题目
在实验室中,用内径为 1.5 , (cm) 的玻璃管路输送 20^circ (C) 的 70% 醋酸,其密度为 1030 , (kg/m)^3,粘度为 1.3 , (mPa) cdot (s)。已知质量流量为 10 , (kg/min)。请问该液体的雷诺数为( )(答案取整数),流动型态为( )。
在实验室中,用内径为 $1.5 \, \text{cm}$ 的玻璃管路输送 $20^{\circ} \text{C}$ 的 $70\%$ 醋酸,其密度为 $1030 \, \text{kg/m}^3$,粘度为 $1.3 \, \text{mPa} \cdot \text{s}$。已知质量流量为 $10 \, \text{kg/min}$。请问该液体的雷诺数为( )(答案取整数),流动型态为( )。
题目解答
答案
根据题目数据,质量流量 $ \dot{m} = 0.1667 \, \text{kg/s} $,体积流量 $ q_v = \frac{0.1667}{1030} \approx 0.0001618 \, \text{m}^3/\text{s} $。
管道横截面积 $ A = \frac{\pi (0.015)^2}{4} \approx 0.0001767 \, \text{m}^2 $。
流速 $ u = \frac{q_v}{A} \approx 0.916 \, \text{m/s} $。
雷诺数为:
\[
Re = \frac{D u \rho}{\mu} = \frac{0.015 \times 0.916 \times 1030}{0.0013} \approx 10886
\]
由于 $ Re > 4000 $,流动型态为湍流。
答案:雷诺数约为10886,流动型态为湍流。
解析
本题考查流体力学中雷诺数的计算以及根据雷诺数判断流体流动型态的知识点。解题思路如下:
- 首先,需要将已知的质量流量单位从 $\text{kg/min}$ 换算为 $\text{kg/s}$,以便后续计算。
- 然后,根据质量流量和流体密度,利用体积流量与质量流量的关系 $q_v=\frac{\dot{m}}{\rho}$ 计算出体积流量 $q_v$。
- 接着,根据玻璃管路的内径计算出管道的横截面积 $A$,公式为 $A = \frac{\pi D^2}{4}$,其中 $D$ 为管道内径。
- 再根据体积流量和管道横截面积,利用流速与体积流量的关系 $u=\frac{q_v}{A}$ 计算出流体的流速 $u$。
- 最后,将管径 $D$、流速 $u$、流体密度 $\rho$ 和流体粘度 $\mu$ 代入雷诺数公式 $Re = \frac{D u \rho}{\mu}$ 计算雷诺数。根据雷诺数的大小判断流动型态,当 $Re < 2000$ 时为层流,当 $2000 \leq Re \leq 4000$ 时为过渡流,当 $Re > 4000$ 时为湍流。
下面进行详细的计算:
- 质量流量单位换算:
已知质量流量 $\dot{m}=10 \, \text{kg/min}$,将其换算为 $\text{kg/s}$,因为 $1 \, \text{min}=60 \, \text{s}$,所以 $\dot{m}=\frac{10}{60}\approx0.1667 \, \text{kg/s}$。 - 计算体积流量:
已知流体密度 $\rho = 1030 \, \text{kg/m}^3$,根据体积流量与质量流量的关系 $q_v=\frac{\dot{m}}{\rho}$,可得 $q_v=\frac{0.1667}{1030}\approx0.0001618 \, \text{m}^3/\text{s}$。 - 计算管道横截面积:
已知管道内径 $D = 1.5 \, \text{cm}=0.015 \, \text{m}$,根据管道横截面积公式 $A = \frac{\pi D^2}{4}$,可得 $A = \frac{\pi\times(0.015)^2}{4}\approx0.0001767 \, \text{m}^2$。 - 计算流体流速:
根据流速与体积流量的关系 $u=\frac{q_v}{A}$,可得 $u=\frac{0.0001618}{0.0001767}\approx0.916 \, \text{m/s}$。 - 计算雷诺数:
已知流体粘度 $\mu = 1.3 \, \text{mPa} \cdot \text{s}=0.0013 \, \text{Pa} \cdot \text{s}$,将 $D = 0.015 \, \text{m}$、$u = 0.916 \, \text{m/s}$、$\rho = 1030 \, \text{kg/m}^3$ 和 $\mu = 0.0013 \, \text{Pa} \cdot \text{s}$ 代入雷诺数公式 $Re = \frac{D u \rho}{\mu}$,可得 $Re = \frac{0.015\times0.916\times1030}{0.0013}\approx10886$。 - 判断流动型态:
由于 $Re = 10886>4000$,所以流动型态为湍流。