工程流體力學(xué)課后思考題-杜廣生-

1-1:流體有哪些特性？論述液體與氣體特征的異同。1）流動(dòng)性、壓縮、膨脹性、粘性抵抗微小剪力抵抗微小剪力否否無(wú)無(wú)抵抗力壓壓物態(tài)液體氣體1）將流體作為由無(wú)窮多稠密、沒(méi)有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)，于是可將流體視為在時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。2）①可以不考慮流體復(fù)雜的微觀粒子運(yùn)動(dòng)，只考慮在外力作用下的微觀運(yùn)動(dòng)；②可以用連續(xù)函數(shù)的解析方法等數(shù)學(xué)工具去研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1）密度：?jiǎn)挝惑w內(nèi)流體所具有的質(zhì)量，表征流體的質(zhì)量在空間的密集程度。相對(duì)密度：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下流體的密度與4℃時(shí)純水的密度的比值。1）壓縮性：在一定的溫度下，單位壓強(qiáng)增量引起的體積變化率定義為流體的壓縮性系數(shù)，其值越大，流體越容易壓縮，反之，不容易壓縮。2）膨脹性：當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，流體溫度變化體積改變的性質(zhì)稱(chēng)為流體的膨脹性氣體和液體都是可壓縮的，通常將氣體時(shí)為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體。水下爆炸：水也要時(shí)為可壓縮流體；當(dāng)氣體流速比較低時(shí)也可以視為不可壓縮流體。1）流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)程為流體的黏性2）黏性是流體的本身屬性，永遠(yuǎn)存在。表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線(xiàn)上的張力1）特性一：流體靜壓強(qiáng)的作用方向沿作用面的內(nèi)法線(xiàn)方向特性二：靜壓強(qiáng)與作用面在空間的方位無(wú)關(guān)，只是坐標(biāo)點(diǎn)的連續(xù)可微函數(shù)在靜止流體內(nèi)的任一點(diǎn)上，作用在單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力與靜壓強(qiáng)的合力相平衡2-3：什么是等壓面？等壓面的方程是什么？有什么重要性質(zhì)？1）在流體中壓強(qiáng)相等的點(diǎn)組成的面。3）性質(zhì)：在靜止流體中，作用于任意點(diǎn)的質(zhì)量力垂直于經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的等壓面。2-4：寫(xiě)出流體靜力學(xué)基本方程的幾種表達(dá)式。說(shuō)明流體靜力學(xué)基本方程的適用范圍以及物--2適用于不可壓縮重力流體的平衡狀態(tài)；量流體的總勢(shì)能為常數(shù)。2-5：什么是絕對(duì)壓強(qiáng)、計(jì)時(shí)壓強(qiáng)和真空？它們之間有什么關(guān)系？1）絕對(duì)壓強(qiáng)：以完全真空為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)。p=pa+pg?2）計(jì)示壓強(qiáng)：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)。pe=p?pa=pg?3）真空：當(dāng)被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)時(shí)，測(cè)得的計(jì)示壓強(qiáng)為負(fù)值，此時(shí)，流pv=?pe=pa?p2-6：不同形狀的儲(chǔ)液容器，若深度相同，容器底面積相同，試問(wèn)液體作用在底面的總壓力2-7什么是壓力中心？什么是壓力體？它有何用途？什么是實(shí)壓力體和虛壓力體？1）總壓力的作用線(xiàn)和平面的交點(diǎn)稱(chēng)壓力中心。2）曲面和自由液面或者自由液面的延長(zhǎng)面包容的體積。虛壓力體：壓力體中沒(méi)有液體2-8：有一傾斜平板浸沒(méi)在靜止液體中，當(dāng)此平板繞其形心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其作用于此傾斜平板上3-1：拉格朗日法和歐拉法在分析流體運(yùn)動(dòng)上有什么區(qū)別？為什么常用歐拉法？3-2：在歐拉法中加速度的表達(dá)式是怎樣的？什么是當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度？3-3：流線(xiàn)和跡線(xiàn)有何區(qū)別？在什么條件下流場(chǎng)中的流線(xiàn)和跡線(xiàn)相重合？1）跡線(xiàn)是同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的位移曲線(xiàn)，與Lagrange觀點(diǎn)對(duì)應(yīng)；流線(xiàn)是同一時(shí)刻、不同流體質(zhì)點(diǎn)速度向量的包絡(luò)線(xiàn)，與Euler觀點(diǎn)對(duì)應(yīng)。3-4：什么是定常流動(dòng)？什么是非定常流動(dòng)？舉例說(shuō)明不同之處。3）當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，進(jìn)水管和出水管中的流動(dòng)就是定常的。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，進(jìn)水管和出水管中的流動(dòng)就是非定常的。1）把水力半徑相等的圓管直徑定義為非圓管的當(dāng)量直徑。3-6：什么是系統(tǒng)？什么是控制體？說(shuō)明輸運(yùn)公式的意義。3）任一瞬時(shí)系統(tǒng)內(nèi)物理量N（如質(zhì)量、動(dòng)量和能量等）隨時(shí)間的變化率等于該瞬時(shí)其控制體內(nèi)物理量的變化率與通過(guò)控制體表面的凈通量之和。單位時(shí)間內(nèi)控制體內(nèi)流體質(zhì)量的增量，等于通過(guò)控制體表面的質(zhì)量的凈通量。①動(dòng)量方程是一個(gè)矢量方程，每一個(gè)量均具有方向性，必須根據(jù)建立的坐標(biāo)系判斷各個(gè)量在坐標(biāo)系中的正負(fù)號(hào)。②根據(jù)問(wèn)題的要求正確地選擇控制體，選擇的控制體必須包含對(duì)所求作用力有影響③方程左端的作用力項(xiàng)包括作用于控制體內(nèi)流體上的所有外力，但不包括慣性力。④方程只涉及到兩個(gè)流入、流出截面上的流動(dòng)參數(shù)，而不必顧及控制體內(nèi)是否有間3-9：論述理想流體微元流束伯努利方程中各項(xiàng)的物理意義和幾何意義，并說(shuō)明方程適用范1）2＋z+p=H式中左邊各項(xiàng)的物理意義分別為單位重量流體的動(dòng)能、位置勢(shì)能和壓強(qiáng)勢(shì)能，幾何意義分別為單位重量流體的速度水頭、位置水頭、壓強(qiáng)水頭。3）理想不可壓縮的重力流體作一維定常流動(dòng)時(shí)的一條流線(xiàn)或者一個(gè)微元流管上。1）幾何相似：模型和原型的全部對(duì)應(yīng)線(xiàn)形長(zhǎng)度的比值為一定常數(shù)。2）運(yùn)動(dòng)相似：滿(mǎn)足幾何相似的流場(chǎng)中，對(duì)應(yīng)時(shí)刻、對(duì)應(yīng)點(diǎn)流速（加速度）的方向一致，大小的比例相等，即它們的速度場(chǎng)（加速度場(chǎng)）相似。3）動(dòng)力相似：兩個(gè)運(yùn)動(dòng)相似的流場(chǎng)中，對(duì)應(yīng)空間點(diǎn)上、對(duì)應(yīng)瞬時(shí)作用在兩相似幾何微團(tuán)上的力，作用方向一致、大小互成比例，即它們的動(dòng)力場(chǎng)相似。4-2：常用的相似準(zhǔn)則數(shù)有哪些？分別闡述每個(gè)準(zhǔn)則數(shù)的物理意義。1）牛頓數(shù)Ne：作用力與慣性力的比值2）弗勞德數(shù)Fr：慣性力與重力的比值3）雷諾數(shù)Re：慣性力與粘性力的比值4）歐拉數(shù)Eu：總壓力與慣性力的比值5）柯西數(shù)Ca：慣性力與彈性力的比值6）馬赫數(shù)Ma：慣性力與彈性力的比值7）韋伯?dāng)?shù)We：慣性力與表面張力的比值8）斯特勞哈爾數(shù)Sr：當(dāng)?shù)貞T性力與遷移慣性力的比值4-3：應(yīng)用動(dòng)力相似進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何決定模型尺寸？如何安排實(shí)驗(yàn)條件？1）根據(jù)定性準(zhǔn)則的需要決定。__???2）①任何相似的流動(dòng)都是屬于同一類(lèi)的流動(dòng)，相似流場(chǎng)對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的各種物理量，都應(yīng)②相似流場(chǎng)對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的各種物理量都有唯一確定的解，即流動(dòng)滿(mǎn)足單值條件；③由單值條件中的物理量所確定的相似準(zhǔn)則數(shù)相等是流動(dòng)相似也必須滿(mǎn)足的條件。1）物理方程中要求每一項(xiàng)量綱都相同。2）通過(guò)量綱分析，能將影響物理現(xiàn)象的各種變量合理組合，使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。5-1：黏性流體總流的伯努利方程和理想流體微元流束的伯努利方程有何不同？應(yīng)用條件是②流體為黏性不可壓縮的重力流體；③方程的兩過(guò)流斷面必須是緩變流截面，而不必顧及兩截面間是否有急變流。5-2：什么是層流？什么是紊流？圓管中，怎樣判別流層或紊流狀態(tài)?1）流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)2）當(dāng)流速超過(guò)臨界流速時(shí)，流線(xiàn)不再清楚可辨，稱(chēng)為紊流。3）實(shí)際工程中，當(dāng)Re≤2000時(shí)，流動(dòng)為層流；當(dāng)Re＞2000時(shí)，即認(rèn)為流動(dòng)是紊流。5-3試從流動(dòng)特征、流速分布、切應(yīng)力分布以及水頭損失等方面來(lái)比較圓管中的層流和紊流①圓管中的層流：平穩(wěn)有規(guī)律的流動(dòng)狀態(tài)；流速分布規(guī)律為旋轉(zhuǎn)拋物面；同一截面上的切向應(yīng)力的大小與半徑成正比；沿程損失與平均流速的一次方成正比。②圓管中的紊流：極不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)；層流底層內(nèi)的速度分布呈線(xiàn)性分布，湍流核心區(qū)速度分布呈對(duì)數(shù)分布規(guī)律；表征流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的各種物理量也表現(xiàn)出不同程度的躍變和隨機(jī)性。5-4：輸水管道的流量一定時(shí)，隨著管徑增加，雷諾系數(shù)是增加還是減??？雷諾數(shù)是衡量慣性力與粘性力相對(duì)強(qiáng)弱的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)。雷諾數(shù)較小時(shí)，黏滯力對(duì)流體的影響大于慣性力，流體表現(xiàn)為層流。若雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于黏滯力，流體表現(xiàn)為紊流。5-6：何為普朗特混合長(zhǎng)理論？根據(jù)這一理論紊流中的切應(yīng)力如何計(jì)算?1)在紊流中在每一點(diǎn)引入一個(gè)垂直方向上的長(zhǎng)度ι,用和時(shí)均速度差值表示該點(diǎn)在流動(dòng)2)紊流附加切應(yīng)力與混合長(zhǎng)度和時(shí)均速度梯度乘積的平方成正比。①水力光滑管：黏性底層完全淹沒(méi)了管壁的粗糙凸出部分，對(duì)流體沒(méi)有阻力。與雷諾數(shù)②水力粗糙管：管壁的粗糙度對(duì)紊流有影響。與雷諾數(shù)和粗糙度有關(guān)。5-8：按照尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)習(xí)慣將流體分為幾個(gè)區(qū)域?各區(qū)域有什么特點(diǎn)？如何判別？沿程Re過(guò)度區(qū)：情況復(fù)雜，無(wú)一定規(guī)律。紊流光滑管區(qū)：該區(qū)沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，只與雷諾數(shù)有關(guān)；Re0.25=—Re0.25-2-2λ1/22ε5-9：如何使用莫迪圖求圓管內(nèi)程阻力系數(shù)流動(dòng)的沿程阻力系數(shù)？如果是非圓管道，則除以當(dāng)量直徑D，這個(gè)值對(duì)應(yīng)著莫迪圖的右邊縱坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的λ異：串聯(lián)管路中各管段的流量相同，分支管路則不一定相同。5-11：管道系統(tǒng)是怎樣分類(lèi)的？管道水力計(jì)算的任務(wù)是什1）串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分支管道、管網(wǎng)2）①根據(jù)給定的流量和允許的壓強(qiáng)損失確定管道直徑和管道布置。②根據(jù)給定的管徑和流量，計(jì)算壓強(qiáng)損失及管道中各點(diǎn)的壓力。③根據(jù)給定的管徑、管道布置和允許的壓強(qiáng)損失，校核流量。5-12：為什么說(shuō)要盡量避免發(fā)生直接水擊？怎樣減小水擊壓強(qiáng)？1）直接水擊產(chǎn)生最大的水擊壓強(qiáng)，危害最大。空化：液體內(nèi)局部壓強(qiáng)降低到液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上出現(xiàn)的蒸氣或氣體空泡的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程?？瘴g：液體中運(yùn)動(dòng)物體受空化沖擊后，表面出現(xiàn)的變形和材料剝蝕現(xiàn)象。1）聲速是微弱擾動(dòng)波在彈性介質(zhì)中的傳播速度。2）與流動(dòng)介質(zhì)的壓縮性大小有關(guān)。由c=√，得K=c2p.氣體中聲速越小，越容易壓縮，反之就越不易壓縮。1）流體流動(dòng)速度和當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎怠?）物理上，馬赫數(shù)表征了慣性力與彈性力之比。