工程流体力学泵与风机课后答案.docx
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工程流体力学泵与风机课后答案
第1章绪论
1.1试从力学分析的角度,比较流体与固体对外力抵抗能力的差别。
答:
固体在承受一定的外力后才会发生形变;
而流体只要承受任何切力都会发生流动,直到切力消失;
流体不能承受拉力,只能承受压力。
1.2何谓连续介质模型?
为了研究流体机械运动的规律,说明引用连续介质模型的必要性和可能性。
答:
把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体来研究,这就是连续介质模型。
建立连续介质模型,是为了避开分子运动的复杂性,对流体物质的结构进行简化,建立连续介质模型后.流体运动中的物理量都可视为空间坐标和时间变址的连续函数.这样就可用数学分析方法来研究流体运动。
1.3按作用方式的不同,以下作用力:
压力、重力、引力、摩擦力、惯性力,哪些是表面力?
哪些是质量力?
答:
压力、摩擦力是表面力;重力、引力、惯性力是质量力。
1.4为什么说流体运动的摩擦阻力是内摩擦阻力?
它与固体运动的摩擦力有何不同?
答:
上平板带动与其相邻的流层运动,而能影响到内部各流层运动,说明内部各流层间存在切向力,即内摩擦力,这就是黏滞性的宏观表象。
也就是说,黏滞性就是流体的内摩擦特性。
摩擦阻力存在于内部各流层之间,所以叫内摩擦阻力。
固体运动的摩擦力只作用于固体与接触面之间,内摩擦阻力作用于流体各流层之间。
1.5什么是流体的粘滞性?
它对流体流动有什么作用?
动力粘滞系数μ和运动粘滞系数v有何区别及联系?
答:
黏滞性的定义又可表示为流体阻抗剪切变形的特性。
由于流体具有黏性,在流动时存在着内摩擦力,便会产生流动阻力,因而为克服流动阻力就必然会消耗一部分机械能。
消耗的这部分机械能转变为热,或被流体吸收增加了流体的内能,或向外界散失,从而使得推动流体流动的机械能越来越小。
运动黏滞系数是动力黏滞系数与密度的比。
1.6液体和气体的粘度随着温度变化的趋向是否相同?
为什么?
答:
水的黏滞系数随温度升高而减小,空气的黏滞系数则随温度升高而增大。
原因是液体分子间的距离小,分子间的引力即内聚力是构成黏滞性的主要因素,温度升高,分子动能增大,间距增大,内聚力减小,动力黏滞系数随之减小:
气体分子间的距离远大于液体,分子热运动引起的动掀交换是形成黏滞性的主要因素.温度升高.分子热运动加剧,动址交换加大,动力黏滞系数随之增大。
1.7液体和气体在压缩性和热胀性方面有何不同?
他们对密度有何影响?
答:
压缩性是流体因压强增大.分子间距离减小,体积缩小,密度增大的性质。
热胀性是温度升高.分子间距离增大,体积膨胀,密度减小的性质。
水的压缩性和热胀性都很小,一般均可忽略不计。
气体具有显著的压缩性和热胀性。
压强与温度的变化对气体密度的影响很大。
1.8理想流体、不可压缩流体的流体的特点是什么?
答:
理想流体,往往给流体运动规律的研究带来极大困难。
为了简化理论分析,特引入理想流体概念,即所谓无黏性的流体(μ=0)。
理想流体实际上是不存在的,它只是一种对物性简化的力学模型。
由于理想流体不考虑黏滞性,使得对流动的分析大为简化,从而容易得出理论分析的结果,该结果对某些黏滞性影响很小的流动,能够较好地符合实际;对粘滞性影响不能忽略的流动,则可通过实验加以修正。
所谓不可压缩流体,是指每个质点在运动全过程中,密度不变地流体。
对于均质的不可压缩流体,密度时时处处都不变化,即ρ为常数。
不可压缩流体是又一理想化的力学模型。
1.9非牛顿流体有哪些?
它们与牛顿流体的区别是什么?
答:
凡是符合牛顿内摩擦定律的流体,称为牛顿流体。
。
凡不符合的流体称为非牛顿流体。
第2章流体静力学
2.1试述静力学基本方程
的物理意义与几何意义?
答:
z为某点在基准面以上的高度,可直接测量,称为位置高度或位置水头。
它的物理意义是单位重量液体具有的相对于基准面的位置势能,简称位能。
是可以直接测量的高度。
测量的方法是,当该点的绝对压强大于大气压时,在该点接一根竖直向上的开口玻璃管,即测压管。
液体在压强p的作用下沿测压管上升hp,hp测压管高度或者压强水头。
其物理意义是单位重量液体具有的压强势能,简称压能。
为测压管水头,是单位重量液体具有的总势能。
表示静止液体中各点的测压管水头相等,各点测压管水头相等的连线即测压管水头线是水平线。
其物理意义是静止液体中各点单位重量液体具有的总势能相等。
2.2绝对压强、相对压强、真空度的定义是什么?
如何换算?
答:
绝对压强是以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强。
相对压强是以当地大气压为基准起算的压强。
绝对压强和相对压强之间相差一个当地大气压强pa。
真空度,当某点的绝对压强小于当地大气压,即处于真空状态时,
也是可以直接测量的高度。
方法是在该点接一根竖直向下插入液槽内的玻璃管。
因此玻璃管内液面的压强等于被测点的压强,故根据液体静力学基本方程式有:
hv称为真空高度,简称真空度。
2.3流体静压强有何特性?
答:
流体静压强主要有以下两个特性。
1.静压强的方向和作用面的内法线方向一致。
2.静压强的大小于作用面方位无关。
2.4何谓压力体?
虚、实压力体如何界定?
答:
表示的几何体为压力体。
压力体的界定方法是,设想取铅垂线沿曲面边缘平行移动一周,割出的以自由液面为上底,曲面本身为下底的柱体就是压力体。
实压力体,压力体和液体在曲面AB的同侧,如同压力体内有实有液体,习惯上称为实压力体。
压力体和液体在曲面AB的异侧,其上底面为自由为自由液面的延伸面,压力体内虚空,习惯上称为虚压力体,Pz方向向上。
2.5液体表面压强不为零时,平面或曲面上的静水总压力如何计算?
答:
加上液体表面压力。
2.6处于相对平衡的流体的等压面是否为水平面?
为什么?
什么条件下的等压面是水平面?
答:
由等压面的这一性质,便可根据质量力的方向来判断等压面的形状。
例如,质量力只有重力时,因重力的方向铅锤向下,可知等压面是水平面。
若除重力之外还有其他质量力的作用,则等压面是与各质量力的合力正交的非水平面。
第3章流体运动学
3.1比较拉格朗日法和欧拉法,此两种方法及其数学表达式有何不同?
答:
拉格朗日法是连续的描述某个选定的质点。
欧拉法,描述每个时刻整个场或者某个点的速度,温度,密度分布。
欧拉法的数学表达式中加入了质点加速度随位置的变化关系
3.2流线和迹线有什么不同?
流线有哪些主要性质,在什么条件下流线和迹线重合?
答:
流线是某一确定时刻在流场中所作的空间曲线,线上各质点在该时刻的速度矢量,都与之相切。
流体质点在某一时刻的运动轨迹称为迹线。
在恒定流中,流线不随时间变化,流线上的质点继续沿流线运动,此时流线和迹线在几何上是一致的,两者完全重合。
3.3在同一流场中,同一时刻不同流体质点组成的曲线是否都是流线?
答:
不是。
流线是指某一确定时刻在流场中所作空间曲线,线上各质点在该时刻的速度矢量,都必筠之相切。
3.4何谓均匀流及非均匀流?
以上分类与过流断面上流速分布是否均匀有无关系?
答:
在给定的某一时刻,若流体中各点迁移加速度为零,即,
。
并没有关系。
流束上与流线正交的横断面是过流断面。
过流断面不都是平面,只有在流线相互平行的均匀流段,过流断面才是平面;流线相互不平行的非均匀流段上,过流断面为曲面。
3.5流场为有旋运动时,流体微团一定做圆周运动吗?
无旋运动时,流体微团一定做直线运动吗?
答:
不一定,有旋运动是指流体微团做旋转运动,不定是圆周运动;无旋运动不-定是直线运动,即便微团运动的轨迹是圆,但微团本身无旋转,流体仍是无旋运动。
3.6流体微团的旋转角速度与刚体的旋转角速度有什么本质差别?
答:
刚体的角速度是描述整个刚体转动的一个整体性的特征量;而流体的角速度只是描述流体微团旋转运动的一个局部性的特征量。
第4章流体动力学基础
思考题
4.1有人认为均匀流和渐变流一定是恒定流,急变流一定是非恒定流,这种说法是否正确?
请说明理由。
答:
渐变流是均匀流的宽延,均匀流是渐变流的极限状态。
首先区分均匀流和非均匀流以及恒定流和非恒定流的区别。
在给定的某一时刻,若流体中各点迁移加速度为零,均匀流各点流速都不随位置而变化,流体做均匀直线运动。
流场中各空间点上的运动要素(流速、压强、密度等)皆不随时间变化的流动是恒定流。
错误。
均匀流不一定是恒定流。
因均匀流是相对于空间而言,即运动要素沿流程不变,而恒定流是相对于时间而言,即运动要素不随时间而变。
两者判别标准不同。
错误。
急变流指流线曲率较大或流线间夹角较大、流速沿程变化较急剧的流动。
而如果流场中任何空间点上有任何一个运动要素是随时间而变化则为非恒定流。
4.2对水流流向问题有如下一些说法:
“水一定是从高处向低处流”,“水一定从压强大的地方向压强小的地方流”,“水一定从流速大的地方向流速小的地方流”,这些说法是否正确?
为什么?
正确的说法应该如何?
答:
并不对,由于水在流动过程中有能量损失,所以水流过程中,只能由能量高的地方处向能量低处流。
位置高低,压强大小及流速大小不是判断依据。
说白了就是机械能高的地方向机械能低的地方流。
4.3何谓渐变流,渐变流有哪些重要性质?
引入渐变流概念,对研究流体运动有什么实际意义?
答:
当流体质点的迁移加速度很小时,流线近乎于平行直线的流动,将其定义为渐变流,否则是急变流。
渐变流是均匀流的宽延,均匀流是渐变流的极限情况,所以均匀流的性质对于渐变流都近似成立,主要为:
渐变流的过流断面近于平面,面上各点的速度方向近于平行;可以证明,恒定渐变流过流断面上的动压强按静压强的规律分布(此时内摩擦力在过流断面上的投影为零,对过流断面上的压强分布没有影响)。
渐变流是指各流线接近于平行直线的流动。
也就是说各流线之间的夹角很小,而且流线的曲率半径很大。
渐变流是属于非均匀流的范畴中的,之所以称其为渐变流是指流线虽不互相平行却几乎接近平行直线,其也可以称作缓变流。
实际流体运动中,由于影响因素很多,给研究问题带来很大的困难。
这时,为把问题简化,往往先按理想情况来考虑,找出规律后,再加以修正,然后应用于实际。
4.4恒定总流的伯努利方程,其各项的物理意义和几何意义是什么?
.
、
分别为总流过流断面上某点(所取计算点)单位重量流体的位能和势能;因为所取过流断面是渐变流断面,面上各点的势能相等,即
+
是过流断面上单位重量流体的平均势能,而是
过流断面上单位重量流体的平均动能,故三项之和
+
+
是过流断面上单位重量流体的平均机械能。
为总流的水头损失。
4.5应用伯努利方程时,其中的位置水头可以任意选取基准面来计算,为什么?
答:
方程两边都有位置水头项。
最终算出来的结果是一个差值,所以说基准面的选取并不影响计算结果。
4.6有旋流动中不存在速度势函数
那么是否存在流函数呢?
为什么?
势流为什么能够叠加?
它对解决实际问题有什么好处
答:
由流函数的引出条件可以知道,凡是不可压缩流体的平面运动,只要连续性微分方程成立,不论无旋运动或者有旋运动,都存在流函数,只有无旋运动才有速度势,可见流函数比速度势更具有普遍性。
在工程实际中,常利用势流叠加原理解决一些较为复杂的势流问题。
4.7为什么要引入平面流动这一概念?
平面流动中存在着流函数,那么空间流动中是否也一定存在着流函数?
为什么?
答:
主要是为了求解方面。
存在。
存在。
第5章量纲分析和相似原理
5.1何谓量纲?
量纲与单位有什么不同?
答:
将一个物理导出量若干个基本量的乘方之积表示出来的表达式称为该物理的量纲式,简称量纲。
某个量的量纲只表示该的性属,而不表示该的大小,单位则表示量的大小。
因此,它仅用来定性地描述物理量,特别是定性地给出导出量与基本之间的关系。
5.2何谓动力相似?
何谓运动相似?
答:
动力相似指两个流动对应点处流体质点受同名力作用,力的作用方向相同,大小成比例。
运动相似,运动相似指两个流动对应点速度方向相同,大小成比例。
5.3怎样运用Π定理建立无量纲方程?
应该如何选择基本量?
若基本量选择的不同是否其结果也不同?
为什么?
答:
(1)确定关系式:
根据对所研究的现象的认识确定;
(2)确定基本量:
从n个物理量中选取所包含的m个;
(3)确定数的个数N(π)=(n-m);
(4)确定各π项基本指数a,b,c;
(5)整理方程式。
基本变量与基本量纲相对应。
即若基本量纲(M,L,T)为三个,那么基本变量也选择三个:
选择基本变量时,应选择重要的变量;不能有任何两个基本变量的因次是完全一样的。
基本量选择不同并不会导致结果不同。
只要三个基本量代表的量纲各不相同,那么最终的结果都是相同的。
5.4何谓相似准则?
模型实验怎样选择相似准则?
答:
相似准则又叫"相似参数"、"相似模数"、"相似判据"等,是在判断两个现象之间相似性时使用的概念,目前是实验流体力学(或者风洞实验设计)中应用比较广泛。
一般来说,相似准则是一些无量纲组合数。
根据物理现象相似的定义,两个流场相似等价于两个流场对应点在对应时刻所有表征流动状态的相应物理量各自保持固定比例。
一般要求几何相似、运动相似、动力相似、热力学相似以及质量相似,两个流动才相似。
首先要满足几何相似,否则两个流动不存在对应点,当然也就无相似可言,可以说几何相似是流动相似的前提条件;其次是实现动力相似,以保证运动相似。
要使得两个流动动力相似,前面定义的各项比例尺须符合一定的约束条件,这种约束关系就是相似准则。
5.5一般情况下能否做到雷诺准则与弗劳德准则同时满足?
能否做到欧拉准则与弗劳德准则同时满足?
答:
模型试验做到完全相似是困难的。
一般只能达到近似相似,就是保证对流动起主要作用的力相似,这就是模型律的选择问题。
当雷诺准则和弗劳德准则成立时,欧拉准则可自行成立。
所以又将雷诺准则、弗劳德准则称为独立准则,欧拉准则称为导出准则。
第6章流动阻力和能量损失
思考题
6.1答:
临界速度不一定相同,因为临界速度本身是随管道尺寸和流体种类、温度等条件而改变。
临界雷诺数一般相同。
因为雷诺试验表明:
尽管不同条件下的下临界速度
不同,但对于通常所使用的管壁粗糙情况下的平直管均匀流来讲,任何管径大小和任何牛顿流体,与他们的下临界流速
所对应的下临界雷诺数
是相同的。
6.2紊流中存在脉动现象,具有非恒定性质,但是在紊流中又有恒定流的概念,其中有无矛盾?
为什么?
答:
并不矛盾。
在引入时均化概念的基础上,把紊流简化为时均流动和脉动分别进行研究。
由于脉动量的时均值为零,则时均流动是主要的,它反映了流动的基本特征,因而时均值也是一般水力计算的基础。
这样根据时均运动参数是否随时间变化,紊流便可分为恒定流和非恒定流,即紊流的瞬时运动总是非恒定的,而平均运动可能是恒定的,也可能是非恒定的。
工程上关注的总是时均流动,一般仪器和仪表测量的也是时均值。
需要指出,虽然引入时均值得概念给研究紊流带来了方便,但紊流运动要素得脉动是客观存在的,这一特征不因采用时均化研究方法而消失。
6.3若管道的管径、管长及粗糙高度不变,沿程阻力系数入是否随流量的增加而增大?
沿程水头损失凡是否随流量的增加而增大?
答:
不一定,根据尼古拉兹试验的结果,在不同的区域,沿程阻力系数的影响因素不同,有可能流量越大,雷诺数变大,从而沿程阻力系数会变小。
也不一定,因为沿程水头损失是沿程阻力系数和速度的综合影响结果,所以都不一定。
6.4有一根给定的输水管道,怎样实测它的沿程阻力系数?
答:
按照尼古拉兹试验的方法进行测定,然后进行拟合。
得到尼古拉兹曲线图就可以得到沿程阻力系数的拟合结果了。
6.5是否表面上几何光滑的管道一定是“水力光滑“管,而表面上几何粗糙的管道一定是“水力粗糙“管?
为什么?
答:
流体力学中所说的光滑区和粗糙区,不完全取决于壁管粗糙的突起高度k,还取决于和Re有关的黏性底层的厚度δ’。
6.6如思考题6.6图所示的实际流体流动,若水位恒定,管长分别为2L和L,管径分别为D和2D,试比较流量QI和Q2、流速V1和v2的大小。
答:
v2>v1;Q2>Q1;总的来讲就是利用三个公式,第一个是沿程水头损失计算公式(式6-21):
,第二个式局部水头损失计算公式:
,其中
的计算公式可以直接取公式6.50下的那一段解释,直接取0.5然后根据伯努利守恒方程(公式4-6):
,然后利用两边相等即可算出v2>v1,Q2>Q1。
6.7管路的流动装置如思考题6.7图所示,当阀门开度减小,则阀门前后两测压管的液面高度h1、h2将如何变化?
为什么?
答:
其实这个题非常简单就是直接用伯努利守恒方程,但最忽略的一点是阀门开度减小,流量减小,流量减小,速度就减小了。
直接选取三个截面,一个是出口截面,两个h1和h2所在截面,忽略掉沿程水头损失,然后直接列方程,就可以得到方程,首先分析v1减小,则p1增大,然后对比右边的等式,发现p1增大,hm增大,则p2必减小。
、
其实P都应该除以ρ和g的。
6.8变直径管道如思考题6.8图所示,有同种流体,以相同的流量自左向右或自右向左流动,试问两种情况下的局部水头损失是否相同,为什么?
答:
不一样。
这里最容易犯的错误,我自己犯的错误是觉得在由大到小的过程中也能直接套用(公式6.47)进行计算局部水头损失,这样计算的结果是一样的,但其实不同,因为推导过程不同,考虑的因素也不相同,所以还是老老实实直接套用公式计算,由小到大的计算公式为(式6-48),
,而由大到小的计算公式为(式6-50),
,很明显两者绝对不同。
当然如果在小大面积之比为1/2的情况下,其实是相同的。
6.9弯管内装导流叶片可降低弯管的局部阻力系数,试问其能降低局部阻力系数的原因,并指出如思考题6.9图所示的(a)、(b)两种情况哪一种正确?
为什么?
答:
很明显,根据我的记忆,绝对是第二种情况正确。
减少紊流局部阻力的着眼点在于防止或推迟流体与壁面的分离,避免旋涡区的产生或减少旋涡区的大小和强度。
关。
如R/d>3,
值随R/d的加大而增加,这是由于弯管加长后,沿程损失增大造成的。
因此弯管的R最好在(1~4)d的范围内。
断面大的弯管,往往只能采用较小的R/d,如在弯管内部布置一组导流叶片,便可减少旋涡区和二次流,降低弯管的
值;此时越接近内侧,导流叶片布置地应越密些。
图6.32所示的弯管装上圆弧形导流叶片后
值由1.0减少到0.3左右。
6.10在断面既要由小扩大到d2,方向又转90°的流动中,如思考题6.10图所示的两种情况下,(a)先扩后弯和(b)先弯后扩,哪种的总局部水头损失大一些?
为什么?
答:
此外配件之间的不合理衔接,也会使局部阻力加大。
例如在既要转90°,又要扩大断面的流动中,若均选用R/d=l的弯管和A2/A1=2.28、
的渐扩管,在直接连接等于0的情况下,先弯后扩的水头损失为先扩后弯的水头损失的4倍。
即使中间都插入一段l=4d的短管,也仍然大2.4倍。
因此如果没有其他原因,先弯后扩是不合理的。
所以先弯后扩的总局部损失大一些。
第11章气体紊流射流
1.射流的基本特征是什么?
为什么用无因次量研究射流运动?
答:
实验结果及半经验理论都证明气体紊流自由射流有如下三个基本特征:
几何特征,运动特征和动力特征。
因为实际射流的边界难以严格辨别,所以一般都是从统计意义上理解。
2.何谓过渡断面?
何谓起始段和主体段?
答:
喷嘴附近速度保持u0的区域称为射流核心区,核心区消失的横断面称为过渡断面,过渡断面之前具有核心区的部分称为射流起始段,,其中速度小于u0的部分称为起始段边界层。
过渡断面之后的部分称为起始段边界层。
过渡断面之后的部分称为射流主体段,主体段中任一过流断面上轴心速度最大,边界处速度为零。
3.何谓断面平均速度和质量平均速度?
为什么要定义质量平均速度V2?
答:
断面平均速度
,断面质量平均速度
,断面平均流速v1仅为轴心流速um的20%,而工程上通常使用的是轴心附近较高的速度区。
说明断面平均流速不能恰当的反映被使用区的速度,故引入质量平均流速v2。
4.温差射流中,无因次温度分布曲线为什么在无因次速度曲线的外侧?
答:
由于此时热量扩散比动量扩散要快些,因此温度边界层比速度边界层发展得要快些厚些。
5.温差射流的基本特征是什么?
为什么射流轨迹会发生弯曲?
如何建立轨迹方程?
答:
几何特征;温差分布特征;热力特征。
温差射流或浓差射流由于密度与周围气体密度不同,所受的重力与浮力不相平衡,使整个射流将发生向下或向上弯曲。
所以研究轴心线的弯曲轨迹,即得出射流的弯曲规律。
6.旋转射流、受限射流与自由淹没射流有哪些不同?
试对比说明。
答:
入流方式不同,边界条件不同。
第13章流动要素量测
1.试分析影响毕托管量测精度的因素。
答:
实际流体从迎流孔相通的是测速管,与侧面顺流孔(测压孔或环形窄缝)相通的是测压管。
考虑到实际流体从迎流孔至顺流孔存在黏性效应,以及毕托管对原流场的干扰等影响。
2文丘里流量计分别用测压管和U形水银压差计测量进口和喉管断面压差时,其流量计算公式有何不同?
答:
无非就是
和
。
3.毕托管、热线热膜流速计、激光多普勒流速计和粒子成像速度场仪上述四种流速测量仪器,哪些为接触式单点测量?
哪些为非接触式单点测量?
对流场的干扰如何?
答:
毕托管为接触式单点测量,热线热膜流速计为接触式单点测量,激光多普勒流速计为非接触式单点测量,粒子成像速度场仪为非接触式单点测量。
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