化工原理复习题(1)综述
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第一章：流体流动
1、何谓理想流体？实际流体与理想流体有何区别？如何体现在伯努利方程上？
理想流体就是指没有黏性的流体，即没有内摩擦力导致机械能损失的流体。P10
实际流体有黏性，要消耗机械能以克服摩擦阻力。P11
2、何谓绝对压力、表压和真空度？表压与绝对压力、大气压力之间有什么关系？真空度与绝对压力、大气压力有什么关系？P4
当压差计中油面下移h后，选左侧支管油与水银交界面为参考面m，再在右侧支管上找出等压面n（图中未画出m及n面），该两面上的表压强分别为：
（ 为油品密度）
因 ，由上二式得：
= （1）
上式中第一项 （2）
将式（2）代入（1），并整理得：
取 ，将已知值代入上式：
即压差计右侧支管油面下移30mm，槽内液面下降0.8767m，油品排放量为：
（1）当一楼阀门全开（ ），高度为5m的二楼能否有水供应？此时管路AB内的流量为多少？
（2）若将一楼阀门关小，使其流量减半，二楼最大流量为多少？
解：（1）首先判断二楼是否有水供应，为此，可假定支路BD流量为零，并在断面A和1-1之间列机械能横算式
在断面A与B之间列机械能横算式，得
＜5
此结果表明二楼无水供应。此时管路AB内的流量为
解：本题只要求出压差计油面向下移动30mm时，贮槽内油面相应下移的高度，即可求出排放量。
首先应了解槽内液面下降后压差计中指示剂读数的变化情况，然后再寻求压差计中油面下移高度与槽内油面下移高度间的关系。
设压差计中油面下移h高度，槽内油面相应下移H高度。不管槽内油面如何变化，压差计右侧支管中油品及整个管内水银体积没有变化。故当压差计中油面下移h后，油柱高度没有变化，仍为h1，但因右侧水银面也随之下移h，而左侧水银面必上升h，故压差计中指示剂读数变为（R-2h），槽内液面与左侧水银面间的垂直距离变为（H1-H-h）。
（2）假定 数值不变，当阀门关小（ ）时，管路的出口动能和阻力损失有何变化？
解：（1）பைடு நூலகம்断面1-1和2-2之间列机械能衡算式
解：（1）在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式
若取大气压强和管出口高度为基准，并忽略容器内的流速（即 ），则
或
（倍）
此结果表明，实际流体在管内流动时，阻力损失和动能的增加是造成流体势能减少的两个原因。但对于通常管路，动能增加是一个可以忽略的小量，而阻力损失是使势能减小的主要原因。换言之，阻力损失所消耗的能量是由势能提供的。
（2）当 时
与（1）比较，当阀门关小时，出口动能减少而阻力损失略有增加，但是，绝不可因此而误解为阻力所消耗的能量是由动能提供的。实际上，动能的增加和阻力损失皆由势能提供，当阀门关小时，由于损失的能量增加使得动能减少了。
例1-3虹吸管顶部的最大安装高度
利用虹吸管将池中温度为90℃热水引出，两容器水面的垂直距离为2m，管段AB长5m，管段BC长10m（皆包括局部阻力的当量长度），管路直径为20mm，直管阻力系数为0.02。若要保证管路不发生汽化现象，管路顶点的最大安装高度为多少？（已知90℃热水饱和蒸汽压为7.01×104Pa）
例1-2阻力损失与势能的消耗
高位槽水面距管路出口的垂直距离保持为5m不变，水面上方的压强为4.095×104Pa（表压），管路直径为20mm，长度为24m（包括管件的当量长度），阻力系数为0.02，管路中装球心阀一个，试求：
（1）当阀门全开（ ）时，管路的阻力损失为多少？阻力损失为出口动能的多少倍？
（2）设一楼流量减半时，二楼流量为 此时管段AB内的流速为
管段BD内的流速为
在断面A与2-2之间列机械能横算式
+
对于通常的分支管路，总管阻力既不可忽略也不占主导地位，此时，改变支路的数目或阻力，对总流量及各支路间流量的分配皆有影响。
例1-5提高流量分配均匀性的代价
在相同的容器1、2内，各填充高度为1m和8m的固体颗粒，并以相同的管路并联组合，两支路的管长皆为5m，管径皆为200mm，直管阻力系数为0.02，每支管安装一闸门阀，容器1和2的局部阻力系数各为10和8。
3、流体静力学方程式有几种表达形式/他们都能说明什么问题？应用静力学方程分析问题时如何确定等压面？P4-5
4、如何利用柏努利方程测量等直径管的机械能损失？测量什么量？如何计算？在机械能损失时，直管水平安装与垂直安装所得测结果是否相同？P11
5、如何判断管路系统中流体流动的方向？
6、何谓流体的层流流动与湍流流动？如何判断流体的流动是层流还是湍流？P15-17
例1-4使用同一水源各用户间的相互影响
从自来水总管引一支路AB向居民楼供水，在端点B分成两路各通向一楼和二楼。已知管段AB、BC和BD的长度（包括管件的当量长度）各为100m、10m和20m，管径皆为30mm，直管阻力系数皆为0.03，两支路出口各安装 球心阀。假设总管压力为3.43×105Pa（表压）试求：
解：在断面1-1和2-2之间列机械能横算式，可求得管内流速
设顶点压强 ，在断面1-1和断面B-B
之间列机械能横算式，可求出B点最大安装高
度为
虹吸管是实际工作中经常碰到的管道，为使吸液管正常工作，安装时必须注意两点：（1）虹吸管顶部的安装高度不宜过大；（2）在入口侧管路（图中AB段）的阻力应尽可能小。
7、一定质量流量的水在一定内径的圆管中稳定流动，当水温升高时，Re将如何变化？P17
8、何谓牛顿粘性定律？流体粘性的本质是什么？P7
9、何谓层流底层？其厚度与哪些因素有关？P18
10、摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度ε/d的关联图分为4个区域。每个区域中，λ与哪些因素有关？哪个区域的流体摩擦损失hf与流速u的一次方成正比？哪个区域的hf与u2成正比？光滑管流动时的摩擦损失hf与u的几次方成正比？P26-28
11、管壁粗糙度对湍流流动时的摩擦阻力损失有何影响？何谓流体的光滑管流动？P26
12、在用皮托测速管测量管内流体的平均流速时，需要测量管中哪一点的流体流速，然后如何计算平均流速？
例1-1如本题附图所示，用开口液柱压差计测量敞口贮槽中油品排放量。已知贮槽直径D为P3m，油品密度为900kg/m3。压差计右侧水银面上灌有槽内的油品，其高度为h1。已测得当压差计上指示剂读数为R1时，贮槽内油面与左侧水银面间的垂直距离为H1。试计算当右侧支管内油面向下移动30mm后，贮槽中排放出油品的质量。
1、何谓理想流体？实际流体与理想流体有何区别？如何体现在伯努利方程上？
理想流体就是指没有黏性的流体，即没有内摩擦力导致机械能损失的流体。P10
实际流体有黏性，要消耗机械能以克服摩擦阻力。P11
2、何谓绝对压力、表压和真空度？表压与绝对压力、大气压力之间有什么关系？真空度与绝对压力、大气压力有什么关系？P4
当压差计中油面下移h后，选左侧支管油与水银交界面为参考面m，再在右侧支管上找出等压面n（图中未画出m及n面），该两面上的表压强分别为：
（ 为油品密度）
因 ，由上二式得：
= （1）
上式中第一项 （2）
将式（2）代入（1），并整理得：
取 ，将已知值代入上式：
即压差计右侧支管油面下移30mm，槽内液面下降0.8767m，油品排放量为：
（1）当一楼阀门全开（ ），高度为5m的二楼能否有水供应？此时管路AB内的流量为多少？
（2）若将一楼阀门关小，使其流量减半，二楼最大流量为多少？
解：（1）首先判断二楼是否有水供应，为此，可假定支路BD流量为零，并在断面A和1-1之间列机械能横算式
在断面A与B之间列机械能横算式，得
＜5
此结果表明二楼无水供应。此时管路AB内的流量为
解：本题只要求出压差计油面向下移动30mm时，贮槽内油面相应下移的高度，即可求出排放量。
首先应了解槽内液面下降后压差计中指示剂读数的变化情况，然后再寻求压差计中油面下移高度与槽内油面下移高度间的关系。
设压差计中油面下移h高度，槽内油面相应下移H高度。不管槽内油面如何变化，压差计右侧支管中油品及整个管内水银体积没有变化。故当压差计中油面下移h后，油柱高度没有变化，仍为h1，但因右侧水银面也随之下移h，而左侧水银面必上升h，故压差计中指示剂读数变为（R-2h），槽内液面与左侧水银面间的垂直距离变为（H1-H-h）。
（2）假定 数值不变，当阀门关小（ ）时，管路的出口动能和阻力损失有何变化？
解：（1）பைடு நூலகம்断面1-1和2-2之间列机械能衡算式
解：（1）在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式
若取大气压强和管出口高度为基准，并忽略容器内的流速（即 ），则
或
（倍）
此结果表明，实际流体在管内流动时，阻力损失和动能的增加是造成流体势能减少的两个原因。但对于通常管路，动能增加是一个可以忽略的小量，而阻力损失是使势能减小的主要原因。换言之，阻力损失所消耗的能量是由势能提供的。
（2）当 时
与（1）比较，当阀门关小时，出口动能减少而阻力损失略有增加，但是，绝不可因此而误解为阻力所消耗的能量是由动能提供的。实际上，动能的增加和阻力损失皆由势能提供，当阀门关小时，由于损失的能量增加使得动能减少了。
例1-3虹吸管顶部的最大安装高度
利用虹吸管将池中温度为90℃热水引出，两容器水面的垂直距离为2m，管段AB长5m，管段BC长10m（皆包括局部阻力的当量长度），管路直径为20mm，直管阻力系数为0.02。若要保证管路不发生汽化现象，管路顶点的最大安装高度为多少？（已知90℃热水饱和蒸汽压为7.01×104Pa）
例1-2阻力损失与势能的消耗
高位槽水面距管路出口的垂直距离保持为5m不变，水面上方的压强为4.095×104Pa（表压），管路直径为20mm，长度为24m（包括管件的当量长度），阻力系数为0.02，管路中装球心阀一个，试求：
（1）当阀门全开（ ）时，管路的阻力损失为多少？阻力损失为出口动能的多少倍？
（2）设一楼流量减半时，二楼流量为 此时管段AB内的流速为
管段BD内的流速为
在断面A与2-2之间列机械能横算式
+
对于通常的分支管路，总管阻力既不可忽略也不占主导地位，此时，改变支路的数目或阻力，对总流量及各支路间流量的分配皆有影响。
例1-5提高流量分配均匀性的代价
在相同的容器1、2内，各填充高度为1m和8m的固体颗粒，并以相同的管路并联组合，两支路的管长皆为5m，管径皆为200mm，直管阻力系数为0.02，每支管安装一闸门阀，容器1和2的局部阻力系数各为10和8。
3、流体静力学方程式有几种表达形式/他们都能说明什么问题？应用静力学方程分析问题时如何确定等压面？P4-5
4、如何利用柏努利方程测量等直径管的机械能损失？测量什么量？如何计算？在机械能损失时，直管水平安装与垂直安装所得测结果是否相同？P11
5、如何判断管路系统中流体流动的方向？
6、何谓流体的层流流动与湍流流动？如何判断流体的流动是层流还是湍流？P15-17
例1-4使用同一水源各用户间的相互影响
从自来水总管引一支路AB向居民楼供水，在端点B分成两路各通向一楼和二楼。已知管段AB、BC和BD的长度（包括管件的当量长度）各为100m、10m和20m，管径皆为30mm，直管阻力系数皆为0.03，两支路出口各安装 球心阀。假设总管压力为3.43×105Pa（表压）试求：
解：在断面1-1和2-2之间列机械能横算式，可求得管内流速
设顶点压强 ，在断面1-1和断面B-B
之间列机械能横算式，可求出B点最大安装高
度为
虹吸管是实际工作中经常碰到的管道，为使吸液管正常工作，安装时必须注意两点：（1）虹吸管顶部的安装高度不宜过大；（2）在入口侧管路（图中AB段）的阻力应尽可能小。
7、一定质量流量的水在一定内径的圆管中稳定流动，当水温升高时，Re将如何变化？P17
8、何谓牛顿粘性定律？流体粘性的本质是什么？P7
9、何谓层流底层？其厚度与哪些因素有关？P18
10、摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度ε/d的关联图分为4个区域。每个区域中，λ与哪些因素有关？哪个区域的流体摩擦损失hf与流速u的一次方成正比？哪个区域的hf与u2成正比？光滑管流动时的摩擦损失hf与u的几次方成正比？P26-28
11、管壁粗糙度对湍流流动时的摩擦阻力损失有何影响？何谓流体的光滑管流动？P26
12、在用皮托测速管测量管内流体的平均流速时，需要测量管中哪一点的流体流速，然后如何计算平均流速？
例1-1如本题附图所示，用开口液柱压差计测量敞口贮槽中油品排放量。已知贮槽直径D为P3m，油品密度为900kg/m3。压差计右侧水银面上灌有槽内的油品，其高度为h1。已测得当压差计上指示剂读数为R1时，贮槽内油面与左侧水银面间的垂直距离为H1。试计算当右侧支管内油面向下移动30mm后，贮槽中排放出油品的质量。