传递过程原理
《化工传递过程原理(Ⅱ)》作业题
1. 粘性流体在圆管内作一维稳态流动。设r 表示径向距离,y 表示自管壁算起的垂直距离,试分别写出沿r 方向和y 方向的、用(动量通量)=-(动量扩散系数)×(动量浓度梯度)表示的现象方程。 1.(1-1) 解:()d u dy
ρτν
= (y ,u ,du
dy > 0)
()d u dr ρτν
=- (r ,u , du
dr
< 0) 2. 试讨论层流下动量传递、热量传递和质量传递三者之间的类似性。 2. (1-3) 解:从式(1-3)、(1-4)、(1-6)可看出:
A A A
B d j D dy
ρ
=- (1-3)
()
d u dy
ρτν
=- (1-4) ()/p d c t q A dy
ρα
=- (1-6)
1. 它们可以共同表示为:通量 = -(扩散系数)×(浓度梯度);
2. 扩散系数 ν、α、AB D 具有相同的因次,单位为 2/m s ;
3. 传递方向与该量的梯度方向相反。
3. 试写出温度t 对时间θ的全导数和随体导数,并说明温度对时间的偏导数、全导数和随体导数的物理意义。 3.(3-1) 解:全导数:
d t t t d x t d y t d z
d x d y d z d θθθθθ????=+++
???? 随体导数:x y z Dt t t t t u u u D x y z
θθ????=+++???? 物理意义:
t
θ
??——表示空间某固定点处温度随时间的变化率;
dt d θ——表示测量流体温度时,测量点以任意速度dx d θ、dy d θ、dz d θ
运动所测得的温度随时间的变化率
Dt θ——表示测量点随流体一起运动且速度x u dx d θ=、y u dy d θ=、z u dz
d θ
=时,测得的温度随时间的变化率。
4. 有下列三种流场的速度向量表达式,试判断哪种流场为不可压缩流体的流动。
(1)j xy i x z y x u )2()2(),,(2θθ--+= (2)y x z x x z y x )22()(2),,(++++-= (3)xz yz xy y x 222),(++=
4.(3-3) 解:不可压缩流体流动的连续性方程为:0u ?=
(判据)
1. 220u x x ?=-=
,不可压缩流体流动;
2. 2002u ?=-++=-
,不是不可压缩流体流动;
3. 002222()u y z x x y z =??≠??=++=++= ,不可压缩
,不是不可压缩
5. 某流场可由下述速度向量式表达:
k z j y i xyz z y xyz z y x
θθθ33),,,(-+=-+= 试求点(2,1,2,1)的加速度向量。
5. (3-6) 解:
y x z i j k Du Du Du Du D D D D θθθθ
=++
x x x
x x x y z
u u u D u u u u u D x y z
θθ=+++???????? 0()()3()xyz yz y xz z xy θ=++- (13)x y z y z θ=+-
y
y Du D θ
=
23(3)(3)3(31)
z
z z z Du D θθθθ
=-+--=-
∴ 2
(13)3(31)Du xyz yz i yj z k D θθθ
=+-++-
(2,1,2
,1)12j k Du D θ
=+
6. 流体在两块无限大平板间作一维稳态层流。试求算截面上等于主体流速u b
的点距板壁面的距离。又如流体在圆管内作一维稳态层流时,该点与管壁的距离为多少?
6. (4-2)解:(1)两块无限大平板间的一维稳态层流的速度分布为:
22max 0031()[1()]2b y y
u u u y y ??=-=-????
取b u u =, 则 2
31[1()]
2y y =
-
03
y y ?
=
则与主体流速b u 速度相等的点距板壁面的距离为:
00(13
L y y y =-=-
(2)对于圆管的一维稳态层流,有
22max 1()2[1()]b i i r r
u u u r r ??=-=-????
取b u u =,解之得:
i r r =
(1)i L r ?= 7. 某流体运动时的流速向量用下式表示:
x y y x 22),(+=
试导出一般形式的流线方程及通过点(2,1)的流线方程。 7.(4-7)解:2,2x y u y u x ==
由 22y x y x u dx dy dy x x
u u dx u y y =?===
分离变量积分,可得: 22y x c =+
此式即为流线方程的一般形式:
将点(2,1)代入,得:
221433
c c y x =+?=-?=-
8. 已知某不可压缩流体作平面流动时的速度分量x u x 3=,3y u y =-,试求出此情况下的流函数。 8. (4-9) 解:3;3y x u y u x x y
ψψ
??=-
=-==?? 3
33()d d x d y y d x
x d y y d x x d y
x y
ψψψ??=
+=+=+?? 3()d x y =
3x y c ψ?=+
9. 常压下温度为20℃的水,以每秒5米的均匀流速流过一光滑平面表面,试求出层流边界层转变为湍流边界层时临界距离x c 值的范围。 常压下20℃水的物性:3/2.998m kg =ρ,s Pa ??=-5105.100μ
9. (5-1)解:0
Re c
x
c x u μρ?=
∵56210310c x Re =?? ∴0.040.60c x m =
10. 常压下,温度为30℃的空气以10m/s 的流速流过一光滑平板表面,设临界雷诺数为3.2×105,试判断距离平板前缘0.4m 及0.8m 两处的边界层是层流边
界层还是湍流边界层?求出层流边界层相应点处的边界层厚度。 此题条件下空气的物性:3/165.1m Kg =ρ,s Pa ??=-51086.1μ 10. (5-3)解:(1)10.4x m = 15
105
0.410 1.165Re 2.50510Re 1.8610
c x x x u ρ
μ
-??=
=
=? ∴ 为层流边界层 11
1152
2
14.64Re 4.640.4(2.50510)x x x δ-
-
?==???
3
3.710()
m -=? (2)20.8x m =
2155Re 2Re 510Re 3.210c x x x ==?>=? ∴为湍流边界层
11. 温度为20℃的水,以1m/s 的流速流过宽度为1m 的光滑平板表面,试求算:
(1) 距离平板前缘x=0.15m 及x=0.3m 两点处的边界层厚度; (2) x=0~0.3m 一段平板表面上的总曳力
设5105Re ?=c x ;物性见第9 题
11.(5-4) 解:(1)10.15x m = 15
105
0.151998.2Re 1.4910Re 100.510
c x x x u ρ
μ
-??=
=
=? ∴ 为层流边界层 11132
14.64Re 1.8010()x x x m δ-
-?==?
11
32
15R e 1.9410()
x x m -
-==? (2)10.3x m =
215Re 2Re 2.9810Re c x x x ==?< ∴ 为层流边界层 22132
24.64Re 2.5510()x x x m δ-
-?==?
132
12
5Re 2.7510()x x m -
-==?
(3) 132
1.292Re
2.3710D L
c -
-==?
223
998.21
2.371010.322
d D u F c b L ρ-?=???=???? 0.354(0.36
4d F N ?= 12. 流体在圆管中作湍流流动,若速度分布方程可表示为:
7/1max
)(i
r y
u u = ,式中r i 表示圆管的半径,y 表示速度为u 的点距管壁的距离。试证明截面上主体流速为u b 与管中心流速u max 的关系为:u b =0.817u max
12.(6-5) 证:
i 17
2
017
20
11
()(2(1()2()
r i
i
b max i
i i A r max i i
i
y
u udA u dy r A r r y
u dy r y r r ππππ==-?=?-????
1
7
202()(
)i r m a x i i i y u r y dy r r =-? 1681
7777
202()i r max i i i u y r y r dy r -=?-??
86151
777702277
[]815
max i i i r i u y r y r r -=?-?
222277[]815
max i i i u r r r =
?-? 77
2()815
max u =-
0.817b m a x
u u ?=
13. 在平板壁面上的湍流边界层中,流体的速度分布方程可表示为:7/10)(δ
y
u u x =。试证明该式在壁面附近(即y→0处)不能成立。 13.(6-9) 证:壁面附近为层流内层,故满足:x
du dy
τμ
=,则 1
70
00
[()]x
s y y du
d y u dy
dy τμμδ
==== 16
77
00
1
7
y u y μδ--===+∞
∴ s τ不存在
∴ 该式在壁面附近(0y →)不能成立.
14. 常压和303K 的空气,以0.1m 3/s 的体积流率流过内径为100mm 的圆管,对于充分发展的流动,试估算层流底层、缓冲层以及湍流主体的厚度。 此题条件下空气的物性:3/165.1m Kg =ρ,s Pa ??=-51086.1μ
14.(6-8) 解: 2/0.1/(0.1)12.74(/)4b u Q A m s π
==?=
5
0.112.74 1.165
R e 7979012000
1.8610
b Du ρ
μ
-??=
=
=>? ∴ 该流动为湍流 ∵ 35510Re 210?< ∴1135
5
0.046Re
0.046(79790)
4.8110f --
-==?=?
*12.70.625/
b u u m s == 层流内层:*
5b u u y δν
++?==
= 54
555 1.86101.2810m u *u * 1.1650.625νμδρ--???====??层流内层()
缓冲层:305u*u*
y νν
δδ=-=
-缓缓层流内层
∴ 4
5 6.3910m δδ-?==?缓层流内层()
湍流中心:D
60.04922
δδ=
-=湍层流内层(m) 15. 温度为20℃的水流过内径为50mm 的圆管,测得每米管长流体的压降为1500N/m 2,试证明此情况下的流体流动为湍流,并求算: (1) 层流底层外缘处水的流速、该处的y 向距离及涡流粘度; (2) 过渡区与湍流中心交界处水的流速、该处的y 向距离及涡流粘度; (3) r=r i /2 (r i 为圆管半径)处水的流速、涡流粘度和混合长的值。 提示:)75.1ln
5.2(*
*
+?=ν
u r u u i b
本题水的物性:3/2.998m kg =ρ,s Pa ??=-5105.100μ 15.(6-6,6-7)解:2s 15000.05
18.75/222
i p r N m L τ-==?= (见书1-12a )
*0.137(/)u m s =
= *
*(2.5l n 1.75)3.02(
/)
i b r u u u m s ν
?=+= 5
5
0.05 3.02998.2R e 1.5104000
100.510b d Du ρ
μ
-??=
=
=?>? ∴ 流动为湍流.
1.∵ 5u y ++== 5*
u
u ?
= 5*0.13750.685(
u u m s ?==?= *
*5yu yu y ρ
ν
μ
+=
=
=
55
55100.5103.6710(
)*998.20.137y m u μρ--???===?? 0ε?= (∵层流内层无湍动) 2. 30y += 为湍流中心
2.5l n 5.5 2.5l n 305
u y ++
=+
=+= 14*0.1371
4 1.92(
u u m s ?==?=
5430 3.67106 2.210()*
y m u μ
ρ--?=
=??=? 450.40.4 2.2108.810()l y m --==??=?
4
4
2.5* 2.50.1370.156102.210
d u u d y y -?===?? 2
52
4
5
2(8.810)0.15610
1.210(
/)
du l m s dy
ε--
?==???=? 3. 2
i r y =,350.05
0.137998.2
**2 1.7103022100.510i r yu u y ρρμμ+-??==?==?>?? ∴ 2.5ln 5.5 2.5ln1700 5.524.1u y ++=+=+= *0.13724.1 3.3(/)u u u m s +?=?=?=
30.05
20.40.4510()2
l y m -==?=?
2.5*27.4du u dy y == 2
3242(510)27.4 6.8510(/)du
l m s dy
ε--?==??=? 16. 有一半径为25mm 的钢球,其导热系数为43.3W/m ·K ,密度为7849kg/m 3,比热为0.4609 kJ/kg ,钢球的初始温度均匀,为700K ,现将此钢球置于温度为400K 的环境中,钢球表面与环境之间的对流传热系数为11.36 W/m 2·K 。试求算1小时后钢球所达到的温度。
16. (8-7)解:3233000411
//425108.310333
V A r r r ππ--===??=?
33
(/)11.368.3102.2100.1
43.3
i h V A B k --??=
==? ∴ 可用集总热熔法进行求解 02
2
(/)(/)p k F V A c V A αθ
θ
ρ=
=
32
43.33600
7849460.9(8.310)
-?=
??? 26.25510=?
00400
exp[]0.253700400
b i b t t t B F t t --==-?=-- 475.8t K ?=
17. 常压和394K 下的空气流过光滑平板表面,平板壁面温度为373K ,空气流速u 0=15m/s ,c x Re =5×105。试求算临界长度x c ,该处的速度边界层厚度δ和温度边界层厚度t δ,局部对流传热系数h x 和层流段平均对流传热系数h m 的值。 注:t m =(394+373)/2=383.5K ,t m 下空气物性:3
0922.kg /m ρ=,
s Pa ??=-51024.2μ,687.0Pr =,K=3.27×10-2W/m ·K
17.(9-4)解:55
Re 510 2.24100.81()0.92215
c x c x m u μ
ρ-?????=
==?
1
32
4.64R e
5.310()
c c x x m δ-
-?=?
=
? ∵ 1
3
/t Pr δδ= 1
13
33
3
5.3100.687
6.010()t Pr
m δδ--
--?=?=??=?
113
2
0.332R e P r
c c
x x c
k
h x ?=?
?
11
25232
3.27100.332
(510)0.6878.36/0.81
W m K -?=???=?
2216.72/c m x h h W m K ?==?
18. 某油类液体以1m/s 的均匀流速沿一热平板壁面流过。油类液体的均匀温度为293K ,平板壁面维持353K 。设c x Re =5×105,已知在边界层的膜温度下液体密度为750kg/m 3,粘度为3×10-3Pa·s ,导热系数k 为0.15W/m ·K ,比热C p 为200J/kg ·K ,试求算:
(1) 临界点处的局部对流传热系数h x ;
(2) 由平板前缘至临界点这段平板壁面的对流传热通量。 18. (9-7) 530
Re 51031027501
c x c x m u μ
ρ-???=
==?
3310200
P r 4
0.15p p
c k k c μνμαρρ-???=====? 112
3
20.332R e P r
27.95/
c
c
x x c
k
h W m K x ?=?
=?
00/()2()c m s x s q A h t t h t t =-=-
2227.95(353293)3354/W m =??-=
19. 水以2m/s 的平均流速流过直径为25mm 、长度为2.5m 的圆管,管面温度恒定,为320K ,水的进、出口温度分别为292K 和295K ,试求算柯尔本j H 因数的值。
本题水的物性:3
998kg /m ρ=,s Pa ??=-51055.98μ
19.(9-13)解:45
0.0252998
Re 5.0610400098.5510
b d du ρ
μ
??=
=
=?>? ∴ 管内流动为湍流
114
35
5
0.046Re 0.046(5.0610) 5.2710d f -
-
--==??=?
3
2.635102
H f j -?=
=? 20. 试证明组分A 、B 组成的双组分系统中,在一般情况下进行分子扩散时(有主体流动,且N A ≠N B ),在总浓度C 恒定条件下,D AB =D BA 。
20. (10-4)证明: ()A
A AB
A A
B dx N
C
D x N N dz
=-?++ (1)
()B B BA B A B dx
N C D x N N dz
=-?++ (2)
(1)+(2):
()()()A B A B AB BA A B A B dx dx
N N C D D x x N N dz dz
+=-++++ ∵ 1A B x x += ∴
A B dx dx
dz dz
=- ∵ 0A B AB
BA dx dx
D D dz dz
+= ∴ AB BA D D =
21. 将温度为298K 、压力为1atm 的He 和N 2的混合气体,装在一直径为5mm 、长度为0.1m 的管中进行等分子反方向扩散,已知管子双端He 的分压分别为0.06atm 和0.02atm ,在上述条件下扩散系数2N -He D =0.687×10-4m 2/s ,试求算: (1) He 的扩散通量; (2) N 2的扩散通量;
(3) 在管的中点截面上He 和N 2的分压。 21. (11-2)解: 设 e H 为组分A ,2N 为组分B 1. ∵ 等分子反方向扩散,∴ A B N N =- 12()AB
A A A D N P P RT z
?=
-? 4
0.68710
(0.060.02)10132583142980.1
-?=
?-??? 621.1210/kmol m s -=?? 2. 621.1210/B A N N kmol m s -=-=-??
3. 61() 1.12102
AB
A A A D N P P z
RT -=-=??
(稳态) 0.04A P a t m ?=
64
0.11.12108314298
12(0.06)0.68710101325A P --????=-?? 0.96B A P P P atm =-=
22. 在气相中,组分A 由某一位置(点1处)扩散至固体催化剂表面(点2处),并在催化剂表面处进行如下反应: 2A→B
B 为反应产物(气体)。反应产物B 生成后不停地沿相反方向扩散至气体相
主体中。已知总压P 维持恒定,扩散过程是稳态的,在点1和点2处A 的分压分别为P A1和P A2,设扩散系数D AB 为常数,点1至2的距离为z ?,试导出计算N A 的表达式。
22. (11-3)解: ∵ 2A B →,∴ 2A B N N =-
1
()2
AB A AB A A A A B A A D P dy D P dy N y N N N y RT dz RT dz ??=-?++=-?+
1
(1)2AB A A A D P dy N y RT dz
??-
=-? 22AB A
A A
D P dy N dz RT y ??-
?=- 2
1
22ln
2AB A A A D P y N z RT y ?-??=
?- 2
1
22ln
2AB A A A D P P P N RT z P P ?-?=
?- 23. 常压和45℃的空气以3m/s 的流速在萘板的一个面上流过,萘板的宽度为0.1m ,长度为1m ,试求算萘板厚度减薄0.1mm 时所需的时间。
已知45℃和1atm 下,萘在空气中的扩散系数为6.92×10-6 m 2/s ,萘的饱和蒸汽压为0.555mmHg 。固体萘密度为1152kg/m 3,分子量为128kg/kmol 。 本题空气物性:3/11.1m Kg =ρ,s Pa ??=-510935.1μ
23. (12-6)解:5505
13 1.11
Re 1.7210Re 5101.93510
c L x L u ρ
μ
-????=
=
=?<=?? ∴ 为层流边界层 11
032
0.664Re AB
cm
L C D k
S L
=?
561.93510 2.521.11 6.9210
C AB
AB
S D D ν
μρ-?=
=
==?? ∴11
605332
6.92100.664(1.7210) 2.52 2.5910(/)1
cm
k
m s --?=???=?
苯甲酸的浓度很低,可以认为 0
cm cm k k
0()(
0)AS
A cm AS A cm P N k c c k RT
=-=?- 3820.555101325
2.59107.2610/7608316318
kmol m s --?=??
=????
∵ A A S N A M A θδρ???=??
38
0.1101152
3.447.26101283600
S
A A hr N M δρθ--????===???? 24. 温度为26℃的水,以0.1m/s 的流速流过长度为1m 的固体苯甲酸平板,试求算距平板前缘0.3m 和0.6m 两处的浓度边界层厚度c δ,局部传质系数o
cx k 以及整块平板的传质通量N A 。
已知26℃时苯甲酸在水中的扩散系数为 1.24×10-9m 2/s ,饱和溶解度为0.0295Kmol/m 3
26℃时水的物性:3/997m Kg =ρ,s Pa ??=-310873.0μ 24. (12-7)解:15103
0.30.1997
Re 34261.2Re 5100.87310
c x x x u ρ
μ
-????=
=
=<=?? 3
90.87310
706.2
997 1.2410
C A B A B S
D D νμ
ρ--?====?? 1
1
32
114.64Re 7.510()x x m δ-
-?=?=? (10.3x m =)
143
118.410()D C
S m δδ-
-?=?=?
1
111
0632
1
0.332Re 2.2610(/)AB
cx x C D k
S m s x -?=??=?
(2) 20.6x m =
21Re 2Re 68522.4Re c x x x ==<
21
2
224.64Re 0.0106()x x m δ-
?=?= 2(0.6)x m
= 1
33
22 1.210()D C
S m δδ-
-?=?=?
211
6322
2
0.332Re 1.610(/)AB
cx x C D k S m s x -?=??=?
(3) 503
1.00.1997
Re 1.14210Re 0.87310
c L x L u ρ
μ
-????=
=
=? 11
06320.664Re 2.4810(/)AB
cm
L C D k
S m s L
-?=??=?
0()A cm AS A N k C C =-
∵ 苯甲酸的浓度很低,可以认为 0c m c m
k k ∴ 00()A cm AS A N k C C =?- 62.4810(0.02950)
-=??
- 827.3110/kmol m s -=??