2022年食品工程原理习题集-终稿 .pdf
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1、配套学习指导书食品工程原理习题精解编写计划2.2 编写原则习题精解按食品工程原理教材的章序编写,每章包括:概念和公式提要不是简单罗列, 而应予以 系统化,同时给出本章的学习重点和难点。习题精解选取涵盖本章主要内容的代表性习题予以精解,每题解题步骤详尽,并教授解题 方法和技巧 ,指出 易犯毛病 。选题数约为授课学时的2 倍。章末习题解题思路对修订版食品工程原理 教材中的章末习题给出解题思路和答案,不予详解,帮助学生自主学习,做好课外作业。不予详解是为了防止助长学生抄袭之风。第 1 章 流体流动本章主要讨论有关流体静止和运动两种状态的基本规律,要求熟练掌握静力学方程式、连续性方程式、 机械能衡算方
2、程式的内容和应用, 在此基础上对压差、流量测量,以及管路、输送设备功率等进行计算。1.1 概念和公式提要压力的表示方法工程上常使用绝对压力、 表压和真空度表示压力, 后两者实质上是相对压力。绝对压力是以绝对零压为基准测得的压力,用Pab表示;表压常用于被测流体的绝对压力大于外界大气压Pa的情况, 用 Pg表示, 二者的关系为表压Pg= PabPa;真空度用于被测流体的绝对压力小于外界大气压的情况,用 Pvm表示,二者的关系为真空度Pvm= PaPab。压力的几种表示方法在本章中经常用到,而且选用不同压力表示方法对求解过程的简化程度不同,应予以注意。流体静力学流体静力学研究重力场中平衡流体的力学
3、规律及其应用,其基本规律用流体静力学方程描述,如式1-1 所示,主要应用于压力、液位等的测量方面。Pa1-1 式中: p1、p21、2 两截面处的压力; gz1、 gz21、2 两截面处的重力势能,又称为位能,对应p1、p2称为静压能。方程 11 说明在重力场中,静压能和位能之和到处相等,即总能量守恒,如式 1-2 。Pa1-2 流体静力学方程还可以写为式1-3 和 1-4 所示的形式:单位质量流体的能量J/Kg 1-3 1212ppz gz gcpgz1122pgzpgz精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 25 页单位重量
4、流体的能量 压头形式:m1-4 由流体静力学方程可以得到,在静止的、连续、均匀的同种流体内,处于同一水平面上的各点其压力处处相等,压力相等的平面称为等压面,因此,在重力场中, 等压面为相互平行的水平面。 等压面的概念是求解流体静力学问题的关键,应予以高度重视。流体动力学流体动力学研究流体流动时的力学规律及其应用,其流动规律为能量守恒规律,用柏努利方程描述, 应用主要包括管路设计计算、输送机械的有关计算和选型等。1. 流量和流速表征流体流动的参数有流量和流速,其中流量又包括体积流量和质量流量。流速中有一个较为重要的概念是常用流速,亦称为经济流速或适宜流速。 经济流速是依据管路设备投资和输送能量损
5、失之和为最小确定的,选定经济流速后即可进行管路直径的设计,该概念在食品工厂设计课程的管路设计中还会用到。常见流体的常用流速见表1-1 。表 1-1 某些流体在管内的常用流速范围流体类别使用条件流速范围 /m/s水和一般流体泵出口0.51 黏性流体泵出口或管路泵进口泵出口或管路1.53 一般气体管路常压1020 高压气体管路1525 水蒸气管路压力105Pa管路压力105Pa2040 4060 2.稳定流动和不稳定流动假设流动系统中各截面上的流速、压力和密度等物理量仅随位置变化,而不随时间变化, 这种流动称为稳定流动; 假设流体在各截面上的有关物理量既随位置变化,又随时间变化即称为不稳定流动,本
6、章主要讨论稳定流动情况。3. 连续性方程连续性方程实质描述的是物料衡算问题,在稳定流动系统中, 对任意两截面的物料进行衡算,如图1-1 ,可得式 15:2211zgpzgp精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 25 页15 亦即16 推广至任意截面,则有:17 对于不可压缩流体,则:18 图 11 连续性方程推导示意图4. 柏努利方程柏努利方程是流体动力学的关键方程,描述流体流动过程中的能量守恒规律,假设取流动流体的两个截面图12 ,则在两个截面间柏努利方程的基本表达式为图 12 柏努利方程的推导示意图J19 式中: E1、E
7、2流体流经截面 1 和 2 时的热力学能, J;W在截面 1 和截面 2 之间输送机械对流体所做功量,J。此外,柏努利方程还有另外的表达形式:1以单位质量流体为基准的能量表达式J/Kg 110 2以单位重量流体为基准的压头表达式m121mmqq222111AuAu常数uAAuAuqm222111221211221122fppzuhzuHgggg221211122222p mp mmmmz guEWmz guE221211221122fppz guwz guh1122vu Au Aq常数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 25
8、 页11 3以单位体积流体为基准Pa112 注意:伯努利方程在选取的两个截面之间进行能量衡算,同时还要用到基准面的概念,如图12 中的 00 截面,两个恒算截面和基准面的选取与解题的难易程度有关,因此应该正确选取截面和基准面。一般依照以下几点进行:衡算截面要垂直于流体流动方向;对于大的储槽, 由于其截面与管道截面相比很大,因而储槽内液面的升降速度, 亦即流速的大小与管道流速相比很小,故可近似认为流速为0;基准面一般选在计算范围的最低水平面上,这样可使各计算截面的位能均为正值或0,从而有利于计算。5. 黏性和黏度流体受到剪应力作用时有产生抵抗变形的能力,这一特性称为流体的黏性,亦称为内摩擦, 其
9、大小用黏度进行度量。 流体的黏性是流体流动过程中产生能量损失的主要原因, 假设流体无黏性则称为理想流体,理想流体在流动过程中不会由于内摩擦而产生能量损失。黏度的定义式如式1-13 所示:113 黏度的物理意义为单位速度梯度时,单位面积上产生的内摩擦力剪应力的大小。6. 流体的流动型态和雷诺准数流体流动过程产生的内摩擦力随流体的流动型态不同而变化,因此不同的流动型态产生的能量损失不同。 流体的流动型态可以分为层流、 湍流和介于二者之间的过渡流三种,流体的流动型态由雷诺准数Re 判定,其定义式如 114 所示。114 当 Re2000 时,流体流动型态属于层流;当 Re4000 时,流体流动型态属
10、于湍流;当 2000 Re4000 时,流体流动型态属于过渡流,该范围流动型态不稳定,主要与外界条件有关。7. 流体在圆管内的速度分布层流时, 流体的流速沿管中心方向呈旋转抛物面分布,管中心具有最大流速,fppugzwpugz222212112121duduRev ( PaS )/du dy?精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 25 页此时的平均流速为最大流速的一半;湍流时,流速沿管中心方向的旋转抛物面顶部变的平坦, 在管中心一定区域内流速均到达最大,此时的平均流速近似为最大流速的 0.82 倍。8. 流动阻力由于流体具有黏
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