《工程流體力學(xué)》

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1、1. 粘性 流體抵抗變形地特性 . 2. 流線 在流場(chǎng)中某一瞬時(shí)處處與流體速度方向一致地 曲線 . 3. 流量 單位時(shí)間通過(guò)某一截面流體地?cái)?shù)量 . 4. 速度環(huán)量 在流場(chǎng)中某一瞬時(shí)速 度沿某一封閉曲線地積分 . 5. 邊界層 在固壁附近速度梯度很大地薄層區(qū)域 . 二．簡(jiǎn)答題 （20 分每題 10 分） 1．簡(jiǎn)述定常不可壓粘性流體有壓管流中層流和紊流地基本規(guī)律 . 流動(dòng)特征 f V(r) Va/V max τ h 層流 分層 ∝v 二次曲線 0.5 τ1 紊流 脈動(dòng) ∝ v1.75 ～2.0 對(duì)數(shù)曲

2、線 0.79 ～ τ1 τ 2 0.86 + 2．畫(huà)出無(wú)限空間自由淹沒(méi)紊流射流結(jié)構(gòu)圖 , 并說(shuō)明其幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特征 . 答：幾何特征： tan α＝3.4 a、運(yùn)動(dòng)特征 : 各截面速度分布相似、動(dòng)力特征：各截面動(dòng) 量相等 . 三、選擇與填空 （30 分） 1．兩平板相距 0.1mm,中間充滿了粘度為 μ=0.00114Pa/s地流體 ,上平板相對(duì)下平板地 運(yùn)動(dòng)速度為  3.5m/s,則平板表面地切應(yīng)力為  39.9  Pa.（3 分）

3、 7．如圖  2 所示,設(shè)  H=3m,不計(jì)損失 ,則出口速度為  7.67 m/s.（2 分） 8．兩水管地有壓流動(dòng)相似  ,d1/d2=3,則  v2/v1= 3  .（2 分） 10．理想不可壓流體作平面無(wú)旋流動(dòng)  , 其流函數(shù)為  kxy, 則 vx ＝  kx  ,  vy  ＝ -ky  .  （2 分） 12．某正激波前速度系數(shù)為  2.3,則波后速度系數(shù)為 

4、 0.435  .  （1 分） 13．如圖  5 所示為小擾動(dòng)在不同來(lái)流速度場(chǎng)地傳播  ,則來(lái)流速度在圖  a 中  B  ,圖  b 中 A  .（A ．Ma＞1  B ． Ma＜ 1  C．Ma=1＝ . （ 1 分） 圖 5(a) 圖 5(b) 圖 6 14．設(shè)某管路地水力直徑為 4.8m,則其水力半徑為 1.2 m.（1 分） 3 2 15．某二元不可壓流場(chǎng), v x 5x

5、, vy 15x y , 則過(guò)點(diǎn)（1,2）地 ax=75（.2 分） 17．某流場(chǎng)地速度分布為 v xy2 i yx2 j 4xyzk , 則該流場(chǎng)為 A . （A ．不可壓 B ．可 壓縮） . （2 分） 19．為了獲得超聲速氣流應(yīng)使用 B . （A ．收縮噴管 B ．縮放噴管） . （ 1 分） 1. 流體是一種受任何微小剪切力 作用時(shí) , 都會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變形地物質(zhì) . 2. 作用于流體上地力按其性質(zhì)可以分為表面力和 質(zhì)量力 . z p c g 3. 緩變流任意過(guò)流截面靜壓力分布特點(diǎn)： .

6、 4. 一邊長(zhǎng)為 a 地等邊三角形截面管內(nèi)充滿流體流動(dòng) , 其當(dāng)量直徑（水力直徑） d i 3 a 3 . 5. 某流場(chǎng) vx kx , v y ky , 則流線方程為 xy c . 6. 量綱和諧性原理是指任何一個(gè)正確地方程式中 , 各項(xiàng)地量綱必須 相同 7．在管流中 , 如果兩個(gè)截面地直徑比為 , 則這兩個(gè)截面上地雷諾數(shù)之比為 .1/2 8. 在圓管層流流動(dòng)中 , 沿程損失與速度地 一次方 成正比 . 9．某水流速度是 2.5m/s, 則其速度水頭是 0.32 mH 2 O.

7、10．斯托克斯定理表明 , 沿封閉曲線地 L 地速度環(huán)量等于穿過(guò)以該曲線為周界地任意 曲面地 渦通量 . 11．不可壓縮平面流動(dòng)地勢(shì)函數(shù)為 x 2 y 2 x , 其流函數(shù)為2xy y 12. 邊界層地分離只可能發(fā)生在 壓強(qiáng) 升高地區(qū)域內(nèi) , 形成旋渦 . 13. 馬赫數(shù)地定義為氣體地流速與 當(dāng)?shù)芈曀? 地比值 . 14. 超聲速氣流在擴(kuò)壓管中進(jìn)行增壓 , 擴(kuò)壓管地截面積應(yīng)該逐漸減少 ；超聲速氣流在噴管中進(jìn)行增速 , 噴管地截面積應(yīng)該逐漸 增大 . 3. 對(duì)于實(shí)際流體 , 總水頭線是 沿程下降 地線

8、 . 4. 理想流體與實(shí)際流體地主要區(qū)別在于 是否烤爐粘性 . 5. 真空是指 絕對(duì)壓強(qiáng) 和 當(dāng)?shù)卮髿鈮? 地壓力差 . 6.Re 是表征 粘性 力地相似準(zhǔn)則數(shù) , 在圓管流動(dòng)中 , 當(dāng) Re 小于 2000 時(shí) , 實(shí)際流體地流動(dòng)狀態(tài)是 層流 流動(dòng)；當(dāng) Re 大于該值時(shí) , 其流動(dòng)狀態(tài) 是 紊流 流動(dòng) . 7. 流體旋轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)地運(yùn)動(dòng)形式包括平移、 變形 和 旋轉(zhuǎn) . 8. 氣流速度與臨界速度之比是 速度系數(shù). 9. 亞聲速流動(dòng) , 是指馬赫數(shù) ___小于 1_______時(shí)地

9、流動(dòng) . 二、簡(jiǎn)答題（每題 5 分 , 共 25 分） 1、 什么是連續(xù)介質(zhì)假設(shè)？引入連續(xù)介質(zhì)假設(shè)地目地是什么？ 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)認(rèn)為流體是由空間上連續(xù)分布地流體質(zhì)點(diǎn)組成地連續(xù)介質(zhì) . 根據(jù)流體地 連續(xù)介質(zhì)模型 , 任意時(shí)刻流動(dòng)空間地任一點(diǎn)都為相應(yīng)地流體質(zhì)點(diǎn)占據(jù) , 表征流體 性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特征地物理量一般為時(shí)間和空間地連續(xù)函數(shù) , 就可以應(yīng)用數(shù)學(xué)分析中連續(xù)函數(shù)分析和解決流體力學(xué)問(wèn)題 . 2、 什么是水力光滑管？什么是水力粗糙管？ 當(dāng)流體流動(dòng)過(guò)程中 , 粘性底層完全淹沒(méi)了管壁粗糙凸出部分 , 這時(shí)粘性底層以外地紊流區(qū)域完全感受不

10、到管壁粗糙度地影響 , 流體好像在完全光滑地管子中流動(dòng) , 這種管道稱(chēng)為水力光滑管 . 當(dāng)管壁地粗糙凸出部分有一部分或者大部分暴露在紊流 區(qū)域中 , 這時(shí)流體流過(guò)凸出部分將產(chǎn)生旋渦 , 造成新地能量損失 , 這種管道稱(chēng)為粗糙管 . 3、 什么是緩變流？緩變流地特征是什么？ 當(dāng)流線地曲率半徑很大或流線之間地夾角很小時(shí) , 流線近似為平行直線 , 這樣地流動(dòng) 稱(chēng)為緩變流 . 緩變流地特性：緩變流任意過(guò)流截面上流體靜壓力地分布規(guī)律與平衡流體中地相同 4、 試根據(jù)尼古拉茲試驗(yàn) , 說(shuō)明紊流各區(qū)沿程阻力系數(shù) 與 和 地關(guān)系 . 對(duì)于粗

11、糙管阻力系數(shù) λ 與 Re 地關(guān)系可以分為五個(gè)階段：當(dāng) Re＜2300 時(shí) , 流動(dòng)處于層 流狀態(tài) , 管壁地相對(duì)粗糙度對(duì)阻力系數(shù) λ沒(méi)有影響 , λ與 Re 成反比關(guān)系； 2300＜ Re＜ 4000 時(shí) , 處于第一過(guò)渡區(qū) , 是層流向紊流過(guò)渡地不穩(wěn)定區(qū)域； 4000＜ Re＜ 26.98 （ d/ ε） 8/7 時(shí), 為水力光滑管區(qū) , λ與 Re 地 0.25 次方成反比關(guān)系； 26.98 （ d/ ε）8/7 ＜Re＜4160（d/2 ε）0.85 時(shí) , 為第二過(guò)渡區(qū) , 隨著 Re地增大 , λ也增加； 4160（ d/2 ε）0.85 ＜Re時(shí), 處于

12、阻力平方區(qū) , λ與 Re無(wú)關(guān) . 1．水管上安裝一復(fù)式水銀測(cè)壓計(jì)如圖所示 . 同一水平線上各點(diǎn)地壓強(qiáng) p1、p2、p3、p4 哪 個(gè)最大？哪個(gè)最??？哪些相等？ 答：P4 最大 ,P1 最 小,P2=P3 2．在一條水平管段上裝有兩只測(cè)壓管 , 如圖 2 所示 , 當(dāng)管中 流 量增大時(shí) , 兩只測(cè)壓管中液面高度答： 減小 , 增大 , 因?yàn)殡S著流量地增加 力, 測(cè)地壓力為真空壓力  h1 與 h2 是增大還是減?。坎⒄f(shuō)明原因 . , 管中地絕對(duì)壓力均減小 , 測(cè)地壓力為相對(duì)壓

13、 du 3．已知液體中流速 u 沿 y 方向分布如圖 3 所示 , 試根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律 dy , 定 性繪出切應(yīng)力 沿 y 方向地分布圖 . y y y u = 0 = 0 u 4．關(guān)于水流去向問(wèn)題 , 曾有以下一些說(shuō)法 , 如“水一定是從高處流向低處” 、“水是由 壓力大地地方流向壓力小地地方” 、“水是由流速大地地方流向流速 地地方” , 這些說(shuō)法對(duì)嗎 , 試用基本方程式加以說(shuō)明 .  小 答：以上說(shuō)法都不對(duì) , 由粘

14、性流體地伯努力方程可知 , 水是由機(jī)械能大地地方流向機(jī)械能小地地方 . 5．判斷容器地加速度方向并說(shuō)明理由 . （其中 J 為單位質(zhì)量力） 答：容器地加速度方向垂直向下 . 因?yàn)樽饔迷谌萜鲀?nèi)液體質(zhì)點(diǎn)上地單位質(zhì)量力 J 與所對(duì)應(yīng)地加速度大小方向相同 , 并且容器與其中地液體一起運(yùn)動(dòng) , 因此容器地加速度方向也與 單位質(zhì)量力地方向相同 , 垂直向下 . 三．計(jì)算題 （40 分,每題 10 分） 1．如 下圖 所 示文 丘里 流量 計(jì) , 當(dāng)水 流過(guò) 時(shí)汞 差壓 計(jì) 地讀 數(shù)為 H ＝ 125mm, 設(shè)d1=250mm,d2=100

15、mm,不計(jì)損失 ,試求水地流量 . 2．某排水管路系統(tǒng)如上圖所示 .排水管出口到吸水井液面地高差為 Hc＝530 m,吸水管直徑 d1＝ 0.25 m,長(zhǎng)度 L 1= 40 m,λ1＝ 0.025,∑ζ 1=5.排水管直徑 d2=0.2 m,長(zhǎng)度 L2= 580 m,λ2＝0.028,∑ζ2=3.不計(jì)空氣造成地壓力差 .當(dāng)流量 qv=270 m3/小時(shí) ,求水泵給單位重量流體所提供地能量） H. 3．如下圖所示 ,一隔

16、板將水箱分為 A 、B 兩格 ,隔板上有直徑為 dl=40 毫米地薄壁小孔口 ,流量系數(shù)箱底部有一直徑徑 d2＝30 毫米地圓柱形管嘴 ,管嘴長(zhǎng) 0.1 米,流量系數(shù)箱水深 H1=3 米恒定不變 .試求在定常出流時(shí) H1 為多少？出流地流量是多少？ 4．設(shè)某流場(chǎng)地流函數(shù)為 ψ ＝2axy,試證明該流場(chǎng)無(wú)旋、不可壓 ,并求其速度勢(shì)函數(shù) . 二、簡(jiǎn)答題（每

17、題 5 分 , 共 25 分） 1、解：平板沿斜面向下地作用力為： F G sin200 6.8 N 則平板上地切應(yīng)力為： F 6.8 57 N / m 2 A 0.12 du 根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律： dy du U 設(shè)速度分布為線性分布 , 則： dy h 則均速下滑時(shí)平板地速度 U是： U h 57 8 103 0.7 m / s 0.65 1 1 2．解：設(shè) A 到等壓面 1－1 截面地距離為 z, 則有： pA  水 z 

18、pB  水 ( z  h  a)  h pA  pB  水 z  水 ( z  h  a)  h pA  pB  水 (h  a)  h 9800*  0.2  9000* 0.1 1060P  a 3、解：因?yàn)樗l地內(nèi)外均受大氣壓力作用 , 故大氣壓地影響可略去 . 作用在閘門(mén)上地總壓力為： p gh c A g (h l sin 30 )bl

19、 2 1000 9.8 (3 2.5 1 2 ) 1.5 2.5 2 133218 .75 ( N ) （ 3 分） 根據(jù)壓力中心地計(jì)算公式 , 可得： I cx yD yc y c A 這個(gè)距離應(yīng)該是閘門(mén)地延長(zhǎng)線與水面地交點(diǎn)為原點(diǎn)算起地距離 . 式中, yc h l 3 2.5 sin 30 2 0.5 7.25(m) 2 I cx 1 3 1 1.5 3 12 bl 12 2.5 1.95

20、 A bl 1.5 2.5 3.75 所以 , yD 7.25 1.95 7.32(m) p( y D h ) Fl 0 7.25 3.75 sin 30 F 133218.75 (7.32 3 ) 2.5 70339.5( N ) 對(duì) A 點(diǎn)列合力矩方程 , 得： 0.5 V 1 Q 4Q 1.132m / s V 2 Q 4Q 4.527 解：（ 1） A1 d12 A2 d 22

21、 取 1-1 、2-2 兩斷面列伯努利方程 p1 V12 p2 V 22 p p V 2 V 2 1.964 105 Pa 2 1 2g 2g 2 1 2 （ 2）對(duì)選取地控制體列動(dòng)量方程： p1 A1 Rx Q(0 V1 ) R y p2 A2 Q(V2

22、0) 所以 , Rx 3663N Ry 958N Ry R Rx2 Ry2 3786N arctg Rx 14.66 所以 , 水流對(duì)彎管壁地作用力為 F 地反作用力 F`, 大小相等 , 方向相反 . 5. 某 水 塔 供 水 系 統(tǒng) ,h=20m, 由 管 路 1 、 2 組 成 , 按 長(zhǎng) 管 計(jì) 算 ,d 1=250mm,l1=20m,d2=200mm,l2=260m,沿程阻力系數(shù)均為 0.

23、03, 中間有水泵一臺(tái) , 泵 地?fù)P程是 40mH2O,求管路中地流量 . H h hw h l1 v1 2 l 2 v2 2 d1 2g d 2 2g 2 4 h v1 ( l1 l 2 d1 4 ) 2g d1 d 2 d 2 2 4 ( 200

24、00 40 20 0.03 v1 260000 2504 ) 2* 9.8 250 200 200 v1 2.004m/ s q d12 * v1 4 * 0.252 * 2.004 0.098 m 3 / s 4 1 u y ux ) 1 0 z ( x y (2x 2x) 2 2 6、解：（1）因?yàn)?

25、 d ux d x u y d y 所以流動(dòng)為有勢(shì)流動(dòng) , 即存在勢(shì)函數(shù) . 2 y a 2 y 1 y 3 x 3 （ 2）因?yàn)? ux u y 2 y 2y 0 x y 所以流動(dòng)為不可壓縮流體地流動(dòng) , 即存在流函數(shù) . d ux d y uy d x xy 2 2 1 3 2 2 1 3 (a x 3 x ) c xy a x 3 x 5、解：取 1-

26、1 、2-2 兩液面列伯努利方程： h f 1 L1 V1 2 h f 2 L2 V2 2 z1 z2 hf 1 1 2g 2 2g hf 2 d1 d2 V12 V22 4.41 取 1-1 、3-3 兩液面列伯努利方程： Q1 Q2 Q3 z1 z3 h f 1 h f 3 V12 V32 2.94 d1 d2 d3 V1 V2 V3 解方程 (1)(2)(

27、3) 組成地方程組可得 V1 1.67m / s V2 1.28m / s Q2 0.251m3 / s d1 2 V 0.39m / s Q3 0.0765m 3 / s Q1 0.3275m 3 / s 3 V1 4 所以 , Q2 d2 2 V2 0.251m3 / s Q3 d3 2 V3 0.0765m3 / s 4 4