《化工单元操作》流动类型与雷诺准数（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《化工单元操作》流动类型与雷诺准数-讲义 1、掌握雷诺准数、流动类型及其判断，了解流体在圆管内流动时的速度分布。 知识点一 流体流动类型 流体的流动形态是各不相同的，通常认为流体的流动形态有两种，即层流与湍流，如图1-17所示。 层流(或称滞流)时，流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，流体分为若干层平行向前流动，质点之间互不混合；湍流(或称紊流)时，流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时发生变化，质点互相碰撞和混合。 流体在圆形直管中流动，当雷诺数 Re 为（ ）时，流体流动类型为层流。 A. 2000 B. 3000 C. 4000 D. 5000 【答案】A 【解析】当 Re≤2000 时，流体在圆形直管中流动类型为层流；当 Re≥4000 时，为湍流；2000＜Re＜4000 时，为过渡流。 1. 以下关于层流和湍流的说法，正确的是（ ） A. 层流时流体无径向脉动，湍流时有径向脉动 B. 层流时流体有径向脉动，湍流时无径向脉动 C. 层流和湍流时流体都无径向脉动 D. 层流和湍流时流体都有径向脉动 【答案】A 【解析】层流的特征是流体分层流动，各层质点互不混合，无径向脉动；湍流时流体质点做不规则的杂乱运动，有径向脉动。 2. 某流体在管内流动，其平均流速为 1m/s，管内径为 0.1m，流体密度为 1000kg/m³，黏度为 0.001Pa・s，则该流体的流动类型为（ ） A. 层流 B. 湍流 C. 过渡流 D. 无法确定 【答案】B 【解析】根据雷诺数公式 Re = duρ/μ，代入数据可得 Re = 0.1×1×1000/0.001 = 100000＞4000，所以流动类型为湍流。 3. 流体在管内流动时，若管径增大一倍，其他条件不变，雷诺数将变为原来的（ ） A. 1/2 B. 1/4 C. 2 倍 D. 4 倍 【答案】A 【解析】雷诺数 Re = duρ/μ，管径 d 增大一倍，其他条件不变时，Re 变为原来的 1/2。 1. 对于一定温度下的牛顿流体，在圆形直管中流动，当流速增加时，流动类型（ ） A. 从层流转变为湍流 B. 从湍流转变为层流 C. 保持层流 D. 保持湍流 【答案】A 【解析】流速增加，雷诺数增大，当雷诺数超过 2000 时，流动类型会从层流转变为湍流。 2. 下列哪种情况会使流体的流动更趋向于湍流（ ） A. 流体黏度增大 B. 管径减小 C. 流速增大 D. 流体密度减小 【答案】C 【解析】流速增大，雷诺数增大，更趋向于湍流；流体黏度增大、管径减小、流体密度减小都会使雷诺数减小，更趋向于层流。 3. 已知某流体在管内流动的雷诺数为 3500，则该流体的流动状态处于（ ） A. 稳定层流区 B. 不稳定层流区 C. 过渡区 D. 湍流区 【答案】C 【解析】2000＜Re＜4000 时为过渡区，3500 在此范围内。 · 层流与湍流的定义及区别，层流有序、湍流紊乱。 · 判别依据，用雷诺数（Re）判断，Re≤2000为层流，Re≥4000为湍流。 · 不同流动类型的影响，层流阻力小、混合差，湍流阻力大、混合好。 知识点二 雷诺准数Re 计算Re准数时公式中各物理量单位一致。根据经验，对于流体在直管内的流动，当Re≤2000时属于层流；Re>4000s时(生产条件下Re>3000)属湍流；而当Re=2000-4000之间时，属不稳定的过渡区。对于非圆形截面的通道，可以用一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替，称作当量直径。 套管环隙当量直径：d=d₁-d₂, d1——套管换热器外管内径，m; d2——套管换热器的内管外经，m。 矩形截面的当量直径：式中， a,b分别代表矩形的两个边长，m。 注意：不能用de来计算流体通道的截面积，流速和流量。 雷诺准数的表达式为（ ） A. B. C. D. 【答案】A 【解析】雷诺准数的表达式为，其中为管径，为流速，为流体密度，为流体粘度，故A正确。 1. 当流体在管内流动时，若，则流体的流动类型为（ ） A. 层流 B. 湍流 C. 过渡流 D. 无法确定 【答案】A 【解析】一般认为，时，流体流动类型为层流；时为湍流；为过渡流。，所以是层流，A正确。 2. 某液体在内径为的管内流动，流速为，密度为，粘度为，若将管径变为，其他条件不变，则雷诺准数变为原来的（ ） A. 2倍 B. 4倍 C. 0.5倍 D. 0.25倍 【答案】B 【解析】雷诺准数，当管径变为时，，即变为原来的2倍，但是因为流速，管径变为时，面积变为原来的4倍，流速变为原来的，所以变为原来的倍，B正确。 3. 下列关于雷诺准数的说法，正确的是（ ） A. 雷诺准数只与流体的流速有关 B. 雷诺准数越大，流体的粘性力越大 C. 雷诺准数反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系 D. 雷诺准数与管径无关 【答案】C 【解析】雷诺准数，与流速、管径、流体密度和粘度都有关，A、D错误；雷诺准数越大，说明惯性力相对粘性力越大，B错误，C正确。 1. 已知某流体在管内流动的雷诺准数，若该流体的流速增大一倍，其他条件不变，则雷诺准数变为（ ） A. 6000 B. 1500 C. 3000 D. 4500 【答案】A 【解析】由可知，当流速增大一倍，其他条件不变时，雷诺准数也增大一倍，即变为，A正确。 2. 流体在圆形直管中流动，若管径不变，流体密度不变，而粘度变为原来的2倍，则雷诺准数变为原来的（ ） A. 2倍 B. 4倍 C. 0.5倍 D. 0.25倍 【答案】C 【解析】根据，当粘度变为原来的倍，其他条件不变时，雷诺准数变为原来的，即倍，C正确。 3. 对于一定的流体，在管径和流速相同的情况下，下列哪种流体的雷诺准数最大（ ） A. 水 B. 空气 C. 甘油 D. 汽油 【答案】A 【解析】雷诺准数，在管径和流速相同的情况下，越大、越小，雷诺准数越大。水的密度比空气大，粘度比甘油小，汽油的密度和粘度都介于水和甘油之间，所以水的雷诺准数最大，A正确。 · 定义与计算：Re是惯性力与黏性力的比值，用于判断流体流动类型 · 流动类型判别：Re≤2000为层流，Re≥4000为湍流，2000<Re<4000为过渡区。 · 工程应用：用于计算摩擦系数、设计管路系统及分析流体阻力。 知识点三 滞流与湍流的比较 1.流体内部质点的运动方式 流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。 流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡。管道截面上某质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向运动。即在湍流中，流体质点的不规则运动，构成质点在主运动之外还有附加的脉动。质点的脉动是湍流运动的最基本特点。 2.流体在圆管内的速度分布 无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度沿管径而变化，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流型而异。 滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，截面上各点速度的平均值u等于管中心处最大速度u的0.5倍。湍流时，由于流体质点的强烈分离与混合，使截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，顶端稍平，所以速度分布曲线不再是严格的抛物线。 a) b) 实验证明，当Re值愈大时，曲线顶部的区域就愈广阔平坦，但靠管壁处质点的速度骤然下降，曲线较陡。u与Umax的比值随Re准数而变化，通常取u=0.8Umax。 既然湍流时管壁处的速度也等于零，则靠近管壁的流体仍作滞流流动，这一作滞流流动的流体薄层，称为滞流内层或滞流底层。自滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非滞流流动亦非完全湍流流动的区域，这区域称为缓冲层或过渡层。再往中心才是湍流主体。滞流内层的厚度随Re值的增加而减小。滞流内层的存在，对传热与传质(如吸收)过程都有重大影响。 滞流时，流体在圆管内的速度分布呈（ ） A. 直线型 B. 抛物线型 C. 双曲线型 D. 椭圆型 【答案】B 【解析】滞流时流体在圆管内的速度分布为抛物线型，中心处速度最大，管壁处速度为零。 1. 湍流时，流体在圆管内的平均速度与最大速度的关系是（ ） A. 平均速度约为最大速度的 0.5 倍 B. 平均速度约为最大速度的 0.8 倍 C. 平均速度约为最大速度的 1 倍 D. 平均速度约为最大速度的 2 倍 【答案】B 【解析】湍流时，流体在圆管内的平均速度约为最大速度的 0.8 倍，而滞流时平均速度是最大速度的 0.5 倍。 2. 以下关于滞流和湍流的说法正确的是（ ） A. 滞流的摩擦系数与雷诺数无关 B. 湍流的摩擦系数只与雷诺数有关 C. 滞流时流体层之间无质量交换 D. 湍流时流体层之间无质量交换 【答案】C 【解析】滞流时流体层之间无质量交换，摩擦系数与雷诺数有关；湍流的摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度都有关，且湍流时流体层之间有质量交换。 3. 当流体在圆管内流动时，若雷诺数 Re = 1500，其流动类型为（ ） A. 滞流 B. 湍流 C. 过渡流 D. 无法确定 【答案】A 【解析】一般认为，圆管内流动时，Re <2100 为滞流，2100 < Re < 4000 为过渡流，Re> 4000 为湍流3。 1.流体在管内作滞流流动，若仅将流速增加一倍，则阻力损失为原来的（ ）倍。 A. 1 B. 2 C. 4 D. 8 【答案】B 【解析】滞流时，阻力损失与流速的一次方成正比，所以流速增加一倍，阻力损失也增加一倍。 2.对于滞流和湍流，下列说法错误的是（ ） A. 滞流的流体是分层流动的 B. 湍流时流体的脉动现象明显 C. 滞流的雷诺数一定小于湍流的雷诺数 D. 同一流体在同一管道中，可能既出现滞流又出现湍流 【答案】C 【解析】在不同的流道或工况下，滞流的雷诺数不一定小于湍流的雷诺数，比如列管式换热器的管外，有折流挡板时，雷诺数为 100 可能就是湍流，而圆管内滞流的雷诺数一般小于 21003。 3.以下哪种情况有利于流体形成湍流（ ） A. 流体的粘度增大 B. 流体的密度减小 C. 管道的直径增大 D. 流体的流速减小 【答案】C 【解析】根据雷诺数公式（其中为管径，为流速，为密度，为粘度），管道直径增大、流速增大、密度增大或粘度减小都有利于形成湍流。 · 流动状态不同，滞流有序，流线平行；湍流紊乱，流线交叉。 · 雷诺数范围不同，滞流Re≤2000，湍流Re≥4000。 · 阻力特性不同，滞流阻力小，湍流阻力大且复杂。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$