《工程流体力学》
典型题及作业题解答
(第七章~第十章)
编者:韩家德教材:专业:热能工程
《工程流体力学》陈卓如编.
第七章 粘性流体动力学
[例1]:[7-5]有一容器的出水管直径d=10cm,当龙头关闭时,压强计读数为49000Pa(表压),龙头开启后压强计读数降为19600Pa(表压),如果总的能量损失为4900Pa,试求通过管路的水流量qv。
[解]:本题龙头开启与关闭是两个流动,因此不能按两个流动列方程。事实上,阀门关闭是给出了液柱水头的高度条件。
p由静压: H0
g以管路中心面为基准,对液面和压力表处断面列Bernoulli方程:
H d Q p11V12p22V22z1z2hwg2gg2g
其中:z1H,p1pa,121,V10,z20,p2ppa,代入已知条件:
p0pappaV22hw ggg2gV22p0phw 2ggV222g(p0pp49000196004900)29.81()49 gg10009.81
V27m/sqv4d2V240.1270.055m3/s
[例2]:烟囱直径d=1m,通过烟气量qm17.96kg/h,烟气密度s0.7kg/m3,周围大气密度
a1.2kg/m3,烟囱内压强损失
2 d V 2
hV2。为保证烟囱底部断面1的负压不小pw0.035d2g于10mm水柱,烟囱高度h应为多少?
[解]:以1—1面为基准,对1—1和2—2断面列Bernoulli方程:忽略烟道直径(d< g2gg2g. z10,令1—1处大气压为pa,121, p1pawghv,V1V2V,z2h,p2pa2paagh,代入已知: pawghvV2paaghV2p hsg2gsg2gsg1V2wghvh[(agsg)0.035] d2ghwghv[(agsg)0.0351V]d2g2(1) Vqms4d217.9636000.74120.0091m/s 代入(1)式: h10009.810.0110.0091[(1.29.810.79.81)0.035]129.81220m [例3]:[7-7]在锅炉省煤器的进口断面测得负压h1102.97Pa,出口断面测得负压 h2196.13Pa,两测点的高差h5m,烟气的平均密度sm0.6kg/m3,炉外空气密 度ai1.2kg/m3,求烟气通过省煤器的压强损失值。 [解]:以2—2面为基准,对1—1和2—2断面列Bernoulli方程: p11V12p22V22z1z2hw g2gg2gz1h,令2—2处大气压为pa,121, p2pah2,p1pa1h1paaighh1, 烟气 1 h pa 2 2 Δh2 1 Δh1 V1V2Vz0,代入已知: ,2paaighh1V2pah2V2hhw smg2gsmg2ghwhaighh1h21.29.815102.97196.13510.83m smg0.69.81. psmghw0.69.8110.8363.75Pa [例4]:在大气中有一股射流以速度V射到与水平面成角的光滑平板上,然后分成两股(如图)。总流量qv,求qv1、qv2及此射流作用在平板上的力。 解:因为是光滑表面,故:无平行于板面的摩擦力,速度头无损失,因而:板作用于流体的力只有垂直于板面方向,VV1V2, 由连续性:qv1qv2qv (1) y 建立如图的直角坐标系,取控制体及板作用于流体的力R如图所示,因为流体在大气中,其余各表面上作用于流体的力均为大气压力,其自身平衡,可略去。 根据动量定理有: qv1 x qv F α Fx0qv1V1qv2V2qvVcos 即 qv1qv2qvcos (2) qv2 FyR0qvVsin 1cosqv 21cos式(2)-(1)得:qv1qv 2式(1)+(2)得:qv1根据牛顿第三定律,流体作用于板的力R=-R=-qvVsin ,方向与板垂直,指向板面。 [例5]:[7-12]一股直径d50mm,速度V70m/s的射流射入图示水斗,水斗出水口角度10,不计损失,求下列两种情况下水斗受力。 (1) 水斗不动; (2) 水斗以u35m/s等速运动。 [解]:忽略重力,大气压处处平衡,也可略去。 取水流为控制体,设水斗作用在流体水平方向的力为Fx,垂直方向的力为Fy,方向分别指向x、y 轴的负向和正向。因为是光滑表面,故无平行于板β qv1 面的摩擦力,速度头无损失,分流的速度均为V。 将坐标系建在水斗上,如图。于是:速度均为Vu,依据动量定理: qv2 d V u RqvVsin y o x Fxqv1(Vu)cosqv2(Vu)cosqv(Vu) Fq(Vu)sinq(Vu)sinv1v2y因为对称,qv1qv21qv,代入并化简上式,得到: 2. Fxqv(Vu)(1cos) Fy0(1)当水斗不动时,u0,则: 2222FxdV(1cos)10000.0570(1cos10)19096N 44Fy0即:FFx19096N,由牛顿第三定律,作用在水斗上的力RF19096N,方向水平指向水斗。 (2)水斗以u35m/s等速运动时, 22Fd(Vu)(1cos)10000.052(7035)2(1cos10)4774Nx44Fy0即:FFx4774N,由牛顿第三定律,作用在水斗上的力RF4774N,方向水平指向水斗。 [例6]:使带有倾斜光滑平板的小车逆着射流方向以速度u移动(如图),若射流喷嘴固定不动,射流断面面积为A,流速为V,不计小车与地面的摩擦力,求推动小车所需的功率。 [解]:忽略重力,大气压处 y 处平衡,也可略去。 V 取水流为控制体,设小车作 用在流体水平方向的力为V Fx,垂直方向的力为Fy,方向分别指向x、y轴的负向和正向。因为是光滑表面,故无平行于板面的摩擦力,速度头无损失,分流的速度均为V。将坐标系建在小车上,如图。于是:速度均为Vu。 依据动量定理: x u V θ 222FA(Vu)cosA(Vu)cosA(Vu)12x 22FyA2(Vu)sinA1(Vu)sin由连续性:AA1A2,而:Fy0(斜面方向无摩擦力),由第二式,A1A2, 故:A1A21A,代入第一式 211FxA(Vu)2cosA(Vu)2cosA(Vu)2A(Vu)2 22. 所需功率:NFx(Vu)A(Vu)3 第八章 流动相似原理基础 [例1]:[8-9]一个圆球放在流速为1.6m/s的水中,受的阻力为4.4N,另一直径为其两倍的圆球置于一风洞中,求在动力相似条件下风速的大小及球所受的阻力。已知ai/w13, ai1.28kg/m3。 [解]:求风速要用到Re,在动力相似条件下,ReaiRew,即: vaidaiaivwdww, 则:vaiaidw1vw131.610.4m/s; wdai2求阻力,要用到Ne,在动力相似条件下,NeaiNew, 即: Fai22aidaivaiFw22wdwvw, 22daiaivai221.2810.42则:Fai22Fw()4.40.952N。 2110001.6dwwvw[例2]:[8-12]假定气体中的声速a依赖于气体的密度、压强p和动力粘度试用量纲分 析法求出声速c的函数关系。 [解]:声速c的函数关系可写成:cf(,p,), 量纲:c,TLMMMp,,,含有三个基本量纲,即:n4,r3,32LTLLTc,按量纲齐次性,有: xyzp无量纲数只有一个,MLTLMTL3000xMLT2yMLTz, M:xyz011得到:L:13xyz0,解得:x,y,z0, 22T:12yz0. 于是:c121p2cp,即:cf() p第九章 流体运动阻力与损失 [例1]:[9-10]直径为15mm的圆管,流体以速度14m/s在管内流动,试决定流动状态。若要保证层流,则最大允许速度是多少?设流体为:(1)润滑油11.0104m2/s,(2)汽油20.884106m2/s,(3)水31106m2/s,(4)空气41.5105m2/s。 [解]:先求Re数,与Re2320比较判断流态。 1510314Re121002320,为层流; 411.010Vd1510314Re22375572320,为紊流; 620.88410Vd1510314Re32100002320,为紊流; 63110Vd1510314Re41400002320,为紊流; 641.510Vd要保证层流,则最大允许速度是Vmax2320d, 1.010415.47m/s; 则:Vmax1232031510Vmax20.88410623200.137m/s 31510110623200.155m/s; 315101.510623200.232m/s 31510Vmax3Vmax433[例2]:[9-11]具有4.0310Pas,740kg/m的油液流过直径为2.54cm的圆管, 平均流速为0.3m/s,试计算30m长管子上的压强降,并计算管内距内壁0.6cm处的流速。 2Vd7400.32.5410[解]:Re13992320,流动为层流, 34.0310Vd. 64640.0457, Re1399lV2307400.32p0.04571797Pa; d222.54102管内距内壁0.6cm处即r12.541020.61020.67102m处流速为: 2p2217972.54102222v(r0r)[()(0.6710)]0.433m/s。 34l244.03103033[例3]:[9-12]某种具有7.510Pas,780kg/m的油,流过长为12.2m,直径为 1.26cm的水平管子。试计算保持流动为层流的最大平均流速及维持这一流动所需要的压强降。若油从这一管子流入直径为0.63cm,长度也为12.2m的管子,问流过后一根管子的压强降为多少? [解]:要保证层流,则最大允许速度是: Vmax7.51032320232023201.77m/s, 2dd7801.261064640.0276 Re2320lV212.27801.772p0.027632652Pa 2d221.2610Ad21.262V2V1.777.08m/s, 流过后一根管子的流速V22A2d20.63ReV2d2V2d27807.080.631024638.8 37.5102320Re105,可按下式计算阻力系数: 0.31640.31640.0383 Re0.254638.80.25lV212.27807.082p0.03831449937Pa1.45MPa d220.6310233[例4]:[9-14]油的1.8710Pas,780kg/m,用泵输送通过直径d30cm,长 为6.5km的油管,管子内表面的绝对粗糙度0.75mm,流量qV0.233m3/s。试求压强降。又当泵的总效率为75%时,问泵所需功率为若干? . [解]:管子流通面积:A4d240.327.07102m2, 平均流速:VqV0.2333.3m/s 2A7.0710ReVd7803.30.354.1310 1.87103d0.850.30.855)4160()6.7710 320.75104160(80d0.3800.32105 30.751080ddRe4160()0.85,流动处于粗糙管过渡区,于是, 212.510.751032.512lg()2lg() 53.7dRe3.70.34.1310解得:0.025 lV26.51037803.32p0.0252.3MPa d20.32 NpqV2.31060.2331.072106W1072kW 0.75 [例5]:[9-15]水沿直径d=25mm,长l=10m的管子从水箱A流到水箱B,水箱A表面的表压强p=1.96×105Pa,h1=1m,h2=5m,管子入口损失ζ1=0.5,阀门损失ζ2=4,弯头损失ζ3=0.2,沿程损失系数λ=0.03,忽略管口到水箱B水面的距离。求:水的流量。 [解]:对A水平面1-1和管口平面2-2列伯努利方程,取地面为基准面,有: p22V22p11V12= z2z1hw, g2gg2gz1=h1,z2=h2,p1 =p+pa=1.96×105+pa,p2=pa ,α1=α2=1, V1=0 带入数据: pV22h1h2hw, g2gV22lV2210V22hw(1233)(0.5430.20.03)17.1 d2g0.0252g2g. p1.96105h1h2153g109.8117.32V222g29.81, 117.118.1V217.324.16(m/s), qv4d2V240.02524.162.04103m3/s d l p B h1 ζ1 ζ3 h2 A ζ2 [例6]:[9-19]烟囱直径d1m,烟气质量流速qm18000kg/h,烟气密度 10.7kg/m3,外界大气密度21.29kg/m3,烟道0.035,为保证烟囱底部有 100Pa的负压,烟囱应有多高? [解]:设烟囱底部大气压为pa,烟囱高度为h,则:烟囱顶端的大气压为pa2gh, 对烟囱底部和烟囱顶端平面列伯努利方程,取烟囱底部为基准面,有: p11V12p22V22= z2z1hw, 1g2g1g2gz10,z2h, p1pa100,p2pa2gh,121, V1V2Vqm1(/4)d2180009.09m/s 20.73600/41hV2 hwhfd2g. pa100pa2ghhV2 h1g1gd2g2gV2100h(1) 1g1gd2g2V2100h/(1)1g1d2g1001.290.0359.092/(1) 0.79.810.7129.8120.94m[例7]:[9-20]水由具有固定水位的贮水池中沿直径d100mm的输水管流入大气。管路是由同样长度l50m的水平管段AB和倾斜管段BC组成,h12m,h225m。试问为了使输水管B处的真空不超过7m水柱时,阀门的阻力系数应为多少?此时流量qv为多少?取0.035,不计弯曲处损失。 [解]:以液面为基准,对液面和B处断面列伯努利方程: p11V12p22V22z1z2hw g2gg2g其中:z10,p1pa,V10,z2h1, A l,d h1 B h2 ζ l,d p2pa710009.81pa68670, C qv V2V,121, lV250V2V2hw(1)(0.50.035)18 d2g0.12g2g68670V2(118)代入方程:02 10009.8129.81V29.8193.05m/s 19qvV4d23.0540.120.024m3/s 同样,以液面为基准,对液面和C处断面列伯努利方程: p11V12p22V22z1z2hw g2gg2g. z10,p1pa,V10,z2h1h227m,p2pa,V2V,121,其中: 2lV2250V2V2hw(1)(0.50.035)(35.5) d2g0.12g2gV2代入方程:027(135.5) 2g2729.8136.520.45 23.05[例8]:[9-29]用长为l的圆钢管输送液体,设沿程损失系数为常数,试确定: (1)当管子两端压差保持不变时,管径减少1%会引起流量减少百分之几? (2)当流量保持不变时,管径减少1%会引起两端压差增加百分之几? [解]:对管内流,压差公式为: lV2lqv2lp825qv2 d2d222d(d)4qv21qv2(1)设d10.99d,p1p,则:55,于是: d1dqv1qv21d15,25qqvdvd150.9950.975 5dqvqv1100(10.975)1002.5% qvp1d51(2)设d10.99d,qv1qv,则:51.05 5pd10.99p1p100(1.051)1005% p[例9]:[9-32]如图所示之水流经水槽壁上d4cm的圆孔流出,水面在孔中心线以上 h2.5m处,试求水流在收缩断面cc的流速和流束直径。在h12.5m处,流速和流束 直径为若干? [解]:因为h/d2.5/0.0462.510,为小孔口, VcCv2gh,取Cv0.97 Vc0.9729.812.56.79m/s . Acdc2,取0.63,则: Ad2dcd0.040.630.0317m3.17cm 以液面为基准,对液面和孔下2.5m处断面列伯努利方程: d c c h h1 p11V12p22V22z1z2hw g2gg2g其中:z10,p1pa,V10,z2hh15,p2pa, Vc26.7920.060.141 V2V,121,取hw2g29.81代入方程: V2050.141, 2gV24.8599.819.76m/s 由连续性:qvCA2gh0.61且qvVAV故:d140.04229.812.50.00537m3/s, 4d12, 40.005370.0265m2.65cm 9.76[例10]:[9-34]一水箱由带有一小孔口的隔板隔开,水箱左右两侧各有一个小孔口,由外部供给水箱左侧固定流量qv,设水箱和隔板的小空均在同一水平面上,且面积和流量系数均为A和C,求恒定时隔板两侧的水面高度h1和h2。 [解]:本题属于小孔口淹没出流和自由出流的综合性问题。 qv qv1CA2gh1① ② h1 h2 qv1 qv3 qv2 qv3CA2g(h1h2)qv2CA2gh2③ qvqv1qv3④ qv2qv3⑤ . 由②、③、⑤可得:h12h2⑥ 将①、②、⑥代入④可得:CA4gh2CA2gh2qv qv2h2(322) 2C2A2gqv2h122(322) CAg[例11]:[9-35]有一水箱,用板将其分成两部分,该板上开有直径d14cm的薄壁孔口,其流量系数C10.62,在右侧底部有一管嘴,长l210cm,C20.82。已知h3m, h30.5m,若系统保持恒定流动,试求h1、h2和流量qv各为若干? [解]:对孔口:qvC1A12gh1① 对管嘴:qvC2A22g(h2h3l2)② qv h1 h d1 h2 d2 h3 l2 hh1h2h3将③代入②: ③ qvC2A22g(hh1l2)联立①和④,可得: ④ qv 2222(C12A12C2A2)h1C2A2(hl2), 2424(C12d14C2d2)h1C2d2(hl2) 24C2d2(hl2)0.8220.034(30.1)h1241.1m 242424C1d1C2d20.620.040.820.03代入③:h2hh1h331.10.51.4m 由①:qv0.6240.04229.811.13.62103m3/s 第十章 管路的水力计算 33[例1]:[10-2]有一油路如图。已知流量qv1.210m/s,管中油液运动粘度 1.2106m2/s,密度860kg/m3,管子长l3m,直径d40mm,管子入口 . 损失系数10.5,弯管23.3,阀门32.5,滤油器损失压降pf6.86103Pa,油箱液面高h1.7m,求油液流入泵前的绝对压强。 [解]:本题求油液流入泵前的绝对压强,因此将泵划出。属于短管问题。以液面为基准,对液面和泵前断面列方程: p11V12p22V22z1z2hw g2gg2g其中:z10,p1pa,V10,z2h, pa V2V,121, h Δpf Vqv41.2103d240.955m/s 阀门 滤油器 泵 qv 0.042Re0.9550.040.31640.3164,318330.0237 60.250.251.210Re31833lV2pfhw(123)d2gg3V2pf (0.53.32.50.0237)0.042ggV2pf8.082ggpap2V2V2pfh8.08 gg2g2ggVd代入方程: p2pagh9.084V22pf8600.95529.81108609.811.79.086.86103 21.02104Pa[例2]:[10-4]水从具有固定水位h15m的水箱经过长度L150m及直径d50mm的输水管流入大气中。为了使流量增加20%,需并联同样直径的管子长度x为多少?仅考虑0.025的沿程损失。 [解]:这是一个长管串、并联管路问题。 未并联前,为单长管: pa LV02 hhfd2g并联后: H L, d x, d x, d . hhf1hf2LxV2xV12 d2gd2gLxV2xV12LV02 d2gd2gd2g因为结构相同,qv1qv211qv,V1V,而qv1.2qv0,即V1.2V0,代入: 22Lx1.2d2g2V0211.22V02x4LV02 d2gd2g11.22(Lx)1.22xL 41.08x0.44L x61.1m [例3]:[10-5]试求qv25103m3/s在两根并联管路中是如何分配的?并联管路的总水头损失为若干?其中一根管长L130m,直径d150mm,另一根管(有3的阀门) L250m,直径d2100mm,假设沿程损失因数10.04,20.03。 [解]:本题是长管并联问题,关键是阀门阻力的处理,有两种方法:一是把阀门阻力转化为沿程阻力,另一种正相反。 我们用后一种方法,即求出管路2的当量阻力系数e qv L1, d1 L2, d2 L50e2230.0318 d20.1qvqv1qv242(d12V1d2V2) hhf1hf2L1V12V22 1ed12g2g即:V1ed1180.05V2V20.866V2 1L10.04304(0.0520.8660.12)V2 25103V22.617m/s . 2.6172h186.28m 29.81qv240.122.61720.55103m3/s qv1qvqv22510320.551034.45103m3/s [例4]:[10-7]试确定图示系统的总流量qv。设(1)阀门全闭;(2)阀门打开,且30。已知L1L2L3L4100m,d1d2d4100mm,d3200mm,30.02, 1240.025,h24m。 [解]:本体可以用流量系数方法求解,也可以用长管串并联方法直接求解。 解法一:用长管串并联方法直接求解 (1)阀门全闭:在流量上: h L1, d1 L2, d2 L4, d4 qvqv1q4vqv2在阻力上: (a) L3, d3 hhf1hf2hf4(b) qv21qv22qv24hf10.08271L15,hf20.08272L25,hf40.08274L45d1d2d4(a)代入(c)再代入(b),得: 2qvqv2qv2h0.08271L150.08272L250.08274L45 d1d2d4(c) qv0.0827(h1L1d152L25d24L45d4)240.0251000.0251000.0251000.0827()0.150.150.1519.67103m3/s (2)阀门打开,且30时: 在流量上: qvqv1q4vqv2qv3在阻力上: (a) hhf1hf2hf4(b) . qv22hf2hf30.08272L25d22L3qv3hf30.0827(3)4d3d3(c) (d) 由(c)(d)得: qq2v22v3300.0210050.20.10.1 0.0251000.24qv20.316qv3 代入(a):qv30.76qv,qv20.24qv 代入(b),得: h0.08271L12qv5d10.08270.242L2h22qv5d20.08274L42qv5d4 qv0.0827(1L15d10.2422L25d24L45d4)240.02510020.0251000.0251000.0827(0.24)5550.10.10.1 23.75103m3/s 解法二: K1K2K4g2d159.8120.150.0696 m3/s 8180.025令:3Led0.2300m ,则:Le33030.02d3L3eL3Le100300400m K3g2d359.8120.250.44 m3/s 8380.022qv由:hfLK2 (1)阀门全闭:在流量上: . qvqv1q4vqv2在阻力上: (a) hhf1hf2hf4(b) hL12qvK12L22qv2K2L42qv2K4 hK12240.06962qv19.68103m3/s 3L13100(2)在流量上: qvqv1q4vqv2qv3在阻力上: (a) hhf1hf2hf4(b) hf2hf32L2qv22K2(c) 2L3eqv32K3 qv22L3eK24000.06962qqv30.316qv3 2v32L2K31000.44由(a):qv30.76qv 代入(b):hL12qvK12L3e20.762qv2K3L42qv2K4 2qvL10.762L3eL4h/(22) 2K1K3K4h2L10.76L3eL4222K1K3K4243323.7610m/s21000.764001000.069620.4420.06962qv[例5]:[10-9]如图所示系统,两容器水位相同,管路尺寸为:L1400m,d1100mm; L2180m,d2100mm,L350m,d3100mm,L4400m,d4200mm。 问当容器A水面上的压强p为多大时,管4的流量为qv440103m3/s取40.02, 1230.025。 . [解]:因为两水箱的水位相同,故流动的动力为A水箱的压强p。 在阻力上: 22qvqvp14hf1hf4L12L42gK1K4(a) p L4, d4 L1, d1 A L3, d3 L2, d2 B hf2hf3hf4,即: L22qv22K2L32qv32K3L42qv42K4(b) (c) 在流量上:qv1qv2qv3qv4K122K25g2d19.8120.150.00484 m6/s2 8180.0255g2d29.8120.150.00484 m6/s2 8280.0255g2d39.8120.150.00484 m6/s2 8380.0255g2d49.8120.250.194 m6/s2 8480.022K32K4232qvp(4010)21由(a):40040082644.6qv13.299g0.004840.194222qvqvqv234504003.299由(b):1800.004840.004840.194(d) (e) 得:qv20.00942m3/s,qv30.0179m3/s 代入(c):qv10.009420.01790.040.06732m3/s 2代入(d):p10009.81(82644.60.067323.299)3706639Pa3.71MPa [例6]:[10-10]水由三个水位相同且不变(h10m)的储水箱,沿三根长均为L50m,直径d100mm,沿程阻力系数0.025的输水管流入由每段长L180m,直径 d1200mm,沿程阻力系数 qv1 qv2 qv3 0.021的三段同样管段所组 成的干管,试确定: h L, d qv L1, d1 L1, d1 L1, d1 L, d L, d . (1)由干管流入大气的流量qv; (2)为保持三个储水箱中的水位不变,qv1、qv2、qv3各为多少? g2d59.8120.150.00484 m6/s2 [解]:K880.0252K125g2d19.8120.250.184 m6/s2 8180.021qvqv1qv2qv3(a) hL2qv22qv1K2LL12qv32qvK12L12qv3(b) LK2K2K12K12(c) L2qv1K2L2qv2K2L1(qv2qv3)2(d) 由(c):qv21.021qv3, 代入(d):qv30.907qv1,故:qv20.926qv1 代入(a):qv2.833qv1 代入(b):qv10.0269m3/s qv0.0762m3/s,qv20.0249m3/s,qv30.0244m3/s [例7]:某环状管网,各支管阀门全开时流量为qv1,qv2,qv3,若将阀门a关闭,则流量qv2,qv3和总流量qv分别会变大还是变小?为什么? [解]:本题是关于串、并联对流量的影响问题。我们知道,若无后两个支路,则变成简单的串联管路,若此时的总流量为qv,在干路的某一段并联一段管路后,原有管段流量变小(小于qv),使得该段阻力变小,由于泵扬程不变,则未并联的管段上的阻力必须增加,于是总流量qv增大,再增加一个支路,同样使总流量qv继续增大。显然,这就是 qv a qv1 qv2 qv3 . 本题阀门全开时的的情况。现在关闭a阀门,相当于减少一个支路,情况正好相反,此时总流量qv减少,而流量qv2,qv3则增加。原因是泵头不变,干路上阻力下降,使得各支路阻力上升,从而qv2,qv3则增加。 因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容