《化工单元操作》流体在直管内的流动阻力（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《化工单元操作》流体在直管内的流动阻力-讲义 1、了解当量直径的概念，了解流动阻力的概念。 知识点一 基本概念 1.流动阻力产生的原因 流体有粘性，流动时产生内摩擦——阻力产生根源 固体表面促使流动流体内部发生相对运动——提供了流动阻力产生的条件。流动阻力大小与流体本身物性，壁面形状及流动状况等因素有关。 2.流动阻力分类 流体在管路中流动的总阻力Zhg由直管阻力与局部阻力两部分构成，即 Zhg=hg+h'g式中hg、h'g分别为直管阻力损失和各种局部阻力损失，J/kg。 hf表示1N质量流动时所损失的机械能单位m,Hf=Zhf/g 3.阻力表现方式——压强降△pf 流动阻力消耗了机械能，表现为静压能的降低，称为压强降，即： △pf=pzhg,值得强调指出的是：△pf表示1m³流体在流动系统中仅仅是流动阻力所消耗的能量，它是一个符号，△并不代表增量。△p表示两截面间的压强差。△pf、△p之间的关系为 ,通常，△pf与△p在数值上并不相等，只有当流体在一段无外功的水平等径管内流动时，两者在数值上才相等。 流体在直管内流动时，若其雷诺数 Re=1500，则该流体的流动型态为（ ） A. 层流 B. 湍流 C. 过渡流 D. 无法确定 【答案】A 【解析】当 Re≤2000 时，流体流动型态为层流，1500＜2000，所以为层流。 1. 流体在圆形直管内作层流流动时，其速度分布呈（ ） A. 抛物线形 B. 直线形 C. 双曲线形 D. 椭圆形 【答案】A 【解析】层流时流体速度分布为抛物线形状，管中心处速度最大。 2. 流体在直管内流动时，摩擦系数 λ 与（ ）有关。 A. 雷诺数 Re B. 相对粗糙度 C. 雷诺数 Re 和相对粗糙度 D. 流速 【答案】C 【解析】摩擦系数 λ 与雷诺数 Re 以及管道的相对粗糙度都有关系。层流时，λ 仅与 Re 有关；湍流时，λ 与 Re 和相对粗糙度都有关。 3. 对于不可压缩流体在圆形直管内定态流动，当流量一定时，管径增大一倍，其雷诺数变为原来的（ ） A. 1/2 B. 1/4 C. 2 倍 D. 4 倍 【答案】A 【解析】雷诺数 Re=duρ/μ，流量 Q=uA，A=πd²/4 。流量一定时，管径增大一倍，流速变为原来的 1/4 ，则 Re 变为原来的 1/2 。 1. 流体在直管内流动，产生阻力的根本原因是（ ） A. 流体具有黏性 B. 管道不够光滑 C. 流体速度变化 D. 管道直径变化 【答案】A 【解析】流体的黏性是产生流动阻力的根本原因，黏性使得流体内部及流体与管壁间存在内摩擦力。 2. 以下哪种情况，流体在直管内流动的摩擦阻力损失最大（ ） A. 管径小、管长长、流速大 B. 管径大、管长短、流速小 C. 管径小、管长短、流速大 D. 管径大、管长长、流速小 【答案】A 【解析】根据直管阻力损失公式 hf=λ（l/d）（u²/2），管径小、管长长、流速大都会使阻力损失增大。 3. 当流体在直管内作湍流流动时，在管壁处的流速为（ ） A. 最大 B. 最小，但不为零 C. 零 D. 无法确定 【答案】C 【解析】管壁处流体受管壁束缚，流速为零，越靠近管中心流速越大。 · 阻力产生根源：流体具有粘性，流动时层间产生内摩擦力，这是阻力产生的根本原因。 · 流动形态影响：层流与湍流形态不同，雷诺数可判断形态，不同形态下阻力特性有别。 · 管路特性关联：管径、管长、管壁粗糙度等管路因素，会对流动阻力产生影响 。 知识点二 流体在直管中的流动阻力计算 1.计算圆形直管阻力的通式——范宁公式：或 上两式为计算圆形直管阻力所引起能量损失的通式，称为范宁公式。此式λ对湍流和滞流均适用，式中为摩系数，其值随流型而变，湍流时还受管壁粗糙度的影响，但不受管路铺设情况(水平、垂直、倾斜)所限制。 2.管壁粗糙度对λ的影响 (1)按材料性质和加工情况，将管道分为两类，即光滑管如玻璃管，黄铜管，塑料管等粗糙管如钢管，铸铁管，水泥管等。其粗糙度可用绝对粗糙度e和相对粗糙度e/d表示。 (2)粗糙度ε对λ的影响 δ>8 u e δ₆<e u (a) (b) 流体流过管壁面的情况 流体作滞流流动时，管壁上凹凸不平的地方都被有规则的流体层所覆盖，流体质点对管壁凸出部分不会有碰撞作用。所以，在滞流时，摩擦系数与管壁粗糙度无关，λ仅为Re的函数。 当流体作湍流流动时，靠管壁处总存在着一层滞流层，如果滞流内层的厚度δb大于壁面的绝对粗糙度，即δb>e,此时管壁粗糙度对摩擦系数的影响与滞流相近。随着Re数的增加，滞流内层的厚度逐渐变薄，当δb<e时，壁面凸出部分便伸入湍流区内与流体质点发生碰撞，使湍流加剧，此时壁面粗糙度对摩擦系数的影响便成为重要的因素。Re值愈大，滞流内层愈薄，这种影响愈显著。 (3)滞流时的摩擦系数 由于影响滞流时的摩擦系数λ的因素只是雷诺准数Re,而与管壁的粗糙度无关，λ=64/Re (4)湍流时的摩擦系数需读图查得 流体在圆形直管内层流流动时，其阻力损失与流速的（ ）成正比。 A. 一次方 B. 二次方 C. 三次方 D. 四次方 【答案】A 【解析】层流时，流体的阻力损失与流速的一次方成正比，这是由层流的速度分布和内摩擦特性决定的。 1. 已知流体在直管中流动，管径为 d，管长为 L，流速为 u，摩擦系数为 λ，则直管阻力损失的计算公式为（ ） A. ΔP = λ(L/d)ρu²/2 B. ΔP = λ(L/d)ρu C. ΔP = λ(d/L)ρu²/2 D. ΔP = λ(d/L)ρu 【答案】A 【解析】这是直管阻力损失的达西公式，用于计算流体在直管中流动时由于摩擦而产生的压力损失。 2. 流体在光滑管内作湍流流动时，摩擦系数 λ 与（ ）有关。 A. 雷诺数 Re B. 相对粗糙度 ε/d C. 雷诺数 Re 和相对粗糙度 ε/d D. 管长 L 【答案】C 【解析】湍流时，摩擦系数 λ 与雷诺数 Re 和相对粗糙度 ε/d 都有关系，随着雷诺数的增大和相对粗糙度的变化，摩擦系数会相应改变。 3. 对于不可压缩流体在直管中稳定流动，根据连续性方程，流速与管径的关系是（ ） A. 流速与管径成正比 B. 流速与管径的平方成正比 C. 流速与管径成反比 D. 流速与管径的平方成反比 【答案】D 【解析】根据连续性方程，在不可压缩流体稳定流动中，流量恒定，即 Q = uA = 常数，A 为管道横截面积，与管径的平方成正比，所以流速与管径的平方成反比。 1. 当流体在直管中流动进入阻力平方区时，以下说法正确的是（ ） A. 摩擦系数 λ 只与雷诺数 Re 有关 B. 摩擦系数 λ 只与相对粗糙度 ε/d 有关 C. 阻力损失与流速的一次方成正比 D. 阻力损失与流速无关 【答案】B 【解析】在阻力平方区，摩擦系数 λ 只与相对粗糙度 ε/d 有关，与雷诺数 Re 无关，此时阻力损失与流速的平方成正比。 2. 某流体在直管中流动，若管径变为原来的 2 倍，其他条件不变，则雷诺数 Re 变为原来的（ ） A. 2 倍 B. 4 倍 C. 1/2 倍 D. 1/4 倍 【答案】A 【解析】雷诺数 Re = duρ/μ，管径变为原来的 2 倍，流速变为原来的 1/4（根据连续性方程），则雷诺数变为原来的 2 倍。 3. 流体在直管中流动，层流时的摩擦系数 λ 与雷诺数 Re 的关系为（ ） A. λ = 64/Re B. λ = 0.3164/Re^0.25 C. λ 与 Re 无关 D. λ = 0.0056 + 0.504/Re^0.32 【答案】A 【解析】层流时，摩擦系数 λ 与雷诺数 Re 的关系为 λ = 64/Re，这是层流的特性。 · 计算通式：常用范宁公式，为直管阻力，是摩擦系数，l为管长，d为管径，u为流速，此式对层流与湍流均适用。 · 层流情况：层流时， ，Re为雷诺数，直管阻力与流速的一次方成正比 。 · 湍流情况：湍流时，与雷诺数Re及管壁相对粗糙度有关，通常查莫狄图或用经验公式确定，阻力与流速平方相关 。 知识点三 管路上的局部阻力 当流体的流速大小或方向发生变化时，均产生局部阻力。局部阻力造成的能量损失有两种计算方法。 1.阻力系数法 克服局部阻力所引起的能量损失，可表示成动能u²/2 的某个倍数，即 。突然缩小人口S=0.5, 突然扩大出口S=1。管件、阀门的ξ值可查有关资料。 2.当量长度法 把局部阻力折算成相应长度的直管阻力，即 或 称为局部阻力的当量长度，m。 流体从大管突然进入小管，计算局部阻力时，速度应取（ ） A. 大管中的流速 B. 小管中的流速 C. 大管和小管流速的平均值 D. 无法确定 【答案】B 【解析】在计算突然收缩等局部阻力时，速度通常取小管中的流速，这是因为在小管处流体的流速变化更为剧烈，能量损失主要集中在该区域。 1. 管出口入容器的局部阻力系数为（ ） A. 0.5 B. 1.0 C. 0.35 D. 0.75 【答案】B 【解析】管出口入容器时，流体的流动状态发生突然变化，其局部阻力系数通常取 1.0。 2. 下列哪种管件的局部阻力系数一般较大（ ） A. 90° 标准弯头 B. 180° 回弯头 C. 闸阀（全开） D. 截止阀（全开） 【答案】B 【解析】180° 回弯头使流体的流动方向改变较大，相比其他选项，产生的局部阻力系数一般较大。90° 标准弯头、闸阀（全开）和截止阀（全开）的局部阻力系数相对较小。 3. 当量长度法是将局部阻力转化为（ ）来计算。 A. 直管阻力 B. 动能损失 C. 静压能损失 D. 位能损失 【答案】A 【解析】当量长度法的基本原理是将流体通过局部障碍时的局部阻力转化为直径相同、长度为当量长度的直管产生的阻力来计算。 1.流体在管内流动，当管径扩大一倍时，在其他条件不变的情况下，局部阻力（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 无法确定 【答案】B 【解析】管径扩大，流体流速降低，根据局部阻力的相关原理，流速降低会使局部阻力减小。因为局部阻力与流速的平方成正比，管径变化会导致流速变化，从而影响局部阻力。 2.若流体在管路中流动的雷诺数增大，而其他条件不变，局部阻力系数（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 可能增大也可能减小 【答案】D 【解析】雷诺数增大可能使流体的流动状态从层流转变为湍流，或者在湍流状态下进一步发展。对于某些管件，在层流时局部阻力系数可能较大，随着雷诺数增大进入湍流，局部阻力系数可能会减小；但对于一些复杂的管件或特殊情况，雷诺数增大也可能导致局部阻力系数增大，所以答案是可能增大也可能减小。 3.管路中安装了一个过滤器，其局部阻力主要是因为（ ） A. 流体速度增大 B. 流体速度减小 C. 边界层分离产生漩涡 D. 流体粘度增大 【答案】C 【解析】过滤器会使流体的流动边界在局部地区发生急剧变化，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞，从而形成较大的局部阻力。 · 局部阻力是流体流经管路中的管件、阀门等局部装置时产生的能量损失。 · 其大小与局部阻力系数及流速平方成正比。 · 计算时常用当量长度法或阻力系数法。 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 $$