2022年《传递现象导论》1-4章课后答案 .pdf

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1、第一章习题解1-1.水流进高为h=0.2m 的两块宽平板之间的通道，如图1-52 所示。已知：通道截面具有速度分布20 07575xu. y。求：通道截面平均速度U。解：由式（ 1-3）得通道截面平均速度0.12020.075 7.510.2 10.05m/sxAu dAU =Aydy1-2.如图 1-53 所示，在一密闭容器内装有水及油，密度分别为水998.1kg/ m3, ，油850kg/ m3，油层高度 h1=350mm，容器底部装有水银( 水银 13600 kg/ m3) 液柱压力计，读数为R=700mm，水银面的高度差h2=150mm，求容器上方空间的压力p。解：在图1-53 中，

2、U 型管上取控制面，两侧压力相等。由式（ 1-20）流体静力学的平衡定律得1210油水水银p+ gh + g R+h-h = p + gR将大气压501.0133 10 Pap和其它已知数据代入上式，可得容器上方空间的压力51.87 10 Pap1-3.如图 1-54 所示，已知容器A 中水面上的压力为pA=1.25 大气压，压力计中水银面的差值h1=0.2m, h2=0.25m, h=0.5m, H2O=1000kg/m3, Hg=13550kg/m3。求：容器B 中压力 pB。解：在图1-54 中，各 U 型管上取控制面、，各控制面两侧压力相等。设中间管中空气压力为p，并忽略空气密度。由式

3、（1-20）流体静力学的平衡定律得2AH O1Hg1BHg2p + g h+h= p+ ghp= p + gh2BAH O1Hg12p = p + g h+h- g h +h将55A1.25 1.0133 101.267 10 Pap和其它已知数据代入上式，可得容器B 中压力4B7.38 10 Pap1-4.证明：单位时间单位面积动量的量纲与单位面积力的量纲相同。证明：单位时间单位面积动量为muAt，量纲为22kg m / skgmsm s；单位面积力为FA，量纲为2222Nkg m/skgmmm s。两者量纲相同1-8.流体以234xuyy流过平板，试求距板面0.15 米处的切应力。已知=3

4、.3 10- 4Pa.s。解：由式（ 1-30）可求距板面0.15 米处的切应力为440.15m0.15m3323.3 1020.151.5 10Pa44xyxyyduydy1-9.润滑系统简化为两平行金属平面间的流动，其间润滑油的粘度为10.0cP。下表面以力0.45N 拖动，作用面积为4.6m2，板间距为3.1mm，运动定常。图 1-52图 1-54 图 1-53精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 12 页 - - - - - - - - - - （1）试计算下表面上的剪切应力

5、；（2）若上表面静止，计算下表面处流体的运动速度；（3）若板间流体改为20的水或空气，重复上述计算；（20的水粘度为1.0cP，空气粘度为0.018cP）（4）用简图表示速度分布；（5）根据计算和简图，对粘度在动量传递中的作用作简单结论。解： （1）由式（ 1-21）可求得下表面上的剪切应力0 450 098Pa4 6F.A.（2）根据题意，板间流体的速度分布为线性分布，由式（1-30）得xduU dyh则下表面处流体的运动速度330 098 3 1 100 03m/s10 0 10h.U.（3）20的水330 098 3 1 100 3m/s1 0 10h.U.20的空气330 098 3

6、1 1016 9m/s0 018 10h.U.（4）表示速度分布的简图，见习题1-9 附图。（5）不同流体粘度各异，粘度是影响传递过程的重要物性。1-11.对正在加热中的钢板，其尺寸长 宽 厚为 1.5m 0.5m 0.025m，两侧温度分别为15和 95，试求温度梯度。如果改为铜板和不锈钢板，假定通过壁面传热量相同，则温度梯度又将如何变化。解：查附录三得热导率k：钢 45W / m ，铜 377W/ m ，不锈钢16W/ m 。根据题意，假定钢板内温度沿厚度呈线性分布，有温度梯度o95153200 C/m0 025dTdy.通过壁面传热量，由式（1-37）得2453200144000J/ms

7、ydTqkdy上式中负号表示传热方向与温度梯度相反。假定通过壁面传热量相同，铜板的温度梯度o144000382 C/m377yqdTdyk不锈钢板的温度梯度o1440009000 C/m16yqdTdyk1-13.输送蒸汽的2in 钢管，内径0.052m，壁厚 0.004m，外包 0.0508m 厚 85%氧化镁，再包0.0508m 厚软木。若管内表面温度为394.3K，软木外表面温度为305.4K ，试求每小时单位管长的热损失。已知热导率：钢 45.17W/m K，氧化镁 0.069W/m K，软木 0.052W/m K。解：本题为圆管多层保温问题。对管壁、氧化镁保温层、软木保温层，由式（1

8、-73）得121212QTTk Lln R / R、232322QTTk Lln R / R、343432QTTk Lln R / R将以上各式相加，整理得每小时单位管长的热损失习题 1-9 附图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 14213243123222394 3305 40 03 0 0260 08080 030 13160 0808245 17120 069120 052123 53W84708J/hTTQln R / R

9、ln R / Rln R / Rk Lk Lk L.ln./.ln./.ln./.1-17.直径为0.7mm 的热电偶球形接点，其表面与被测气流间的对流给热系数为400W/m2.K，计算初始温度为 25的接点置于200的气流中，需多长时间其温度才能达到199。(已知接点 k=20W/m.K ，CP=400J/kg.K ， =8500kg/ m3 ) 解：先由式（ 1-77）判别3332400 07 106233 100 166 20hdhVhd.Bi.kAk dk可用集总参数法计算，由式（1-79）求解。60PPhAhttfC VC dfTTeeTT代入数据36 4008500 400 0 7

10、 1019920025200t.e则需时间为5 1st.1-18.一半无限大铝板, 初始温度为450, 突然将其表面温度降低到150, 试计算离铝板表面40mm 处温度达到 250时所需的时间, 以及在此期间内单位表面传出的热量。( 已知 k=430W/m.K ，a=0.3m2/h ) 解：此题为半无限大平壁升温，由式（1-82）得02501500 333450150ssTT.erfTT查附录五得0 0400 30540 343600 x.at.t所需时间51 6st.此期间内单位表面传出的热量，由式（1-84）82051 6224301504501 15 10 J/m0 33600st.Qk

11、 TT.a负号表示传出热量。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 第二章 习题解答2-4 虹吸管路 ( 如图), 管径 25mm ，112Hm，23Hm，试求 310K 时水的流率，忽略一切损失。解：(1)(3)点列伯努力方程：2-5 寻求上题中点压力（ Psia ） ，若大气压力为 14.4Psia ，该系统能否操作。解：37水饱和蒸汽压为6323.5Pa 故不可操作2-8 水以流率0.283/ms通过 450渐缩管，进口绝对压力为

12、100Psia ，出口绝对压力为29.0Psia ，进出口管的分直径分别为15cm和 10cm ，试求作用在弯头上的力。解：控制体取表压：作用在弯头上的合力为4058N2-9 文丘里流量计测量流率（如图） ，进口与喉孔压差为4.2Psic ，进口管径2.5cm，喉孔直径为 1.5cm，管中流体密度为14503/kg m ，试求流率？解：列伯努利方程：222 9.81 37.67/ugHm s2337.670.7850.0253.765 10/Vu sms212222ppuhggg22214.4689010009.81 1202pu1210.2815.85/0.785 0.15VUm sA222

13、0.2835.67/0.7850.1VUm sA10000.28280/WVkg s1122xnxFp Ap AF21()xWUWUWU()xxFWU212121()表表nxFW UUpApA22280 (35.67 15.85)(296890 101300) 0.785 0.1(100 6890 101300) 0.785 0.154058nxFN2212121122ppUU12.438/Um s233110.7851.20 10/VDUms24112121()12DppUD精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - -

14、 - - - -第 4 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 第三章习题解3-1.在直径为0.05m 的管道内，流体速度为0.6m/s，求常温常压下，下述几种流体在管道中运动时的雷诺数，并判断各自的运动状态。a.水（ =998.2kg/m3） b.空气（ =1.22kg/m3） c.汞（ =13550kg/m3） d.甘油（ =1261kg/m3）解：查附录一得各流体常温常压下的粘度水： 1.005 10-3Pa s，空气： 0.01813 10-3Pa s，汞： 1.547 10-3Pa s，甘油 872 10-3Pa s 由式（ 3-1）雷诺数定义UDRe=代入各自数据

15、可得雷诺数Re，并以 Rec=2100 为临界值判断其流动状态，结果为a.水 Re=2.980 104湍流，b.空气 Re=2019 层流，c.汞 Re=2.628 105湍流，d.甘油 Re=43.4层流。3-4.流体在半径为R 的圆管内流动，写出其流动边界条件。当在其中心轴处放一半径为r0的细线，其流动边界条件为何？解：流体在半径为R 的圆管内流动，最大速度在管中心，管壁上的速度为0，则流动边界条件为000zzdur,drrR,u在管中心轴处放一半径为r0的细线，细线外表面上的速度为0，管壁上的速度为0，其流动边界条件000zzrr ,urR,u3-5. 密度为 1.32g/cm3、粘度为

16、 18.3cP 的流体， 流经半径为2.67cm 的水平光滑圆管， 问压力梯度为多少时，流动会转变为湍流？解：圆管内流动，临界雷诺数2100cRe =，则由式（ 3-1）得318.3 1021000.545m/s1320 0.0267 2cReU =D由式（ 3-34）得302288 18 3 100 545112Pa/m0 0267LPPU.LR.当压力梯度大于112Pa/m 时，流动会转变为湍流。3-6.20的甘油在压降0.2 106Pa下，流经长为30.48cm 、内径为 25.40mm 的水平圆管。已知20时甘油的密度为1261kg/m3、粘度为 0.872Pa s。求甘油的体积流率。

17、解：设流动为层流。由哈根- 泊谡叶方程，由式（3-33）得4643300 2 100 025407 687 10 m /s8808720 30482LPP.VR.L.327.6871015.17m / s0.025404VU =A检验1261 15 170 0254055721000 872UD.Re.流动为层流，计算正确。3-7.293K 及 1atm 下的空气以30.48m/s 速度流过一光滑平板。试计算在距离前缘多远处边界层流动由层流精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 12

18、页 - - - - - - - - - - 转变为湍流，以及流至1m 处时边界层的厚度。解：查附录一得空气的粘度 =0.01813 10-3Pa s，密度 =1.205kg/m3。沿平板流动，临界雷诺数xcRe，则由式（ 3-1）得350.01813 105 100.247m1.205 30.48xccRex =U流至 x=1m 处6531.205 1 30.482.026 105 100.01813 10 xxURe流动为湍流则由式（ 3-166）得该处边界层的厚度为5650 370 37 10 02m2 026 10 x.x.Re.3-8. 一块薄平板置于空气中，空气温度为293K，平板长

19、 0.2m，宽 0.1m。试求总摩擦阻力，若长宽互换，结果如何？（已知U=6m/s， =1.5 10-5m2/s， =1.205kg/m3，Rexc=5 105）解： L=0.2m，B=0.1m。550.26800005 101.5 10LLURe流动为层流则由式（ 3-103）得摩擦阻力11222230 6460 646 0 1 0 2 1 205 6800001 98 10 NFLD.BL URe.长宽互换， L=0.1m，B=0.2m。550.1 6400005 101.5 10LLURe流动为层流11222230 6460 646 0 20 1 1 205 6400002 80 10

20、NFLD.BL URe.计算结果表明：层流状态下，面积相同，沿流动方向板越长摩擦阻力越小。3-9.293K的水流过0.0508m 内径的光滑水平管，当主体流速U 分别为(1) 15.24m/s (2) 1.524m/s (3) 0.01524m/s 三种情况时，求离管壁0.0191m 处的速度为多少？(已知 =1000kg/m3， =1.00510-6m2/s) 解： (1)U=15.24m/s 5310000.0508 15.247.703 1021001.005 10DURe流动为湍流由式（ 3-184b）得1430.0792.667 10fRe由式（ 3-177）得管壁上的切应力2321

21、12.667101000 15.24309.7Pa22WfU由摩擦速度定义得0.5565m/sW*u距离管壁0.0191m 处，即 y=0.0191m ，则-60.55650.019110576 301.005 10*u yy由式（ 3-139）得2.5ln5.528.67uy距离管壁0.0191m 处的流速15.95m/sx*uuu(2)U=1.524m/s 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 4310000.0508 1.524

22、7.703 1021001.005 10DURe流动为湍流1430.0794.742 10fRe232114.742101000 1.5245.507Pa22WfU0.07421m/sW*u-60.074210.01911410 301.005 10*u yy2.5ln5.523.63uy1.75m/sx*uuu(3) U=0.01524m/s310000.05080.01524770.321001.005 10DURe流动为层流由式（ 3-36） ，0.0063m2Dry得2221-0.0286m/sxruUR3-10.293K 的水以 0.006m3/s 的流率流过内径为0.15m 的光滑

23、圆管。 流动充分发展， 试计算： （ 1）粘性底层；（2）过渡区；（3）湍流核心区的厚度。解：查附录一得水的粘度 =1.005 10-3Pa s，密度 =998.2kg/m3，运动粘度 =1.00710-6m2/s。20.0060.34m/s0.154VU =A3998.20.150.345065521001.005 10DURe流动为湍流1430.0795.266 10fRe232115.266 10998.20.340.304Pa22WfU0.0175m/sW*u（1）粘性底层厚度，即50byy，由无量纲摩擦距离*u yy，得6455 1 007 102 88 10 m0 0175b*.u

24、.（2）过渡区厚度633053052525 1 007 101 44 10 m0 0175yy*.yy.uuu.过（3）湍流核心区的厚度340 151 44 102 88 100 0733m2b.R.湍过3-12.用量纲分析法，决定雨滴从静止云层中降落的终端速度的无量纲数。考虑影响雨滴行为的变量有：雨滴的半径r，空气的密度和粘度 ，还有重力加速度g，表面张力 可忽略。解：应用量纲分析法。决定雨滴从静止云层中降落的终端速度的函数为精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 12 页 - -

25、- - - - - - - - u= fr, , ,g幂指数形式为常数abcdeu r g =各物理量的量纲为32LMMLLTLLTTu,r, ,g将各量纲代入幂指数形式有32LMMLLTLLTT无量纲acdeb32LTM无量纲a bc deadec d30200abcdeadecd确定 d、e2adebdecd将其代入幂指数形式有2常数-d-e-d+e-ddeur g =2常数edurugr与该过程相关的无量纲数为2uruReFrgr = 雷诺数 ， = 弗鲁特数。3-13.已知=, , ,PhfCk U L，用量纲分析法导出,NufRe Pr。解：幂指数形式为常数abcdefgPhC k

26、U L各物理量的量纲为23323MMMLMLL,U,LT KLLTT KT KTPhCkL将各量纲代入幂指数形式有23323MMMLMLLLT KLLTT KT KT无量纲dabcefg32332MTKL无量纲a+b+c+ea cde- f-a-d-e- b c+de+ f +g032300320abceacdefadebcdefg确定 a、b、dcbdeadfbgab将其代入幂指数形式有常数abbdda dbabPhC kU L常数bdaPChLULkk与该过程相关的无量纲数为PChLULNu ,Re ,Prkk。可得：NufRe,Pr精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - -

27、- - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 3-14.水滴在空气中等速下降，若适用斯托克斯阻力定律，试求水滴半径及其下落速度。解：流动适用斯托克斯阻力定律，即为爬流，取其临界值1udRe=空气阻力大小由式（3-162 ）决定，根据水滴受力平衡，见习题3-14 附图，得33116662水ddgdgu联立求解21=18水udd - gu已知： 水=1000kg/m3，空气 =1.22kg/m3， =0.01813 10-3Pa s，代入上式求得53.95 10 m20.188m/dru=s3-17.

28、20的二乙基苯胺在内径D=3cm 的水平光滑圆管中流动，质量流率为1kg/s， 求所需单位管长的压降？已知 20时二乙基苯胺的密度为935 kg/m3、粘度为 1.95 10-3Pa s。解：圆管截面平均速度2211.51m/s9353 104WUA判别流动状态217212100湍流UDRe=由布拉休斯经验阻力定律式（3-184a）可得140.31640.0261Re则由式（ 3-175）得所需单位管长的压降221110.0261935 1.51927Pa20.032LPUD3-18.长度为 400m，内径为0.15m 的光滑管，输送25的水，压差为1700Pa，试求管内流量？解：由于无法判别

29、流动状态，所以先假设流动为湍流，有1420.316412UDLPUD求得3/41/ 47 /45/40.1582 LPUD查物性数据可得25的水： =997.0kg/m3， =0.9027 10-3Pa s，代入上式求得截面平均速度0.2387m / sU检验流动状态395452100湍流UDRe=习题 3-14 附图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 假设正确，则体积流率30.00422m /sV =UA质量流率=4.21kg/

30、sWV第四章习题解答4-5 20 的空气以均匀流速U=15 m/s平行于温度为100 的壁面流动。已知临界雷诺数Rxc=5105。求平板上层流段的长度，临界长度处流动边界层厚度 和热边界层厚度 T，局部对流传热系数xh和层流段的平均对流给热系数Lh 。( 已知: = 1.897 10 -5 m2/s ，k= 0.0289 W/m.K，Pr = 0.698 ) 解；4-6 温度为 20 、压力为 1atm 的空气，以 2m/s 的流速在一热平板表面上流过。平板的温度恒定为60，试计算距平板前缘0.2m 及 0.4m 两段长度上单位宽度的热交换速率。( 已知:5105Rexc,0.0258/kw

31、m K) 。解：4-7 空气 P=1atm ，T=20，以 U=10m/s的速度流过一平板壁面，平板宽度为0.5m，平板表面温度 Ts=50。试计算(1) 临界长度处的、t、xh；（2）层流边界层内平板壁面的传热速率；mmmmxmxmUULTxLCC68.4Pr15.4Re64. 4632.0632. 0105Re3151132220.6320.332Re Pr9.52/219.04/xxLxxmkhWmKxhhWmK113245220.2Re2.656 105 100.332Re Pr6.20/212.40/99.2xxxLxLxmUxkhW mKxhhWmKQh A TW113245220

32、.4Re5.312 105 100.332Re Pr4.39/28.78/141xxxLxLxmUxkhWmKxhhWmKQh A TW精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 12 页 - - - - - - - - - - （3）若将该平板旋转900, 试求与（ 2）相同传热面积时平板的传热速率。( 已 知特 性 温 度 下 的物 性参 数为 :=1.506 10-5 m2/s，k=0.0258W/m.K， Pr=0.703 ，5Re5 10cr ) 解：4-8 一发热速率 Q=0

33、.56W 的可控硅，通过边长 L=20mm 的正方形铝板单面散热， 20的空气以均匀流速 U=1.24m/s 沿壁面平行流动。设铝板温度均一，忽略边缘效应，求铝板温度。若铝板温度高于设计温度，应采取何措施？(已知空气 =1.50610-5 m2/s ，=0.0258W/m.K，Pr=0.703 ) 解：增大 U，h 增大 TW下降增大 A 1351/21/325 10Re0.7534.644.94Re5.56Pr0.332RePr7.15/()161.6LCCccTxxcsswxmUUxmmmmkhWm KxQh A TTW1132520.50.753Re3.32100.664Re Pr17.

34、55/()198.3LxLssWxmmxUkhWmKxQh A TTW层流113252Re1646.755 100.646Re Pr30.07/66.56LLLLWfWfLUlkhW mKLQh A TTQTTCh A精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 12 页 - - - - - - - - - - 文档编码：KDHSIBDSUFVBSUDHSIDHSIBF-SDSD587FCDCVDCJUH 欢迎下载 精美文档欢迎下载 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 12 页 - - - - - - - - - -