元件；改变传热面形状和增加粗糙度。

（2分）
5、简述传质中Schmidt（Sc）准数与Sherwood（Sh）准数的表达式及其物理含义。

答：Sc=/D A，其物理含义是流体中动量扩散能力与质量扩散能力之比，它与对流传热中的Pr 相对应（3分）；Sh=k X X/D A，其物理含义是流体边界层的扩散传质阻力与对流传质阻力之比，它与对流传热中的Nu相对应（3分）。

上式中为流体运动粘度，D A为扩散系数，k X为对流传质系数，X为扩散距离。

6、简述直角六面体均匀网络剖分情况下，非稳定传热显示差分方程的稳定性条件及满足稳
定性条件的最小时间步长。

答：内部节点稳定性条件：（at/x2+at/y2+at/z2）1/2；或F01/2（3分）
满足稳定性条件的最小时间步长：t min＝ρC p/2λ（1/x2+1/y2+1/z2）（2分）
上式中a为热扩散系数，a＝ρC p/λ，ρ为材料密度，C p为材料定压比热，λ为材料导热系数（1分）
三、计算题（第一题13分，其它每题11分，共46分）
1、下图所示变径管内有密度为1000kg/m3的水自上而下流过，测得U形管内水银（密度
为cm3）的液面高度差R＝44mm
，已知变径管，1－2
面间阻力损失
，试求速度u1。

解：（1）由连续性方程可得：（2分）
又因：1
2
2d
d=
所以：2
1
2
u
u=
（2）再由伯努利方程：
∑-
+
+
+
=
+
+
2
1,
2
2
2
2
2
1
1
1
2
2l
h
g
u
z
p
g
u
z
p
γ
γ（4分）
测压管水头之差为：
Pa
5544
.0
1000
/
10
44
)
1000
10
6.
13
(3
3=
⨯
⨯
-
⨯
=-（3分）
代入伯努利方程得：
求解得：u1＝s。

（4分）
2、某输送蒸汽管道，已知其外径为100mm，外包两层厚度均为15mm的保温材料层，最
外面一层保温材料的导热系数为m·℃, 里面一层的导热系数为0. 5W/m·℃, 蒸汽管外表面温度1
t
为150℃，最外保温层外表面温度3
t
为50℃，试求（1）蒸汽管道该每米管长的热损失
Q
l及两保温层交界处的温度2
t。

（2）如蒸汽管外面的空气温度4
t为20℃，空气与保温层外表面的对流换热系数α为多大
解：（1）蒸汽管外半径
1
100
2
50
r mm
==，里层与外层保温层交界处半径21
1565
r r mm
=+=；外层保温层外半径3280
15
r r mm
=+=
2
3290.220450122.5
t=⨯+=℃, （1分）（2）对流换热系数α求解：
334
(21)()
Q
A t r t t
l
ααπ
=∆=⨯⨯-（2分）
334
329
21.8
(21)()2 3.140.08(5020)
Q
l
r t t
α
π
===
⨯-⨯⨯⨯-
W/m·℃, （1分）
3、某物料在恒定干燥条件下从初始含水量水/kg干料降至水/kg干料，供需8小时。

假定
该物料的临界含水量为水/kg干料，平衡含水量为水/kg干料，降速阶段的干燥速率曲
线可作为直线处理。

计算（1）恒速干燥阶段和降速干燥阶段所需的时间各为多少（2）若同样条件下，继续将该物料干燥至水/kg干料，还需多少干燥时间。

解：(1) 设X由水/kg干料降至水/kg干料, 经历的恒速干燥阶段和降速干燥阶段时间分别为1和2，则：
1=G C(X1-X0)/Au0 2=G C(X0-X *)ln(X
0-X
*)/(X
2-X
*)/Au
1/2=( X1-X0)/ (X0-X *)ln(X
0-X
*)/(X
2-X
*)=
因1+2=8h，所以，1=; 2= （6分）
(2) 设从X0=水/kg干料降至X3=水/kg干料所需时间为3, 则继续将该物料干燥至水/kg
干料所需的时间为3－2：
3/2=ln(X0-X *)/(X
3-X
*)/ ln(X
0-X
*)/(X
2-X
*)=
继续干燥所需时间为3-2=2= （5分）
4、试根据Gililand经验公式计算35C，（表压）时苯蒸气在空气中的扩散系数，并与实验值进行比较其相对误差。

（已知空气和苯蒸气的分子体积分别为和96 cm3/mol, 摩尔分子量分别为29和78，苯蒸气在0C、下空气中的扩散系数D为 cm2/s）。

解：(1) 按Gililand公式计算，令苯蒸气为A, 空气为B。

P＝＝（1分）
D=(1/M A+1/M B)[P(V A1/3+ V B1/3)2] （4分）
将已知数据换算为标准单位并代入上式可得D=10-6m2/s （2分）
（2）D=D0(T/T0)(P0/P)= 10-4 (308/273)(1/＝10-6m2/s （2分）
（3）计算值与实验值的相对误差为：（）/=－% （2分）。