《化工原理》习题集

第一章 流体与流体中的传递现象

1-1从力学角度来看，固体和流体、液体和气体的主要区别是什么？

1-2设稀薄气体的分子自由程是几米的数量级，问下列两种情况连续介质假设是否成立？

（1）人造卫星在飞离大气层进入稀薄气体层时； （2）假想地球在这样的稀薄气体中运动。

1-3指出下列作用在流体上的力中，哪些是体积力，哪些是面力？

电磁力，重力，惯性力，静压力，固体边界作用于流体的力，粘性力。 1-4粘性流体的流动型态有几种？如何判别？ 1-5从时间和空间来判别下列运动属什么类型。

（1）ux=cy，uy=uz=0； （2）ux=cx，uy=-cy，uz=cxy； （3）ux=yzt，uy=zxt，uz=0；

（4）ur=2k(t)cos?/r3，u?=k(t)sin?/r3，u?=0。

1-6流体在园管中流动时，“进口段”与“流动已充分发展”的含义是什么？在什么情况下充分发展后的

流动为层流，又在什么情况下充分发展后的流动为湍流？ 1-7比较三种扩散现象的类似性。

1-8扩散定律前面的负号的物理意义是什么？

1-9粘性流体在静止时有没有剪应力？理想流体在运动时有没有剪应力？若流体静止时没有剪应力，那么

它们是不是都没有粘性？

1-10试分析理想流体与静止流体内部应力的特点。

1-11流线和迹线有什么区别？流体作定常流动，流线与迹线是否重合？流体作非定常流动，流线与迹线

是否重合？为什么？

1-12陨星下坠时在天空划过的白线是什么线？烟囱里冒出的烟是什么线？ 1-13设u≠0，说明 Du/Dt=0，?u/?t=0，(u??)u=0的物理意义。

第二章 传递过程基本方程

2-1一搅拌槽中原盛有浓度为60%（质量%，下同）的盐水2000kg。今以2kg/s的质量流率向槽中加入0.25%

的盐水，同时以1.2kg/s的质量流率由槽中排出混合后的溶液。设槽中溶液充分混合。求槽中溶液浓度降至1%时所需要的时间。（总质量衡算，分别按无化学反应和有化学反应考虑） 2-2在下述情况下简化连续性方程，并指出简化过程的依据。（连续）

（1）不可压缩流体在重力作用下沿倾斜平板壁面作二维稳态流动；

（2）不可压缩流体在水平园管中作轴对称的稳态流动（进口段与充分发展）； （3）不可压缩流体作球心对称的稳态流动；

（4）不可压缩流体在两水平的平行平板间的稳态流动。 2-3下述不可压缩流体的运动可否存在。（连续）

（1）u=xi+yj+zk； （2）u=yzti+xztj+xytk；

（3）ux=2x2+y，uy=2y2+z，uz=-4(x+y)z+xy； （4）ux=-2x，uy=x+z，uz=2(x+y)。

2-4一不可压缩流体的流动，x方向的速度分量是ux=ax2+by，z方向的速度分量为零，求y方向的速度分

量uy，其中a与b为常数。已知y=0时uy=0。（连续）

2-5加速度向量可表为Du/Dt，试写出直角坐标系中加速度分量的表达式，并指出何者为局部加速度项，

何者为对流加速度项。（随体）

2-6已知成都和拉萨两地的平均大气压强分别为0.095MPa和0.062MPa。现有一设备需保持设备内绝对压

强为3.0kPa。问这一设备若置于成都和拉萨两地，表上读数分别应为多少？

2-7用如附图所示的U型管压差计测定反应器内气体在A点处的压强以及通过催化剂层的压强降。在某

气速下测得R1为750mmH2O，R2为80mmH2g，R3为40mmH2O，试求上述值。

2-8如附图所示，倾斜微压差计由直径为D的贮液器和直径为d的倾斜管组成。若被测流体密度为ρ，指

示液密度为ρ0，试导出用R1表示的压强差计算式。如倾角α为300时，若要忽略贮液器内的液面高度h的变化，而测量误差又不得超过0.1%时，试确定D/d比值至少应为多少？

2-9一水箱用如附图所示的锥阀封水，锥阀底直径为0.5m，高为0.6m，阀重50kg。当水位达1.5m时，

要求阀启动泄水，问外配锤重w应为多少？

p1p2B催化剂R3hR1RW?0DdR1AR2?0.6m

??0.5m

习题2-7 附图

向量。（随体）

习题2-8 附图

习题2-9 附图

2-10某流场可用下述速度向量式表达：u（x，y，z，t）=xyzi+yj-3ztk。试求点（2，1，2，1）处的加速度2-11国际标准大气压取海平面为基准（z=0）。基准面上的物理量取为：t0=288K，p0=101300Pa，

?0=1.225kg/m3。从海平面一直到11公里的高空是对流层。对流层中温度与高度的关系可用下式表示：

T=T0-?z，其中T0=288K，?=0.0065度/米。11公里以上认为是温度不变（216.5K）的同温层。试分别求出对流层及同温层内压力、密度和高度的依赖关系。可认为重力加速度为一恒量。（静） 2-12不可压缩粘性流体在两无限大平行平板间作稳态层流，试推导其速度分布、截面上的平均流速、壁

面处的剪切力。（运动）

2-13不可压缩流体在两根同心的套管环隙间作轴对称的稳态层流，试导出其速度分布，截面上的平均流

速，体积流量，壁面处的剪切力。（运动）

2-14不可压缩粘性流体在重力作用下，沿内径为R的圆筒内壁面向下流动。设流动是定常的平行直线运

动，流体厚度为?。求流体速度分布、流量、平均流速、最大流速及作用在圆筒内壁面上的摩擦力（忽略端效应）。（运动）

2-15具有等深度a的两层不相混合的不可压缩流体，在两个固定的水平板间作稳态层流，如图所示。上

层流体的粘度和密度为?1和?1，下层流体的粘度和密度为?2和?2。压强梯度为?p/?x且与x和z无关。求平板间的速度分布u=f(z)。（注意在交界面上速度的大小是单值的，而且切应力?zx也是单值的）。（运动）

2-16温度为20?C的水，以2kg/h的质量流率流过内径为10mm的水平园管，试求算流动充分发展以后：

（1）流体在管截面中心处的流速和剪应力； （2）流体在壁面距中心半距离处的流速和剪应力； （3）壁面处的剪应力。

2-17一虹吸管放于水桶中，其位置如图所示。如果水桶和虹吸管的截面积分别为A和B，且A>>B，试

计算虹吸管的流量。水看作是不可压缩理想流体，且受重力作用，运动是定常的。（柏）

2-18有一大桶内装有液体，液面距底面高为h。问在桶侧壁什么位置处开出流小空，流体射柱的射程最远？

zxaauh

h习题2-15 附图 习题2-17 附图 习题2-18 附图

2-19水以湍流形式流过一直径相等的90?弯管，该管垂直放置。入口处的压力为p1、平均流速为u1，出

口压力为p2、平均流速为u2。求水流对弯管的作用力。（动量）

2-20水从供水管流入水箱，再经水平管流出，如图所示。流入与流出的流量相同。箱中水面保持在离水

管中心线以上距离h处。箱中各处流速与管中流速相比均可约而不计。水箱与水管出口之间的阻力损失为hf。（1）求流量V（用h、A与hf表示）；（2）如要保持水箱不动，需多大的水平推力Fx？（柏，动量）

zFx

习题2-19 附图

习题2-20 附图

h

2-21温度为20?C的水稳态流过内径为25mm的镀锌管，流动已充分发展。试求算下述两种质量流率下的

阻力损失：（1）120kg/h；（2）1200kg/h。（直管阻力）

2-22一钢球（?=7800kg/m3）直径为0.254mm，在水温为25?C的水箱中降落，达到稳定的沉降速度为

8.08cm/s。如果一个钢球在温度为25?C的甘油中降落，速度达到8.08cm/s（什么速度？）。假定两种情况下球体周围的流动是动力相似的，钢球直径应为多少？（相似准则） 2-23管流中热充分发展的含义是什么？热充分发展与流动充分发展有何不同？

2-24试由柱坐标形式的能量方程出发，导出不可压缩流体在园管内进行稳态轴对称对流传热时，流动进

口段的能量方程。（能量）

2-25温度为310.9K的油以0.0126kg/s的质量流率流过内径25.4mm的铜管，管长6.1m。通过在管外冷凝

水蒸汽使管内壁温度保持在374.8K。假定在整个管长上管内流动都是充分发展的，油的物理性质可认为不变，其值如下：Cp=2050J?kg-1?K-1，?=881kg?m-3，?=5.87X10-4Pa?s，k=0.143W?m-1?K-1。试计算：

（1）Re；（2）Pr；（3）油的出口温度。（园管内的对流传热，层流）

2-26在长度为5m，内径为54mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为175kg/s?m2。苯在定性温度下的物

性数据为：?=0.49cP；k=0.14W/m?K；Cp=1.8kJ/kg?K。试求苯对管壁的给热系数。（对流传热，湍流） 2-27一根具有圆形截面的导线，半径为R，电阻率为?。通过此导线的电流密度为I，导线表面温度为T0。

试导出截面温度分布和最大温度。（有内热源的稳态导热）

2-28有一半径为R的热圆球悬浮在大量的静止流体中，球表面温度为T0，远离球的流体温度为T?。试确

定稳态时：（1）周围流体的温度分布；（2）球表面与流体间的传热膜系数及鲁塞尔特数Nu。（稳态导热）

2-29有一厚度为L的固体大平板，其初始温度为t0，自某时刻起，突然将其两个侧面（哪两个侧面？最

好给个图）的温度升至ts，并维持不变。试由普遍化的能量方程简化成上述情况下的导热方程，并写出定解条件。设导热只沿垂直于侧面的方向进行。（一维不稳态导热）

2-30试证明由A、B两组分组成的双组分系统中，在一般情况下进行分子扩散时（有主体流动，且NA≠NB），在总浓度C恒定的条件下，DAB=DBA。（传质）

2-31在一细管中，底部水在恒定温度298K下向干空气中蒸发。干空气压力为0.1MPa、温度亦为298K。

水蒸汽在管内的扩散距离（油液面至管顶部）△z=20cm。在0.1MPa和298K时，水蒸汽在空气中的扩散系数DAB=2.50X10-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸汽的摩尔通量、传质分系数及浓度分布。（一维稳态扩散）

2-32将温度为298K、压力为1.0atm的He和N2的混合气体装在一根直径为5mm、长度为0.1m的管中进

行等摩尔反向扩散。已知管子两端He的分压分别（保持）为0.06atm和0.02atm，在上述条件下的扩散系数DHe-N2=0.687 X10-4m2/s，式计算：（1）He和N2的扩散通量；（2）传质分系数；（3）在管中点截面上He和N2的分压。（等摩尔反向扩散）

2-33在总压为2.0atm下，组分A由湿表面向大量的、流动的不扩散气体B中进行质量传递。已知界面上

A的分压为0.20atm，在传质方向上一定距离处可近似地认为A的分压为零。已测得A和B在等分子方向扩散时的传质系数ky0=6.78X10-5kmol/m2?s(△y)。求传质系数ky、kg及传质通量NA。（传质系数） 2-34在直径为25mm、长度为6m的园管内壁面上有一薄层水膜，将30℃、1atm的空气以0.5 m/s的速度

吹入管内，试计算传质系数、出口浓度和传质速率。由于在空气中水分的分压很低，气体的物性可以近似的采用空气的物性值。（管内层流传质）