工程流体力学第二版习题答案-(杜广生)

.w式中,p表示4摄氏度时水的密度.w查表可知,标准状态下：NHO,因此烟气在标准状态下的密度为：3.解：〔1气体等温压缩时,气体的体积弹性模量等于作用在气体上的压强,因此,绝对压强为4atm的空气的等温体积模量：3T〔2气体等熵压缩时,其体积弹性模量等于等熵指数和压强的乘积,因此,绝对压强为4atm的空气的等熵体积模量：式中,对于空气,其等熵指数为1.4.4.解：根据流体膨胀系数表达式可知：因此,膨胀水箱至少应有的体积为2立方米.5.解：由流体压缩系数计算公式可知：6.解：根据动力粘度计算关系式：7.解：根据运动粘度计算公式：Pa.s,因此,由牛顿内摩擦定律可知：如图所示,r.由于间隙很小,所以间隙内润滑油的流速分布可看作线性分布,则有：则在微元dh高度内的力矩为：因此,圆锥旋转所需的总力矩为：润滑油与轴承接触处的速度为0,与轴接触处的速度为轴的旋转周速度,即：D=nπDT=τA=μDπDbδδ因此,轴的转速可以计算得到：如图所示,圆盘上半径为r处的速度：D=负r,由于间隙很小,所以油层在间隙中沿着轴向的速度分布可看作则微元宽度dr上的微元力矩：因此,转动圆盘所需力矩为：摩擦应力即为单位面积上的牛顿内摩擦力.由牛顿内摩擦力公式可得：活塞与缸壁之间的间隙很小,间隙中润滑油的速度分布可以看作线性分布.负.负-3因此,活塞运动时克服摩擦力所消耗的功率为：2-4x-3x-2x2-3对于飞轮,存在以下关系式：力矩M=转动惯量J*角加速度C,即M=Jd负圆盘的转动惯量：J=mR2=-R2式中,m为圆盘的质量,R为圆盘的回转半径,G为圆盘的重量.g角加速度已知：C=0.02rad/s2d粘性力力矩：M=Tr=τAd=μ2πdLd=20π2因此,润滑油的动力粘度为：得,可可得,负号表示液面下降..ABHg由于煤气的密度相对于水可以忽略不计,因此,可以得到如下关系式：由于不同高度空气产生的压强不可以忽略,即1,2两个高度上的由空气产生的大气压强分别为p和p,并而煤气管道中1和2处的压强存在如下关系：p=p+pgH〔4水-33煤气aH20如图所示,选取1-1截面为等压面,则可列等压面方程如下：因此,可以得到：设容器中气体的真空压强为p,绝对压强为p如图所示,选取1-1截面为等压面,则列等压面方程：p+pgΔh=p因此,可以计算得到：.如图所示,选取1-1,2-2截面为等压面,并设1-1截面距离地面高度为H,则可列等压面方程：联立以上三式,可得：化简可得：如图所示,选取1-1,2-2截面为等压面,则列等压面方程可得：因此,联立上述方程,可得：如图所示,选取1-1截面为等压面,2对1-1截面列等压面方程：解得,如图所示,取1-1,2-2截面为等压面,列等压面方程：联立上述方程,可以求解得到：如图所示,取1-1截面为等压面,列等压面方程：因此,可以解得A,B两点的压强差为：如果h=0,则压强差与h之间存在如下关系：s.如图所示,选取1-1,2-2,3-3截面为等压面,列等压面方程：联立上述方程,可以解得两点压强差为：如图所示,选取1-1截面为等压面,并设B点距离1-1截面垂直高度为h列等压面方程：p+pgh=p,式中：h=因此,B点的计示压强为：如图所示,取1-1截面为等压面,列等压面方程：解方程,可得：图示状态为两杯压强差为零时的状态.取0-0截面为等压面,列平衡方程：p+pgH=p+pgH,由于此时p=p,因此可以得到：当压强差不为零时,U形管中液体上升高度h,由于A,B两杯的直径和U形管的直径相差10倍,根据体积相等原则,可知A杯中液面下降高度与B杯中液面上升高度相等,均为h/100.此时,取0’-0’截面为等压面,列等压面方程：由此可以求解得到压强差为：将式〔1代入,可得.根据力的平衡,可列如下方程：左侧推力=总摩擦力+活塞推力+右侧压力e式中A为活塞面积,A’为活塞杆的截面积.由此可得：分析：隔板不受力,只有当隔板左右液面连成一条直线时才能实现〔根据上升液体体积与下降液体体积相等,可知此直线必然通过液面的中心.如图所示.此时,直线的斜率tanc=a〔1g另外,根据几何关系,可知：tanc=hh〔2l+l根据液体运动前后体积不变关系,可知：h=h+h,h=h+h2l+l容器和载荷共同以加速度a运动,将两者作为一个整体进行受力分析：2f121当容器以加速度a运动时,容器中液面将呈现一定的倾角c,在水刚好不溢出的情况下,液面最高点与容器边沿齐平,并且有：tanc=ag根据容器中水的体积在运动前后保持不变,可列出如下方程：.f积分,pa0(a)一a=gphpa〔1初始状态圆筒中没有水的那部分空间体积的大小为)圆筒以转速n1旋转后,将形成如图所示的旋转抛物面的等压面.令h为抛物面顶点到容器边缘的高度.空体积旋转后形成的旋转抛物体的体积等于具有相同底面等高的圆柱体的体积的一半：由<1><2>,得2即.1等角速度旋转容器中液体相对平衡时等压面的方程为r2r2d对于自由液面,C=0.圆筒以转速n1旋转时,自由液面上,边缘处,rd(d2得负=d-11ππdπd<9>〔1水正好不溢出时,由式<4><9>,得即〔2求刚好露出容器底面时,h=H,则〔3旋转时,旋转抛物体的体积等于圆柱形容器体积的一半这时容器停止旋转,水静止后的深度h2,无水部分的体积为-h)2.由<11><12>,得--2H得由于铁水上部直通大气,因此在坐标原点处有：z=0,r=0,p=p,因此可得,C=p2采用离心铸造可以使得边缘处的压强增大百倍,从而使得轮缘部分密实耐磨.关于第二问：螺栓群所受到的总拉力.题目中没有告诉轮子中心小圆柱体的直径,我认为没有办法计算,不知对否？有待确定！题目有点问题！圆筒容器旋转时,易知筒内流体将形成抛物面,并且其内部液体的绝对压强分布满足方程：如图所示,取空气所形成的抛物面顶点为坐标原点,设定坐标系roz当z=0,r=0时,有p=p〔圆筒顶部与大气相通,a代入方程〔1可得,C=pa.令p=p可以得到液面抛物面方程为：z=负2r2〔2下面计算抛物面与顶盖相交处圆的半径r,以及抛物面的高度z,如图所示：〔3根据静止时和旋转时液体的体积不变原则,可以得到如下方程：V-V=V〔3气体体积用旋转后的抛物面所围体积中的空气体积来计算：取高度为z,厚度为dz的空气柱为微元体,计算其体积：dV=πr2dz,式中r为高度z处所对应抛物面半径,气2g气负2对上式积分,可得：V=联立〔3、〔4、〔5式,可得：负2负200〔5负20000说明顶盖上从半径r到R的范围内流体与顶盖接触,对顶盖形成压力,下面将计算流体对顶盖的压力N：0积分上式可得液体作用在顶盖上,方向沿z轴正向的总压力：由于顶盖的所受重力G方向与z轴反向,因此,螺栓受力F=N-G=175.6-5*9.8=126.6N如图所示,作用在闸门右侧的总压力：.大小：F=pghA,式中h为闸门的形心淹深,A为闸门面积.1由于闸门为长方形,故形心位于闸门的几何中心,容易计算出：h=H--Lsinθ,A=bL,式中L为闸门的长L=0.9m,b为闸门的宽度b=1.2m.总压力F的作用点D位于方形闸门的中心线上,其距离转轴A的长度y=y+DCI C,式中y=0.45m,为形CC根据力矩平衡可列出如下方程：Fy=G0.3,G为闸门和重物的重量,D2代入各值,可以计算得到：H=0.862m作用在平板AB右侧的总压力大小：总压力F的作用点D位于平板AB的中心线上,其距离液面的高度IC此,可计算出：.总压力F的作用点D位于平板CD的中心线上,其距离O点长度DCI C此,可计算出：设水闸宽度为b,水闸左侧水淹没的闸门长度为l,水闸右侧水淹没的闸门长度为l.作用在水闸左侧压力为其中则作用在水闸右侧压力为其中则2b2sinc2sinc2sinc2sinc由于矩形平面的压力中心的坐标为2所以,水闸左侧在闸门面上压力中心与水面距离为水闸右侧在闸门面上压力中心与水面距离为.D2D2对通过O点垂直于图面的轴取矩,设水闸左侧的力臂为d1,则得11D1（sinc3sinc)3sinc11D1（sinc3sinc)3sinc设水闸右侧的力臂为d2,则得22D2（sinc3sinc)3sinc22D2（sinc3sinc)3sinc当满足闸门自动开启条件时,对于通过O点垂直于图面的轴的合力矩应为零,因此则2sinc（3sinc)2sinc（3sinc)22sinc（3sinc)2sinc（3sinc)作图原则：〔1题目：首先找到曲面边界点和自由液面水平线,从曲面边界点向自由液面作垂线,则自由液面、垂线、曲面构成的封闭面就是压力体.本题目中是虚压力体.力的方向垂直向上.〔2题目：将与水接触的曲面在圆的水平最大直径处分成两部分,对两部分曲面分别采用压力体的做法进行作图,上弧面是实压力体,下弧面是包括两部分：实压力体和虚压力体.求交集即可得到最终的压力体..由几何关系可知,r=H=32sina水平方向的总压力：垂直方向的总压力：等于压力体内的水重量,该压力体为实压力体,垂直分力方向向下：说明：绘制压力体如图所示,则易知压力体的体积等于〔梯形面积-扇形面积*闸门长度则作用在扇形闸门上的总压力为：设总压力与水平方向的夹角为θ,则px分析：将细管中的液面作为自由液面,球形容器的上表面圆周各点向自由液面作垂线,则可以得到压力体.液体作用于上半球面垂直方向上的分力即为上班球体作用于螺栓上的力,方向向上.压力体的体积可以通过以直径d的圆为底面,高为d/2的圆柱体体积减去半个球体的体积得到.即因此,液体作用于球面垂直向上的分力为：分析问题：C点的压强是已知的,可否将C点想象中在容器壁面上接了一个测压管,将C点的相对压强换算为测压管中水头高度,而测压管与大气相通.此时,可将测压管中的液面看作自由液面,作半球面AB在垂直方向受力的压力体图.求解：如图所示,做出压力体图,则：因此,液体作用于球面上的垂直方向分力：.方法一：根据该物体浸没于液体中〔没有说是悬浮还是沉到底了,考虑其受力知道必然受到两种液体的浮力,其大小分别为柱形物体排开液体的重力.因此有：浮力分为两部分,上部分为pVg,下部分为pVg方法二：可以用压力体的方法分析,参考Page47.2,流体流动速度与三个坐标均有关,因此,该流动属于三维流动；〔2根据质点加速度公式：3=xy流体流动速度与两个坐标有关因此该流动属于二维流3z,,,动；〔2根据质点加速度公式：将质点坐标〔1,2,3代入上式,可得：a=-,a=,a=-3+z,流体流动速度与三个坐标有关,因此,该流动属于二维流动；〔2根据质点加速度公式：x动；〔2根据质点加速度公式：.一维不可压缩定常流动加速度公式：xxxVxA(x)VxxVxA(x)V因此,加速度：根据已知条件,有：22=ΓyΓx22),即：x2+y2=C,可知流线为一簇以原点为圆心的同心圆,绘制如图所示.根据一维定常流动管流的连续性方程：DA=D可以采用任一截面来计算质量流量,这里采用截面1来进行计算：根据不可压缩管流的连续性方程,可得：.220体积流量：题目有点问题！根据支管内的流量和流速,可以求得支管的直径：120根据喷管尺寸的几何关系,可以求得：根据不可压缩管流连续性方程：DA=DA代入已知参数,可以得到：列1-1,2-2缓变流截面的伯努利方程：aD2paD2p 2g1pg2g2pgw.不计能量损失,h=0,取a=a=1,则有：D2pD2p —〔222设液体p左侧界面的坐标为z,由流体静力学基本方程,得：〔5方程两边同除以pg,得到：--〔5pg13pg23pgpg1pg2p2由式〔3、〔7得：-2将式〔9代入式〔10得：(p)(d2)2(d4)解得：2gH|--w1|(d4)1|((d4|1pwp)))（d)（d)(〔9〔11〔12wp1d41〔13(wp1d41〔13((因此,流量为：2142gH2gH|(d4pwp))42gH2gH|(1))))|)设皮托管入口前方未受扰动处为点1,皮托管入口处为点2,水与测量液体左侧界面处为点3,水与测量液体右侧界面处压强为点4,水与测量液体左侧界面与静压管入口处距离为x.由于在同一流线上,因此,有：D2pD2p D2pD2p2g1pg2g2pg根据静压强分布：2水2方程〔3减去方程〔2,得：p-p=p-p+pgH〔622)()液体()液体()水.3作用力.作用力.〔4.〔4零xoy平面为水平面,入口段沿x轴负半轴,出口段沿y轴正半轴,弯头在原点,建立坐标系.〔1沿x方向的外力有：由入口压强p引起的压力pA,和x所以有：ΣF=pA-R根据,单位时间内动量的变化等于系统所受外力的合力,得到在x方向上有：pA-方向速度从D〔1变为0,只有y方向的速度了,所以,有：y〔2沿y方向的外力有：由出口压强p引起的压力pA,所以,有：yΣF=R-pA根据,单位时间内动量的变化等于系统所受外力的合力,得到在y方向上有：