题目
用泵输送大豆油,流量为 1.5 times 10^-4 , (m)^3/(s),管道内径为 10 , (mm),已知大豆油的黏度为 40 times 10^-3 , (Pa) cdot (s),密度为 940 , (kg/m)^3。试求从管道一端至相距 27 , (m) 的另一端之间的压力降。
用泵输送大豆油,流量为 $1.5 \times 10^{-4} \, \text{m}^3/\text{s}$,管道内径为 $10 \, \text{mm}$,已知大豆油的黏度为 $40 \times 10^{-3} \, \text{Pa} \cdot \text{s}$,密度为 $940 \, \text{kg/m}^3$。试求从管道一端至相距 $27 \, \text{m}$ 的另一端之间的压力降。
题目解答
答案
根据题意,流速 $ u = \frac{Q}{A} = \frac{1.5 \times 10^{-4}}{7.854 \times 10^{-5}} \approx 1.91 \, \text{m/s} $。
雷诺数 $ Re = \frac{\rho u d}{\mu} = \frac{940 \times 1.91 \times 0.01}{0.04} = 450.35 $,属于层流。
摩擦系数 $ \lambda = \frac{64}{Re} = \frac{64}{450.35} \approx 0.142 $。
压力降为:
\[
\Delta p = \lambda \frac{L}{d} \frac{\rho u^2}{2} = 0.142 \times 2700 \times 1714.557 \approx 6.58 \times 10^5 \, \text{Pa}
\]
最终结果:$ \Delta p \approx 6.58 \times 10^5 \, \text{Pa} $。
解析
本题考查流体在圆管中流动时压力降的计算,解题思路如下:
- 首先根据流量和管道内径计算流体的流速。流量 $Q$ 是单位时间内通过管道某一截面的流体体积,流速 $u$ 等于流量 $Q$ 除以管道的横截面积 $A$。管道为圆形,其横截面积公式为 $A = \frac{\pi}{4}d^2$,其中 $d$ 为管道内径。
- 接着根据流速、流体密度、管道内径和流体黏度计算雷诺数 $Re$。雷诺数是用来判断流体流动状态的一个无量纲数,其计算公式为 $Re = \frac{\rho u d}{\mu}$,其中 $\rho$ 为流体密度,$\mu$ 为流体黏度。当 $Re \lt 2000$ 时,流体流动为层流。
- 然后根据雷诺数计算摩擦系数 $\lambda$。对于层流,摩擦系数与雷诺数的关系为 $\lambda = \frac{64}{Re}$。
- 最后根据摩擦系数、管道长度、流速和流体密度计算压力降 $\Delta p$。压力降的计算公式为 $\Delta p = \lambda \frac{L}{d} \frac{\rho u^2}{2}$,其中 $L$ 为管道长度。
下面进行详细计算:
- 计算流速 $u$:
已知流量 $Q = 1.5 \times 10^{-4} \, \text{m}^3/\text{s}$,管道内径 $d = 10 \, \text{mm} = 0.01 \, \text{m}$,则管道横截面积 $A = \frac{\pi}{4}d^2 = \frac{\pi}{4} \times (0.01)^2 \approx 7.854 \times 10^{-5} \, \text{m}^2$。
根据流速公式 $u = \frac{Q}{A}$,可得 $u = \frac{1.5 \times 10^{-4}}{7.854 \times 10^{-5}} \approx 1.91 \, \text{m/s}$。 - 计算雷诺数 $Re$:
已知流体密度 $\rho = 940 \, \text{kg/m}^3$,流速 $u \approx 1.91 \, \text{m/s}$,管道内径 $d = 0.01 \, \text{m}$,流体黏度 $\mu = 40 \times 10^{-3} \, \text{Pa} \cdot \text{s}$。
根据雷诺数公式 $Re = \frac{\rho u d}{\mu}$,可得 $Re = \frac{940 \times 1.91 \times 0.01}{40 \times 10^{-3}} = 450.35$。
因为 $Re = 450.35 \lt 2000$,所以流体流动为层流。 - 计算摩擦系数 $\lambda$:
对于层流,摩擦系数 $\lambda = \frac{64}{Re}$,将 $Re = 450.35$ 代入可得 $\lambda = \frac{64}{450.35} \approx 0.142$。 - 计算压力降 $\Delta p$:
已知管道长度 $L = 27 \, \text{m}$,摩擦系数 $\lambda \approx 0.142$,流速 $u \approx 1.91 \, \text{m/s}$,流体密度 $\rho = 940 \, \text{kg/m}^3$,管道内径 $d = 0.01 \, \text{m}$。
根据压力降公式 $\Delta p = \lambda \frac{L}{d} \frac{\rho u^2}{2}$,可得:
$\begin{align*}\Delta p &= 0.142 \times \frac{27}{0.01} \times \frac{940 \times (1.91)^2}{2}\\&= 0.142 \times 2700 \times \frac{940 \times 3.6481}{2}\\&= 0.142 \times 2700 \times 1714.557\\&\approx 6.58 \times 10^5 \, \text{Pa}\end{align*}$