工程流體力學(xué)試題及答案1

1、一選擇題部分 （1）在水力學(xué)中，單位質(zhì)量力是指（答案：c ） a、單位面積液體受到的質(zhì)量力；b、單位體積液體受到的質(zhì)量力； c、單位質(zhì)量液體受到的質(zhì)量力；d、單位重量液體受到的質(zhì)量力。（2）在平衡液體中，質(zhì)量力與等壓面（答案：d ） a、重合； b、平行 c、相交； d、正交。（3）液體中某點的絕對壓強(qiáng)為100kN/m2，則該點的相對壓強(qiáng)為a、1 kN/m2 b、2 kN/m2 c、5 kN/m2 d、10 kN/m2答案：b（4）水力學(xué)中的一維流動是指（答案：d ） a、恒定流動； b、均勻流動； c、層流運動； d、運動要素只與一個坐標(biāo)有關(guān)的流動。（5）有壓管道的管徑d與管流水力半徑的比值

2、d /R=（答案：b ） a、8； b、4； c、2； d、1。（6）已知液體流動的沿程水力摩擦系數(shù)l與邊壁相對粗糙度和雷諾數(shù)Re都有關(guān)，即可以判斷該液體流動屬于答案： c a、層流區(qū)； b、紊流光滑區(qū)； c、紊流過渡粗糙區(qū)； d、紊流粗糙區(qū)（7）突然完全關(guān)閉管道末端的閥門，產(chǎn)生直接水擊。已知水擊波速c=1000m/s，水擊壓強(qiáng)水頭H = 250m，則管道中原來的流速v0為答案：c a、1.54m b 、2.0m c 、2.45m d、3.22m（8）在明渠中不可以發(fā)生的流動是（ 答案：c ） a、恒定均勻流； b、恒定非均勻流； c、非恒定均勻流； d、非恒定非均勻流。（9）在緩坡明渠中不可

3、以發(fā)生的流動是（ 答案：b ）。 a、均勻緩流； b、均勻急流； c、非均勻緩流； d、非均勻急流。（10）底寬b=1.5m的矩形明渠，通過的流量Q =1.5m3/s，已知渠中某處水深h = 0.4m，則該處水流的流態(tài)為答案：ba、 緩流； b、急流； c、臨界流；（11）閘孔出流的流量Q與閘前水頭的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）滲流研究的對象是（ 答案：a ）的運動規(guī)律。 a、重力水； b、毛細(xì)水； c、氣態(tài)水； d、薄膜水。（13）測量水槽中某點水流流速的儀器有答案：b a、文丘里計 b、畢托管 c、測壓管 d、薄壁堰（14）按重

4、力相似準(zhǔn)則設(shè)計的水力學(xué)模型，長度比尺L=100，模型中水深為0.1米，則原型中對應(yīng)點水深為和流量比尺為答案：da、 1米，Q =1000； b、10米，Q =100； c、1米，Q =100000； d、10米，Q =100000。 2、判斷題：（每小題2分）（1）任意受壓面上的平均壓強(qiáng)等于該受壓面形心處的壓強(qiáng)。 （錯誤 ） 答案：（2）水流總是從壓強(qiáng)大的地方向壓強(qiáng)小的地方流動。 （ ） 答案：錯誤（3）水力粗糙管道是表示管道的邊壁比較粗糙。 （ ） 答案：錯誤（4）粘滯性是液體產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因。 （ ） 答案：正確（5）同樣條件下直接水擊比間接水擊更不安全。 （ ） 答案：正確（6）在正坡

5、非棱柱渠道內(nèi)可以形成均勻流。 （ ） 答案：錯誤（7）矩形斷面水力最佳斷面的寬深比=2。 （ ） 答案：正確（8）斷面比能沿流程總是減小的。 （ ） 答案：錯誤（9）在流量和渠道斷面形式一定的條件下，躍前水深越大，躍后水深也越大。（ ） 答案：錯誤（10）滲流達(dá)西定律適用的條件是恒定均勻?qū)恿鳚B流，并且無滲透變形。 ( ) 答案：正確 3、填空題：（每小題2 4分）（1） 牛頓內(nèi)摩擦定律適用的條件是 層流運動 和 牛頓液體 。（2） 液體中某點的絕對壓強(qiáng)為100kN/m2，則該點的相對壓強(qiáng)為 _2_kN/m2，真空度為 不存在 。（3） 只受重力作用，靜止液體中的等壓面是_水平面_。（4） 實際

6、液體在流動時產(chǎn)生水頭損失的兩個主要原因是_答案：液體存在粘滯性和邊界的影響_。（5） 水流在明渠中的流態(tài)為緩流時，其水深h_>_ hk，弗汝德數(shù)Fr_< _1。（6） 在流量不變的條件下，水躍的躍前水深越小，則水躍的躍后水深越_大_。（7） 根據(jù)管道水頭損失計算方法的不同，管道可以分為_短管_和_長管_。（8） 在水擊計算中閥門關(guān)閉的時間Ts < 水擊相長Tr的水擊，稱為_直接_ 水擊，把Ts > Tr的水擊稱為_間接_水擊。(9) a2型水面曲線是發(fā)生在_陡坡_ 坡上的 _緩流_流（指急流或緩流）的水面線，這時弗汝德數(shù)Fr沿程 _減小_（指增大、減小或不變）(10)

7、溢流堰的過堰流量與堰頂水頭的_3/2 _ 次方成正比。（11） 泄水建筑物下游發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍時，下游收縮斷面水深hc的共軛水深hc _ht(ht為下游河道的水深，填寫< 、= 、>符號)答案：填寫< 、= 、>符號(12) 按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計的溢流壩水力模型，長度比尺L=25，當(dāng)模型中某點的流速為v m= o.8m/s，則原型中對應(yīng)點的流速為vp=_4m/s _m/s 。4、問答題：（每小題3 4分）（1）什么是理想液體？為什么要引入理想液體的概念？答案：理想液體是指沒有粘滯性的液體。實際液體都具有粘滯性，在液體流動時會引起能量損失，給分析液體運動帶來很大困難。為了簡化液

8、體運動的討論，我們引入了理想液體的概念，忽略液體的粘滯性，分析其運動規(guī)律，然后再考慮粘滯性影響進(jìn)行修正，可以得到實際水流的運動規(guī)律，用以解決實際工程問題。這是水力學(xué)重要的研究方法。（2）“均勻流一定是恒定流”，這種說法是否正確？為什么？答案：這種說法錯誤的。均勻是相對于空間分布而言，恒定是相對于時間而言。當(dāng)流量不變通過一變直徑管道時，雖然是恒定流，但它不是均勻流。（3）簡述尼古拉茲實驗中沿程水力摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。答案：通過尼古拉茲實驗可以發(fā)現(xiàn)：在層流中僅是雷諾數(shù)Re的函數(shù)并與Re成反比；在層流到紊流過渡區(qū)，僅是Re的函數(shù)；在紊流光滑區(qū)=f1（Re）； 過渡區(qū)=f2（Re， ）；粗糙區(qū)=f3（

9、 ），紊流粗糙區(qū)又稱為阻力平方區(qū)。（4）為什么舍齊公式 只適用于阻力平方區(qū)？答案：舍齊公式是根據(jù)明渠均勻流的大量觀察資料總結(jié)的公式，自然界中明渠水流幾乎都處于紊流阻力平方區(qū)，因此該公式只適用于紊流阻力平方區(qū)。（5）流動相似的含義是什么？答案：流動相似包括幾何相似、運動相似和動力相似。其中幾何相似是前提，動力相似是保證，才能實現(xiàn)流動相似。（6）從力學(xué)意義上解釋明渠均勻流只能在正坡渠道中產(chǎn)生的原因。答案：均勻流的斷面平均流速水頭和壓強(qiáng)水頭沿程不變，但水流運動總要消耗能量，因此從能量方程來分析，只能消耗位能來克服水流阻力。所以均勻流只能產(chǎn)生在正坡渠道中。（7）分析水面曲線時，如何尋找急流和緩流的控制

10、斷面？答案：急流的控制斷面在上游，因為外界對急流的干擾不能向上游傳播；緩流的控制斷面在下游，其原因與急流正好相反。（8）在滲流計算中達(dá)西定律與杜比公式有何區(qū)別？答案：達(dá)西定律適用于任一點的滲流流速u=kJ，其適用于恒定均勻?qū)恿鳚B流；而杜比公式是適用于恒定非均勻漸變層流滲流，同一過水?dāng)嗝嫔细鼽c的滲流流速都相等且等于v= kJ。5、作圖題：（1） 定性繪出圖示管道（短管）的總水頭線和測壓管水頭線。 (5分)v0=0測 壓 管 水 頭 線總 水 頭 線v0=0解：（2）定性繪出圖示棱柱形明渠內(nèi)的水面曲線，并注明曲線名稱及流態(tài)。(各渠段均充分長，各段糙率相同) (5分)6、計算題：（1） 圖示一跨河倒

11、虹吸管，正方形斷面面積為 A=0.64 m2，長 l =50 m，兩個 30。折角、進(jìn)口和出口的局部水頭損失系數(shù)分別為1=0.2，2=0.5，3=1.0，沿程水力摩擦系數(shù)=0.024，上下游水位差 H=3m。求通過的流量 Q ? （ 10分） 解： 按短管計算，取下游水面為基準(zhǔn)面，對上下游渠道內(nèi)的計算斷面建立能量方程 (5分) 計算方形管道斷面的水力半徑和局部水頭損失系數(shù) 將參數(shù)代入上式計算，可以求解得到 (5分) 即倒虹吸管內(nèi)通過的流量為2.662m3/s 。 （2） 從水箱接一橡膠管道及噴嘴(如圖)。橡膠管直徑D=7.5cm，噴嘴出口直徑d=2.0cm。水頭H =5.5 m。由水箱至噴嘴的

12、水頭損失hw = 0.5m。用壓力表測得橡膠管與噴嘴接頭處的壓強(qiáng)p = 4.9N/cm2。如用手握住噴嘴，需要多大的水平力R，行近流速v0=0，取動能校正系數(shù)和動量校正系數(shù)均為1。 （15分） 解：以過噴嘴中心的水平面為基準(zhǔn)面，列水箱漸變流斷面11和噴嘴出口斷面22的能量方程 (5分)求得噴嘴出口流速和流量為 (1.5分) 橡膠管道內(nèi)的流速為 (1分)對于噴嘴建立x方向的動量方程 N (6.5分) 水流對噴嘴沖擊力為 即為手握噴嘴所需之力。 (1分) （3） 有一梯形渠道，底寬 b =10 m，水深 h = 3 m，邊坡為 1:1，糙率 n = 0.014，底坡i=0.001。如流動在紊流粗糙

13、區(qū) ，求通過的流量Q。 (9分)解：計算渠道斷面水力要素，過流斷面面積 m2 (1.5分) 濕周 m (1.5分) 水力半徑 m (1分) 舍齊系數(shù) (2分) 通過的流量 Q = AC (R i)0.5 = 144.93 m3/s (3分)（4）某矩形斷面渠道中筑有一溢流壩。已知渠寬B18m，流量Q265m3/s，壩下收縮斷面處水深hc=1.1m，當(dāng)壩下游水深ht=4.7m時，問： ( 12分)1）壩下游是否發(fā)生水躍？ （4分）2）如發(fā)生水躍，屬于何種形式的水躍？ （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） 解：1)計算臨界水深hk，判斷收縮斷面和下游水流流態(tài)

14、， q = Q/B =265/18 =14.72 m3/sm m因為收縮斷面水深 hc =1.1 m < hk 為急流，下游水深ht=4.7m > hk 為緩流，所以溢流壩下游必定發(fā)生水躍。2）計算收縮斷面處水深hc的共軛水深hc"hc" 5.81m因為 hc" > ht ，該水躍為遠(yuǎn)驅(qū)水躍。3）溢流壩下游發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍，需要修建消力池。估算消力池深d，取水躍淹沒系數(shù) sj 1.05則池深約為 d = sj hc"- ht =1.0535.81 4.7 = 1.40 m1、 解：上面的蓋為蓋,對于蓋，其壓力體體積為 （方向）左面水平的蓋為

15、蓋，對于蓋，靜水壓力可分解成水平及鉛重兩個分力，其中 水平方向分力（方向） 鉛重方向分力（方向） 2、 解：列自由液面1-1和22斷面的伯諾利方程： v=v2得：v=1.49 m/s Q=v答：流量為解： 所以管內(nèi)氣體為紊流流動。2、解：如圖所示，由連續(xù)性方程得： /s /s 以軸線為基準(zhǔn)面，列1-2斷面的伯努利方程 則： / 設(shè)噴嘴對水流的作用力為F，沿水流方向列動量方程，并取得： 3、檢查流動是否無旋：兩者相等，故為無旋流動求速度勢函數(shù)： 4、根據(jù)流線方程定義得流線方程： 當(dāng)t=1時， 化簡得：xdy+ydx+dy-dx=0 積分：xy+y-x+c=0 流線通過（1,1）點：即1×

16、;1+1-1+c=0 得：c=-1 將c=-1帶入上式，得xy+y-x-1=0 化簡得：（x+1）（y-1）=05、根據(jù)相似原理可得，實驗?zāi)Ｐ惋L(fēng)口直徑為： 原型雷諾數(shù)為：Ren=6.0×0.5/0.0000157=191082.8>50000所以氣流處于阻力平方區(qū)，（可采用粗糙度較大的管道），則阻力平方區(qū)的最低雷諾數(shù)為50000 則：相應(yīng)的模型氣流出口速度Vm為：Vm×0.125/0.0000157=50000Vm=6.28m/s 流速比尺為： 若在模型內(nèi)測得某點氣流速度為3.0m/s ,則車間相應(yīng)點的速度為：Vn=3.0×0.955=2.87m/s 6、經(jīng)

17、分析可知，此流動的主要作用力是重力，所以決定性相似準(zhǔn)數(shù)為付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)。由付魯?shù)履Ｐ吐煽芍?由付魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等推理得： 所以：/s 由歐拉準(zhǔn)數(shù)相等推理得： 7、建立下圖所示的坐標(biāo)，水流方向如圖所示：OXYU1，P1P2，U2 當(dāng)水流不動時：P1=P2=172kN/設(shè)Fx,Fy為水流作用于彎管的分力，如圖X方向： Y方向： =0-172×1/4×3.14×（300/1000）2×0.86 =-10.5kN對彎管的合力：方向為：a=arctan（Fy/Fx） = 當(dāng)有流動時： 由連續(xù)性方程得： 解得：/s /s忽略阻力，應(yīng)用伯努利方程，列1-1,2-2斷面的方程

18、： 帶入數(shù)據(jù)解得：P2/r=10.2H2O=10.2×9.8=100Kn/ 列動量方程： X方向： 帶入數(shù)據(jù)得：Fx=42.4kN同理：y方向：代入數(shù)據(jù)解得：Fy=15.2Kn合力為：R=45.1Kn方向為：a=arctan（Fy/Fx） =8、解： 9、/s 孔口與管嘴出流流動時，在出流管嘴內(nèi)形成以真空區(qū)域主要原因是：流體具有粘滯性，流體質(zhì)點流動時存在慣性，流線不能發(fā)生直接拐彎，只能是光滑的曲線因此靠近水箱一側(cè)管嘴內(nèi)壁形成真空。 L=（34）D=(34)×50=150200 mm10、建立如圖所示的坐標(biāo)： 設(shè)平板對水流的沖擊力為R（方向與x軸正方向相同），如圖中所示： 射

19、流出口速度： 由于平板是光滑的，所以僅有法向力，由動量方程（x軸方向）得： R=流出動量-流入動量 = = 所以平板所受沖擊力大小與R相等，方向相反。 由連續(xù)性方程可得：Q0=Q1+Q2- 由于射流是水平方向，且置于大氣中，所以壓力能不變，能量損失不計，由能量方程得： 平板切線方向（y軸方向）無摩擦力，滿足動量守恒； 即；0= 化簡得：- 聯(lián)立方程解得： 11、選取水平面為截面1-1，出口處為斷面2-2，由伯努利方程知： 連續(xù)性方程可知： 所以 所以所以/s,所以/s0.047/s四、計算題（12分）解： （7分） ；（分） （12分）五、計算題（20分）解：（1）以B 為基準(zhǔn)，取A、B 斷面列伯努利方程 （8分） 又， （12分） 代入數(shù)值，=3.4 （14分） （2）設(shè)B斷面到水銀測壓計左支管水銀交界面的垂直距離為b ，從開始，用逐段加減的方法推演到，可得 （18分）由