2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)與工程中的多相流體力學(xué)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在多相流系統(tǒng)中，描述連續(xù)相流動(dòng)的模型是：A.Euler-Lagrange模型B.Euler-Euler模型C.DiscreteElementModelD.LaminarFlowModel2.對(duì)于氣液兩相流，下列哪種流型通常表現(xiàn)為氣相以氣泡形式分散在連續(xù)的液相中？A.滴狀流B.泡狀流C.漩渦流D.段塞流3.影響兩相流壓降的主要因素不包括：A.流體性質(zhì)（密度、粘度、表面張力）B.流量C.管道尺寸D.流體化學(xué)成分的分子量4.在分子蒸餾過(guò)程中，利用的是物質(zhì)在高溫下氣化并在冷壁上凝結(jié)的原理，其核心傳質(zhì)過(guò)程可以視為：A.分子擴(kuò)散B.對(duì)流傳遞C.脫附過(guò)程D.化學(xué)反應(yīng)5.測(cè)量管道中兩相流流量時(shí)，如果兩相分布非常不均勻，下列哪種測(cè)量方法可能面臨較大挑戰(zhàn)？A.電磁流量計(jì)B.質(zhì)量流量計(jì)C.標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)D.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)二、填空題6.兩相流的流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換不僅與兩相的物理性質(zhì)和流量有關(guān)，還與______和______有關(guān)。7.表面張力是導(dǎo)致氣液界面______的原因，它對(duì)氣泡的______和______有重要影響。8.在描述氣液兩相流的Euler-Euler模型中，計(jì)算兩相混合物密度時(shí)通常采用______或______法。三、簡(jiǎn)答題9.簡(jiǎn)述液滴在連續(xù)氣相中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的主要作用力。10.與單相流體相比，多相流計(jì)算復(fù)雜的主要原因有哪些？11.簡(jiǎn)述微反應(yīng)器中多相流操作相較于宏觀反應(yīng)器的主要優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題12.（10分）在一個(gè)水平圓形管內(nèi)進(jìn)行水（密度1000kg/m3，粘度0.001Pa·s）和空氣（密度1.2kg/m3，粘度0.018kg/(m·s)）的并流流動(dòng)，管徑為0.05m，水的質(zhì)量流量為150kg/h，空氣的質(zhì)量流量為50kg/h。假設(shè)空氣為連續(xù)相，水流經(jīng)一個(gè)長(zhǎng)為10m的直管段，測(cè)量壓降為500Pa。試用Euler-Euler模型定性分析該管段內(nèi)的可能流型，并估算空氣相的壓降。已知對(duì)于此類氣液流，可以使用Lockhart-Martinelli參數(shù)進(jìn)行初步判斷，Lockhart-Martinelli參數(shù)的定義為X=(G?/G?)√(ρ?/ρ?)，其中G為質(zhì)量流率密度（kg/(m2·s)），下標(biāo)1代表空氣相，下標(biāo)2代表水相。忽略重力影響。13.（14分）在一個(gè)垂直圓管內(nèi)進(jìn)行油（密度850kg/m3，粘度0.03Pa·s）和水的（密度1000kg/m3，粘度0.001Pa·s）的并流向上流動(dòng)，管徑為0.02m，油的質(zhì)量流量為80kg/h，水的質(zhì)量流量為20kg/h。假設(shè)水為連續(xù)相，油水流經(jīng)一個(gè)高為2m的垂直管段，忽略摩擦壓降，計(jì)算該管段內(nèi)由于重力引起的油水界面處（或水相主體）的壓降變化。假設(shè)油的平均密度隨高度變化可忽略。14.（14分）某兩相傳熱過(guò)程，熱流體（水）和冷流體（空氣）逆流通過(guò)一套管換熱器。已知水側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)為1000W/(m2·K)，空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)為50W/(m2·K)。兩相流的平均溫度差（對(duì)數(shù)平均溫差）為20°C。若換熱器傳熱面積為2m2，試估算該換熱器的總傳熱系數(shù)K（W/K）。并分析傳熱過(guò)程的主要熱阻在哪里？15.（14分）在分子蒸餾裝置中，料液在加熱板上被氣化，蒸氣沿曲面冷壁冷凝。假設(shè)某組分的飽和蒸氣壓隨溫度升高而指數(shù)增加（P=P?*exp(Ea/RT)），冷凝效率為95%。為將某高沸點(diǎn)組分從混合物中分離，需要在真空條件下將溫度從200°C升高到250°C。若進(jìn)料中該組分的含量為1%，出料要求低于0.01%，試簡(jiǎn)述影響分離效果的關(guān)鍵因素，并說(shuō)明為什么提高真空度（降低系統(tǒng)壓力）有助于提高分離效率，即使它也會(huì)使蒸氣壓升高。五、論述題16.結(jié)合分子科學(xué)與工程領(lǐng)域的具體實(shí)例（如微反應(yīng)器、膜分離、生物工程等），論述多相流體力學(xué)研究對(duì)于理解、優(yōu)化和設(shè)計(jì)相關(guān)過(guò)程的重要性。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.D4.A5.C二、填空題6.管道幾何形狀；流體的物理性質(zhì)（如表面張力）7.彎曲；聚結(jié)；破碎8.混合平均密度；分散相體積分?jǐn)?shù)三、簡(jiǎn)答題9.答：液滴在連續(xù)氣相中運(yùn)動(dòng)時(shí)主要受到：①氣相的拖曳力（DragForce），方向與氣相相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反；②液滴自身的重力（GravityForce），方向向下（在水平管中，垂直于管壁）；③氣相與液滴界面處的剪切力（ShearForce），導(dǎo)致液滴變形；④如果液滴周圍存在其他液滴或壁面，還會(huì)受到碰撞產(chǎn)生的沖擊力（ImpactForce）；⑤對(duì)于氣泡，還需考慮浮力（BuoyancyForce），方向向上（在水平管中，垂直于管壁）。10.答：多相流計(jì)算復(fù)雜的主要原因是：①相間相互作用復(fù)雜，包括力（如拖曳力、升力、虛擬質(zhì)量力、表面張力）和能量（傳熱、傳質(zhì)）的傳遞；②流型多樣且可能隨流動(dòng)條件劇烈變化，難以用單一模型描述；③混合不均勻性，導(dǎo)致局部流動(dòng)和傳遞現(xiàn)象差異巨大，使得平均模型和局部模型的建立與求解困難；④湍流效應(yīng)，多相流往往伴隨強(qiáng)烈的湍動(dòng)，增加了動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的復(fù)雜性；⑤各相性質(zhì)可能存在耦合，如氣化、冷凝過(guò)程本身影響相組成和流動(dòng)。11.答：優(yōu)勢(shì)：①反應(yīng)物混合均勻、傳質(zhì)傳熱效率高；②反應(yīng)過(guò)程可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率和選擇性；③易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程的放大和自動(dòng)化；④可處理高價(jià)值、低容量或危險(xiǎn)品。挑戰(zhàn)：①微尺度下流體力學(xué)行為（如層流、慣性力影響）與宏觀不同，需特殊設(shè)計(jì)；②高傳熱傳質(zhì)系數(shù)可能導(dǎo)致局部過(guò)熱或過(guò)冷；③微觀結(jié)構(gòu)（如通道尺寸、材質(zhì)）對(duì)流體行為影響顯著，設(shè)計(jì)和制造精度要求高；④多物理場(chǎng)（流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)）耦合模擬和實(shí)驗(yàn)研究復(fù)雜。四、計(jì)算題12.解：(1)計(jì)算兩相流質(zhì)量流率密度：G?=(50kg/h)/(π*(0.05m)2/4*3600s/h)≈0.707kg/(m2·s)；G?=(150kg/h)/(π*(0.05m)2/4*3600s/h)≈2.12kg/(m2·s)。(2)計(jì)算Lockhart-Martinelli參數(shù)：X=(G?/G?)√(ρ?/ρ?)=(2.12/0.707)√(1000/1.2)≈3.01*28.87≈86.9。(3)查L(zhǎng)ockhart-Martinelli參數(shù)關(guān)聯(lián)圖或公式（如：ΔP/L*(ρ?G?2D/μ?)?1≈f(X)），對(duì)于X=86.9，得到f(X)≈0.015。(4)計(jì)算水相壓降：ΔP_2=ΔP_total/f(X)=500Pa/0.015≈33333Pa≈33.3kPa。此壓降主要由水相自身摩擦產(chǎn)生。(5)定性流型分析：對(duì)于水包氣系統(tǒng)，通常X>20時(shí)易出現(xiàn)泡狀流。此處X=86.9遠(yuǎn)大于20，且管徑較小，更傾向于泡狀流或間歇流。雖然計(jì)算主要基于水相壓降，但高X值表明氣相阻力占主導(dǎo)，混合物表現(xiàn)為氣相主導(dǎo)的流型?？諝庀鄩航郸?≈ΔP_total*(1/f(X))≈500Pa*(1/0.015)≈33333Pa≈33.3kPa。答：該管段內(nèi)可能流型為泡狀流或間歇流。估算空氣相壓降約為33.3kPa，水相壓降約為33.3kPa。13.解：(1)計(jì)算兩相流質(zhì)量流率密度：同上一題，G?≈0.707kg/(m2·s)，G?≈2.12kg/(m2·s)。(2)計(jì)算Lockhart-Martinelli參數(shù)：X=(G?/G?)√(ρ?/ρ?)≈86.9（同上）。(3)對(duì)于垂直管上升流動(dòng)，水相壓降主要受重力驅(qū)動(dòng)。計(jì)算水相密度：ρ_mix≈(G?ρ?+G?ρ?)/(G?+G?)≈(2.12*1000+0.707*850)/(2.12+0.707)≈968.5/2.827≈342.0kg/m3。(4)重力加速度方向向下，水相主體（或界面）受到的凈壓力梯度主要來(lái)自浮力與重力之差。浮力引起的壓降變化ΔP_gravity=ρ_mix*g*Δz。Δz=2m。g≈9.81m/s2。(5)ΔP_gravity=342.0kg/m3*9.81m/s2*2m≈6724Pa≈6.72kPa。答：該管段內(nèi)由于重力引起的油水界面處（或水相主體）的壓降變化約為6.72kPa，方向?yàn)橄蛏希此鄩毫﹄S高度升高而增大）。14.解：(1)根據(jù)傳熱方程的對(duì)數(shù)平均溫差形式和總傳熱系數(shù)定義，K=(NTU)?1=(ΣΔTm/Σ(ΔTm)?)=(ΔTm)/(F*(1/R?+1/R?+R?))，其中F為校正系數(shù)，通?？扇?。對(duì)于逆流，ΣΔTm=(ΔT_H-ΔT_C)/ln(ΔT_H/ΔT_C)=20/ln(20/0)≈20/ln(20)≈20/2.996≈6.64K。R?=1/(h?*A)=1/(1000W/(m2·K)*2m2)=0.0005K/W；R?=1/(h?*A)=1/(50W/(m2·K)*2m2)=0.01K/W；R?為管壁熱阻，通常較小，可忽略。(2)K≈6.64K/(0.0005K/W+0.01K/W)=6.64/0.0105≈632W/K。(3)傳熱過(guò)程的主要熱阻在空氣側(cè)（R?=0.01K/W），因?yàn)槠鋵?duì)流傳熱系數(shù)h?(50W/(m2·K))遠(yuǎn)小于水側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)h?(1000W/(m2·K))。15.解：(1)關(guān)鍵因素：①蒸氣壓差異（高沸點(diǎn)組分在較低溫度下的蒸氣壓）；②表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（影響氣化速率）；③冷凝效率（影響蒸氣與冷壁接觸時(shí)間）；④系統(tǒng)真空度（影響蒸氣壓和傳質(zhì)推動(dòng)力）；⑤加熱均勻性。(2)提高真空度有助于提高分離效率的原因：①降低系統(tǒng)總壓強(qiáng)，使得目標(biāo)高沸點(diǎn)組分即使在較低溫度下（如200°C）也能具有足夠的飽和蒸氣壓（P=P?*exp(Ea/RT)），有利于其氣化；②同時(shí)，降低壓力也降低了體系冷凝溫度，使得冷壁溫度可以更低，有利于氣化產(chǎn)物的冷凝和分離；③降低壓力增大了氣相分壓，提高了氣化組分與冷凝壁面之間的傳質(zhì)推動(dòng)力，加速了分離過(guò)程。即使總蒸氣壓升高，只要目標(biāo)組分的相對(duì)含量（分壓比）或其氣化/冷凝速率與其他組分有顯著差異，分離效率仍可提高。五、論述題16.答：多相流體力學(xué)是研究?jī)煞N或多種不互溶或部分互溶流體（以及可能包含固體顆粒）之間相互作用、流動(dòng)和傳遞現(xiàn)象的科學(xué)。在分子科學(xué)與工程領(lǐng)域，理解和應(yīng)用多相流體力學(xué)至關(guān)重要。(1)微反應(yīng)器與微流控芯片設(shè)計(jì)：微尺度下，慣性力、表面張力、粘性力、重力等相互作用機(jī)制發(fā)生顯著變化。多相流體力學(xué)原理用于設(shè)計(jì)能夠精確控制流體混合、反應(yīng)物接觸、產(chǎn)物分離的微通道結(jié)構(gòu)（如T型、Y型混合器、擴(kuò)散器、分離器），確保反應(yīng)的均勻性、選擇性和效率，實(shí)現(xiàn)高通量、低能耗的化學(xué)合成、材料制備和生物分析。(2)分離過(guò)程工程：分子蒸餾、膜分離（氣體分離、液體分離、水處理）、吸附分離等都是典型的多相流過(guò)程。多相流力學(xué)分析有助于理解兩相（如氣液、液固）在分離設(shè)備（如精餾塔、膜組件、吸附塔）中的接觸狀態(tài)、傳質(zhì)效率、壓降和能耗，為優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)（如塔板效率、膜通量、床層壓降）和操作條件（如溫度、壓力、流速）提供理論依據(jù)。例如，分子蒸餾中，利用輕組分與重組分在氣化/冷凝特性上的差異進(jìn)行分離，涉及氣液兩相流力學(xué)。(3)生物工程與醫(yī)藥：生物反應(yīng)器中，需考慮氣體（氧氣）在液體培養(yǎng)基中的彌散傳質(zhì)，這與氣液兩相流力學(xué)密切相關(guān)，影響微生物生長(zhǎng)和代謝效率。細(xì)胞懸浮液的流動(dòng)、分選和干燥過(guò)程也涉及液固或氣固多相流。藥物制劑（如吸入粉霧