水力學(xué)040421試題答案a

1、成績(jī)100水力學(xué)試題（ A 卷）答案040421班姓名 學(xué)號(hào) 日期恒定流：流場(chǎng)任意空間點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化的液流。跡線：一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)在空間運(yùn)動(dòng)的軌跡線。 層流：水流各質(zhì)點(diǎn)互不混摻，有規(guī)則性的運(yùn)動(dòng)?？ㄩT渦街：流體繞柱運(yùn)動(dòng)時(shí)，主體后部的減速增壓區(qū)發(fā)生邊界層分離。當(dāng)雷 諾數(shù)較大情況下，漩渦從主體后不夠規(guī)則交替排列的漩渦組合現(xiàn)象。水力最佳斷面：在一定的流量下，能得到最小的過水面積，或者說，在過水 斷面面積一定的條件下，能通過的流量最大的明渠斷面稱為水力最佳斷面。孔口收縮系數(shù)：是指收縮斷面面積 Ac與孔口斷面面積 A之比，即 Ac 。A水擊：水擊是有壓管中最常見的非恒定流動(dòng)，是有

2、壓管中流速因外界原因發(fā) 生急劇變化時(shí)，所帶來的一種液體內(nèi)部壓強(qiáng)交替升降的現(xiàn)象。水躍：水躍是明渠水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時(shí)，水面突然躍起的局部 水力現(xiàn)象。堰流：明渠中緩流經(jīng)障壁頂部溢流時(shí)，堰壁上游發(fā)生壅水，溢流水面降落， 這一水流現(xiàn)象稱為堰流，障壁稱為堰。二、結(jié)合敘述填空（每題 2分，共 20 分）1 、連續(xù)介質(zhì)假說，將液體看作是 由相互間無間隙的質(zhì)點(diǎn)所組成的連續(xù)體 它們的 物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)要素 是連續(xù)分布的。2、粘滯性與流體分子間的 內(nèi)聚力 和 動(dòng)量交換 有關(guān)。因此，液體溫度 增高時(shí)，粘滯性 減小 ，氣體溫度增高時(shí)，粘滯性 增大 。3 、流體靜止?fàn)顟B(tài)是指 液體質(zhì)點(diǎn)之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng) 。靜止液

3、體質(zhì)點(diǎn)之 間不存在 切應(yīng)力 ，它們之間的相互作用，都是以 壓強(qiáng) 形式表現(xiàn)的。4、流體運(yùn)動(dòng)是平移 、 轉(zhuǎn)動(dòng) ，變形 ，這三種運(yùn)動(dòng)的組合。5、管流試驗(yàn)表明：圓管層流時(shí)，斷面速度分布呈 B，沿程損失 hf與斷面平均流速 U的 D_成正比。6、漸擴(kuò)管中能形成 。漸縮管中不能 形成。因?yàn)楦矫鎸臃蛛x只能發(fā)生 在斷面逐漸擴(kuò)大而壓強(qiáng)沿程增加的增壓減速區(qū)，所以漸擴(kuò)管滿足條件，而漸縮管 不滿足條件。7、在并聯(lián)管道上，因?yàn)榱髁坎煌?，所以雖然各單位重量液體 相同，但通過各管的水流所損失機(jī)械能總量卻不相同。(a) 表面張力； (b) 粘滯力； (c) 測(cè)壓管水頭線； (d) 水頭損失。(d)8、在環(huán)形管網(wǎng)計(jì)算中必須滿足

4、 (1) 各節(jié)點(diǎn)，(2) 各環(huán)路。必須滿足(1) 各節(jié)點(diǎn)( Qi 0)，(2) 各環(huán)路( hfi 0)。 29、大于，小于10、明渠水流中， a1型水面曲線：其上游端以正常水深線 NN為漸近線，下游端以_水平線 _為漸近線的曲線。三、簡(jiǎn)單敘述(每題 5 分，共 10 分)221 、說明實(shí)際液體元流伯諾里方程 z1p1u1z2p2u2hw 的物理意12g22gw義與幾何意義。(1) 物理意義三項(xiàng)分別表示單位重量液體的三種不同的能量形式。2z 為單位重量液體的位能 ( 重力勢(shì)能 ) 。 u 為單位重量液體的動(dòng)能。 p 為 2g單位重量液體的 (壓強(qiáng)勢(shì)能 )。hw 是單位重量液體因克服阻力所損失的能

5、量2于是 z+ p 是單位重量液體的勢(shì)能， 而z p u hw 是單位重量液體的機(jī)械 2g w（2）幾何意義 各項(xiàng)表示了某種高度，具有長(zhǎng)度的量綱。2z 為位置水頭。 p 為壓強(qiáng)水頭。 u 為流速水頭。 hw 為水頭損失。2g2 通常為 p相對(duì)壓強(qiáng)，此時(shí) z+ p稱為測(cè)壓管水頭，以 Hp表示，而 z p u 稱 2g 為總水頭，以 H 表示。（4）設(shè)二維恒定均速流繞圓柱流動(dòng)，根據(jù)伯努利方程，愈近圓柱，流速愈小，壓強(qiáng)愈大，在圓柱面 駐點(diǎn) A 處，流 速減低為零，壓強(qiáng)增加到最大。由于液體不可壓縮，繼續(xù)流來的液體質(zhì)點(diǎn)，壓能 部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)方向，沿著圓柱面兩側(cè)繼續(xù)向前流動(dòng)，流線在 停滯點(diǎn)

6、呈分歧現(xiàn)象。當(dāng)液體自停滯點(diǎn) A 向側(cè)面流去時(shí)，由于圓柱面的阻滯作用，在圓柱面上產(chǎn)生 邊界層。自點(diǎn) A經(jīng)四分之一圓周到貼近圓柱面的點(diǎn) B 以前，流線趨于密集，邊界 層內(nèi)液體處在加速減壓 p 0 的情況，壓能的部分能支付動(dòng)能的增加和克服流動(dòng)x 阻力而消耗的能量損失，邊界層內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)的流速不會(huì)是零。過了B 點(diǎn)以后，由于流線的疏散，邊界層內(nèi)液體處在減速增壓 p 0 的情況。這時(shí)動(dòng)能部分恢復(fù)為x 壓能，另外，克服流動(dòng)阻力而消耗的能量損失也取之于動(dòng)能。邊界層內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn) 的流速迅速降低，到貼近圓柱面的停滯點(diǎn) C 點(diǎn)，流速降低為零。由于液體不可壓 縮，繼續(xù)流來的液體質(zhì)點(diǎn)被迫脫離原來的流線，從而使邊界層脫離了圓

7、柱面，出現(xiàn)邊界層的分離 四、繪圖敘述（每題 5 分，共 10分）1、試?yán)L出圖示 ABC壁上相對(duì)壓強(qiáng)分布，并注明大小。Agh32、設(shè)定性畫出圖示管道的測(cè)壓管水頭線和總水頭線。（ 管徑沿程不變 ）畫出非簡(jiǎn)化圖形也正確測(cè)壓管水頭線總水頭線v22g總水頭線，測(cè)壓管水頭線。四、證明下列各題（每題 5分，共 10 分）1 、如圖（a） 、（b）所示，半徑為 r0，長(zhǎng)度為b （垂直 紙面） 的圓柱體，其作用是截止液流。試證明總壓力 P 2.54 gbr02 。解 水平分力Px ghcA gr0 2r0b 垂直分力r02Pz gV g r0 b2曲面上的靜水總壓力將等于PPx2 Pz222 （2）2 gr02

8、b 2.54 gr02b2、實(shí)驗(yàn)研究表明，圓管總流單位面積邊界上的切應(yīng)力0 （ML-1T-2），與流體的密度 （ML-3），動(dòng)力粘度 （ML-1T-1），斷面平均流速 （LT-1），斷面管徑 d （L）及壁面粗糙高度 （量綱 L）有關(guān)，請(qǐng)用量綱分析方法求的表示式0 2 ，08其中8f （Re, ）。d解： 0 f , , ,d, ， 0 k 1 2 2d 4 5lim 0 ML 1T ML 3 1 ML 1T 1 2 LT 1 3 L 4 L 5M : 1 1 2L :1 3 1 2 3 4 5T :2 2 31 1 2, 3 2 2,4 2 50 k 1 2 2 2 2d 2 5 5k 2

9、d d 5 5k 2 Re d 5 5令 8 f Re,d Re 2 d 5 5 Re 2（d） 5則 k 1 0 28六、綜合計(jì)算題（每題 15分，共 30 分）1 、有一鋼筋混凝土有壓輸水管，管徑d 0.5m，長(zhǎng)為 500m，輸送流量為0.7m3/s ，流動(dòng)為粗糙區(qū)。試求該管路的水頭損失。v 2A 1 y參考：沿程阻力公式： hf v2 l ，水力半徑： R A ，謝才系數(shù)： C 1 R ，C 2Rn指數(shù)： y 1.3 n ，混凝土糙率： n 0.014 。 解 過水?dāng)嗝婷娣ed 2 2A 0.785 0.52 0.196m24濕周d 3.14 0.5 1.571m 水力半徑AR A 0.1

10、25m取混凝土糙率 n0.014. 按式計(jì)算謝才系數(shù)。因?yàn)?R1m，按式計(jì)算指數(shù) y 1.3 n 0.178C 1R 49.33m s n 由式 (4-65) 計(jì)算沿程水頭損失，即hf22C 2Rl C2A2Rl20.97m2、設(shè)管路中有一段水平 (0xy 平面內(nèi) ) 放置的等管徑彎管，如圖所示。已知管 徑d=0.2 m，彎管與 x 軸的夾角 =45， 管中過流斷面 1-1的平均流速 v1 = 4 m/s， 其形心處的相對(duì)壓強(qiáng) 1=9.81 1O4pa。 若不計(jì)管流的能量損失，試求水流對(duì)彎 管的作用力 FR。解:取管內(nèi)入流處附近均勻流斷面和出流處附近均勻流斷面為1和 2斷面(1) 計(jì)算速度和流

11、量根據(jù)連續(xù)性方程 (3-23) 式 ,v1A1 v2 A2并且 d1 d2 , 所以 v1 v2 =4m/s根據(jù)平均流量公式 , 由題給條件可得2Q vA v30.1256m /s3.14 0.2244(2) 計(jì)算兩端斷面總壓力由伯努利方程。 以管軸線為基準(zhǔn)面， 列 1-1 和2-2 斷面能量方程 (不計(jì)損失 )20 p11v122g20 p22v2 02g并且 v1 v2 ，則：p1 p2 9.81 10Pa所以p1 =194.51kPa(3) 計(jì)算水對(duì)管壁作用力 Rx和 Ry由動(dòng)量方程式 , 設(shè)管壁對(duì)水作用力 R x方向向左 ,R y方向向上x 軸方向：F x Q(a02v2x a01v1x )p1A1 Rx p2A2 cosQ( 02v2 cos01v1)Rx 1000 0.1256(1 4 0.707 1 4)4 0.2 2 4 0.2 2 9.81 104 3.14 ( ) 2 9.81 104 3.14 ( )2 0.707 22所以Rx1049.74kNy 軸方向：F y Q(a02v2y a01v1y )Ry p2A2 sinQ( 02v2 sin01 0)Ry 1000 0.1256(1 4 0.707 1 0