32学时工程流体力学复习题与答案.docx

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32学时工程流体力学复习题与答案

32学时流体力学课复习题

一、填空题

1、流体是一种受任何微小的剪切力作用时都会产生连续变形的物质。

2、牛顿内摩擦定律=μ其中的比例系数称为动力黏性系数（动力粘度）。

3、作用于流体上的力按其性质可以分为表面力力和质量力

4、水力学中，单位质量力是指作用在单位_质量_液体上的质量力。

5、单位质量力的量纲是L/T2。

6、对于不同的流体，体积弹性系数的值不同，弹性模量越大，流体越不易被压缩。

7、某点处的绝对压强等于该处的大气压强减去该处的真空度。

8、某点处的真空等于该处的大气压强减去该处的绝对压强。

9、某点处的相对压强等于该处的绝对压强减去该处的一个大气压。

10、根据粘性的大小，粘性流体的流动状态可分为层流和紊流。

11、根据流体是否有粘性，流体可分为粘性流体和理想流体。

12、根据流动参数随时间的变化，流体流动可分为定常流动和非定常流动。

13、连续性方程是质量守恒定律在流体力学上的数学表达形式。

14、总流伯努利方程是机械能守恒定律在流体力学上的数学表达形式。

15、计算局部阻力的公式为：

；计算沿程阻力的公式为：

。

16、相似条件包括几何相似、运动相似和动力相似。

17、沿程阻力主要是由于流体内摩擦力引起的，而局部阻力则主要是由于流动边界局部形状急剧变化引起的。

18、连续性方程表示控制体的__质量_____守恒。

19、液体随容器作等角速度旋转时，重力和惯性力的合力总是与液体自由面_垂直。

20、圆管层流中断面平均流速等于管中最大流速的1/2

二、简答题

1、简述液体与气体的粘性随温度的变化规律，并说明为什么？

答:

温度升高时液体的黏性降低，因为液体的粘性主要是分子间的内聚力引起的，温度升高时，内聚力减弱，故粘性降低，而造成气体粘性的主要原因在于气体分子的热运动，温度越高，热运动越强烈，所以粘性就越大

2、请详细说明作用在流体上的力。

作用在流体上的力按其性质可分为表面力和质量力，表面力是指作用在所研究流体表面上的力，它是由流体的表面与接触的物体的相互作用差生的，质量力是流体质点受某种力场的作用力，它的大小与流体的质量成正比

3、简述连续介质假说。

连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。

从而使微观运动的不均匀性、离散性、无规律性与宏观运动的均匀性、连续性、规律性达到了和谐的统一。

（宏观无限小微观无限大）

4、何谓不可压缩流体？

在什么情况下可以忽略流体的压缩性？

除某些特殊流动问题，工程实际中将液体看作是密度等于常数的不可压缩流体，当气体的速度小于70m/s且压力和温度变化不大时也可近似地将气体当作不可压缩流体处理

5、流体静压力有哪两个重要特征？

特征一：

在平衡的流体中，通过任意一点的等压面，必与该点所受的质量力互相垂直。

特征二：

当两种互不相混的液体处于平衡时，它们的分界面必为等压面。

6、不同形状的敞开的贮液容器放在桌面上，如果液深相同，容器底部的面积相同，试问作用于容器底部的总压力是否相同？

桌面上受到的容器的作用力是否相同？

为什么？

容器底部的总压力=液体压强x面积，而压强由液深决定（同种液体），所以作用于容器底部的总压力相同；

桌面上所受力是整个储有液体容器的重力，桌面上受到的容器的作用力因容器总重量不同而不同。

本题目也有漏洞：

不同形状的敞开的贮液容器，体积关系不能确定，其总重量不一定相同或也不一定不同。

7、相对平衡的液体的等压面形状与什么因素有关？

质量力（在平衡点流体中，通过任意一点的等压面必须与该店所受的质量力互相垂直）

8、静力学的全部内容适用于理想流体还是实际粘性流体？

或者两者都可？

为什么？

流体处于静止或相对静止状态时，各流体质点间没有相对运动，速度梯度等于零，切向应力也等于零，这样流体的粘性就显现不出来了

9、叙述帕斯卡原理，试举例说明它在工程中的应用。

帕斯卡定律：

加在密闭液体任一部分的压强能够大小不变的被液体向各个方向传递

公式：

P1=P2即F1／S1（F为施加的力）＝F2／S2（S指大小活塞的面积）

应用：

千斤顶，液压机，液压制动

10、何谓压力体？

压力体由哪些面围成的？

由于液体重量产生对物体表面压力的体积称为压力体

压力体①所论曲面；②过曲面周界上一切点的铅垂线所构成的曲面；③与液面重合的水平面。

12、简述沿程阻力系数随雷诺数的变化规律，并画出其趋势图。

尼古拉兹实验揭示了沿程阻力系数λ的变化规律,文字表述或数学公式表述.

层流:

;水力光滑区:

;过渡粗糙区:

粗糙区（阻力平方区）:

   .

14、在串联管道、并联管道中，各管段的流量和能量损失分别满足什么关系？

串联管路的特点：

各条管路中的流量相等，等于总流量；各管的水头损失之和等于管路的总损失。

并联管路的特点：

各条管路中的流量之和，等于总流量；各管的水头损失之相等，等于管路的总损失。

15、简述水力光滑管和水力粗糙管的定义。

一根确定的管子是否永远保持为水力光滑管或水力粗糙管？

为什么？

水力光滑管：

在紊流中存在层流底层，当层流底层厚度δl＞5Δ时，粗糙高度几乎全被层流底层淹没管壁对紊流区流体的影响很小，这与流体在完全光滑的管道中流动类似，这种情况的管子叫做水力光滑管。

水力粗糙管：

当层流底层厚度δl＜0.3Δ时，管壁上几乎所有的凸峰都暴露在紊流中，紊流去的流体质点与凸峰相互碰撞，阻力增加，此时的管子叫做水利粗糙管。

16、简单叙述沿程阻力和局部阻力的定义，试分析产生这两种损失的原因。

沿程阻力：

再过流断面沿程不变的均匀流道中所受的流动阻力{流体与壁面的摩擦产生}

沿程损失原因:

由于流体与壁面的摩擦而产生的.

局部阻力:

流体在流动过程中由于方向改变或速度改变以及经过管件而产生的阻力

局部损失的原因:

因流体与壁面的冲击和流体的质点之间的碰撞而形成的

17、何谓缓变流和急变流？

在缓变流截面上，压强分布有何规律？

当流线的曲率半径很大或流体之间的夹角很小时，流线近似为平行直线，这样的流动称为缓变流,

否则称为急变流。

在接近于直线的流动中，沿法线方向的压力分布规律与平衡流体中的相同，均服从于流体静力学基本程

18、写出总流伯努利方程，并简述其物理意义。

其中：

Z表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均位置势能

表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均压强势能。

表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均动能。

表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均机械能损失，称为总流水头损失代表总流过流断面上单位重量流体的平均势能

代表总流过流断面上单位重量流体的平均机械能

物理意义—在符合限定条件下，单位重量流体的机械能（位能、压力能和动能）可以互相转化，但总和不变。

19、简述流线的定义，并写出流线方程。

流线就是在流场中某一瞬间作出的一条空间曲线，使这一瞬间在该曲线上各点的流体质点所具有的速度方向与曲线在该点的切线方向重合（同一时刻流场中连续各点的速度方向线）

20、何谓系统和控制体？

它们有何区别与联系？

众多流体的质点的集合称为系统。

控制体是指流场中某一确定的空间。

区别：

系统的位置和形状是可以变化的，而控制体是指流场中的某一确定的空间。

联系：

利用控制体可以推导出流体系统所具有的某种物理量随时间的变化率，得出流体力学中若干重要方程

三、计算题

1、一块平板距离另一块固定的平板0.5mm，两平板间充满某种流体，上平板在4.8N的力作用下，以0.25m/s的速度移动。

如果上平板的面积为2.4m2，求该流体的粘度。

[解]假设板间流体中的速度分布是线性的,则板间速度梯度可计4xPa⋅s

2、一底面积为45x50cm2，高为1cm的木块，质量为5kg，沿涂有润滑油的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s，油层厚度1cm，斜坡22.620（见图示），求油的粘度。

[解]木块重量沿斜坡分力F与切力T平衡时，等速下滑

3、一块平板距离另一块固定的平板0.5mm，两平板间充满粘度为0.004PaS的某种流体，如果上平板的面积为2.4m2，求使上平板以0.25m/s的速度移动所需的作用力。

（4.8N）

4、直径76mm的轴在同心缝隙为0.03mm，长度为150mm的轴承中旋转，轴的转速为226r/min,测得轴径上的摩擦力矩为76N.m，试确定缝隙中油液的动力粘度（1.864

）

5、如强和真空。

图所示，U形管压差计与容器A连接，已知h1=0.25m，h2=1.61m，h3=1m。

求容器A中水的绝对压强和真空。

（绝对压强为94389Pa，真空为6936Pa。

）

第5题图

6、如图所示，直线行使的汽车上放置一内装液体的U形管，长L=500mm。

试确定当汽车以加速度a=0.5m/s2行驶时两直管中的液面高度差。

（25.51mm）

第6题图

7、图所示为一圆柱形容器，直径d=300mm，高H=500mm,容器内装水，水深h1=300mm，使容器绕垂直轴做等角速旋转。

（1）试确定水正好不溢出时的转速n1；

（2）求刚好露出容器底面时得转速n2；这时容器停止旋转，水静止后得深度h2等于多少？

（n1=178.3rpm，n2=199.3rpm，h2=0.25m）

第7题图

8、如图所示为绕铰链O转动的倾斜角α=60o的自动开启式水闸，当水闸一侧的水位H=2，另一侧的水位h=0.4时，若要使闸门自动开启。

试求铰链至水闸下端的距离x。

（0.796m）

第8题图

9、圆柱体半径

，长

，如图放置在斜面上。

求水作用在圆柱上的力。

（作用在圆柱上的力487.415kN，与水平方向夹角78.4度。

）

第9题图

10、如图，圆柱体直径4m，两边均有水作用，水深如图所示。

如果圆柱体长度为12m，试求作用在圆柱体上合力的大小和方向。

（作用在圆柱体上合力的大小1320kN，与水平方向夹角57.98度。

）

第10题图

11、如图，有一圆柱形闸门。

已知H=5m，θ=600，闸门宽度为B=10m。

求作用在闸门上的总压力的大小及方向。

X方向

Z方向，找出压力体

第11题图

1583kN

39.3度

作用点距离液面的高度

12、已知平面流动的速度分量为：

，

。

求流线方程。

（

）

13、已知流场的速度分布为

，求证通过任意一个以原点为圆心的同心圆的流量都是相等的（z方向取单位长度）[提示：

流场速度用极坐标表示。

]

14、如图是离心风机的集流器，风筒直径为200mm。

当测压管中的水柱高度为250mm时，求集流器的吸气量。

空气密度取1.29kg/m3

（1.93m3/s）

15、如图所示，水从井A利用虹吸管引到井B中，设已知体积流量qv=100m3/h，H=3m，z=6m，不计虹吸管中的水头损失。

试求虹吸管的管径d及上端管中的负计示压强值p。

（虹吸管的管径d=67.9mm，上端管中的负计示压强值-58800Pa。

）

16、如图所示，离心式水泵借一内径d=150mm的吸水管以q=60m3/h的流量从一敞口水槽中吸水，并将水送至压力水箱。

设装在水泵与吸水管接头上的真空计指示出负压值为39997Pa。

水力损失不计，试求水泵的吸水高度H。

第14题图第15题图第16题图

（水泵的吸水高度4m。

）

17、密度为830kg/m3的油水平地射向直立的平板。

已知油的速度为20m/s，油柱的直径为0.1m。

求油对平板的打击力。

（2608N）

18、连续管系中的90o渐缩弯管放在水平面上，管径d1=15cm，d2=7.5cm，入口处水平均流速v1=2.5m/s，静压pe1=6.86×104Pa（计示压强）。

如不计能量损失，试求支撑弯管在其位置所需的水平力。

（支撑弯管在其位置所需的力Fx=1101.25N，Fy=537.49N）

19、喷水泉的喷嘴为一截头圆锥体，其长度l=0.5m，两端的直径d1=40mm，d2=20mm,竖直装置。

若把计示压强p1e=9.807×104Pa的水引入喷嘴，而喷嘴的能量损失hw=1.6m（水柱）。

如不计空气阻力，试求喷出的流量qv和射流的上升高度H。

（流量0.00718m3/s，射流的上升高度26.68m。

）

20、沿直径d=200mm的管道输送润滑油，流量qm=9000kg/h，润滑油的密度ρ=900kg/m3，运动粘度冬季为ν=0.0001092m2/s，夏季为ν=0.0000355m2/s。

试分别判断冬夏两季润滑油在管中的流动状态。

（均为层流）

21、在一水箱距离水面3m处开一个直径为6cm的小孔，为了使水箱内的水面保持不变，问每秒必须向水箱内加多少水？

（每秒必须向水箱内加水0.0217m3）

22、在直径为30cm的水平管道上用水作沿程损失实验，在相距120m的两点用水银差压计（上面为水）测得的水银柱高度差为33cm，已知流量为0.23m3/s，问沿程损失系数等于多少？

（0.0192）

23、如图，一股射流以速度V水平射到倾斜平板上，体积流量为Q。

求射流对平板的打击力和上下两股分射流的流量。

（打击力

，上下两股分射流流量

、

）

第23题图

24、水从水箱沿着长为L=2m，直径d=40mm的竖直管流入大气，不计管道的入口损失，管道沿程损失系数λ=0.04，试求管道中起始断面A的压强与水箱内的水位h之间的关系式。

并求当h为多少时，此断面的压强与水箱外的大气压强相等。

（

）

第24题图

25、水泵系统如图，管径

，流量为

，吸水管与压水管的总长为30m，沿程阻力系数

；吸水管设有带阀门的莲蓬头

，所有弯头

（一共有3个弯头），两水面高差

，求水泵扬程。

 解：

（1）管中流速                         

（2）列1-1到2-2能量方程

 （3）

求扬程第25题图

26、水池中的水从变截面管道排出，前两段的直径依次为100mm和75mm；最后一段是渐缩管，出口直径为50mm。

如果排出的质量流量为14kg/s，求所需的水头h，并画出测压管水头线。

（2.6m）

27、嵌入支座内的一段输水管，其直径由

变化到

（见图示）。

当支座前的相对压强

，流量

时，试确定渐变段支座所受的轴向力R。

（不计水头损失。

）

（支座所受的轴向力R=384014N）

第26题第27题

28、某输油管路长4000m，管径0.3m，输送运动粘度为2.5×10-4m2/s、密度为840kg/m3的原油。

当流量Q=240m3/h时，求油泵为克服沿程阻力所需增加的功率。

（克服沿程阻力所需增加的功率18801.9W）

29、某管路直径0.2m，流量Q=0.1m3/s，水力坡度i=0.05。

求该管路的沿程阻力系数。

（沿程阻力系数0.0193）

30、两根直径分别为

和

的水平管道串联在一起。

输送密度为980kg/m3、运动粘度为4×10-4m2/s的原油。

如果流量为Q=0.1m3/s，管道长度L1=500m，L2=100m。

求原油流经管道的压强损失？

（hf1=78.801，hj=0.182，hf2=4.247；合计压强损失为788.3Pa）

2.1流体力学的研究方法有哪些？

各有哪些优缺点？

理论研究方法：

准确，清晰，但由于数学发展水平的局限，只能应用于简单理论模型，而不能应用于实际复杂的流体运动。

实验研究方法：

可靠，准确，具有指导意义；但是受实验尺度和边界条件限制，有些实验无法开展，或耗资巨大。

数值研究方法：

计算复杂流动问题，耗资少；但需要准确的数学模型，并结合实验数据进行模型验证。

2.2研究流体运动有哪两种方法？

分别论述他们的概念与区别？

（1）拉格郎日法：

把流体质点作为研究对象，跟踪一个质点，描述它运动的历史过程，并把足够多的质点运动情况综合起来，可以了解整个流体的运动。

（2）欧拉法：

主要研究流场中的空间点，观察质点流经每个空间上运动要素随时间变化的规律，把足够多的空间点综合起来得出整个流体运动的规律。

2.3什么是时变加速度和位变加速度？

时变加速度：

位于所观察空间的流体质点的速度随时间的变化率。

位变加速度：

流体质点所在空间位置的变化所引起的速度变化率。

2.4分别描述层流与湍流的性质与特点？

层流：

流体质点互不掺混，作有条不紊的有序的线性运动。

有序性：

水流呈层状流动，各层的质点互不掺混，质点作有序的线性运动。

粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。

在流速较小且雷诺数Re较小时发生水头损失。

与流速的一次方成正比。

湍流：

流体质点相互掺混，局部速度、压力等流动参数在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。

无序性：

流体质点相互掺混，运动无序，运动要素具有随机性。

耗能性：

除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。

扩散性：

除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和动量传递等扩散特性。

高雷诺数：

湍流运动的规律性同它的随机性是相伴存在的，通过运动参数的时均化，来求得其时间平均的规律性，使流体力学研究湍流运动的有效途径。

2.5什么是流体微团的散度？

并简述其代表的物理意义是什么？

散度:

指流体运动时单位体积的改变率。

简单地说，流体在运动中集中的区域为辐合，运动中发散的区域为辐散。

用以表示的量称为散度，值为负时为辐合，此时有利于天气系统的的发展和增强，为正时表示辐散，有利于天气系统的消散。

表示辐合、辐散的物理量为散度.散度的重要性在于，可用表征空间各点矢量场发散的强弱程度。

2.6拉格朗日法和欧拉法如何描述流体质点的加速度？

拉格朗日方法着眼于流体质点，设法描述每个流体质点的位置随时间变化的规律；欧拉法以不同时刻流场作为描述对象研究流动的方法，将个别流体质点运动过程置之不理，而固守于流场各空间点。

通过观察在流动空间中的每一个空间点上运动要素（如速度、压强等）随时间的变化，把足够多的空间点综合起来而得出的整个流体的运动情况。