水力學歷年試卷及答案

2007年一，名詞解釋：1．連續(xù)介質：流體質點完全充滿所占空間，沒有間隙存在，其物理性質和運動要素都是連續(xù)分布的介質。2．流線：某一確定時刻t，在流場中一定有這樣的曲線存在，使得曲線上各點處的流體質點的流速都在切線方向，這樣的曲線就叫做該時刻t的流線。3．長管：在水力計算中，管道沿程阻力遠遠大于局部阻力，局部阻力可以忽略不計的管道。4．水躍：明渠水流從急流過渡到緩流狀態(tài)時，會產生一種水面突然躍起的特殊局部水里現象，既在較短的渠段內水深從小于臨界水深急劇地躍到大于臨界水深的現象。5。滲流模型：在保持滲流區(qū)原有邊界條件和滲透流量不變的條件下，把滲流看成是由液體質點充滿全部滲流區(qū)的連續(xù)總流流動。二，解答題溫度對流體粘性系數有何影響？原因何在？答：溫度升高時液體的粘滯系數降低，流動性增加，氣體那么相反，粘滯系數增大。這是因為液體的粘性主要由分子間的內聚力造成的。溫度升高時，分子間的內聚力減小，粘滯系數就要降低。造成氣體粘性的主要原因那么是氣體內局部子的運動，它使得速度不同的相鄰氣體層之間發(fā)生質量和動量的變換。當溫度升高時，氣體分子運動的速度加大，速度不同的相鄰氣體層之間的質量交換隨之加劇，所以，氣體的粘性將增大。寫出總流伯努利方程，解釋各項及方程的物理意義。答：總流伯努利方程為：其中：Z表示總流過流斷面上某點〔所取計算點〕單位重量流體的平均位置勢能表示總流過流斷面上某點〔所取計算點〕單位重量流體的平均壓強勢能。表示總流過流斷面上某點〔所取計算點〕單位重量流體的平均動能。表示總流過流斷面上某點〔所取計算點〕單位重量流體的平均機械能損失，稱為總流水頭損失代表總流過流斷面上單位重量流體的平均勢能代表總流過流斷面上單位重量流體的平均機械能長度比尺為40的傳播模型實驗，測得船速為1.2m/s時模型受到的波浪阻力為0.03N，試求原型船速和原型船舶所受到的波浪阻力〔以重力作用為主〕答：根據牛頓一般相似原理：力的比例尺：弗羅特數法那么由以上兩式得最終得==利用圓管層流，水力光滑區(qū)和粗糙區(qū)這三個公式，論證在層流中，光滑區(qū)，粗糙區(qū)答：因為，〔1〕由題圓管層流，所以，那么：，即其中當流體，管長，管徑一定時a為定量，所以層流中?！?〕在水力光滑區(qū)，所以，那么：，即其中當流體，管長，管徑一定時b為定量，所以光滑區(qū)，〔3〕在粗糙區(qū)，帶入公式整理得，其中當流體，管長，管徑一定時c為定量，所以粗糙區(qū)5.簡述明渠均勻流發(fā)生的條件和特征。答：明渠均勻流發(fā)生的條件：明渠均勻流只能出現在底坡不變，斷面形狀，尺寸，壁面粗糙系數都不變的長直順坡渠道中。明渠均勻流的流線是相互平行的直線，因此具有以下特征：〔1〕過水斷面的形狀，尺寸及水深沿程不變。〔2〕過水斷面上的流速分布，斷面平均流速沿程不變。〔3〕總水頭線、水面線及渠底線相互平行。所以，總水頭線坡度〔水力坡度〕J，水面線坡度〔測壓管水頭線坡度〕Jp和渠道底坡i彼此相等，即J=Jp=i。三、計算題1半徑為a的小球在粘度很大的不可壓縮牛頓流體中下落，證明其速，、是流體的密度和粘度，是小球的密度。證明：由題小球在粘度很大的不可壓縮牛頓流體中下落，即圓球的雷諾數，繞流阻力不可忽略那么對小球受力分析小球受到沿流動方向的阻力，為流體密度流體對小球的浮力重力為小球密度當小球處于懸浮狀態(tài)時的速度為最終速度，即：帶入得整理得：由于，所以代入上式整理得：得證2.水箱側壁開一圓形薄壁孔口，直徑d=5cm，水面恒定，孔口中心到水面的高度H=4m。孔口的流速系數，收縮系數，孔口出流手上斷面的流速、流量Q和水頭損失。解；設Ac為收縮斷面面積，A為出口斷面面積，由題：,那么以水箱中自由外表為基準面，對自由外表o-o的點和收縮斷面形心c-c的點寫伯努利方程式：其中：==1，，那么整理得：即解得孔口出流收縮斷面的流速，流量，水頭損失3，解：由題以允許流速為設計流速由謝才公式：，i=0.0016那么：水力半徑明渠斷面面積又，，列方程組得解得：(1)(2)舍去故此梯形斷面的底面底寬水深4．消防水管直徑D=0.15M,噴嘴出口直徑d=0.03m，設計流量。噴嘴和管路用法蘭連接并用螺栓固頂。不計水頭損失，求螺栓所受的總拉力。，解：以消防水管中軸水平面為基準面，取法蘭處斷面1-1和噴嘴出口處斷面2-2為研究斷面,設總拉力為T由連續(xù)性方程，那么，對1-1和2-2寫伯努利方程，動量方程其中：，，,,〔不計水頭損失〕那么：又：N為水流在噴頭處所受阻力。解得：N=15.25KN因為T=N=15.25KN即螺栓所受的總拉力為15.25KN5圖示串聯供水管路，各段管長管徑；沿程阻力系數；節(jié)點流量；末端所需自由水頭為25m，求水塔的供水高度H。解：由題：水塔高度,,，，由于管長很長，可視為長管，那么：所以;=120m即水塔的供水高度H=120m2006年單項選擇題1-5CACBC6-10CDDCB1.牛頓內摩擦定律說明，決定流體內部切應力的因素是：A動力粘度和速度B動力粘度和壓強C動力粘度和速度梯度D動力粘度和作用面積2.當水的壓強增大一個大氣壓時，水的密度增大大約為：A1/20000B1/10000C1/4000D1/20003.密閉水箱的側壁為一矩形平板，水面壓強大于大氣壓強，水深3M，靜水總壓力的作用點到水面距離y應是：Ay<1.5mBy=1.5mC1.5m<y<2mDy=2m4.流線于跡線重合的條件是：A不可壓縮流體B恒定流動C理想流體流動D漸變流動5位變加速度為零的流動是A恒定流B非恒定流C均勻流D非均勻流6.連續(xù)性方程表示：A能量守恒B動量守恒C質量守恒D動量鉅守恒7產生紊流附加切應力的原因是：A分子內聚力B分子運動產生的動量交換C重力D質點摻混引起的動量交換8明渠均勻流為緩流時，那么有AV>VkBi>ikCFr>1Dh>hk9寬頂堰要求ABCD10實際滲流與滲流模型相比A流量相同，阻力相同B流量相同，阻力不同C流量不同阻力相同D流量不同阻力不同二、名詞解釋1.相對壓強：以當地大氣壓Pa為零點來計量的壓強，稱為相對壓強2.當量粗糙度：所謂當量粗糙度，指與工業(yè)管道粗糙區(qū)λ值相等的同直徑尼古拉茲人工管道的粗糙高度3.管嘴出流：孔口出流的孔口上加一段3~4倍管徑的短管，流體經短管流出時充滿短管出口的全部斷面，稱為管嘴出流。4.臨界水深：斷面比能曲線上，相應于最小斷面比能的水深hk,稱為臨界水深。5.根本量綱：認為選取的彼此之間無關，不能以其他各量的量綱所表示的量綱。三、簡答題1.簡述溫度對流體動力粘度的影響。答：溫度升高時液體的粘滯系數降低，流動性增加，氣體那么相反，粘滯系數增大。這是因為液體的粘性主要由分子間的內聚力造成的。溫度升高時，分子間的內聚力減小，粘滯系數就要降低。造成氣體粘性的主要原因那么是氣體內局部子的運動，它使得速度不同的相鄰氣體層之間發(fā)生質量和動量的變換。當溫度升高時，氣體分子運動的速度加大，速度不同的相鄰氣體層之間的質量交換隨之加劇，所以，氣體的粘性將增大。2.歸納總流能量方程的應用條件。答:(1)流體是不可壓縮流體〔2〕流動場是重力場〔3〕流體的流動是恒定流〔4〕過流斷面是漸變流斷面〔5〕流量沿程不變，即無分流或合流〔6〕必需在同一的基準面上計算，〔7〕壓力可以都是絕對壓強，也可以都用相對壓強3.某平面流場，，此流動是否連續(xù)？是否有旋？答：，那么：所以此平面流場連續(xù)因為是平面流場，所以其渦量由，所以即此流動為無旋流動4.簡述滲流達西定律與裘皮衣公式的區(qū)別。答：滲流達西定律是說明在某一均質介質的空隙中，滲流的水力坡度與滲流流速的一次方成正比，是液體作層流運動所遵循的規(guī)律，而裘皮衣公式是反映了漸變滲流過流斷面上個點滲流流速相等，并等于斷面平均流速，是對漸變滲流過流斷面上流速的描述。假設球形塵粒的密度，空氣溫度為20OC,求可采用斯托克斯公式計算懸浮速度的最大粒徑為多少〔20OC時，空氣的密度，動力粘滯系數〕。解：當滿足斯托克斯公式計算懸浮速度時雷諾數，即其中懸浮速度帶入上式得：即所求球形塵粒最大粒徑為四、計算題1.溢水堰模型試驗，模型設計長度比例為20，今測得模型流量為Qm=300L/s,水流推力為Pm=300N,求實際流動的流量Qn和推力Pn解：由那么：由由：得：即實際流動的流量2管道系統如下圖，管長,直徑，兩水箱水面高度差H=20m，沿呈阻力系數，局部阻力系數，其他阻力系數自定，試求流量。解：由題：為總阻抗，由于串聯，所以帶入解得解得：所求流量為3.矩形斷面的水渠有一平板閘門，寬度B=3.4m上下游水深分別為,試求水流對；平板的沖力〔不計水頭損失〕。解：由連續(xù)性方程：對閘門兩邊寫伯努利方程：由于不計水頭損失，所以：解得：再由動量方程：其中：N為板對水流的阻力，其與水流對板的沖力大小相等。解得N=26.55KN即所求水流對板的沖力為26.55KN4.今欲開挖一梯形斷面土渠，流量,邊坡系數，粗糙系數n=0.02,為防止沖刷取最大允許流速為1m/s，求水力最優(yōu)斷面尺寸和底坡i。解：由題取水力最優(yōu)斷面，那么：即帶入b計算得：h=2.2m,b=1.3m由謝才公式帶入謝才公式得：i=0.0004即水力最優(yōu)斷面尺寸為h=2.2mb=1.3m底坡i=0.00045棱柱形渠道由急坡i1變到緩坡i2，且，各段均勻足夠長，請繪出水面曲線示意圖并標出類型。此題見參考書191頁9-8-3圖9-32〔c〕定性描述水面曲線非常重要，每年必考難度逐年加大，需特別注意。2008填空題1.理想流體是指忽略了粘滯力的流體2．某變徑管兩斷面的雷諾數之比為1/4，那么其管徑之比為4/13.絕對壓強是以沒有氣體分子存在的當地大氣壓Pa為基準算起的壓強。4.流線上各質點的流速都與該線相切。5.均勻流動中沿程水頭損失于切應力成正比關系6.沿程直徑不變，流量也不變的管道稱為均勻管。7.孔口自由出流和淹沒出流的計算公式相同，各項系數相同，但H代表意義不同。8.均勻流是流體中質點的位變加速度為零的流動。9石油輸送管路的模型試驗，要實現動力相似，應選用相似準那么是Fr弗羅特準那么10.明渠水流模型試驗，長度比尺為4，模型流速為2m/s時，那么原型中的流速為0.5m/s二．簡答題11.文字描述牛頓內摩擦定律。答：流體的內摩擦力與其速度梯度成正比，與液層的接觸面積A成正比，與流體的性質有關，而與接觸面積的壓力無關即。12寫出理想元流的伯努利方程，并說明其物理意義和使用條件。答：其中z表示單位重量流體所具有的位能。表示單位重量流體所具有的壓強勢能表示單位重量流體所具有的動能，，表示單位重量流體所具有的總勢能表示單位重量流體所具有的機械能。13.簡述明渠均勻流發(fā)生的條件和特征。答：明渠均勻流發(fā)生的條件：明渠均勻流只能出現在底坡不變，斷面形狀，尺寸，壁面粗糙系數都不變的長直順坡渠道中。明渠均勻流的流線是相互平行的直線，因此具有以下特征：〔1〕過水斷面的形狀，尺寸及水深沿程不變?！?〕過水斷面上的流速分布，斷面平均流速沿程不變?！?〕總水頭線、水面線及渠底線相互平行。所以，總水頭線坡度〔水力坡度〕J，水面線坡度〔測壓管水頭線坡度〕Jp和渠道底坡i彼此相等，即J=Jp=i。14.解釋滲流模型，并寫處均勻滲流和漸變滲流的根本計算公式。答：滲流模型即為：在保持滲流區(qū)原有邊界條件和滲透流量不變的條件下，把滲流看成是由液體質點充滿全部滲流區(qū)的連續(xù)總流流動。均勻滲流根本公式：漸變滲流的根本公式：，15.舉例說明量綱分析方法。答此題見參考書79頁，例5-1.〔此題出題很不嚴謹，注意定理的應用下次可能會考〕三．計算題16.如下圖混凝土海堤，靠海一側為拋物線曲面.。水深密度試求作用在單位長度海堤上的靜水總壓力。解：設曲面海堤圍成的壓力體為OAB如下圖，壓力體所受的水平壓力，垂直壓力那么有：〔壓力體體積根據面積積分公式求〕由于作用在海提上的力于作用在壓力體上的力互為作用力與反作用力，故其所受的力,與水平方向夾角17.如下圖，水在變徑豎管中從下往上流動，z=0處的直徑，通過的流量，不計粘性作用，為使管流中個斷面的壓力相同，即，試求豎管的直徑于z的關系。解：設Z=0斷面為0-0斷面，Z=z斷面為1-1斷面，那么對0-0斷面與1-1斷面列伯努利方程………………〔1〕由連續(xù)性方程得………………〔2〕又………………〔3〕由〔1〕〔2〕〔3〕聯立得即18.梯形斷面渠道，邊坡系數，底坡，粗糙系數，設計流量。按水里最優(yōu)條件設計渠道斷面的尺寸。解：設矩形斷面寬為b高為h根據水力最有條件設計有即b=0.61h……〔1〕又……〔2〕而……〔3〕聯立〔1〕〔2〕〔3〕得b=0.61m,h=1.04m19水流通過變截面彎管，假設彎管的直徑，流量。斷面A-A的相對壓強，管中心線均在同一水平面上，求固定此管所需的力〔不計水頭損失〕。解：列A-A斷面與B-B斷面伯努利方程…………〔1〕由連續(xù)性方程得…………〔2〕聯立{1}〔2〕可求出，及所選的控制體如下圖，列X軸方程…………〔3〕列Y軸方程…………〔4〕求出，由作用力與反作用力原理得所需力〔由于夾角