工程流体力学试题及答案1..docx

1、一 选择题部分（ 1）在水力学中，单位质量力是指（答案：c ）a、单位面积液体受到的质量力；b、单位体积液体受到的质量力；c、单位质量液体受到的质量力；d、单位重量液体受到的质量力。（ 2）在平衡液体中，质量力与等压面（答案： d ）a、重合；b、平行c、相交；d、正交。（ 3）液体中某点的绝对压强为100kN/m2 ，则该点的相对压强为a、 1 kN/m 2b、2 kN/m 2c、5 kN/m2d、 10 kN/m2答案： b（ 4）水力学中的一维流动是指（答案： d ）a、恒定流动； b、均匀流动；c、层流运动；d、运动要素只与一个坐标有关的流动。（ 5）有压管道的管径 d 与管流水力半径

2、的比值d /R=（ 答案： b）a、 8；b、4；c、2；d、1。（ 6）已知液体流动的沿程水力摩擦系数与 边壁相对粗糙度和雷诺数 Re 都有关， 即可以判断该液体流动属于 答案： ca、层流区；b、紊流光滑区；c、紊流过渡粗糙区；d、紊流粗糙区（ 7）突然完全关闭管道末端的阀门，产生直接水击。已知水击波速c=1000m/s，水击压强水头 H = 250m，则管道中原来的流速v0 为答案： ca、 1.54mb 、 2.0mc 、2.45md、3.22m（ 8）在明渠中不可以发生的流动是（答案： c）a、恒定均匀流；b、恒定非均匀流；c、非恒定均匀流；d、非恒定非均匀流。（ 9）在缓坡明渠中不

3、可以发生的流动是（答案： b）。a、均匀缓流； b、均匀急流；c、非均匀缓流； d、非均匀急流。（ 10）底宽 b=1.5m 的矩形明渠，通过的流量 Q =1.5m3h = 0.4m ，则该处水流/s，已知渠中某处水深的流态为 答案： ba、缓流； b、急流； c、临界流；（ 11）闸孔出流的流量 Q 与闸前水头的 H（答案： d）成正比。a、1 次方b、2 次方c、3/2 次方d、1/2 次方（ 12）渗流研究的对象是（答案： a）的运动规律。a、重力水； b、毛细水； c、气态水； d、薄膜水。（ 13）测量水槽中某点水流流速的仪器有答案：ba、文丘里计b、毕托管c、测压管d、薄壁堰（ 1

4、4）按重力相似准则设计的水力学模型，长度比尺 L=100，模型中水深为 0.1 米，则原型中对应点水深为和流量比尺为答案： da、 1 米， Q =1000；b、 10 米， Q =100；1c、1 米， Q =100000；d、10 米， Q =100000。2、判断题：（每小题 2 分）（1）任意受压面上的平均压强等于该受压面形心处的压强。（错误）答案：（2）水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。（）答案：错误（3）水力粗糙管道是表示管道的边壁比较粗糙。（）答案：错误（4）粘滞性是液体产生水头损失的内因。（）答案：正确（5）同样条件下直接水击比间接水击更不安全。（）答案：正确（6）在正

5、坡非棱柱渠道内可以形成均匀流。（）答案：错误（7）矩形断面水力最佳断面的宽深比 =2。（）答案：正确（8）断面比能沿流程总是减小的。（）答案：错误（9）在流量和渠道断面形式一定的条件下， 跃前水深越大，跃后水深也越大。（）答案：错误（10）渗流达西定律适用的条件是恒定均匀层流渗流，并且无渗透变形。()答案：正确3、填空题：（每小题 2 4分）（ 1） 牛顿内摩擦定律适用的条件是层流运动和牛顿液体。（2）液体中某点的绝对压强为100kN/m2 ， 则 该 点 的 相 对 压 强 为2kN/m 2，真空度为不存在。（ 3） 只受重力作用，静止液体中的等压面是水平面。（ 4） 实际液体在流动时产生水

6、头损失的两个主要原因是答案：液体存在粘滞性和边界的影响 。（ 5） 水流在明渠中的流态为缓流时，其水深hhk，弗汝德数 Fr1。（ 6） 在流量不变的条件下，水跃的跃前水深越小，则水跃的跃后水深越大 。（ 7） 根据管道水头损失计算方法的不同， 管道可以分为短管和长管。（ 8） 在水击计算中阀门关闭的时间Ts水击相长 Tr 的水击，称为直接水击，把 Ts Tr 的水击称为间接水击。(9)2 型水面曲线是发生在陡坡坡上的缓流流（指急流或缓流）a的水面线，这时弗汝德数 Fr 沿程减小（指增大、减小或不变）(10)溢流堰的过堰流量与堰顶水头的3/2次方成正比。（ 11） 泄水建筑物下游发生远驱水跃时

7、，下游收缩断面水深hc 的共轭水深2hcht(ht 为下游河道的水深，填写、 符号 )答案：填写、符号(12) 按重力相似准则设计的溢流坝水力模型，长度比尺 L=25，当模型中某点的流速为 v m，则原型中对应点的流速为pm/s。= o.8m/sv = 4m/s4、问答题：（每小题 3 4 分）（1）什么是理想液体？为什么要引入理想液体的概念？答案：理想液体是指没有粘滞性的液体。实际液体都具有粘滞性， 在液体流动时会引起能量损失，给分析液体运动带来很大困难。为了简化液体运动的讨论， 我们引入了理想液体的概念， 忽略液体的粘滞性， 分析其运动规律， 然后再考虑粘滞性影响进行修正， 可以得到实际水

8、流的运动规律， 用以解决实际工程问题。这是水力学重要的研究方法。（2）“均匀流一定是恒定流” ，这种说法是否正确？为什么？答案：这种说法错误的。均匀是相对于空间分布而言，恒定是相对于时间而言。当流量不变通过一变直径管道时，虽然是恒定流，但它不是均匀流。（3）简述尼古拉兹实验中沿程水力摩擦系数的变化规律。答案：通过尼古拉兹实验可以发现： 在层流中 仅是雷诺数 Re 的函数并与 Re 成反比；在层流到紊流过渡区，仅是 Re 的函数；在紊流光滑区 =f1 （Re）； 过渡区 =f2（Re，）；粗糙区 =f3（），紊流粗糙区又称为阻力平方区。RR（4）为什么舍齐公式vC R i只适用于阻力平方区？答案

9、：舍齐公式是根据明渠均匀流的大量观察资料总结的公式，自然界中明渠水流几乎都处于紊流阻力平方区，因此该公式只适用于紊流阻力平方区。（5）流动相似的含义是什么？答案：流动相似包括几何相似、运动相似和动力相似。其中几何相似是前提，动力相似是保证，才能实现流动相似。（6）从力学意义上解释明渠均匀流只能在正坡渠道中产生的原因。答案：均匀流的断面平均流速水头和压强水头沿程不变， 但水流运动总要消耗能量，因此从能量方程来分析， 只能消耗位能来克服水流阻力。 所以均匀流只能产生在正坡渠道中。（7）分析水面曲线时，如何寻找急流和缓流的控制断面？答案：急流的控制断面在上游，因为外界对急流的干扰不能向上游传播；缓流

10、的控制断面在下游，其原因与急流正好相反。（8）在渗流计算中达西定律与杜比公式有何区别？答案：达西定律适用于任一点的渗流流速 u=kJ，其适用于恒定均匀层流渗流； 而杜比公式是适用于恒定非均匀渐变层流渗流， 同一过水断面上各点的渗流流速都相等且等于v。= kJ5、作图题：（ 1） 定性绘出图示管道（短管）的总水头线和测压管水头线。(5 分)3v0=0总水头线测压管水头线v0 =0解：（2）定性绘出图示棱柱形明渠内的水面曲线，并注明曲线名称及流态。 (各渠段均充分长，各段糙率相同 )(5 分)Ki 1iK2KKi iKN 1缓流a1缓流Kb1N 1i1i KN 3 b2急流i 2i KN 36、计

11、算题：（1） 图示一跨河倒虹吸管， 正方形断面面积为A= 0.64 m2，长 l =50 m，两个 30。折角、进口和出口的局部水头损失系数分别为1=0.2， 2=0.5，3=1.0，沿程水力摩擦系数 =0.024，上下游水位差H=3m。求通过的流量Q ?（ 10 分）解： 按短管计算，取下游水面为基准面，对上下游渠道内的计算断面建立能量方程4H hw (l) v 2(5 分)4R2g计算方形管道断面的水力半径和局部水头损失系数RA0.2 2 0.5 1.0 1.90.2m ,将参数代入上式计算，可以求解得到v 4.16m/s ,Q vA 2.662m 3 /s(5 分)即倒虹吸管内通过的流量

12、为2.662m3/s 。（ 2） 从水箱接一橡胶管道及喷嘴(如图 ) 。橡胶管直径D=7.5cm，喷嘴出口直径d=2.0cm。水头 H =5.5 m。由水箱至喷嘴的水头损失hw = 0.5m。用压力表测得橡胶管与喷嘴接头处的压强p = 4.9N cm2。如用手握住喷嘴，需要多大的水平力R，行近流速v0=0，取动能校正系数和动量校正系数均为1。（ 15 分）解：以过喷嘴中心的水平面为基准面，列水箱渐变流断面11 和喷嘴出口断面 22 的能量方程2H 0 0v2(5 分)0 00.52g求得喷嘴出口流速和流量为v22g 5 9.9 msQ v2 A20.000314 m 3(1.5 分)s橡胶管道

13、内的流速为Qms(1 分)v30.706A3对于喷嘴建立 x 方向的动量方程p3 A3 RQ(v2 xv3 x )R p3 A3Q(v2 v3 )187.79 N(6.5 分 )5水流对喷嘴冲击力为RR 即为手握喷嘴所需之力。(1 分)（3） 有一梯形渠道，底宽b =10 m，水深 h = 3 m，边坡为1:1，糙率 n = 0.014，底坡 i=0.001。如流动在紊流粗糙区，求通过的流量 Q。(9 分)解：计算渠道断面水力要素，过流断面面积Abhmh 239m2(1.5 分)湿周xb212h18.49 m(1.5 分 )m水力半径RA2.11m(1 分)x舍齐系数C111/ s(2 分)R

14、 680.90m 2n通过的流量Q = AC (R i)0.5 = 144.93 m3/s(3 分)（4）某矩形断面渠道中筑有一溢流坝。已知渠宽B 18m，流量 Q 265m3/s，坝下收缩断面处水深 hc，当坝下游水深t时，问：( 12分)=1.1mh =4.7m1）坝下游是否发生水跃？（4 分）2）如发生水跃，属于何种形式的水跃？（4 分）3) 是否需要修建消能工？若需要修建消能工，估算消力池深。（4 分）k，判断收缩断面和下游水流流态，解： 1)计算临界水深 h3q = Q/B =265/18 =14.72 m /sm3q 2314.7222.81 mhkg9.8因为收缩断面水深hc=1

15、.1 mk为急流，下游水深tk 为缓流，hh =4.7m h所以溢流坝下游必定发生水跃。hc( 18q2c3 1) 2ghch1.114.72 2 2(18 9.8 1.131) 5.81m因为hct，该水跃为远驱水跃。h3）溢流坝下游发生远驱水跃，需要修建消力池。估算消力池深 d，取水跃淹没系数j 1.05则池深约为d =jc th - h =1.05 5.81 4.7 = 1.40 m61、 解 ： 上 面 的 盖 为 a 盖 , 对 于 a 盖 ， 其 压力 体 体 积 Vpa 为Vpa( Hh ) d 21 1d 32426(2.51.0)0.5210.530.262m 3412Fza

16、Vpa9 8100.2622.57kN （方 向 ）左面 水 平 的 盖 为 c 盖 ，对 于 c 盖 ，静 水 压 力 可 分 解 成水 平 及 铅 重 两个 分 力 ，其中FxcHd 29 8102.50.524.813kN水平方向分力44（方向）FzcVpc9 810120.530.321kN铅重方向分力（方向）2、 解：列自由液面1-1 和 2 2 断面的伯诺利方程：0p vv 22v 2h8.52g2gv=v2得： v=1.49 m/sQ=v d 20.073m3 / s答：流量为 0.073m3 / s4RA40.20.0672(0.20.4)解： de4R40.0670.267R

17、edev0.2671.52.67 104200015.0106所以管内气体为紊流流动。2、解：如图所示，由连续性方程得：v 1Q0.43、18m/sA11403.14()24100v 2Q0.451.0m /sA211023.144()100以轴线为基准面，列1-2 断面的伯努利方程12v 220p1 v 10p 2，此时 p 2 02g2g7则： p1（ v22v12）9.851.023.1821295.4kN / m 22g2g29.8设喷嘴对水流的作用力为F，沿水流方向列动量方程，并取1得：p1 A1 FQ（ v 2v1）F p1 A1Q（ v 2v1）13.14 （40251.03.1

18、81295.4100）1000 0.441000162.719.1143.6kN3、检查流动是否无旋：u x(x 2y2） 2yyyu y2yx两者相等，故为无旋流动求速度势函数：du x dx u ydy（ x 2y 2） dx 2xydyx 2 dxdxy 2x 3xy234、根据流线方程定义得流线方程：dxdyuxu ydxdyx t 2y t 2当 t=1 时，dxdyx1y1化简得： xdy+ydx+dy-dx=0积分： xy+y-x+c=0流线通过（ 1,1 ）点：即 1 1+1-1+c=0 得： c=-1将 c=-1 带入上式，得 xy+y-x-1=0化简得：（x+1）（y-1

19、） =05、根据相似原理可得，实验模型风口直径为：d m0.50.1254原型雷诺数为： Ren=6.0 0.5/0.0000157=191082.8500008所以气流处于阻力平方区，（可采用粗糙度较大的管道） ，则阻力平方区的最低雷诺数为 50000 则：相应的模型气流出口速度 Vm为：Vm0.125/0.0000157=50000Vm=6.28m/s6.0流速比尺为：0.9556.28若在模型内测得某点气流速度为3.0m/s , 则车间相应点的速度为：Vn=v=3.0 0.955=2.87m/s6、经分析可知，此流动的主要作用力是重力，所以决定性相似准数为付鲁德准数。 由 付鲁德模型律可

20、知：F nv n2v m2；F m，l n g nl m gmEunpnpm;Eu m ,22vnvm由付鲁德准数相等推理得：vn2l n ;vm2l m所以： vnl nvm160.763.04m /sl m1由欧拉准数相等推理得：pnvn2vn2l npmvm2vm2l m由： Fp l 2FNPNl n2l nl n2l n3得：Pml m2l ml m2l m3FM所以： Fnl n3Fm163416384Nl m37、建立下图所示的坐标，水流方向如图所示：9P2，U2600YU 1，P1OX 当水流不动时：P1=P2=172kN/m 2设 Fx,Fy 为水流作用于弯管的分力，如图Fx

21、p1 A1 P2 A2 cos600X 方向： 17213.14 ( 600 ) 217213.14 ( 300 ) 20.5410004100042.5kNY 方向： F y0P1 A1sina600=0-172 1/4 3.14 （ 300/1000 ） 2 0.86=-10.5kN对弯管的合力：RFx2Fy243.8kN方向为： a=arctan （ Fy/Fx ）= 14 0 当有流动时：由连续性方程得：1d12u11d22 u20.87644解得： u13.2m /su212.4m /s忽略阻力，应用伯努利方程，列1-1,2-2断面的方程：p1u12p2u222g2g带入数据解得：

22、P2/r=10.2H 2O=10.2 9.8=100Kn/ m 210列动量方程：X 方向： p1 A1 p 2 A2 cos600FxQ(u 2 cos6000）带入数据得： Fx=42.4kN同理： y 方向： FyP2 A2sina600Q（ u2 sina6000）代入数据解得： Fy=15.2Kn合力为： R= Fx2Fy2 =45.1Kn方向为： a=arctan （ Fy/Fx ）= 19.708、解： h r sin 4502moch2mFx1 hrhb12 9.82439.2kN22Fyrb ( 13.14r21 hh )9.84(13.142212 2 22.3kN8282

23、FFx2F y245.1kN9、 Q uA2gH0.823.141(50)2210 50.0161m 3 /s4 100孔口与管嘴出流流动时，在出流管嘴内形成以真空区域主要原因是：流体具有粘滞性，流体质点流动时存在惯性， 流线不能发生直接拐弯， 只能是光滑的曲线因此靠近水箱一侧管嘴内壁形成真空。 L=（34）D=(34) 50=150200 mm10、建立如图所示的坐标：设平板对水流的冲击力为 R（方向与 x 轴正方向相同），如图中所示：Q4Q射流出口速度： v 0d02d 024由于平板是光滑的，所以仅有法向力，由动量方程（x 轴方向）得：R= 流出动量 - 流入动量0Q0 ( V0 sin

24、 ）Q0V0 sin=4 Q02 sin= d20所以平板所受冲击力大小与R相等，方向相反。由连续性方程可得： Q0=Q1+Q2- 11由于射流是水平方向， 且置于大气中，所以压力能不变，能量损失不计，由能量方程得： v02v12v22 ，得 v0v 1v 22g2g2g平板切线方向（ y 轴方向）无摩擦力，F0 满足动量守恒；即； 0=（ Q1v1Q2 v 2）Q0 v 0cos化简得： Q1Q 2Q0cos-联立方程解得： Q11(1cos ）Q02Q 21Q0(1cos ）211、选取水平面为截面1-1 ，出口处为断面2-2 ，由伯努利方程知：z1p1v02z2p2v12l v12l v

25、22A v12B v222g2gd1 2gd 2 2g2g2g连续性方程可知： v1 A1v2 A2v1d 221所以d124v2所以100000v 1250v120.01504v12v124v122g0.012g1002 g0.30.22002g2g10001000所以 v 1 1.51m/s,所以 v24v16.04 m /sQ A1V11 d12 v113.14( 200 )21.510.047 m 3 /s441000四、计算题 （12 分）解：Fduv（ 7分） A dl；AAdyh dnd -d0.62mm（分）v60； h2d1000.15TFr9.0910.150.252F26

26、0 0.62 10-30.792Pa s（12 分）五、计算题 （20 分）解：（ 1）以 B 为基准，取A 、B 断面列伯努利方程12zApAA vA2pBBvB2hlzB2g2g（8分）zAa; zB 0;vA2AB 1;hl2g又 vA4Q， vB4Q（12 分）22d AdB代入数值，=3.4（14 分）（ 2）设 B 断面到水银测压计左支管水银交界面的垂直距离为b ，从 pB 开始，用逐段加减的方法推演到pA ，可得 pBb h -(h ba)pA（ 18 分）由h-h1h=( pApBa)9.5mmpA pB，得（20 分）-六、计算题 （20分）解： 取水平基准面0-0，过水断面

27、的压强、速度及位置高度如图由于、两过水断面上流线已接近平行，即属于缓变流，因此可写出两断面的伯努利方程（设121 ）p1v12p2v22h j（ 1）（7 分）z1z22g2g由于在 dt 时间内从断面到的流速由v1 变为 v2，根据动量定理得p1 A1p2 A2p1 ( A2 A1 ) A2 (z1z2 )A2 v2 (v2v1 )整理得 v2 (v2v1 )( p1z1 )( p2z2 )（ 2）（14 分）g(v1v2 ) 2由（ 1） 和（ 2）得 hj2g由连续性方程 v2A1 v1代入上式得（18 分）A2h j1 v12;其中2g（20 分）1 (1 A1 )2 A213七、计算题 （10 分）解： 由 h f 1h f 2 ；1l1 / d1 12 /( 2g)2 l2/ d 2 22 /