《2022年材料加工冶金传输原理习题答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年材料加工冶金传输原理习题答案.docx（52页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选学习资料 - - - - - - - - - 第一章 流体的主要物理性质1-1 何谓流体,流体具有哪些物理性质？答：流体是指没有固定的外形、易于流淌的物质；它包括液体和气体；流体的主要物理性质有：密度、重度、比体积压缩性和膨胀性；1-2 某种液体的密度=900 Kg m3,试求教重度y 和质量体积v；解：由液体密度、重度和质量体积的关系知：Gg9009 .88820N/m32MN m2时体积为995cm3,当压强为1MN V质量体积为10 .001 m 3 kg某种可压缩液体在圆柱形容器中,当压强为m2 时体积为 1000 cm3,问它的等温压缩率kT 为多少 . 解：等温压缩率 KT 公
2、式 2-1: K T 1 VV P T V=995-1000=-5*10-6m 3留意： P=2-1=1MN/m2=1*10 6Pa 将 V=1000cm3代入即可得到 KT=5*10-9Pa-1；留意：式中 V 是指液体变化前的体积如图 1.5 所示,在相距 h0.06m 的两个固定平行乎板中间放置另一块薄板,在薄板的上下分别放有不同粘度的油,并且一种油的粘度是另一种油的粘度的 2 倍；当薄板以匀速 v0.3m/s 被拖动时,每平方米受合力 F=29N ,求两种油的粘度各是多少. 解：流体匀速稳固流淌时流体对板面产生的粘性阻力力为yxF0AY平板受到上下油面的阻力之和与施加的力平稳,即F合1
3、h02h060/2/2h其次章流体静力学吉泽升版2-1 作用在流体上的力有哪两类,各有什么特点 . 解:作用在流体上的力分为质量力和外表力两种；质量力是作用在流体内部任何质点上的力,名师归纳总结 大小与质量成正比,由加速度产生, 与质点外的流体无关；而外表力是指作用在流体外表上第 1 页,共 30 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 的力,大小与面积成正比,由与流体接触的相邻流体或固体的作用而产生；2-2 什么是流体的静压强,静止流体中压强的分布规律如何 . 解： 流体静压强指单位面积上流体的静压力；静止流体中任意一点的静压强值只由该店坐标位置打算,是
4、等值的；即作用于一点的各个方向的静压强2-3 写出流体静力学基本方程式,并说明其能量意义和几何意义；解:流体静力学基本方程为：Z 1P 1Z2P 2或PP 0ghP 0h能和比压强但比位同一静止液体中单位重量液体的比位能可以不等, 比压强也可以不等,可以互换,比势能总是相等的；2-4 如图 2-22 所示,一圆柱体 F520N 的作用下压进容器中,测压管中水柱高度 H. d0.1m,质量 M 50kg在外力 当 h=0.5m 时到达平稳状态； 求解：由平稳状态可知：（F mg2 g H h d / 2 代入数据得 H=12.62m 盛水容器外形如图 2.23 所示；已知 hl0.9m,h20.
5、4m,h31.1m,h40.75m,h51.33m；求各点的表压强；解：表压强是指：实际压强与大气压强的差值；P 1 0 Pa P 2 P 1 g h 1 h 2 4900 Pa P 3 P 1 g h 3 h 1 1960 Pa P 4 P 3 1960 Pa P 5 P 4 g h 5 h 4 7644 Pa 2-6 两个容器 A、B 布满水,高度差为 a0 为测量它们之间的压强差,用顶部布满油的倒 U 形管将两容器相连,如图 2.24 所示；已知油的密度 油=900kg m3,h0.1m,a0.1m；求两容器中的压强差；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 30 页精选
6、学习资料 - - - - - - - - - 解：记 AB 中心高度差为a,连接器油面高度差为h,B 球中心与油面高度差为b；由流体静力学公式知：P 2 水 g h P 4 油 gh Fd 32 gh FD 222 2PA P 2 水 g（a bPB P 4 水 gbP P A P B P 2 P 4 水 ga 1079 . 1 Pa2-8 一水压机如图 2.26 所示；已知大活塞直径 D 11.785cm,小活塞直径 d=5cm ,杠杆臂长 a 15cm,b7.5cm,活塞高度差 h1m；当施力 F198N 时,求大活塞所能克服的载荷 F2；解：由杠杆原理知小活塞上受的力为 F3：F3 b
7、F a由流体静力学公式知：F 322ghF 222d/D/F22-10 水池的侧壁上,装有一根直径d0.6m 的圆管,圆管内口切成a45 的倾角,并在这切口上装了一块可以绕上端铰链旋转的盖板,h=2m,如图 2.28 所示；假如不计盖板自重以及盖板与铰链间的摩擦力,问开起盖板的力 T 为假设干 .椭圆形面积的 JC= a3b/4 解：建立如下图坐标系 oxy,o 点在自由液面上,y 轴沿着盖板壁面斜向下,盖板面为椭圆面,在面上取微元面 dA,纵坐标为 y,淹深为h=y * sin ,微元面受力为dFghdAgysind A板受到的总压力为Fd Fgsinyd Agsiny cAh cAAAhc
8、=d/2+h 0=2.3m,y c=a+h 0/sin45盖板中心在液面下的高度为盖板受的静止液体压力为F= hcA=9810*2.3* ab 压力中心距铰链轴的距离为：ly cJch0d1a3a b4h 0ab0 . 44y cAsin452sin45sin45X=d=0.6m, 由理论力学平稳理论知,即：MFlTx0当闸门刚刚转动时, 力 F 和 T 对铰链的力矩代数和为零,名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 故2-14 有如图 2.32 所示的曲管AOB ；OB 段长 L1 0.3m,AOB=45 ,AO 垂直
9、放置, B 端封闭,管中盛水, 其液面到 O 点的距离 L20.23m,此管绕 AO 轴旋转；问转速为多少时,B 点的压强与 O 点的压强相同.OB 段中最低的压强是多少 .位于何处 . 解：盛有液体的圆筒形容器绕其中心轴以等角速度 旋转时,其管内相对静止液体压强分布为：PP 02r2z2以 A 点为原点, OA 为 Z 轴建立坐标系O 点处面压强为P 0P agl2,ZgZcos 45L 2B 处的面压强为P BP a2r22其中： Pa为大气压；rL 1 s in45L 1当 PB=PO 时OB 中的任意一点的压强为PP a2 r2g rL 2rg2对上式求 P 对 r 的一阶导数并另其为
10、0 得到,2即 OB 中压强最低点距O 处Lrsin450.15m代入数据得最低压强为Pmin=103060Pa 第三章习题吉泽升版已知某流场速度分布为u xx,2uy3y,u zz,试求过点 3,1, 4的流线；3解：由此流场速度分布可知该流场为稳固流,流线与迹线重合,此流场流线微分方程为：名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 即：求解微分方程得过点3,1,4的流线方程为：x 3x23y13cosy试判定以下平面流场是否连续. uxz33y1siny ,u y3 x解 ： 由 不 可 压 缩 流 体 流 动 的 空
11、间 连 续 性 方 程 3-19 , 20 知 ：,xxyy32 xsiny3 3 xsiny32 x1xsiny当 x=0 ,1,或 y=k k=0 ,1,2, 时连续；三段管路串联如图 3.27 所示,直径 d1=100 cm,d2=50cm, d325cm,已知断面平均速度 v310m/s,求 v1,v2,和质量流量 流体为水 ；解：可压缩流体稳固流时沿程质量流保持不变,Q vA v 1 A 1 v 2 A 2 v 3 A 3故：v 1 v 3A A1 3 0 . 625 m / sv 2 v 3 A 3 2 . 5 m/sA 2质量流量为：M . Q 水 v 3 A 3 490 Kg
12、/ s水从铅直圆管向下流出,如图 3.28 所示；已知管直径 d110 cm,管口处的水流速度vI1.8m/s,试求管口下方h2m 处的水流速度v2,和直径d2；解：以下出口为基准面,不计缺失,建立上出口和下出口面伯努名师归纳总结 利方程：hP av 120P av 22第 5 页,共 30 页2g2g- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 由v 1A 1v 2A 2水箱侧壁接出始终径 D 0.15m 的管路,如 图 3.29 所示；已知 h12.1m,h2=3.0m,不计任何缺失, 求以下两种情形下 A 的压强；1 管 路 末 端 安 一 喷 嘴 , 出
13、口 直 径 d=0.075m；2管路末端没有喷嘴；解：以 A 面为基准面建立水平面和A 面的伯努利方程：h 1P AD0P a00P Av a222g以 B 面为基准,建立A,B 面伯努利方程：h 2Dv a2v b2P a1当下端接喷嘴时,v aA av bA b22g2g解得 va=2.54m/s, 2当下端不接喷嘴时,vav b如图 3.30 所示,用毕托管测量气体管道轴 线上的流速 Umax,毕托管与倾斜 酒精 微 压计相连；已知 d=200mm ,sin =0.2,L=75mm ,酒精密度 1=800kgm3,气体密度 23；Umax=1.2vv 为平均速度,求气体质量流量；解：此装
14、置由毕托管和测压管组合而成,过 AB 两点的断面建立伯努利方程有：沿轴线取两点, A 总压测点,测静压点为 B,名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - ZBP Bv max2ZAP AvA2气2g气2g其中 ZA=ZB, vA=0, 此时 A 点测得的是总压记为 PA*,静压为 PB 不计水头缺失,化简得P A*-P B1气vmax2gLcos a2由测压管知：P A*-P B酒精气由于气体密度相对于酒精很小,可忽视不计；由此可得v max2gL1cosa2气体质量流量 : M 2 v A 2 v maxA1 2.如 图
15、 3.32 所 示 , 一 变 直 径 的 管 段 AB , 直 径dA=0.2m ,dB=0.4m ,高差 h=1.0m,用压强表测得 PA7x104Pa,PB4x104Pa,用流量计测得管中流量 Q=12m3/min ,试判定水在管段中流淌的方向,并求缺失水头；解:由于水在管道内流淌具有粘性,沿着流向总水头必定降低,故比较 A 和 B 点总水头可知管内水的流淌方向；vaAav bA bQ12m3/s /s60HAv a6.366m/s ,vb1.592mP Av a209 . 2 m2gHBhP Bv b25 . 2 m2 g即：管内水由 A 向 B 流淌；以过 A 的过水断面为基准,建立
16、A 到 B 的伯努利方程有：名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 0P Av a2hP Bv b2h w2g2 g代入数据得,水头缺失为 hw=4m 第四章吉泽升版4.1 已知管径 d150 mm,流量 Q15L/s ,液体温度为 10 ,其运动粘度系数 2/s；试确定： 1在此温度下的流淌状态；2在此温度下的临界速度；3假设过流面积改为面积相等的正方形管道,就其流淌状态如何 . 解： 流体平均速度为：雷诺数为：故此温度下处在不稳固状态；因此,由不稳固区向湍流转变临界速度为：由不稳固区向层流转变临界速度为：假设为正方形
17、就故为湍流状态；4.2 温度 T=5的水在直径d100mm 的管中流淌,体积流量Q=15L/s ,问管中水流处于什么运动状态 . 解：由题意知：水的平均流速为：查附录运算得 T=5 的水动力粘度为依据雷诺数公式故为湍流；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.3 温度 T=15,运动粘度 2/s 的水,在直径 d=2cm 的管中流淌, 测得流速 v=8cm/s,问水流处于什么状态.如要转变其运动,可以实行哪些方法. 解：由题意知：故为层流；上升温度或增大管径d 均可增大雷诺数,从而转变运动状态；3 的重油,其重量流量
18、G,求4.5 在长度 L=10000m 、直径 d=300mm 的管路中输送重油温分别为10 =25cm 2/s和 402/s时的水头缺失解：由题知：油温为 10时40时某一送风管道 钢管, =0.2mm 长 l=30m ,直径 d=750 mm,在温度 T=20 的情形下,送风量 Q=30000m3/h；问： 1此风管中的沿程缺失为假设干.2使用一段时间后,其肯定粗糙度增加到,其沿程缺失又为假设干.T=20时,空气的运动粘度系数=2/s 解：1由题意知：由于 Re3.29*105,故名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - -
19、- 2：同 1有1.741lgd20.0223 的石油已测得流量3/s；假如冬季时2直径 d=200m ,长度 l=300m 的新铸铁管、输送重度油的运动粘性系数12/s,夏季时 22/s,问在冬季和夏季中,此输油管路中的水头缺失h1 各为假设干 . 解：由题意知冬季同理,夏季有由于名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由布拉休斯公式知：第五章 边界层理论流体在圆管中流淌时, “ 流淌已经充分进展” 的含义是什么？在什么条件下会发生充分进展了的层流,又在什么条件下会发生充分进展了的湍流？答： 流体在圆管中流淌时,由于
20、流体粘性作用截面上的速度分布不断变化,直至离管口一定距离后不再转变；进口段内有进展着的流淌,边界层厚度沿管长逐步增加,仅靠固体壁面形成速度梯度较大的稳固边界层,在边界层之外的无粘性流区域逐步减小,直至消逝后, 便形成了充分进展的流淌；当流进长度不是很长l=0.065dRe ,Rex 小于 Recr时为充分进展的层流；随着流进尺寸的进一步增加至 l=25-40d 左右,使得 Rex 大于 Recr 时为充分进展的湍流3常压下温度为 30 的空气以 10m/s 的速度流过一光滑平板外表,设临界雷诺数Recr=3.2*10 5,试判定距离平板前缘 0.4m 及 0.8m 两处的边界层是层流边界层仍是
21、湍流边界层？求出层流边界层相应点处的边界层厚度解： 由题意临界雷诺数知对应的厚度为 x,就Re cr v o x 10 x6 3 . 2 10 516 10x 0 . 512 mA 点处（0 . 4 m）是层流,B 点处（0 . 8 m）是湍流层流边界层处雷诺数为：R e x v 0 x 10 * 0 . 46 2 . 5 * 10 516 * 10故,边界层厚度为：4 .64x4.6450.43. 712103m0.1m,Rex2 .5104.常压下,20的空气以10m/s 的速度流过一平板, 试用布拉修斯解求距平板前缘vx/v =0 处的 y,v x,v y,及 avx/y ReVx100
22、 .166 .641042105故为层流边界层15.0610名师归纳总结 又由Vx0而VV 0就V x0Vy,0y0第 11 页,共 30 页V- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 由速度分布与边界层厚度的关系知：再由Vx3y1y30y0 或y3（舍去）94103mmV 022由布拉修斯解知5.0x5 .01.5061050 .11 .V 010Vxy03V 013101. 9411037. 73103s1y220.5m 宽为 0.15m 的 =0.73Pa s、 =925Kg/m3 的油,以 0.6m/s 速度平行地流过一块长为5光滑平板,求出边界层最大
23、厚度、摩擦阻力系数及平板所受的阻力解：1由题意知：Re（xL v 0L0 . 60 5.925380 , 故为层流0 . 73.464x.4640 5.0 . 119 mmaxRex380Cf1 . 328v 0L0 . 066S.0646v 03B2L0 . 83第七章相像原理与量纲分析1.用抱负流体的伯努利方程式,以相像转换法导出2Fr 数和 Eu 数1解： 抱负流体的伯努利方程：z 1p 12 v 1z 2p 2v222g2g实际系统：z 1p1v 12z2p2v 222g2g模型系统：z 1p1v 12z2p2v 222g2g做相像变换得名师归纳总结 z 1z 2llCv 1v2C v
24、第 12 页,共 30 页z 1z 2lv 1v 2- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - p 1p 2CpgCCgp 1p2ggCgCClz 2Cpp 2CCv2 v22C l1、g代入 2式得C lz 1Cpp 1Cv2v 12CCg2gCgCCg2gCgCgC2上 式 的 各 项 组 合 数 群 必 须 相 等 , 即 ：ClpvCCgCgC2Cp21vCC v所以, 所以将上述相像变换代入上式得到弗劳德数和欧拉数得：gl2gl2（glrF、p2p2E uvv）2 vvv3.设圆管中粘性流淌的管壁切应力 与管径d,粗糙度 ,流体密度 ,黏度 ,流速有关
25、 ,试用量纲分析法求出它们的关系式解法一： 设有关物理量关系式为：f,d,v 0, 其中0abDcdVe量纲关系ML1 T2ML1aM1 T1bLcLdT1e1abb1a13 abcdecad12beea1因此,0a1aDad1dVa1V2=ddV2e Ra1=fR e,dV2=dvaddDv解法二 ：由关系式知 ：f,d,v 0挑选 d, V 为基本物理量,就,均可由它们表示,由此得到三个无量纲参数名师归纳总结 1dab VcLM-1 LT21cl第 13 页,共 30 页aML3bLT2dmn VlLM-1 L T11LTmML3n- - - - - - -精选学习资料 - - - - -
26、 - - - - 3dxy VzLxMLTyLT1z3所以1dv212dVRe3由此可得准数方程：fR e,dV25用孔板测流量；管路直径为d,流体密度为 ,运动粘性系数为 ,流体经过孔板时的速度为 v,孔板前后的压力差为p；试用量纲分析法导出流量Q 的表达式；dQv解：物理量之间的关系fQ,d,V,p0挑选 d,V 为基本物理量,就1daQVcLaMTb1LT1c,对 M,1=b bML3a2对 T ,-1=-C b112c1对 L ,0=a-3b+c 名师归纳总结 2dmn VlL2 LT11l,01nll2dV第 14 页,共 30 页nLT2mmML33pLML1 T2zLT1dxyV
27、zxML3y对 M,1=y - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 对 L ,-1=x-3y+zx03pEuy1V2z2对 T , -2=-z VfEu,dVEu,1d2V可得准数方程dQ2所以,QfEu,dVd2VfR e第八章热量传递的基本概念2当铸件在砂型中冷却凝固时,由于铸件收缩导致铸件外表与砂型间产愤怒隙,气隙中的 空气是停滞的,试问通过气隙有哪几种基本的热量传递方式？答：热传导、辐射；注：无对流换热3在你所明白的导热现象中,试列举一维、多维温度场实例；答：工程上很多的导热现象,可以归结为温度仅沿一个方向变化,而且与时间无关的一维稳态导热现象；例,
28、大平板、长圆筒和球壁；此外仍有半无限大物体,如铸造时砂型的受热升温砂型 外侧未被升温涉及多维温度场：有限长度的圆柱体、平行六面体等,如钢锭加热,焊接厚平板时热源传 热过程；4假设在两小时内,通过152mm 152mm 13mm厚度试验板传导的热量为837J,实验板两个平面的温度分别为19和 26,求试验板热导率；解：由傅里叶定律可知两小时内通过面积为152 152mm2的平面的热量为QAdTtATtdxx2623600873=-1521031521031913103得9.34103W/m0C导 热第九章名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 30 页精选学习资料 - - -
29、- - - - - - 1. 对正在凝固的铸件来说,其凝固成固体部分的两侧分别为砂型无气隙及固液分界面,试列出两侧的边界条件；解：有砂型的一侧热流密度为常数,故为其次类边界条件,即 0 时Tqx,y,z,t故为第一类边界条件,即n固液界面处的边界温度为常数, 0 时w=f 注：实际铸件凝固时有气隙形成,边界条件复杂,常采纳第三类边界条件3. 用一平底锅烧开水,锅底已有厚度为 3mm 的水垢,其热导率 为 1W/m ；已知与水相接触的水垢层外表温度为 111 ；通过锅底的热流密度 q 为 42400W/m2,试求金属锅底的最高温度；解：热量从金属锅底通过水垢向水传导的过程可看成单层壁导热,由公式
30、9-11知3T q 42400 3 10 127 . 2 0C1T t 1 t 2 t 1 111,得 1t =238.24. 有一厚度为 20mm 的平面墙,其热导率 为 1.3W/m ；为使墙的每平方米热缺失不超过 1500W,在外侧外表掩盖了一层 为 0.1 W/m 的隔热材料,已知复合壁两侧外表温度分布 750 和 55 ,试确定隔热层的厚度；解：由多层壁平板导热热流密度运算公式9-14知每平方米墙的热缺失为T 1T 2150075055150080mm 的石棉隔120.022121 .30.1得244 .8 mm6. 冲天炉热风管道的内/外直径分别为160mm 和 170mm,管外掩
31、盖厚度为热层,管壁和石棉的热导率分别为 度为 240 ,石棉层外表温度为1=58.2W/m ,2=0.116W/m ；已知管道内外表温 40 ,求每米长管道的热缺失；名师归纳总结 解：由多层壁圆管道导热热流量公式9-22知0 . 33 m ,158 . 22.0116为第 16 页,共 30 页T 1o 240C,T 3400C,d 1.0 16 m ,d 20 . 17 m ,d 3所以每米长管道的热损失2 T 1T 323 . 14 24040 23 . 14200219 .6 w/mllnd2lnd3l.0 17l.033.0 0015 . 718d2n.0 16n.0 17d 158
32、. 20 . 11612- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 7解：查表2 .12.10 .00019t 已知370mm0.37m ,t1 16500C3000C9750C/m220.000199752. 285525,qT 16503002 .285258338.07w0 .378. 外径为 100mm 的蒸汽管道掩盖隔热层采有密度为20Kg/m3 的超细玻璃棉毡, 已知蒸汽管外壁温度为400,要求隔热层外壁温度不超过50,而每米长管道散热量小于163W,试确定隔热层的厚度；解：已知t1400oC,d101. m ,t250oC,L163w .查附录 C
33、 知超细玻璃棉毡热导率Q0 .0330 .00023t0.08475 ,t400500 .o 225C10.107m2由圆筒壁热流量运算公式9-20知：1632T23. 140 .0847540050llnd2lnd2d101.3140 .得d20 . 314而d2d12得出1d2d11229. 解： UId150.1231 .845 w,15075837.5 mm0. 0375m21d2T3. 141 .8450 .037547.3 0 .3560.0750.1552.10. 在如图 9-5 所示的三层平壁的稳态导热中,及 100,试求各层热阻的比例解：依据热阻定义可知已测的 t1,t2,t3 及 t4 分别为 600,500,200RtR t 1:T,而稳态导热时各层热流量相同,由此可得各层热阻之比为qR t2:R t3t 1t2: t2t3: t3t4=100：300： 100 =1： 3：1 11题略名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 解：参考例 9-6N2x20 b . 69*0 5.120*36000 . 4579at10