环保工程师-专业基础-工程流体力学与流体机械-明渠均匀流和非均匀流

环保工程师-专业基础-工程流体力学与流体机械-明渠均匀流和非均匀流[单选题]1.在平坡棱柱形渠道中，断面比能（断面单位能）的变化情况是()。[2012年真题]A.沿程减少B（江南博哥）.保持不变C.沿程增大D.各种可能都有正确答案：A参考解析：断面比能（断面单位能）是指单位重量液体相对于通过该断面最低点的基准面的机械能。单位重量流体的机械能是相对于沿程同一基准面的机械能，其值沿程减少。而断面单位能量E是以各个断面最低点为基准面来计算的，只和水深、流速有关，与该断面位置的高低无关。取渠底作为位头基准面，则过流断面上、单位重量流体的总机械能称为断面单位能量或断面比能，断面比能为单位重量流体的动能与势能之和，用e表示，e＝h＋u2/2g。式中，h为水深；u为平均流速。由于水头损失的存在，在平坡棱柱形渠道中，断面比能沿程减小。[单选题]2.水力最优的矩形明渠均匀流的水深增大一倍，渠宽缩小到原来的一半，其他条件不变，则渠道中的流量()。[2013年真题]A.变大B.变小C.不变D.随渠道具体尺寸的不同都有可能正确答案：B参考解析：根据明渠均匀流体积流量计算公式：。式中，n为粗糙系数；i为渠道底坡；A为断面面积；χ＝A/R为湿周。当i、n和A一定，使得通过的流量Q最大的断面形状，或者使水力半径R最大，即湿周χ最小的断面形状称水力最优断面形状，已知矩形断面水力最优条件为渠宽b是水深h的两倍，即b＝2h，此时χ＝4h。变化后水深为2h，渠宽为h，此时χ＝5h。湿周χ增大，体积流量减小。[单选题]3.流量一定，渠道断面的形状、尺寸和粗糙系数一定时，随着底坡的减小，正常水深将()。[2012年真题]A.不变B.减少C.增大D.不定正确答案：C参考解析：本题有两种解法：①第一种解法。明渠水流一般属紊流粗糙区，根据连续性方程和谢才公式，可得到计算明渠均匀流的流量公式：。式中，，K称为流量模数，单位为m2/s，综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙度对输水能力的影响。当渠道断面形状及粗糙系数n一定时，K是正常水深h0的函数。在已知设计流量Q，底坡i，边坡系数m及粗糙系数n的情况下，要设计一条新渠，则需求出渠道断面尺寸b和h0。该问题的未知量有两个，利用式。求解时，可选出许多组能满足上式的b和h，因此必须结合工程技术和经济要求，再附加一个条件才能得到唯一的解。所以常用试算法，即先假定若干个水深h0值，计算得若干个K值，作h0～K曲线，如题3解图，再由已知K值在曲线上查得相应的h0值，即为所求的水深。由题3解图可知，流量一定，底坡减小，K增大，正常水深也将增大。题3解图②第二种解法：由公式得：f（h），f（i）均为增函数，Q不变，因此i减小，h变大。[单选题]4.下列流动中，不可能存在的是()。[2013年真题]A.缓坡上的非均匀流B.陡坡上的非均匀流C.逆坡上的非均匀流D.平坡上的均匀缓流正确答案：D参考解析：形成均匀流的条件有：①长而直的棱柱形渠道；②底坡i＞0，且沿程保持不变；③渠道的粗糙情况沿程没有变化；④渠中水流为恒定流，且沿程流量保持不变。D项，均匀流只能发生在顺坡渠道。[单选题]5.有一条长直的棱柱形渠道，梯形断面，底宽b＝2.0m，边坡系数m＝1.5，粗糙率n＝0.025，底坡i＝0.002，设计水深h0＝1.5m，通过流量为()。[2007年真题]A.16.40m3/sB.10.31m3/sC.18.00m3/sD.20.10m3/s正确答案：B参考解析：过水断面面积A＝（b＋mh）h＝6.375m2，湿周，则水力半径，所以断面通过流量。[单选题]6.为了验证单孔小桥的过流能力，按重力相似准则（弗劳德相似准则）进行模型试验，小桥孔径bp＝24m，流量Qp＝30m3/s，采用长度比尺λL>＝30，介质为水，试求模型中流量Qm是()。[2007年真题]A.7.09×10－3m3/sB.6.09×10－3m3/sC.10m3/sD.1m3/s正确答案：B参考解析：对于重力起主导作用的流动，应保证模型和原型的弗劳德数相等，即按弗劳德相似准则设计模型。由式，则流速比尺为：；通常取，所以可得：，则流量比尺为：，则模型中的流量为：。[单选题]7.有一条长直的棱柱形渠道，梯形断面，底宽b＝2.0m，边坡系数m＝1.5，在设计流量通过时，该渠道的正常水深（渠道设计深度）为()。[2007年真题]A.3.8mB.3.6mC.3.3mD.4.0m正确答案：C参考解析：梯形最优断面的水深比为：式中，m为边坡系数，m＝cotα（α为边坡线与水平线的夹角）；b为渠底宽；h为水深。则可得正常水深为：[单选题]8.坡度、边壁材料相同的渠道，当过水断面面积相等时，明渠均匀流过水断面的平均流速在哪种渠道中最大？()[2014年真题]A.半圆形渠道B.正方形渠道C.宽深比为3的矩形渠道D.等边三角形渠道正确答案：A参考解析：根据明渠均匀流基本公式：。式中，n为壁面粗糙系数；i为明渠底坡；A为过流断面面积；R为水力半径。当过流断面面积A、粗糙系数n及渠道底坡i一定时，使流量Q达到最大值的断面称为水力最优断面。即湿周最小时，渠道断面最优，流量最大，平均流速最大。半圆形渠道因其水利半径最大、湿周最小而成为最优断面。[单选题]9.矩形水力最优断面的宽度比b/h是()。[2011年真题]A.0.5B.1.0C.2.0D.4.0正确答案：C参考解析：梯形断面的过水面积为A＝（b＋mh）h，式中，A为断面面积，b为渠底宽，m为坡边系数，h为水深。则湿周的表达式为：①式对水深h求导，求湿周的极小值，则有：再求二阶导数，有：d2χ/dh2＝2A/h3＞0，说明χmin存在。将A＝（b＋mh）h代入②式：所以，水力最优的矩形断面，即m＝0，则：βh＝2，b＝2h。[单选题]10.明渠流动为缓流，若其他条件不变，下游底坎增高时，水面会()。[2016年真题]A.抬高B.降低C.不变D.随机变化正确答案：A参考解析：明渠水流具有自由液面与大气相接触，它与有压流不同，分为三种流态：急流、缓流、临界流。缓流，常见于底坡平缓的灌溉渠道、枯水季节的平原河道中，水流流态徐缓，遇到障碍物阻水，则障碍物前水面壅高，逆流动方向向上游传播，即缓流下游底坎增高，水面抬高。[单选题]11.在无压圆管均匀流中，如其他条件不变，正确的结论是()。[2016年真题]A.流量随满度的增大而增大B.流速随满度的增大而增大C.流量随水力坡度的增大而增大D.三种说法都对正确答案：C参考解析：无压管道不满流属明渠水流。若管道有足够长，管径不变，底坡不变，流量恒定，也产生均匀流，具有明渠均匀流的特征。此外，它还具有另外一种特征，即在未达到满管流之前流量达到最大值，流速也达到最大值。根据谢才公式，明渠均匀流的体积流量：。其中，称为水力坡度；称为水力半径，C为谢才系数。故流量随水力坡度的增大而增大。[单选题]12.明渠流动为缓流时，υk、hk分别表示临界流速和临界水深，则以下表述正确的是()。[2014年真题]A.v＞υkB.h＜hkC.Fr＜1D.de/dh＜1正确答案：C参考解析：临界流是介于急流与缓流之间的流态。缓流与急流的判别准则有5种：①临界水深hk。若渠中水深h＞hk为缓流；若h＜hk为急流；若h＝hk为临界流。②临界流速uk。当明渠水流流速u＜uk时为缓流；当u＞uk时为急流；当u＝uk时为临界流。③断面单位能量e。若e随着水深h的增加而增大，即de/dh＞1，则为缓流；反之则为急流。④弗劳德数Fr。当Fr＜1时为缓流；Fr＞1为急流；Fr＝1为临界流。⑤微波波速C。若u＞C为急流；u＜C为缓流；u＝C为临界流。[单选题]13.底宽4.0m的矩形渠道上，通过的流量Q＝50m3/s。渠流作均匀流时，正常h0＝4。渠中水流的流态为()。[2011年真题]A.急流B.缓流C.层流D.临界流正确答案：B参考解析：采用弗劳德数判别明渠水流状态。设断面流速为v，水深h，则弗劳德数为：。当Fr＞1，为急流；Fr＜1，为缓流；Fr＝1，为临界流。根据题意，断面流速为：所以渠中水流状态为缓流。[单选题]14.明渠流临界状态时，断面比能e与临界水深hk的关系是()。[2010年真题]A.e＝hkB.e＝2/3hkC.e＝3/2hkD.e＝2hk正确答案：C参考解析：临界水深定义为：给定流量，同一个断面上断面比能为最小值时所对应的水深。断面比能Es与临界水深hk的关系如题14解图所示。存在一个极小值点hk，使Es＝Esmin。其中：①h＞hk时（曲线上支），dEs/dh＞0，且Fr＜1，明渠流态为缓流；②h＜hk时（曲线下支），此时dEs/dh＜0，Fr＞1，明渠流态为急流；③h＝hk时（极值点），dEs/dh＝0，Fr＝1，明渠流态为临界流。矩形断面B＝b，A＝hb，代入临界水深公式得（单宽流量q＝Q/b）；当h＝hk时，可得故矩形断面明渠：hk＝2Esmin/3，即e＝3/2hk。反之，若矩形断面明渠h＝2Es/3，则此时h＝hk。题14解图h～Es曲线图[单选题]15.对于梯形过流断面的渠道，当流量、断面形状和尺寸一定情况下，正常水深变化情况随底坡和粗糙率的关系为()。[2009年真题]A.随着底坡和糙率的增加而减少B.随着底坡减少和糙率的增加而增加C.随着底坡增加和糙率的减少而增加D.随着底坡和糙率的增加而增加正确答案：B参考解析：明渠均匀流基本计算公式：式中，Q为体积流量；A＝h（b＋mh）为过流断面面积；为水力半径（）；i为明渠底坡；n为壁面粗糙系数。由公式可以推论：①Q一定时，n越大，则A越大，水深h就越大；②Q一定时，i越小，则A越大，水深h就越大。[单选题]16.在矩形明渠中设置一薄壁堰，水流经堰顶溢流而过，如图所示，已知渠宽为4m，堰高为2m，堰上水头H为1m，堰后明渠中水深h为0.8m，流量Q为6.8m3/s。若能量损失不计，试求堰壁上所受动水压力R的大小和方向为()。[2008年真题]题16图A.R＝153kN，方向向右B.R＝10.6kN，方向向右C.R＝153kN，方向向左D.R＝10.6kN，方向向左正确答案：B参考解析：如题16解图，取1—1断面和2—2断面。作用于任意平面上的静水总压力的大小等于该平面的面积与其形心处静水压强的乘积，则水流对1—1断面的静水压力为：F1＝ρgh1A1＝ρg（H＋2）（H＋2）×4/2＝176.4kN水流对2—2断面的静水压力为：F2＝ρgh2A2＝ρg×h×h×4/2＝12.544kN由Q＝v1A1＝v2A2，可知，v1＝Q/（H＋2）×4＝0.567m/s，v2＝2.125m/s。设堰对水流的抗力为R′，水平向左，则根据总流动量方程：F1－F2－R′＝ρQ（v2－v1），计算得：R′＝10.59kN，方向向左。根据作用力与反作用力大小相等，方向相反的性质，则堰壁上所受动水压力R大小为10.59kN，方向水平向右。题16解图[单选题]17.两水池用虹吸管连接，管路如图所示。已知上下游水池的水位差H为2m，管长L1为3m，L2为5m，L3为4m，管径为100mm，沿程阻力系数为0.026，进口阻力系数为0.5，弯头阻力系数为1.5，出口阻力系数为1.0。求通过虹吸管的流量，并说明在上下游水位差不变的条件下，下列哪些措施可以提高虹吸管的流量？()[2008年真题]题17图A.Q＝0.0178m3/s，减小虹吸管径，可以增大出流量B.Q＝0.0178m3/s，减小虹吸管长度，可以增大出流量C.Q＝1.78m3/s，增大虹吸管管径，可以增大可流量D.Q＝1.78m3/s，减小虹吸管内壁的粗糙度，可以增大出流量正确答案：B参考解析：在上下游液面间列能量方程：。上下游液面处均为大气压强，即，P1＝P2＝0；上下游液面足够大，则流速近似为零，即，v1＝v2＝0m/s，则可得H＝hw。局部阻力损失包括：①进口阻力损失（ζe＝6.0）；②两个弯头阻力损失（ζ＝0.3）；③出口阻力损失（ζ4＝1）。由于管径相同，因而管中流速v相同，所以总水头损失为沿程水头损失与局部水头损失之和：代入本题数据得：求解得：流速v＝2.254m/s，则流量为Q＝vA＝（3.14/4）×0.12×2.254＝0.0178m3/s。根据流量公式可知，虹吸管长度减少，流速v增大，流量增大；虹吸管管径减小，流量减小。[单选题]18.设有棱柱形长直明渠，粗糙系数为常数，通过流量一定，若此明渠未能形成均匀流，其原因是()。A.i＞ikB.i＜ikC.i＝ikD.i＝0正确答案：D参考解析：在顺坡渠道中，才会存在明渠均匀流。在无坡度情况下存在沿程阻力损失，所以通过流量一定时，水深必然变化。明渠均匀流只能出现在底坡不变，断面形状尺寸、粗糙系数都不变的顺向坡长直渠道中。明渠均匀流是等深流，水面线即测压管水头线，与渠底平行。它又是等速流，总水头线与测压管水头线平行，所以，水力坡度J＝渠底坡度i。[单选题]19.水力最优断面在渠道的设计中()。A.是渠道设计必须遵循的原则B.是设计大型渠道遵循的原则C.是设计中型渠道遵循的原则D.是设计小型渠道遵循的原则正确答案：D参考解析：明渠水力最优断面是指在壁面粗糙系数n、过流断面面积A和底坡i一定的条件下，使通过渠道的流量最大的过流断面。水力最优不一定是工程上最优的。一般来讲，对于小型土渠既有衬砌的渠道可采用水力最优断面设计，因为它施工容易，维护相对简便，费用不高；对于无衬护的大中型渠道，考虑到施工和维护，一般不用水力最优断面。实际工程中必须按工程造价、施工技术、输水要求及维护等诸方面条件综合比较，选定技术先进、经济合理的断面。总体来讲，水力最优是从水力学原理提出的，对明渠断面形状的确定，要依据工程实际进行分析。[单选题]20.某梯形渠道底宽b＝6.0m，水面宽14.0m，水深2.0m，底坡i＝3.0×10－4，渠中平均流速，其中谢才系数C＝43.7m0.5·s－1，则渠中流量为()m3·s－1。A.16.5B.17.5C.18.5D.19.5正确答案：B参考解析：梯形断面面积为：A＝（水面宽＋底宽）×水深/2＝（14.0＋6.0）×2.0/2＝20.0m2。润湿周边长为：水力半径为：则有：[单选题]21.有两个断面形状、尺寸完全相同的棱柱形渠道，n1＜n2，在通过相同流量的情况下，有()。A.h1＜h2B.h1＝h2C.h1＞h2D.无法判断正确答案：A参考解析：明渠水流流量计算公式为：，其中，则可得：。又根据，得。假设为矩形断面：，则在流量相同情况下，n1＜n2，则h1＜h2。[单选题]22.不冲流速是指()。A.渠道使用时免遭淤积的最大允许流速B.渠道使用时免遭冲刷的最大允许流速C.渠道使用时免遭淤积的最小允许流速D.渠道使用时免遭冲刷的最小允许流速正确答案：B参考解析：对于设计合理的渠道，除考虑过流能力和工程造价等因素外，还应保证渠道不被冲刷或淤积。当渠道中流速超过某一数值时，渠底或边坡就会受到冲刷破坏，这个极限流速称为不冲流速。因此，设计流速不应大于允许流速v′，否则渠道将被冲刷。v′指渠道免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲流速。[单选题]23.下列几种断面的长直渠道，具有相同的粗糙系数n＝0.018，过流断面面积A＝1.2m2，底坡i＝0.005，则通过流量最大的断面形状为()。A.正三角形B.梯形C.矩形D.半圆形正确答案：D参考解析：当底坡i、壁面粗糙系数n和过流断面面积A一定时，通过流量Q最大时的断面形状称为水力最优断面。由谢才公式和曼宁公式可推论：，n和A相同，故湿周χ最小时Q最大。断面面积相等时，半圆形断面湿周最小。[单选题]24.有一排水渠道，边坡系数m＝1，粗糙系数n＝0.020，底坡i＝0.003，通过流量Q＝1.2m3/s，排水断面为梯形，按水力最优断面设计，其断面尺寸为()。A.b＝0.577m，h＝0.70mB.b＝2.12m，h＝1.25mC.b＝1.50m，h＝1.50mD.b＝1.0m，h＝1.5m正确答案：A参考解析：梯形断面最优断面宽深比：过水断面面积：A＝（b＋mh）h＝（0.828h＋h）h＝1.828h2湿周：水力半径：则流量为代入数值得：解得：h＝0.70m，b＝0.828×0.70＝0.577m。[单选题]25.矩形断面排水沟，渠宽b＝4m，粗糙系数n＝0.025，通过流量Q＝30m3/s，若底坡i＝0.005，则临界水深hK为()m。A.0.97B.1.05C.1.79D.1.98正确答案：C参考解析：在断面形状、流量给定的情况下，使断面比能最小时的水深称为临界水深，用hk表示。临界水深公式：，对于矩形断面A＝bh，B＝b。将题目中数据代入临界水深公式，可得：（明渠α＝1）。[单选题]26.某梯形渠道不淤流速为0.4m/s，不冲流速为0.73～0.92m/s，渠道设计流速为0.55m/s，则以下叙述正确的是()。A.该渠道流速设计合理，满足不冲刷、不淤积条件B.应当将渠道设计流速提高到0.92m/s以上C.应当将渠道设计流速降低到0.4m/s以下D.应当使渠道设计流速在0.73～0.92m/s之间正确答案：A参考解析：为了保证渠道正常运行，渠道的设计流速要大于不淤流速，小于不冲流速，本题中渠道设计流速为0.55m/s，符合设计要求，故该渠道流速设计合理，满足不冲刷、不淤积条件。渠道设计流速的大小取决于土质和衬砌材料情况，渠道允许流速要大于不淤流速，小于不冲流速。[单选题]27.某梯形渠道过流断面面积A＝20.0m2，水深2.0m，底坡i＝4.0×10－4，渠中平均流速可用计算，其中谢才系数C＝50m0.5·s－1，则以下叙述不正确的是()。A.最优断面的水力半径R＝1.0mB.最优断面的润湿周边长κ＝20mC.最大流量为20m3·s－1D.最优断面的渠底宽为4m正确答案：D参考解析：梯形明渠水力最优断面条件有：①，润湿周边长为：②根据A＝（b＋mh）h，联立求解得：b＝0.41m。[单选题]28.某矩形断面渠道，其弗劳德数Fr为2，则流动类型为()。A.缓流B.临界流C.急流D.渐变流正确答案：C参考解析：根据流动类型判据，Fr＞1时，水流为急流；Fr＜1时，为缓流；Fr＝1时，为临界流。临界流是介于急流与缓流之间的流态。本题中弗劳德数Fr为2＞1，故流动类型为急流。[单选题]29.已知一条矩形渠道，通过流量Q＝1.5m3/s，底宽b＝2m，正常水深h0＝0.65m，粗糙系数n＝0.015，则该渠道的底坡为()。A.0.0035B.0.0010C.0.0028D.0.0032正确答案：B参考解析：过水断面面积为：A＝bh0＝2×0.65＝1.3m2。湿周为：。水力半径为：。谢才系数，则流量为。代入数值得：，解得：i＝0.0010。[单选题]30.在棱柱体逆坡明渠中（不考虑流量的输入或输出），断面单位能量e沿流程()。A.减小B.增大C.不变D.不确定正确答案：A参考解析：断面单位能量（或断面比能）是指单位重量液体相对于通过该断面最低点的基准面的机械能。单位重量流体的机械能是相对于沿程同一基准面的机械能，其值沿程减少。而断面单位能量E是以各个断面最低点为基准面来计算的，只和水深、流速有关，