工程流體力學(xué)試題及答案1解析

1、 vy=O工 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)量力與等壓而（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/nr c、5 kN/nr d、10 kN/nr 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、/?=（答案：b ）a、8；b、4；c、2：d、1 o（6）已知液體流動的沿程水力摩擦系數(shù)A,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：ca、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vo為答案：ca、1.54m b、2.0mc、2.45md 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）在緩坡明渠中不可以發(fā)生的流動是（ 答案：b ）

3、。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A(yù) = 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：ba、文丘里計 b、畢托管 c、測壓管 d、薄壁堰（14）按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計的水力學(xué)模型，長度比尺XL=100,模型中

4、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，XQ=1000； b、10 米，XQ=100；C、1 米，XQ =100000； d、10 米，XQ = 100000o2、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)。答案：（2）水流總是從壓強(qiáng)大的地方向圧強(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0=2。答案：正確（8

5、）斷面比能沿流程總是減小的。答案：錯誤(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24分） TOC o 1-5 h z （1） 牛頓內(nèi)摩擦定律適用的條件是層流運動和牛頓液體o（2）液體中某點的絕對壓強(qiáng)為lOOkN/n?,則該點的相對壓強(qiáng)為2kN/nr,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o（4）實際液體在流動時產(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

6、緩流時，其水深_爪,弗汝德數(shù)Fr_v_io（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 Tr的水擊稱為間接水擊。（9）2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）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，下游收縮斷面水深人的共轆水深he加九為下游河道的水深，填寫V、=、符號）答案：填寫V、=、符號（12）按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計的溢流壩水力模型，長度

7、比尺Xl=25,當(dāng)模型中某點的流 速為v In= o.8m/s,則原型中對應(yīng)點的流速為vp= 4nVsm/s。4、問答題：（每小題34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

8、，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)入的變化規(guī)律。答案：通過尼古拉茲實驗可以發(fā)現(xiàn)：在層流中X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)，入僅是Re的函數(shù)；在紊流光滑區(qū)入二A （Re）；過渡區(qū)入 =f2 （Re,-）；粗糙區(qū)X=f3 （ ）,紊流粗糙區(qū)乂稱為阻力平方區(qū)。RR（4）為什么舍齊公站C、氐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 兒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

9、括兒何相似、運動相似和動力相似。其中兒何相似是前提，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其適用于恒定均勻?qū)恿鳚B流；而杜 比公式是適用于恒

10、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 x 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）（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）圖示一跨河倒虹吸管，正方形斷面面積為A=0.64m2,長/=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, C 2=0.5, 3=1.0,沿程水力摩擦系數(shù)X =0.024,上下游水位差H=3mo求通過的流量0?（ 10分）選.H9 i1 f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

11、 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)/? = A = o.2m, Y4 = 0.2x2 + 0.5 + 1.0 = 1.9Z將參數(shù)代入上式計算，可以求解得到/. v =4.16nVs , Q = vA= 2.662 m3/s（5 分）即倒虹吸管內(nèi)通過的流量為2.662Z/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 厶2.0cm。水頭H =5.5 mo由水箱至噴嘴的水頭損失hw = 0.5m用壓力表測得橡膠管 與噴嘴接頭處的壓強(qiáng)/7 = 4.9N/cm2o如用手握住噴嘴，需要多大的水平力/?,行近流速 v0=0,取動能校正

12、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1-1和噴 嘴岀口斷面22的能量方程丹 + 0 + 0 = 0 + 0 + 工 + 052g求得噴嘴出口流速和流量為對= 9.9嘆（5分）（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（6.5 分）/?3A3-/? = /7p0（v2x-v3x）R =島比 一 P2（v2 - v3 ） = 187.79 N水流對噴嘴沖擊力為R = -R即為手握噴嘴所需之力。（1分）（3）有一梯形渠道，底寬b=10m,水深/? = 3 m,邊坡為1:1,糙率n = 0.014, 底坡匸0.001。如流動在

13、紊流粗糙區(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A = bh + mlr = 39m2（1.5分）濕周水力半徑舍齊系數(shù)通過的流量x = b + 2jl +加鉆= i&49 m（15 分）A/? = _ = 2.11 m（1 分）xC = -R = 80.90m-/s（2 分）nQ = AC（R Z）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18m,流量0 = 265m*s,壩 TOC o 1-5 h z 下收縮斷面處水深當(dāng)壩下游水深/h=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

14、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）計算臨界水深加，判斷收縮斷面和下游水流流態(tài)，q = Q/B =265/18 =14.72 m3/smhk=f=2sim因為收縮斷面水深/7c=lmv/7k為急流，下游水深/?t=4.7m /?k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he的共軌水深he51 + 弘益芥 T)=5.81m因為 hch,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)aj =1.05 貝呻也采約為 J=aj/7cM-/zt =1.05X5.81 -4.7= 1.

15、40 m=（2“.。）：0齊卜心一.262亦Fza=yV =9 810 x0.262 = 2.57kN （方向 f ）解：上而的蓋為蓋，對于蓋，其壓力體體積$為左面水平的蓋為C蓋，對于c蓋，靜水壓力可分解成水平及鉛重兩個分力，其中F =yH-d2=9 810 x2.5x-x0.52=4.813kN水平方向分力44（方向一）= /V . =9 810 x xO.53=O.321kN鉛重方向分力“”12（方向I ）2、解：列自由液而11和2-2斷而的伯諾利方程:v=v2A4x0.2R =Z=一 0.0672 x （0.2+ 0.4）得：v=1.49 m/s答：流量為0.073m3/5解：& = 4

16、/? = 4x0.067 = 0.267QA?厶0.4扌 x3.14x（=3、18m /s0.4r3J4x（10011）2Too=5 1.0/77 / SQ=v-6/2 = 0.073m3/s4心皿；= 2.67x22。所以管內(nèi)氣體為紊流流動。2、解：如圖所示，山連續(xù)性方程得:以軸線為基準(zhǔn)面，列1-2斷面的伯努利方程67 = 10 +巴+工=0 +里+總，此時p、=0Y 2g / 2g則:P。釜煜)9.8x逍滬= 1295.4冊 W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a = 1得:p/=(V2-vF = p1A1 -pQ(v2-V1)=1295.4x x3.14x()2 一 1

17、000 x0.4x乂?41001000= 162.7-19.1= 1436N3、檢查流動是否無旋:AlyOX兩者相等，故為無旋流動求速度勢函數(shù)：d0 = uxdx + u、dy=(x2 -y2) dx-2xydy=xdx-dxy4、根據(jù)流線方程定義得流線方程:當(dāng)t二1時，竺=出x + 1 y +1化簡得：xdy+ydx+dy-dx二0積分：xy+y-x+c二0流線通過(1,1)點：即 1 Xl+1-l+c二0 得：c=-l將c二-1帶入上式，得xy+y-x-l=o化簡得：(x+l) (y-1) =05、根據(jù)相似原理可得，實驗?zāi)Ｐ惋L(fēng)口直徑為：d In = 0.1254原型雷諾數(shù)為:Ren二6.

18、0X0. 5/0. 0000157=191082. 850000所以氣流處于阻力平方區(qū)，（可釆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：VmXO. 125/0. 0000157=50000Vm二6. 28m/s流速比尺為：2 = = 0.955若在模型內(nèi)測得某點氣流速度為3. Om/s ,則車間相應(yīng)點的速度為：Vn=vx2 =3. 0X0. 955=2. 87m/s6、經(jīng)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)。山 付魯?shù)履Ｐ吐煽芍荷礁遏攺詼?zhǔn)數(shù)相等推理得:所以：Vx0.76 = 3.04/? /s由：F = x I

19、所以：Fn = x Fm = 163 x 4 =由歐拉準(zhǔn)數(shù)相等推理得： 込=耳=工= 16384N7、建立下圖所示的坐標(biāo)，水流方向如圖所示:/P2,U2/P2,U2YO60當(dāng)水流不動時：Pl=P2=172kN/nr設(shè)Fx,Fy為水流作用于彎管的分力，如圖X方向：Fx = P 一 P2A2 cos60-172 x 1 x3.14x( 600 )2 -172x 1 x3.14x( 3()()2x0.54100041000= 42.5RNY方向:Fy =0-flA,sina60=0-172X1/4X3. 14 X (300/1000) 2x0.86=-10. 5kN對彎管的合力：R = jF： +

20、F； =43.8k7V方向為：a=arctan (Fy/Fx)= 14當(dāng)有流動時：由連續(xù)性方程得：丄創(chuàng)冋=-/；w2 =0.876解得：Mj = 3.2m /s u2 = 12.4/rz /s忽略阻力，應(yīng)用伯努利方程，列1-1, 2-2斷面的方程:Pi帶入數(shù)據(jù)解得：P2/r=10. 2H20二 10. 2X9. 8=100Kn/nr # 列動量方程：X 方向：PAj - p2A2cos60 一 Fx = /X2(u2cos60 -0)帶入數(shù)據(jù)得：Fx二42.4kN同理：y 方向:Fy - P, A2sina60 = pQ (u2sina6O -0)代入數(shù)據(jù)解得：Fy二15.2Kn合力為：R二

21、JF： + 可=45. lKn方向為：a=arctan (Fy/Fx)= 19.78、解：歸飾45。=屁oc = h = y/2mFx = - hrhb = -xV2x9.8xV2x4 = 39.2kN2 2Fv = rb(-x3.14r2 一丄肋)=9.8x4x(丄x3.14x22-1272 = 223kNy 8 2 8 2F = jF： + Ff =45.lkN9、2 = uAj2g77 = 0.82x314x1x()2j2xl0 x5 =00161n?/s4100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

22、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二(34) D二(34) X50二 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：射流出口速度：=4由于平板是光滑的，所以僅有法向力，曲動量方程(x軸方向)得： R二流出動量-流入動量0-pQ (-V()sin &) = p 可得 pH + yh + h - y(h + b + a) = pA(18 分)由 Pa 一 Ph = /h - Yh，得 h=（ ?一 PH +/）= 9.5mm/六.計算題（20分）解：取水平基準(zhǔn)而00,過水?dāng)喽膲簭?qiáng)、速度及位置髙度如 由于I、II兩過水

23、斷面上流線已接近平行，即屬于緩變流, 出兩斷而的伯努利方程（設(shè)卬=a2= ）3+邑+出=5+邑+匣+再了 2gy 2g(1)（20 分）圖因此可寫由于在dt時間內(nèi)從斷而【到II的流速由vt變?yōu)槎?，根?jù)動量左理得P1A 一卩2人2 +卩1(% ) +加2(召Z2) = p42V2(V2 -V,)整理得生一兒）=（叢+召）一（邑+ G）8YY由（1）和（2）得/?.-7 2g(2)（14 分）A由連續(xù)性方程冬=V,代入上式得4（18 分）（20 分）七.計算題（10分）解：由/門=hf2 :（3分）如i /】 u /(2g) = M Jd2 u； /(2g)則，代入數(shù)值得（7分）0/0=16/9Q

24、+Qi=Q所以解出Q = 16/25(2 = 19.21(l/s)Q=9/25Q = 1080(l/s)（10 分）三.計算題（共3小題，共50分）如圖所示，有一盛水的開口容器以3.6m/s2的加速度沿 與水平成30夾角的傾斜平面向上運動，試求容器中水面的傾角，并分析p與水深的關(guān)系。解：根據(jù)壓強(qiáng)平衡微分方程式： 步=+Zdz）（分） 單位質(zhì)量力：X = a cos 30r = o2=-(g + a$m30) d在液面上為大氣壓強(qiáng)，代入（1分） 山圧強(qiáng)平衡微分方程式，得:-a cos 3CQdx- (g+ a sin 30)& = 0 a cos 30 x (g + csin. 30) z = c代入=x=05 z=0?得：C=0 自由面ZFZg自由面方程-a cos 30 x = (g+czsin. 30) ZgJa cos 30g+asin. 30= 0.269;（2分） = 15（2分）（4分）任意點：涉=p(cos 30dx gdz a sin 30dz)；.j? = -pa cos 30- pg2- pazsin3()oC x= 0;z= 0; p = 00=0j? = -pa cos 30 x- 一 paz sin 30代入自山面方程得：p=-a