《化工传递过程原理（Ⅱ）》作业题1. 粘性流体在圆管内作一维稳态流动。

设r 表示径向距离，y 表示自管壁算起的垂直距离，试分别写出沿r 方向和y 方向的、用（动量通量）＝-（动量扩散系数）×（动量浓度梯度）表示的现象方程。

1．(1-1) 解：()d u dyρτν= (y ，u ，dudy > 0)()d u dr ρτν=- (r ，u , dudr< 0) 2. 试讨论层流下动量传递、热量传递和质量传递三者之间的类似性。

2. (1-3) 解：从式（1-3）、（1-4）、（1-6）可看出：A A AB d j D dyρ=- （1-3）()d u dyρτν=- （1-4） ()/p d c t q A dyρα=- （1-6）1. 它们可以共同表示为：通量 = －（扩散系数）×（浓度梯度）；2. 扩散系数 ν、α、AB D 具有相同的因次，单位为 2/m s ；3. 传递方向与该量的梯度方向相反。

3. 试写出温度t 对时间θ的全导数和随体导数，并说明温度对时间的偏导数、全导数和随体导数的物理意义。

3.（3-1） 解：全导数：d t t t d x t d y t d zd x d y d z d θθθθθ∂∂∂∂=+++∂∂∂∂ 随体导数：x y z Dt t t t t u u u D x y zθθ∂∂∂∂=+++∂∂∂∂ 物理意义：tθ∂∂——表示空间某固定点处温度随时间的变化率；dt d θ——表示测量流体温度时，测量点以任意速度dx d θ、dy d θ、dz d θ运动所测得的温度随时间的变化率Dt θ——表示测量点随流体一起运动且速度x u dx d θ=、y u dy d θ=、z u dzd θ=时，测得的温度随时间的变化率。

4. 有下列三种流场的速度向量表达式，试判断哪种流场为不可压缩流体的流动。

（1）j xy i x z y x u )2()2(),,(2θθ--+= （2）y x z x x z y x )22()(2),,(++++-= （3）xz yz xy y x 222),(++=4.（3-3） 解：不可压缩流体流动的连续性方程为：0u ∇=（判据） 1. 220u x x ∇=-=，不可压缩流体流动；2. 2002u ∇=-++=-，不是不可压缩流体流动；3. 002222()u y z x x y z =⎧⎨≠⎩∇=++=++=，不可压缩，不是不可压缩5. 某流场可由下述速度向量式表达：k z j y i xyz z y xyz z y xθθθ33),,,(-+=-+= 试求点（2，1，2，1）的加速度向量。

5. （3-6） 解：y xz i j k Du Du Du Du D D D D θθθθ=++x x xx x x y zu u u D u u u u u D x y zθθ=+++∂∂∂∂∂∂∂∂ 0()()3()xyz yz y xz z xy θ=++- (13)x y z y z θ=+-yy Du D θ=23(3)(3)3(31)zz z z Du D θθθθ=-+--=-∴2(13)3(31)Duxyz yz i yj z k D θθθ=+-++-(2,1,2,1)12j k Du D θ=+6. 流体在两块无限大平板间作一维稳态层流。

试求算截面上等于主体流速u b的点距板壁面的距离。

又如流体在圆管内作一维稳态层流时，该点与管壁的距离为多少？6. （4-2）解：（1）两块无限大平板间的一维稳态层流的速度分布为：22max 0031()[1()]2b y yu u u y y ⎡⎤=-=-⎢⎥⎣⎦取b u u =， 则 231[1()]2y y =-03y y ⇒=则与主体流速b u 速度相等的点距板壁面的距离为：00(13L y y y =-=-（2）对于圆管的一维稳态层流，有22max 1()2[1()]b i i r ru u u r r ⎡⎤=-=-⎢⎥⎣⎦取b u u =，解之得：i r r =(1)i L r ⇒= 7. 某流体运动时的流速向量用下式表示：x y y x 22),(+=试导出一般形式的流线方程及通过点（2，1）的流线方程。

7.（4-7）解：2,2x y u y u x ==由 22y x y x u dx dy dy x xu u dx u y y =⇒===分离变量积分，可得： 22y x c =+此式即为流线方程的一般形式：将点（2，1）代入，得：221433c c y x =+⇒=-⇒=-8. 已知某不可压缩流体作平面流动时的速度分量x u x 3=，3y u y =-，试求出此情况下的流函数。

8. （4-9） 解：3;3y x u y u x x yψψ∂∂=-=-==∂∂ 333()d d x d y y d xx d y y d x x d yx yψψψ∂∂=+=+=+∂∂ 3()d x y =3x y c ψ⇒=+9. 常压下温度为20℃的水，以每秒5米的均匀流速流过一光滑平面表面，试求出层流边界层转变为湍流边界层时临界距离x c 值的范围。

常压下20℃水的物性：3/2.998m kg =ρ，s Pa ∙⨯=-5105.100μ9. （5-1）解：0Re cxc x u μρ⋅=∵56210310c x Re =⨯⨯∴0.040.60c x m =10. 常压下，温度为30℃的空气以10m/s 的流速流过一光滑平板表面，设临界雷诺数为3.2×105，试判断距离平板前缘0.4m 及0.8m 两处的边界层是层流边界层还是湍流边界层？求出层流边界层相应点处的边界层厚度。

此题条件下空气的物性：3/165.1m Kg =ρ，s Pa ∙⨯=-51086.1μ 10. （5-3）解：（1）10.4x m = 151050.410 1.165Re 2.50510Re 1.8610c x x x u ρμ-⨯⨯===⨯<⨯ ∴ 为层流边界层 111152214.64Re 4.640.4(2.50510)x x x δ--⇒==⨯⨯⨯33.710()m -=⨯ （2）20.8x m =2155Re 2Re 510Re 3.210c x x x ==⨯>=⨯ ∴为湍流边界层11. 温度为20℃的水，以1m/s 的流速流过宽度为1m 的光滑平板表面，试求算：（1） 距离平板前缘x=0.15m 及x=0.3m 两点处的边界层厚度； （2） x=0～0.3m 一段平板表面上的总曳力设5105Re ⨯=c x ；物性见第9 题11．（5-4） 解：（1）10.15x m = 151050.151998.2Re 1.4910Re 100.510c x x x u ρμ-⨯⨯===⨯<⨯ ∴ 为层流边界层 1113214.64Re 1.8010()x x x m δ--⇒==⨯113215R e 1.9410()x x m --==⨯ （2）10.3x m =215Re 2Re 2.9810Re c x x x ==⨯< ∴ 为层流边界层 2213224.64Re 2.5510()x x x m δ--⇒==⨯132125Re 2.7510()x x m --==⨯（3） 1321.292Re2.3710D Lc --==⨯223998.212.371010.322d D u F c b L ρ-⨯=⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯ 0.354(0.364d F N ⇒= 12. 流体在圆管中作湍流流动，若速度分布方程可表示为：7/1max)(ir yu u = ，式中r i 表示圆管的半径，y 表示速度为u 的点距管壁的距离。

试证明截面上主体流速为u b 与管中心流速u max 的关系为：u b =0.817u max12．（6-5） 证：i 1720172011()(2())1()2()r iib max i i i A r max i iiyu udA u dy r y A r r yu dy r y r r ππππ==-⋅-=⋅-⎰⎰⎰⎰17202()()i r m a x i i i y u r y dy r r =-⎰ 16817777202()i r max i i i u y r y r dyr -=⋅-⋅⎰ 86151777702277[]815max i i i r iu y r y r r -=⋅-⋅222277[]815max i i i u r r r =⋅-⋅ 772()815max u =-0.817b m a xu u ⇒=13. 在平板壁面上的湍流边界层中，流体的速度分布方程可表示为：7/10)(δyu u x =。

试证明该式在壁面附近（即y→0处）不能成立。

13.（6-9） 证：壁面附近为层流内层，故满足：xdu dyτμ=，则 17000[()]xs y y dud y u dydy τμμδ==== 16770017y u y μδ--===+∞∴ s τ不存在∴ 该式在壁面附近（0y →）不能成立.14. 常压和303K 的空气，以0.1m 3/s 的体积流率流过内径为100mm 的圆管，对于充分发展的流动，试估算层流底层、缓冲层以及湍流主体的厚度。

此题条件下空气的物性：3/165.1m Kg =ρ，s Pa ∙⨯=-51086.1μ14.（6-8） 解： 2/0.1/(0.1)12.74(/)4b u Q A m s π==⨯=50.112.74 1.165R e 79790120001.8610b Du ρμ-⨯⨯===>⨯ ∴ 该流动为湍流 ∵ 35510Re 210⨯<<⨯ ∴113550.046Re0.046(79790)4.8110f ---==⨯=⨯*12.70.625/b u u m s == 层流内层：*5b u u y δν++⋅=== 54555 1.86101.2810m u *u * 1.1650.625νμδρ--⨯⨯⇒====⨯⨯层流内层（）缓冲层：305u*u*y ννδδ=-=-缓缓层流内层∴ 45 6.3910m δδ-⇒==⨯缓层流内层（）湍流中心：D60.04922δδ=-=湍层流内层(m) 15. 温度为20℃的水流过内径为50mm 的圆管，测得每米管长流体的压降为1500N/m 2,试证明此情况下的流体流动为湍流，并求算： （1） 层流底层外缘处水的流速、该处的y 向距离及涡流粘度； （2） 过渡区与湍流中心交界处水的流速、该处的y 向距离及涡流粘度； （3） r=r i /2 （r i 为圆管半径）处水的流速、涡流粘度和混合长的值。