完整版环境工程原理第三版课后答案doc文档格式.docx
《完整版环境工程原理第三版课后答案doc文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版环境工程原理第三版课后答案doc文档格式.docx（66页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
P
＝22.4L×
298K/273K＝24.45L
1
0T1/P1T0
所以O3浓度可以表示为
－
1＝157.05μg/m3
0.08×
6mol×
48g/mol×
（24.45L）
（2）由题，在所给条件下，1mol空气的体积为
V1＝V0·
P0T1/P1T0=22.4L×
1.013×
105Pa×
288K/（0.8310×
5Pa×
273K）＝28.82L
所以O3的物质的量浓度为
106mol/28.82L
＝2.78×
109mol/L
，若允许值为0.14
×
-6
，问是否符合要求？
2.2假设在25℃和1.013×
10Pa的条件下，SO2
的平均测量浓度为400μg/m
由题，在所给条件下，将测量的
SO2质量浓度换算成体积分数，即
RT
103
8.314
298
9
0.15
6
pMA
A
105
400
1.013
64
大于允许浓度，故不符合要求
如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中
A的单位必须是什么？
由题易得，A的单位为kg/（m3·
K）
2.5一加热炉用空气（含O20.21,N2
0.79）燃烧天然气（不含O2与N2）。
分析燃烧所得烟道气，其组成的摩尔分数为
CO20.07，H2O0.14，O20.056，
N20.734。
求每通入100m3、30℃的空气能产生多少m3烟道气？
烟道气温度为300℃，炉内为常压。
假设燃烧过程为稳态。
烟道气中的成分来自天然气和空气。
取加热炉为衡算系统。
以N2为衡算对象，烟道气中的N2全部来自空气。
设产生
烟道气体积为V2。
根据质量衡算方程，有
0.79×
P1V1/RT1＝0.734×
P2V2/RT2
即
100m3/303K＝0.734×
V2/573K
V2＝203.54m3
2.8某河流的流量为3.0m3/s，有一条流量为0.05m3/s的小溪汇入该河流。
为研究河水与小溪水的混合状况，在溪水中加入示踪剂。
假设仪器检测
示踪剂的浓度下限为1.0mg/L。
为了使河水和溪水完全混合后的示踪剂可以检出，溪水中示踪剂的最低浓度是多少？
需加入示踪剂的质量流量是多少？
假设原河水和小溪中不含示踪剂。
设溪水中示踪剂的最低浓度为ρ
则根据质量衡算方程，有0.05ρ＝（3＋0.05）×
1.0
解之得ρ＝61mg/L
加入示踪剂的质量流量为61×
0.05g/s＝3.05g/s
2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为100km、高为1.0km的空箱模型。
干净的空气以4m/s的流速从一边流入。
假设某种空气污染物以10.0
kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h－1。
假设完全混合，
2
（1）求稳态情况下的污染物浓度；
（2）假设风速突然降低为1m/s，估计2h以后污染物的浓度。
（1）设稳态下污染物的浓度为ρ
则由质量衡算得
10.0kg/s－（0.20/3600）×
ρ×
100×
1×
109m3/s－4×
106ρm3/s＝0
解之得
ρ＝1.05×
10-2mg/m3
（2）设空箱的长宽均为
L，高度为h，质量流量为qm，风速为u。
根据质量衡算方程
q
k
dm
m2
V
m1
dt
有qm
uLh
kL2h
d
L2h
带入已知量，分离变量并积分，得
3600
0dt1.0510210-6
6.610-5
积分有
ρ＝1.15×
2.10某水池内有1m3含总氮20mg/L的污水，现用地表水进行置换，地表水进入水池的流量为
10m3/min，总氮含量为2mg/L，同时从水池中排
出相同的水量。
假设水池内混合良好，生物降解过程可以忽略，求水池中总氮含量变为
5mg/L时，需要多少时间？
设地表水中总氮浓度为
ρ，池中总氮浓度为ρ
由质量衡算，得
0qV
dV
qV
即dt
（2
）
积分，有t
2010
求得t＝0.18min
2.11有一装满水的储槽，直径1m、高3m。
现由槽底部的小孔向外排水。
小孔的直径为4cm，测得水流过小孔时的流速u0与槽内水面高度z的
关系u0＝0.62（2gz）0.5试求放出1m3水所需的时间。
设储槽横截面积为A1，小孔的面积为A2
由题得Au＝－dV/dt，即u＝－dz/dt×
A/A
20012
所以有－dz/dt×
（100/4）2＝0.62（2gz）0.5
即有－226.55×
z-0.5dz＝dt
z0＝3m
＝z－1m3
）-1＝1.73m
z10
（π×
0.25m
积分计算得t＝189.8s
2.12给水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。
在一配料用的搅拌槽中，水和固体硫酸铝分别以
150kg/h和30kg/h的流量
加入搅拌槽中，制成溶液后，以
120kg/h的流率流出容器。
由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。
开始时槽内预先已盛有
100kg纯水。
试计算1h后由
槽中流出的溶液浓度。
设t时槽中的浓度为ρ，dt时间内的浓度变化为dρ
由质量衡算方程，可得
120
60t
30
100
时间也是变量，一下积分过程是否有误？
30×
dt＝（100＋60t）dC＋120Cdt
即（30－120C）dt＝（100＋60t）dC
由题有初始条件t＝0，C＝0
积分计算得：
当t＝1h时
C＝15.23％
2.13有一个4×
3m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/（m2·
h），有50％的太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。
水的流量为0.8L/min。
求流过取暖器的水升高的温度。
以取暖器为衡算系统，衡算基准取为
1h。
输入取暖器的热量为3000×
12×
50％kJ/h＝18000kJ/h
设取暖器的水升高的温度为（△T），水流热量变化率为qmcpT
根据热量衡算方程，有
18000kJ/h＝0.8×
60×
4.183×
△TkJ/h.K
△T＝89.65K
2.14有一个总功率为1000MW的核反应堆，其中2/3的能量被冷却水带走，不考虑其他能量损失。
冷却水来自于当地的一条河流，河水的流量
为100m3/s，水温为20℃。
（1）如果水温只允许上升10℃，冷却水需要多大的流量；
（2）如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少℃。
输入给冷却水的热量为
Q＝1000×
2/3MW＝667MW
（1）以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为qV，热量变化率为qmcpT。
根据热量衡算定律，有
4
qV×
103×
10kJ/m3＝667×
103KW
Q＝15.94m3/s
（2）由题，根据热量衡算方程，得
△TkJ/m3＝667×
△T＝1.59K
第三章流体流动
3.1如图3-1所示，直径为10cm的圆盘由轴带动在一平台上旋转，圆盘与平台间充有厚度δ=1.5mm的油膜。
当圆盘以n=50r/min旋转时，测得
扭矩M=2.94×
10-4N·
m。
设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的黏度。
在半径方向上取dr，则有dM＝dF·
r
由题有
dF＝τ·
dA
=
du
dy
dA=（rdr）2
r2
2rdr
du=2
nr
dy
所以有
dM=
du
2rdr
42n
r3dr
两边积分计算得
M=
nr4
代入数据得
N·
m＝μ×
（0.05m）
－3
m）
2.94×
π×
（50/60）s/（1.5×
可得
3Pa·
s
μ＝8.58×
3.2常压、20℃的空气稳定流过平板壁面，在边界层厚度为
1.8mm处的雷诺数为6.7×
104。
求空气的外流速度。
设边界层厚度为δ；
空气密度为ρ，空气流速为u。
由题，因为湍流的临界雷诺数一般取
5×
105＞6.7×
104，
所以此流动为层流。
对于层流层有
=4.641x
Rex
0.5
同时又有
xu
Rex=
两式合并有
4.641Re0.5=u
即有
4.641×
（6.7×
104）0.5＝u×
103kg/m3×
1.8mm/（1.81×
10－5Pa·
s）
u＝0.012m/s
3.3污水处理厂中，将污水从调节池提升至沉淀池。
两池水面差最大为10m，管路摩擦损失为4J/kg，流量为34m3/h。
求提升水所需要的功率。
设水的温度为25℃。
设所需得功率为Ne，污水密度为ρ
Ne＝Weqvρ＝（gΔz＋∑hf）qvρ
=（9.81m/s2×
10m+4J/kg）×
103kg/m3×
34/3600m3/s
=964.3W
3.4如图所示，有一水平通风管道，某处直径由400mm减缩至200mm。
为了粗略估计管道中的空气流量，在锥形接头两端各装一个U管压差计，
现测得粗管端的表压为100mm水柱，细管端的表压为40mm水柱，空气流过锥形管的能量损失可以忽略，管道中空气的密度为1.2kg/m3，试求管道
中的空气流量。
图3-2习题3.4图示
在截面1-1′和2-2′之间列伯努利方程：
u12/2＋p1/ρ＝u22/2＋p2/ρ
由题有u2＝4u1
所以有u12/2＋p1/ρ＝16u12/2＋p2/ρ
15u1
2＝2×
（p
-p2
）/ρ=2×
（ρ
（1000-1.2）kg/m3
（0.1m－0.04m）/（1.2kg/m
3）
0-ρ）g（R1-R2
9.81m/s
u1＝8.09m/s
u2＝32.35m/s
qv＝u1A＝8.09m/s×
（200mm）2＝1.02m3/s
3.5如图3-3所示，有一直径为1m的高位水槽，其水面高于地面
8m，水从内径为100mm的管道中流出，管路出口高于地面
2m，水流经系统的
能量损失（不包括出口的能量损失）可按
hf
6.5u2计算，式中u为水在管内的流速，单位为m/s。
试计算
（1）若水槽中水位不变，试计算水的流量；
（2）若高位水槽供水中断，随水的出流高位槽液面下降，试计算液面下降
1m所需的时间。
图3-3习题3.5图示
（1）以地面为基准，在截面1-1′和2-2′之间列伯努利方程，有
u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf
由题意得p1＝p2，且u1＝0
9.81m/s2×
（8m－2m）＝u2/2＋6.5u2
u＝2.90m/s
qv＝uA＝2.90m/s×
0.01m2/4＝2.28×
102m3/s
（2）由伯努利方程，有
u12/2＋gz1＝u22/2＋gz2＋Σhf
u12/2＋gz1＝7u22＋gz2
由题可得
u1/u2＝（0.1/1）2＝0.01
取微元时间dt，以向下为正方向
则有u1＝dz/dt
所以有（dz/dt）2/2＋gz1＝7（100dz/dt）2/2＋gz2
7
积分解之得t＝36.06s
3.7水在20℃下层流流过内径为
13mm、长为3m的管道。
若流经该管段的压降为
21N/m2。
求距管中心5mm处的流速为多少？
又当管中心速度
为0.1m/s时，压降为多少？
设水的黏度μ=1.0×
10-3Pa.s，管道中水流平均流速为um
根据平均流速的定义得：
r04dpf
qv
8dl
dpf
um=A
r02
8
dl
r0
所以
8uml
pfr02
代入数值得
21N/m2＝8×
1.0×
10-3Pa·
s×
um×
3m/（13mm/2）2
um＝3.7×
10－2m/s
又有
umax＝2um
u＝2um[1－（r/r0）2]
（1）当r＝5mm，且r0＝6.5mm，代入上式得
u＝0.03m/s
（2）umax＝2um
pf’＝umax’/umax·
Δpf
＝0.1/0.074×
21N/m
＝28.38N/m
3.8温度为20℃的水，以2kg/h的质量流量流过内径为10mm的水平圆管，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）流体在壁面距中心一半距离处的流速和剪应力
（3）壁面处的剪应力
（1）由题有
um＝qm/ρA
＝2/3600kg/s/（1×
0102m.2/4）
＝7.07×
10－3m/s
Re4umd＝282.8＜2000
管内流动为层流，故
管截面中心处的流速
umax＝2um＝1.415×
管截面中心处的剪应力为0
（2）流体在壁面距中心一半距离处的流速：
u＝umax（1－r2/r02）
u1/2＝1.415×
10－2m/s×
3/4＝1.06×
由剪应力的定义得
umr
dr
流体在壁面距中心一半距离处的剪应力：
τ1/2
＝2μu
m/r0
＝2.83×
10－3N/m2
（3）壁面处的剪应力：
＝2τ＝5.66×
10－
N/m
τ01/2
3.9一锅炉通过内径为
3.5m的烟囱排除烟气，排放量为
3.5×
105m3/h，在烟气平均温度为260℃时，其平均密度为
0.6kg/m3，平均粘度为2.8×
4Pa·
s。
大气温度为20℃，在烟囱高度范围内平均密度为1.15kg/m3。
为克服煤灰阻力，烟囱底部压力较地面大气压低
245Pa。
问此烟囱需要多高？
假
设粗糙度为5mm。
设烟囱的高度为
h，由题可得
u＝qv/A＝10.11m/s
Re＝duρ/＝μ7.58×
104
相对粗糙度为
ε/d＝5mm/3.5m＝1.429×
查表得
λ＝0.028
所以摩擦阻力
hf
hu2
建立伯努利方程有
u1＝u2，p1＝p0－245Pa，p2＝p0－ρ空gh
（h×
1.15kg/m3×
9.8m/s2－245Pa）/（0.6kg/m3）＝h×
升级会员 