【水力学】-四川大学《水力学》期中试卷

四川大学期 考试试题（2009 ——2010 年第 一 学期）课程号： 课序号： 课程名称：水力学 任课教师： 成绩：适用专业年级： 学生人数： 印题份数： 学号： 姓名：考试须知《四川大学考场规则》和《四川大学监考人员职责一、是非题（）（本大题分15小题，每小题1分，共15分）1切应力公=RJ是在均匀流条件下导出的。 （√）2、相邻液体接触面上的水压力质量力。 （×）3、重力与其它质量力同时作用时，等压面为水平面。 （×）4、均匀流一定是层流，非均匀流一定是紊流。 （×）5、水头损失hw代表液流从断面1到断面2所消耗的总机械能。 （×）6、明渠过流断面上各点的流速都是相等的。 （×）7、液体流层之间的内摩擦力与液体所承受的压力有关。 （×）8、均匀流中只考虑沿程水头损失；渐变流中只考虑局部水头损失。 （×）9、沿程阻力系数总是随流速的增大而增大。 （×）10、长管作用水头全部消耗在沿程水头损失上。 （√）、恒定流一定是均匀流，层流也一定是均匀流。 （×）12、均匀缓流只能在缓坡上发生，均匀急流只能在陡坡上发生。 （√）13、绝对压强可以为正值，也可以为负值。 （×）14、平面上静水总压力的大小等于压力中心点的压强与受力面面积的乘积（×）15、当质量力只有重力时，液体的重力加速度代表液体的单位质量力。 （√）二、选择题：（本大题分5小题，每小题2分，共10分）c（1）在水力学中，单位质量力是指（ 。、单位体积液体受到的质量力；、；d。（2）液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为( )a、1kN/m2 、2c、5kN/m2 、10kN/m2 d3流线和迹线一般情况下是不重合的若两者完全重合则水流必（ 。a、均匀流 b、非均匀流 、非恒定流 b（4）有压管道的管径d与管流水力半径的比值d/R=（、8； 、4； 、2； d1。

d、恒定流。（5）已知液体流动的沿程水Re都有关，即可以判断该液体流动属于( )。、层流区； 、紊流光滑区； 、紊流过渡粗糙； d、紊流粗糙区三、作图题（本大题分3小题，共30分）1、画出下列左图受压面ABC的压强分布图和右图受压面AB的水平压强分布图。（10分）压强分布图 水平压强分布图2、试画出下列图中各受压曲面上的压力体图，并指示出垂直压力的方向（10分）3、定性绘出图示短管自由出流的总水头线和测压管水头线。(10分)四、根据题目要求解答下列各题（本大题共4小题，总计45分）1、一铅直矩形闸，如下图所示。已知h1

1.0mh2.0m，门宽b1.5m，FP

的大小。（15分）2、某平底矩形断面的河道中筑一溢流坝，坝高a=30m，坝上水头H=2m，坝下游收缩断面处水深h=0.8m，溢流坝水头损失为h=2.5(v2

为收缩断面流速。不计行近c w c 2g c流速v0

(取动能及动量校正系数均为1.0)。求水流对单宽坝段上的水平作用力(包括大小及方向)。(10分)3、水平管直径d=100mm，管中装一蝶阀。为测定蝶阀的局部水头损失系数 ，在蝶阀前后设有U形水银压差计，如图所示，当管中通过流量q=15.7升/秒时，水银柱高v差h=50mm，设沿程水头损失不计，求蝶阀在该开度时的局部水头损失系数。(10分)4有一梯形渠道底宽 b=10水深h=3边坡为1:1糙率n=0.01，底坡i=0.001。如流动在紊流粗糙区，求通过的流量Q。(10分)三．作图题ABCAB的水平压强分布图。画出图中各受压曲面上的压力体图，并指示出垂直压力的方向。四．计算题：解：①用解析法求：PhcA9800N/m3hc

hh/212/22m;1Abh1.523m2，代入上式得P98002358.8103KN②用图算法求首先绘制出平面闸门的压强分布图见图将压力分布图分解为矩形和三角形，则压力1

bh1

hb9.8KN/m31m2m1.5m29.4KN1 1P2

b hb 9.8KN/m322m21.5m29.4KN2 2 2 2则静水总压力 PPP1 2

29.429.458.8KN解： 列能量方程：c(Ha)h2.5)v2cc c 2gv 13.22m/sc单宽流量qV

vhcc

10.58m3/s写X 方向动量方程1 1g(vv) g(Ha)2 gh2Rc 0 2 2 cv 00解得R4874.6KN水流对单宽坝段的力R'RRR解：列11,22断面的能量方程：p v2 p v2z 1 1 z 2 2 h1 g 2g 2 g 2g jzz1

vv1 2故p p2h v故121g g j 2g 12 12.6h 0.63m1g gq4qv Vd2

2m/s

v20.22g 0.633.10.2044.解：计算渠道断面水力要素过流断面面积 Abhmh239m2湿周 b2 1m2h18.49m水力半径 RA

2.11m谢齐系数 C

R1/680.90m1/2/s1n1Ri通过的流量 QACRi

144.93m3/sPAGEPAGE9/9一、绪论

814水力学

GungiPeng2016.11.221.牛顿内摩擦定律τ=μ𝑑𝑢（𝑑𝑢为角变形率或流速梯度，𝑑𝑦 𝑑𝑦μρ（注意各物理量单位）2.牛顿内摩擦定律的适用条件为牛顿液体层流运动3.F=τA（F）4.圆F= 𝜏2𝜋𝑟𝑑𝑟；M= 𝜏2𝜋𝑟𝑟𝑑𝑟5.宾汉塑性流体切应力与切应变率也成线性关系，但不过原点，牛顿流体过原点。（p7图）6.表面力：压力、切力。质量力：重力、惯性力。7.液体在流动(连续不断变形)过程中，其内部会出现抵抗，液体在流动状态下抵抗剪切的性质称为液体的粘性（又称粘滞性）二、水静力学1.静水压强：垂直指向作用面，一点压强各方向数值相等。2.平衡微分方程：dP=ρ（xdx+ydy+zdz），当dP=0，即等压面，质量力与等压面垂直。3.液体处于相对平衡：1.等压面水平，只有重力作用；2.等压面为斜面，重力和惯性力（产生水平加速度）作用；3.等压面为旋转抛物面，重力和惯性力（离心力）作用4.标准大气压为101.4KN/m2，绝对压强等于标准压强加相对压强5.真空高度与真空压强的换算，P=ρgh，真空压强=∣负压∣6.静止液体基本方程：z+𝑃𝜌𝑔

=𝐶，静止液体中任一点相等。7.解析法：平面上压力计算：P=APc，即受压平面形心压强。与放置方向无关，只与形心位置有关。yd=yc+

𝐼𝑐

。矩形：Ic=

1bh3，圆：Ic=1πr412 48.压力图法：P=Ωb，压强分布图面积。压强分布：三角形e=1/3h，梯形：e=a21+23 1+29.曲面：Px=PxcAx；Pz=ρgV，p=𝑃𝑥 2+𝑃𝑧2，θ=arctan𝑃𝑧𝑃𝑥10.虚压力体：水面和压力体在两侧，实压力体在同侧三、液体一元恒定总流基本原理1t）2.均匀流与非均匀流：流场中位于同一流线上各质点的流速矢量不沿程变化（流线不相交）为均匀流，反之为非均匀流。非均匀流可以分为渐变流和急变流（有无迁移加速度）3.元流：微小流管中的液流4.总流：由无数元流集合而成的整股水流称为总流5.一元流与三元流：液体的运动要素仅是一个坐标变量的函数，这种运动称为一元流，运动要素是三个坐标变量的函数，称三元流67.迹线：同一质点在一个时段的运动轨迹线8.连续方程：V1A1=V2A29.能量方程：z1+𝑃1+𝛼𝑣12

+𝑃 =z2+𝑃2𝛼𝑣22+𝑤；hw=hf（沿程）+hj（局部）𝜌𝑔 2𝑔

𝜌𝑔 2𝑔10−P2+R=ρQβ2v2−β1v1；R11.动能/动量校正系数，越不均匀越大，因此层流远大于紊流12.同一管流断面上，动能校正系数α比动量校正系数β大13.过水断面上的压强大小与基准面选择无关14.均匀流断面上（非“流场内”）的压强分布规律与静水压强规律相同四、层流和紊流、液流阻力和水头损失1.管流：Re=𝑢𝑑，小于2300为层流，大于2300为紊流，Re=𝑢𝑅

=𝑄1𝑣 𝑣2.明渠：Re=𝑢𝑅，小与500为层流，大于500为紊流，R=A/X𝑣3.雷诺数为惯性力与粘性力之比4.均匀流：τ=ρgRJ

𝑣𝜋𝑑5.层流流速分布：抛物线分布；紊流流速分布：对数分布（普朗特动量传递理论）6.上临界流速：层流变紊流；下临界流速：紊流变层流7.圆管层流沿程水头损失系数：λ=64/Re，明渠层流：λ=24/Re8.紊流瞬时流速=时均流速+脉动流速（可正可负）9.紊流切应力=粘性切应力+雷诺应力(质点掺混引起的附加切应力)10.紊流附加切应力与脉动流速、液体密度有关，与动力粘性系数μ无关11.粘性底层：粘性起主要作用，流速近似按直线变化（边界层不是粘性底层）12（边界层13.局部水头损失通过理论分析与实验来确定14.紊流核心区：脉动现象，紊流切应力等于紊流附加切应力λ有关层流雷诺数紊流光滑区雷诺数紊流过渡粗糙区相对粗糙度和雷诺数紊流粗糙区相对粗糙度λ与速度次方-10.250~0.25与v无关hf（与速度次方）11.751.75~2.0215.16.紊流压强摆动：紊流具有脉动作用17.谢才公式=CA 𝑅𝐽；曼宁公式=1𝑅1𝑛 6J= 𝑄2 ；J=𝑕𝑓，hf=λ𝑙𝑣2→λ=8𝑔𝐶2𝐴2𝑅 𝑙

4𝑅2𝑔

𝐶218.冷水水力坡度J1大于热水水力坡度J219.粗糙区紊流散热效果最佳20.随着流量增大，紊流从光滑区到过渡粗糙区到粗糙区21.紊流粗糙区，同一材料的管道，d越小，沿程水头损失系数λ越大22.同一种管径和粗糙度的管道，雷诺数不同时，可以在管中形成紊流光滑区，粗糙区，过渡粗糙区23.文德里管测流量，流量公式是根据能量方程、连续方程推导24.文德里管的流量系数小于1的原因：能量损失，μ=𝑄实际𝑄理论25.毕托管测流速原理是驻点原理26.断面面积沿程增大的水平管道，其管轴压强不一定沿程增大，考虑水头损失27.液体作紊流运动时，相对粗糙度越大，沿程水头损失λ可能越大（穆迪图）28.只有粘性液体才有层流紊流之分五、液体三元流动基本原理2=𝜕𝑢𝑥𝜕𝑥

+𝜕𝑢𝑦𝜕𝑦

+𝜕𝑢𝑧𝜕𝑧

=0，流函数存在条件3.旋转角速度：ωz=1（𝜕𝑢𝑦−𝜕𝑢𝑥），判断无旋运动，势函数存在条件2 𝜕𝑥 𝜕𝑦4.角变形：εxy=1（𝜕𝑢𝑦+𝜕𝑢𝑥），是否剪切变形2 𝜕𝑥 𝜕𝑦5.恒定平面势流：流函ψ x，y ；𝜕𝜓

=𝑢𝑥，𝜕𝜓

=−𝑢𝑦；连续方程满足平面流动6.速度势函φ x，y

=𝑢𝑥，𝜕𝜓

=𝑢𝑦；无旋满足7.dψ= −𝑢𝑦𝑑𝑥+𝑢𝑥𝑑𝑦；dφ= 𝑢𝑦𝑑𝑦+𝑢𝑥𝑑𝑥8.不可压缩恒定平面流动中，任意两流线之间通过的单宽流量等于该两流线的流函数之差9.液体是否为有旋运动，取决于液体微团本身是否旋转，而与液体微团的运动轨迹无关10.沿着流动方向，在同一流线上各点的势函数值是增大的11.欧拉液体平衡方程对理想液体和实际液体均适用（欧拉方程只用于静止状态，而静止液体不考虑粘性）六、有压管流1.长管和短管：沿程水头损失占95%以上为长管2.长管不计流速水头和局部水头3.长管的总水头线与测压管水头线相重合4.串联管道流量相同：Q=Q1=Q2=Q3=⋯.5.并联管道沿程水头损失相等：Q=Q1+Q2+Q3+⋯6.并联管道由于液流总重量不同，所以总机械能不等，但单位能量相等7.水ft=2𝑙T=4𝑙𝑐 𝑐8.直接水ft：Ts<𝑇𝑐；间接水ft：Ts>𝑇𝑐9.直接水ft=ρcv0v，阀门完全关闭时，水ft∆P=ρcv0，则𝑔∆H=cv010.水ft研究中，液体和管道假设都是弹性体，产生可压缩的非恒定流11.管流负压区是指测压管水头线在管轴线以下的部分。12.水流在等直径直管中作恒定流动时，其测压管水头线沿程下降p=z+s=−（𝑃2+𝑣2+𝑤）𝜌𝑔 2𝑔14.v02≠0，出口处为突然扩大的水流，总水头线下降至下游水面上方，测管水头线上升后v02七、明渠均匀流1.J=Jp 水面坡度 =i 底坡，v=C 𝑅𝑖2.正坡i>0，平坡i=0，负坡i<03.正常水深h0与流量Q，糙率n，底坡i，宽度b，坡度m有关；临界水深hc与流量Q，宽度b，坡度m有关，矩形断面hc=3𝛼𝑞2，q=Q/b𝑔4.梯形断面=（b+mh0）h0，X=b+2h0 1+𝑚2，R==1𝑅1𝑛 65.水力最佳断面：当渠道的底宽i，糙率n一定，在通过已知设计流量时所选定的过水面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大，符合这种条件的断面称为水力最佳断面.𝑏𝑕0

=2 1𝑚2−𝑚，矩形=2（b=2h）6.缓坡明渠中的均匀流只能是缓流，陡坡明渠中的均匀流只能是急流7.组合糙率断面：nc=𝑥1𝑛1+𝑥2𝑛2+⋯+𝑥𝑘𝑛𝑘，𝑛𝑚𝑎𝑥

<1.5~2.0𝑥1+𝑥2+⋯𝑥𝑘 𝑛𝑚𝑖𝑛nc=

𝑥1𝑛12+𝑥2𝑛22+⋯+𝑥𝑘𝑛𝑘2，𝑛𝑚𝑎𝑥

>2.0𝑥1+𝑥2+⋯𝑥𝑘 𝑛𝑚𝑖𝑛8.复式断面=Q1+Q2+⋯=K1 𝑖1+K2 𝑖2+⋯=𝐶1𝐴1 𝑅1𝑖1+𝐶2𝐴2 𝑅2𝑖2+⋯9.渠道断面设计时，选用糙率n偏小，引起输水能力不足或溢漫现象八、明渠非均匀流缓流和急流判别v<𝑐，干扰波能向上下游传播，水流为缓流c= 2.Fr<1，水流为缓流，Fr=

𝑣

，动能与势能之比

>0=h+𝛼𝑣22𝑔4.h>hc，水流为缓流，hc=3

𝛼𝑞2𝑔5.i<ic，h0>hc，即缓坡上的均匀流为缓流2.缓流断面单位能量随水深增大而增加，急流断面单位能量随水深增大而减小。→1，缓流到急流发生水跌水跃方程2=𝑕1（ 1+8𝑟2−1），矩形r= 𝑣2 𝑔𝑕2>𝑡2=2<𝑡为淹没水跃(i=ic(i>ic)6.十二条水面线熟记规律1：1区，3区升，2区降规律2：接近N-N线时，以N-N线为其渐进线规律3：接近C-C线时，垂直于C-C线均匀流的水面线是N-N线7.明渠水流中，断面单位能量Es沿程增大：缓坡M1；陡坡S1，S2；临界坡C1。断面单位能量Es沿程减小：缓坡M2，M3；陡坡S3；临界坡C3；平坡H2，H3；负坡A2，A38.壅水曲线的水深增大，高程一般减小9.缓流通过矩形断面明渠中障碍物时，障碍物上的水面必然下降(流速与波速关系)九、堰流和闸孔出流1.𝛿𝐻

<0.67，薄壁堰；0.67<

𝛿<2.5，实用堰；2.5<𝐻

𝛿<10，宽顶堰𝐻22.堰流基本集散公式=εςmB 2𝑔𝐻03，三个系数分别是侧收缩系数，淹没系数，流量系2数3.薄壁堰、实用堰淹没出流条件：1.下游水位高于堰顶，2.下游发生淹没水跃4.宽顶堰淹没出流条件：𝑠𝐻0

>0.8,hs为下游水位高于堰顶的数值，H0为