流體力學與傳熱學考試題目

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上流體力學與傳熱學考試題目1-1 下圖所示的兩個U 形管壓差計中,同一水平面上的兩點A、B 或C、D的壓強是否相等？DABC水P1P2水銀圖11 11附圖ABCDppP1P2水h1h2空氣 答：在圖11所示的倒U形管壓差計頂部劃出一微小空氣柱。 空氣柱靜止不動，說明兩側(cè)的壓強相等，設(shè)為P。 由流體靜力學基本方程式： 即A、B兩點壓強不等。而 也就是說， 、都等于頂部的壓強加上高空氣柱所引起的壓強，所以C、D兩點壓強相等。 同理，左側(cè)U形管壓差計中， 而。 分析：等壓面成立的條件靜止、等高、連通著的同一種流體。兩個U形管壓差計的A、B兩點雖然在靜止流體的同一水平面上，但終

2、因不滿足連通著的同一種流體的條件而非等壓。 1-2 容器中的水靜止不動。為了測量A、B兩水平面的壓差，安裝一U形管壓差計。圖示這種測量方法是否可行？為什么？答：如圖12，取11為等壓面。 AB11汞hHR水圖1-2 1-2 附圖由可知： = 將其代入上式，整理得 R等于零，即壓差計無讀數(shù)，所以圖示這種測量方法不可行。分析：為什么壓差計的讀數(shù)為零？難道A、B兩個截面間沒有壓差存在嗎？顯然這不符合事實。A、B兩個截面間確有壓差存在，即h高的水柱所引起的壓強。問題出在這種測量方法上，是由于導(dǎo)管內(nèi)充滿了被測流體的緣故。連接A平面測壓口的導(dǎo)管中的水在下行過程中，位能不斷地轉(zhuǎn)化為靜壓能。此時，U型管壓差計

3、所測得的并非單獨壓差，而是包括位能影響在內(nèi)的“虛擬壓強”之差。當該導(dǎo)管中的水引至B 平面時，BB已為等壓強面，再往下便可得到無數(shù)個等壓面。壓差計兩側(cè)的壓強相等，R當然等于零。這個結(jié)論很重要，在以后的討論中常遇到。 1-8由摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖即圖分析雷諾數(shù)、相對粗糙度對磨擦系數(shù)和阻力損失的影響。答：在滯流區(qū)，即時，阻力損失，即阻力損失與粘度和流速成正比而與壁面粗糙度無關(guān)。這是由于滯流時，液體的流動平滑而有規(guī)則，管壁近處那層幾乎靜止的液體膜，履蓋了管壁的粗糙面的緣故。隨著雷諾數(shù)增大，當時，從滯流轉(zhuǎn)向湍流，將湍流的布拉修斯公式（）代入范寧公式可知，此時。說明粘性力對流動阻力的影響已大為降低，而

4、流速的影響增大，由液體旋渦所產(chǎn)生的慣性力已成為影響流動阻力的重要因素，粗糙度的影響也較為顯著。這是因為隨著Re增大，滯流邊界層變薄，壁面凸起部分便會伸入湍流區(qū)與質(zhì)點發(fā)生碰撞，加劇了液體的湍動性。Re愈大，這種影響就愈顯著。當Re增大到一定程度時，曲線變成水平線。這時已與Re的大小無關(guān)，只要粗糙度一定，即為一常數(shù)。此時。說明阻力損失與液體粘度無關(guān)，而慣性力已成為影響阻力的決定因素。110 如何理解圖17所示的并聯(lián)管路兩支管的能量損失相等？AB12圖17 110 附圖答：（1）此例可分別對支管1、支管2到A、B兩截面的柏努利方程式來理解。 對支管1列A、B兩截面的柏努利方程式： 再對支管2列A、B

5、兩截面的柏努利方程式： 比較上述兩式即可得出：（2）從兩條分支管路擁用一個共同的分支點、匯合點支理解。分支點A只能有一個壓強，匯合點B也只能有一個壓強，而A和B 是兩條支路所共有的兩點。盡管兩支路管子的狀況不一，但是通過A、B兩點測定的單位質(zhì)量流體的能量損失必然相同。這和并聯(lián)電路類似，盡管并聯(lián)電路各支路的電阻不同，電流強度不同，但由于兩端都共有一個測壓點，所測得的電勢差即勢能損失相同。分析：為什么細而長的支管1中流體的流動阻力會和粗而短的支管2相同呢？請讀者注意：能量損失是以J/kg為單位來計量的，而絕非指通過某支管的所有流體的阻力損失總和。假如有一單位質(zhì)量的流體欲通過支管1抵B，但支管1的阻

6、力大于支管2，則該流體會自動放棄走支管1而改走支管2。后續(xù)流體也會效仿。結(jié)果導(dǎo)致支管2的流量增大，阻力上升。這種過程要一直延續(xù)到對單位質(zhì)量流體來講，無論走支管1還是走支管2阻力相同時為止，即 。由，可從數(shù)量上確定各支管的流量比： 包括管件的當量長度。175 用風機通過內(nèi)徑為0.3m的圓形導(dǎo)管從大氣中抽取空氣。導(dǎo)管壁開口接一U形管壓差計，壓差計讀數(shù)為245Pa(2.5cmH2O)(真空度)。已知空氣的密度為1.29kg/m3，求空氣的流量（入口與管路的阻力忽略不計）。解：如圖113，以通過懷管軸線的水平面00、為基準面，到11、22、截面間的柏努利方程式，以表壓計。已知 將其代入上式，得 空氣的

7、體積流量： 分析：以上是用柏努利方程解題的通常步驟。本題的關(guān)鍵在于兩個截面的選擇。此外，如果真正理解了該方程能量守恒與轉(zhuǎn)換的物理意義，就可以悟出：既然截面1的3項能量（位能、靜壓能、動能）為零，截面2的位能為零，則截面2的靜壓能和動能之和必然為零。從而可以斷定：截面2的負壓完全是靜壓能轉(zhuǎn)化為動能的結(jié)果。即可直接得出的結(jié)論。許多涉及柏努利方程的問題都可以采用這種“直接切入”的方法。1-77 如圖1-15,水從內(nèi)徑為 管段流向內(nèi)徑為的管段。已知，管段流體流動的速度頭為9.8kPa(1.0MH2O)求。（1）忽略AB段的能量損失；（2）AB段的能量損失為。00h1h2h3AB圖 115 177 附圖

8、（d）00h1h2h3AB解：（1）分析在不計AB段能量損失的前提下，在截面B中心所測得的全部靜壓頭（包括速度頭轉(zhuǎn)化來的那部分靜壓頭在內(nèi)）即為各截面流體的總能量。 對于A截面： 對于B截面： 截面B的動壓頭： 由已知 -+ 得 故（2）若AB段的能量損失為2.94kPa各截面流體的總能量應(yīng)為。因為B截面的動壓頭沒有變化，總能量亦沒變，所以不變，即 而 或 此例只要抓住問題的實質(zhì)，即能量守恒與轉(zhuǎn)換，應(yīng)該是不難解決的。采用這種“直接切入”的方法，較之列A、B截面的柏努力方程求解，顯然要簡捷些。1-78 某并聯(lián)輸水管路由兩條光滑管支路組成，管內(nèi)流體均處于湍流狀態(tài)。已知總輸水量為70，求兩條支管的流量

9、。設(shè)兩條支管的內(nèi)徑分別為，管長分別為（包括管件的當量長度）。解：由并聯(lián)管路特性： 即 將代入上式得 化簡 即 代入已知數(shù)據(jù)： 分析：解決兩條支管并聯(lián)的問題，大都是先從兩支路流動阻力相等這一規(guī)律出發(fā)，然后確定兩個支管的流量比。多條支管并聯(lián)的管路亦可仿此處理。對于冪指數(shù)比較復(fù)雜公式的計算，建議先不要代入數(shù)據(jù)，待推出最終結(jié)果后再代入數(shù)據(jù)，這樣可避免一些繁瑣的計算。由計算結(jié)果可以看出：支管直徑d對流量分配的影響較大（指數(shù)為）。本例盡管兩條支管，但兩條支管的流量仍相差較大。其次還應(yīng)注意，式中的管長是包括當量長度在內(nèi)的。如果當量長度發(fā)生變化（例如調(diào)節(jié)某一支路的閥門開度），將直接影響流量在兩支管中的分配，即

10、不僅影響本條支管的流量，而且影響其他并聯(lián)管路的流量，操作時必須注意到這一點。182 兩容器中裝有相對密度為0.8、粘度10m的油品，并用管線相連。如圖1-17所示。已知容器A液面上方壓強 (表)，容器B液面上方為常壓。位差，管內(nèi)徑，管長（包括全部阻力的當量長度）。已知條件同上題。假設(shè)A、B兩容器的液面不發(fā)生變化，油品的實際流量為多少？ 分析：兩液面維持不變，即系統(tǒng)的推動力不變。當某一流量下，管路流動阻力與系統(tǒng)推動力相等時，這個流量就是油品的實際流量，設(shè)為。00AApAAZ1Z2Z3BBpaB圖 117181附圖 已知系統(tǒng)推動力。下面求管路的流動阻力。 由的計算公式： 其中 設(shè) 即 油品的實際流

11、量為23.6m/h1-83 某輸油管道按輸送密度為820kg/m、粘度為122mPa .s的油品設(shè)計?，F(xiàn)因工況變動決定仍用原來的管道改輸密度為880kg/m、運動粘度為140mm/s的另一種油品，問其輸油量較原設(shè)計有何變化？ 假定兩種油品在管內(nèi)均作滯流流動，輸油管兩端的壓強降維持不變。 由于油品在管內(nèi)作滯流流動且輸油管兩端的壓強降不變，由泊謖葉方程： 知 又 即 現(xiàn)在需要將第一種油品的(動力)粘度換算成運動粘度。 輸油量較原設(shè)計增加了6。185 某流體在圓形光滑直管內(nèi)作湍流流動。若管長和管徑不變，僅將流速增至原來的2倍，試計算因磨擦阻力而產(chǎn)生的壓降為原來的多少倍？設(shè)兩種情況下，雷諾數(shù)Re均在范

12、圍內(nèi)。解： 即 壓強降為原來的3.36倍，增加了2.36倍。分析：改變工況條件求其新工況下某些參數(shù)的變化情況這類問題出現(xiàn)較多，通常采用對比的方法求解。需注意：一定要找出最簡式，才能準確把握各參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系。例如本例中如果忽略了與之間的函數(shù)關(guān)系，簡單得出的結(jié)論，則計算結(jié)果就會出現(xiàn)錯誤。186 原油在圓形直管中流動。已知原油的密度為800kg/m3，運動粘度為50mm2/s，流速為0.9m/s，管長為1000m，管內(nèi)徑為100mm?，F(xiàn)將流量和管內(nèi)徑都擴大1倍，則管路阻力為原來的多少倍？解：方法一先判定流型： 2000所以流動類型為滯流。由滯流時的直管阻力計算式泊謖葉方程計算原阻力：設(shè)流量和管徑

13、都改變后的管路阻力為。管內(nèi)徑增大倍 流量增大倍 管路變動后阻力為原來的倍數(shù)： 即阻力減小，為原來的12.5%。驗算雷諾數(shù)：流量和管徑都改變后， Re雷諾數(shù)沒變，仍為1800，說明用泊謖葉方程是可以的。 方法二 從方法一知：, 所以流動類型為滯流。由泊謖葉方程 阻力減小，為原來的12.5。 分析：可以看出，第二種方法較為簡捷，避免了繁瑣的運算。 需要強調(diào)的是，泊謖葉方程僅適用于滯流。不管采取什么樣的計算方法，都有應(yīng)在流量和管徑改變前、后均為滯流這樣一個大前提下進行。如果工況改變后原油流動已不在滯流區(qū)，那就失去了泊謖葉方程使用的前提條件。有人可能會想：流量增大倍，；管徑增大1倍，。所以。請讀者分析

14、一下這種想法錯在哪里？1-91 某敞口貯油槽中裝有深度為3的機油，從直徑為3m的油槽底部小孔中排出。小孔的面積A為0。002。假設(shè)油品自小孔排出時的流量系數(shù)， 試求: （1）機油自小孔排出時的初始流量; （2）油面降至1m時所需的時間。h112 2圖 122 191附圖分析：隨著機油的流出，油面不斷下降，出口的流速和流量也不斷變化。對于此類不定態(tài)流動，柏努力方程并不適用。但在本例中，小孔的截面積遠小于貯油槽的截面積，液面高度的變化很緩慢，各流量參數(shù)隨時間的變化率亦很小，故可做擬定態(tài)處理，仍可通過柏努力方程式求解。解：(1) 如圖1-22, 以油槽液面為11、截面，以油槽底部截面為基準面，列、截

15、面間的柏努力方程式，以表壓計。 由題意 將以上數(shù)據(jù)代入柏努力方程式，化簡得： 將引入 初始流量 (2) 機油降至1m時所需時間由質(zhì)量衡算：流入貯槽的油量與流出槽流量之差應(yīng)等于貯槽內(nèi)油品的累積速率： 將 代入上式,整理得 將， 代入上式并積分，得 油面降至1m時所需時間為0.54h。1-92一圓形貯油罐，其面積A為15.8。罐內(nèi)裝有密度為的柴油，油位8.82m。打開底部閥門后，油便可以放出。在無柴油補充的條件下，測得柴油的流率W與油位h的關(guān)系如下： kg/s ,試求油位下降1m所需時間。分析：很顯然，這是非定態(tài)流動的問題。因柴油的流率與油位h的關(guān)系已給出，只需作一簡單的物料衡算即可求出所需時間。

16、解：由物料衡算： 式中 W油從底流出的質(zhì)量流率，kg/s; M某瞬間罐內(nèi)的柴油量，kg。 M = Ah =15.8h 將已知數(shù)據(jù)代入上式： 0.282+15.8=0 分離變量: - 積分： 解之: =14090s=3.91h 油位下降1m需3.91h。3-5試分析總傳熱速率方程與牛頓冷卻定律、傅立葉定律之間的關(guān)系。 a1a2 答: 總傳熱速率方程Q=KA又稱傳熱基本方tw tT Tw 程，它著眼于冷熱流體通過間壁的傳熱，即包括 Q 對流導(dǎo)熱對流這樣一個聯(lián)合傳熱過程。其中 K稱為總傳熱系數(shù)。 如圖31，總熱阻等于兩個對流傳熱阻加上平 b 壁導(dǎo)熱熱阻，即。設(shè)冷、熱流體的平均溫度分別為T與t，冷、熱

17、壁面的溫度分別為和?？偟膫鳠嵬苿恿礊槔?、熱流體的平均溫差，即。（1） 若僅考慮流體和壁面間的對流傳熱，例如熱流體和熱壁面間的對流傳熱，即忽略導(dǎo)熱熱阻和另一側(cè)的對流熱阻以及溫差的變化。則 K= 總傳熱速率方程變?yōu)?A(T 若僅考慮冷流體和冷壁面間的對流傳熱，總傳熱速率方程則變?yōu)?此乃牛頓冷卻定律：（2） 若僅考慮壁面的導(dǎo)熱 則總傳熱速率方程變?yōu)?此即傅立葉定律.由此可見,牛頓冷卻定律、傅立葉定理不過是總傳熱率方程的特殊形式.換言之,總傳熱速率方程包括了對流、導(dǎo)熱這兩種基本傳熱形式。3-12 螺旋扁管換熱器強化傳熱的道理何在？答：螺旋扁管換熱器是近期開發(fā)出來的一種新型高效傳熱設(shè)備。其制造過程是先

18、將圓管壓扁，然后扭曲成螺旋狀。穿管時按同一方布置形成管束，管束無支撐件，只是依靠螺旋扁管外緣外螺旋線的接觸點相互支撐。在管程，流體的螺旋流動提高了其湍流程度，減薄了作為傳熱主要熱阻的滯流內(nèi)層的厚度，使管內(nèi)傳熱得以強化。在殼程，因螺旋扁管之間的流道也呈螺旋狀，流體在其間運動時受離心力的作用而周期性地改變速度和方向，從而加強了流體的縱向混合。加之流體經(jīng)過相鄰管子的螺旋線接觸點時形成脫離管壁的尾流，增強了流體自身的湍流程度，破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層，因而使得殼程的傳熱也得以強化。管內(nèi)，管外傳熱同時強化的結(jié)果，使其傳熱效果較普通管殼式換熱器有大幅度提高，特別對流體粘度大，一側(cè)或兩側(cè)呈滯流流動的換

19、熱過程，其效果尤為突出。3-21 黑體的表面溫度從300升至600，其輻射能力增大到原來的 倍. 答案: 5.39 分析: 斯蒂芬-波爾茲曼定律表明黑體的輻射能力與絕對溫度的4次方成正比, 而非攝氏溫度,即=5.39。3-77 某流體通過內(nèi)徑為100mm圓管時的流傳熱系數(shù)為120W/(),流體流動的雷諾數(shù),此時的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為。今擬改用周長與圓管相同、高與寬之比為1：3的矩形扁管，而保持流速不變，試問對流傳熱系數(shù)有何變化？ 解：由對流傳熱系數(shù)的計算公式： （）Pr當物性不變時 ， 求扁管的當量直徑d：設(shè)a、b，分別為矩形截面的寬與長由題意 2(a+b)=解之 a= b=d= = 設(shè)分別為

20、圓管與扁管的對流傳熱系數(shù)，則 =1.11 =1.11100=111W/() 對流傳熱系數(shù)由原來的（）增至現(xiàn)在的（m）分析：由以上的計算可以看出，由于矩形扁管的當量直徑小于同周長圓的直徑，其對流傳熱系數(shù)大于后者。因此用非圓形管道制成的換熱器（如最近開發(fā)的螺旋扁管換熱器），一般都具有高效的特點。3-84 某固體壁厚b=500mm,其導(dǎo)熱系數(shù))。已知壁的一側(cè)流體溫度230C,其對流傳熱系數(shù)a=50W/(m.);另一側(cè)流體溫度t=30,對流傳熱系數(shù)m2).若忽略污垢熱阻，試求：（1）熱通量q; （2）距熱壁面mm處的壁溫t。 解：方法一 T 先求熱通量，然后以（t）為傳熱推動力， （）為對應(yīng)熱阻，求出

21、。即將熱流體與壁 b面對流傳熱與厚壁面的導(dǎo)熱綜合考慮。 （1）熱通量q 圖3-3 3-84附圖 =)/W q= (2) 壁溫 q= =230-378(=213方法二用方法一求出熱通量后，先由牛頓冷卻定律求出熱壁面的溫度 ，然后再由傅立葉定律求出距熱壁面 處的 ，即分步計算法。（1） 熱通量 （2） 壁溫 由牛頓冷卻定律得 再由傅立葉定律 得 當然從冷流體算起還可以找到兩種方法，即綜合法和分步法。分析：此例想要強調(diào)的是，無論采取哪一種求解方法，都要十分注意傳熱推動力與熱阻的對應(yīng)關(guān)系。例如我們還可以找到第5種并不簡捷的方法，即先從熱流體著眼，求出冷壁面的溫度，再從冷壁面求出距其 處的壁溫。則其傳熱推動力與熱阻的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)是： 、。3-93 質(zhì)量流率相同的兩種液體通過某套換熱器的管程并被加熱，其對流傳熱系數(shù)都可以用