(完整版)化工流体流动自测计算题答案

(完整版)化工流体流

动自测计算题答案-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

二．计算题

1．内截面为1000mm×1200mm 的矩形烟囱的高度为30m 。平均摩尔质量为30kg/kmol 、平均温度为400℃的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持49Pa 的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为20℃，地面处的大气压强为101.33×103Pa 。流体流经烟囱时的摩擦系数可取为0.05，试求烟道气的流量为若干kg/h

解：这是B.E 对压缩流体的应用

1101330490101281p Pa =-= 31.205/kg m ρ空气＝(20C 空气)

20101330 1.2059.830100975p p gh Pa ρ=-=-??= 121101281100975100%100%0.3%20%101281

p p p --?=?=< 可应用柏努利方程

400C 时，烟道气的密度 3

312()(101281100975)300100.542/228.314673

m p p M kg m RT ρρ-++??====?? 在烟囱的进出口之间列柏努利方程，以烟囱底端为上游截面11'-，以烟囱顶端为下游截面22'-，并以截面11'-作位能基准面，有 221

12212,1222f p u p u gz gz h ρρ-++=+++∑ 其中，149p Pa =-(表压)，20.5439.8130159p gh Pa ρ=-=-??=-烟道气(表

压)，10z =，230z m =，12u u =，2

f e l u h d λ∑＝ 44 1.092()

e H ab d r m a b ===+ 代入上式解得 19.8/u m s =

419.81 1.20.54312.83/ 4.6210/s w uA kg s kg h ρ==???==?

2.如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100mm 的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管口入口端15m 处安有以水银为指示液的U 形管压差计，其一臂与管路相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20m 。（1）当闸阀关闭时，测得R=600mm ，h=1500mm ，当闸阀部分开启时，测得R=400mm ，h=1400mm 。摩擦系数可取0.025，管路入口处局部阻力系数为0.5。问每小时从管中流出水多少立方米（

2）当闸阀全开时，U 管压差计的静压强为若干（Pa ，表压）

闸阀全开时，le/d=15，摩擦系数仍可取0.025。

解：在该题所示的附图内，标出几个需列方程的平面。00'-为贮水槽所在的平面，'A A -和'B B -为U 管压计和管路出口的截面，并取水平管中心线所在的水平面为基准面

(1) 闸阀关闭时 0A p gH gR gh ρρρ==-(H 为贮槽水面的高度)

代入数据，解得0136000.6 1.5 6.661000

R H h m ρρ?=

-=-= 当阀门开启之后

'0'A p gR gh ρρ=-

4136009.810.410009.81 1.4 3.9610Pa =??-??=?(表压)

在贮槽液面与'A A -间列柏努利方程，得 220

00,022A A A f A p u p u gz gz h ρρ-++=+++∑ (1) 其中00p =(表压) 00u ≈ 0 6.66z m = 0A z = 43.9610A p Pa =?(表压) 2222,015(0.0250.5) 2.215220.12

A A A f A c A u u u l h u d λξ-=+=?+?=∑ (2) 将(2)代入(1)式，整理可得到： 229.81 6.66 2.2152

A A u u ?=+ 解得 3.13/A u m s = 水的流量 2233.140.1 3.13360088.4/44

S V d u m h π

==???= 在(1)中，由于贮槽中水位不变，时稳态流动，故水平管中水的流速不变，只需求A u 。为此需用柏努利方程，但在哪两个面之间应用'B B -没有相关量且阀门开度不知道，阻力系数难以计算。在贮槽与压差计之间用柏努利方程。

在(2)中：欲求'A p ，仍应使用柏努利方程，此时闸阀全开，A B u u =，对水

平管，A B z z =，故,f f A B p h -?=∑.可求出u ，然后代入到f p ?的式中可知'A p ，

为求u 应在00'-与'B B -间列柏努利方程

(2) 当闸阀全开时，在00'-与'B B -间列柏努利方程，得 220

00,022B B B f B p u p u gz gz h ρρ-++=+++∑ (3) 其中00B p p ==(表压) 0 6.66B z z m -= 00u = B u u =

222,01520150.1()0.025()0.5 4.81320.12

e A

f B c l l u u h u d λξ-+?+???=+=?+?=????∑ (4) 把(4)代入(3)，整理得2

29.81 6.66 4.8132

u u ?=+，解得 3.51/u m s = 再在'A A -和'B B -间列柏努利方程，得

22,22A A B B A B f A B p u p u gz gz h ρρ-++=+++∑ 其中，A B z z = A B u u =，0B p =(表压)，于是,A f A B p h ρ-=∑

22e A l l u p d ρλ+=20150.1 3.51210000.0250.12

+?=???43.310Pa =?(表压)

3.某油品的密度为800kg/m3，粘度为41cP ，由附图中所示的A 槽送至B 槽，A 槽比B 槽的液面高1.5m 。输送管径为φ89×3.5mm 、长50m （包括阀门的当量长度），进、出口损失可忽略。试求：（1）油的流量，m3/h ；（2）若调节阀门的开度，使油的流量减少20％，此时阀门的当量长度为若干，m

解：题给条件下，油品的密度3800/kg m ρ=，黏度3414110cp Pa s μ-==??

(1) 在A 、B 两槽间列柏努利方程，并以B 槽液面为基准面，得

22,22A

A B B A B f A B p u p u gz gz h ρρ-++=+++∑ 其中，0A B p p ==(表压)，0A B u u =≈， 1.5A B z z m -=

将以上数据代入柏努利方程，,()A B f A B g z z h --=∑

即214.72u λ=

此情况下，应假设λ，求出u 之后，计算Re ，由于并未给出粗糙度的值，且流体黏度很大，可先试验层流的磨擦系数关系式。

假设流体处在层流区，有

264304.914.72/u du ρμ?

= 解得 1.21/u m s = 338210 1.2800Re 19204110

du ρμ--???===? 假设合理 32331.21(8210)360022.99/23/4S V uA m h m h π

-==????==

(2) 流量减少之后 '30.80.82318.4/S S V V m h ==?= '

2'0.80.8 1.210.97/4

S V u u m s d π===?= 此时流体仍处在层流区，6464Re /du λρμ

== 22

'64'()22

A B l u l u g z z d du d μλρ-== 232139.81 1.5(8210)800'62.21323241100.87

gz d l m u ρμ--????===??? '62.215012.21e l l l l m ?==-=-=

阀门开度减小流速下降，直管阻力损失减小，但由于阀门关小之后，局部阻力损失过大。所以总阻力损失没变。

4.本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从BC 与BD 两支管排出，高位槽液面与两支管出口间的距离为11m 。AB 管段内径为38mm 、长为58m ；BC 支管的内径为32mm 、长为12.5m ；BD 支管的内径为26mm 、长为14m ，各段长均包括管件及阀门全开时的当量长度。AB 与BC 管段的摩擦系数均可取为0.03。试计算：（1）当BD 支管的阀门关闭时，BC 支管的最大排水量为若干，m3/h （2）当所有的阀门全开时，两支管的排水量各为若干，m3/hBD 支管的管壁粗糙度可取为0.15mm ，水的密度为1000kg/m3，粘度为0.001Pa·s 。