流体力学习题解答26946

一、填 空 题

1．流体力学中三个主要力学模型是（1）连续介质模型（2）不可压缩流体力学模型（3）无粘性流体力学模型。

2．在现实生活中可视为牛顿流体的有水 和空气 等。

3．流体静压力和流体静压强都是压力的一种量度。它们的区别在于：前者是作用在某一面积上的总压力；而后者是作用在某一面积上的平均压强或某一点的压强。

4．均匀流过流断面上压强分布服从于水静力学规律。

5．和液体相比，固体存在着抗拉、抗压和抗切三方面的能力。

6．空气在温度为290K ，压强为760mmHg 时的密度和容重分别为 1.2a ρ= kg/m 3和11.77a γ=N/m 3。

7．流体受压，体积缩小，密度增大 的性质，称为流体的压缩性 ；流体受热，体积膨胀，密度减少 的性质，称为流体的热胀性 。

8．压缩系数β的倒数称为流体的弹性模量 ，以E 来表示

9．１工程大气压等于98.07千帕，等于10m 水柱高，等于735.6毫米汞柱高。

10．静止流体任一边界上压强的变化，将等值地传到其他各点（只要静止不被破坏），这就是水静压强等值传递的帕斯卡定律。

11．流体静压强的方向必然是沿着作用面的内法线方向。

12．液体静压强分布规律只适用于静止、同种、连续液体。

13．静止非均质流体的水平面是等压面，等密面和等温面。

14．测压管是一根玻璃直管或U 形管，一端连接在需要测定的容器孔口上，另一端开口，直接和大气相通。

15．在微压计测量气体压强时，其倾角为?=30α，测得20l =cm 则h=10cm 。

16．作用于曲面上的水静压力P 的铅直分力z P 等于其压力体内的水重。

17．通过描述物理量在空间的分布来研究流体运动的方法称为欧拉法。

18． 流线不能相交（驻点处除外），也不能是折线，因为流场内任一固定点在同一瞬间只能有一个速度向量，流线只能是一条光滑的曲线或直线。

19．静压、动压和位压之和以z p 表示，称为总压。

20．液体质点的运动是极不规则的，各部分流体相互剧烈掺混，这种流动状态称为紊流。

21．由紊流转变为层流的临界流速k v 小于 由层流转变为紊流的临界流速k

v '，其中k v '称为上临界速度，k v 称为下临界速度。

22．对圆管来说，临界雷诺数值=k Re 2000。

23．圆管层流的沿程阻力系数仅与雷诺数有关，且成反比，而和管壁粗糙无关。

24．根据λ繁荣变化特征，尼古拉兹实验曲线可分为五个阻力区，分别是层流区；临界区；紊流光滑区；紊流过渡区和紊流粗糙区。

25．紊流过渡区的阿里特苏里公式为25.0)Re

68(11.0+=d k λ。 26．速度的大小、方向或分布发生变化而引起的能量损失，称为局部损失。

27．正方形形断面管道(边长为a)，其水力半径R 等于4

a R =，当量直径de 等于a d e =。 28．正三角形断面管道(边长为a)，其水力半径R 等于a x A R 123==

，当量直径de 等于a R 3

34=。 29．湿周是指过流断面上流体和固体壁面接触的周界。

30．层流运动时，沿程阻力系数λ与(Re)f 有关，紊流运动沿程阻力系数λ在光滑管区与(Re)f 有关，在过渡区与)(Re,d K f 有关，在粗糙区与)(d

K f 有关。 31．串联管路总的综合阻力系数S 等于各管段的阻抗叠加。

32．并联管路总的综合阻力系数S 与各分支管综合阻力系数的关系为321111

1

s s s s ++=。管嘴与孔口比较,如果水头H 和直径d 相同，其流速比V 孔口/V 管嘴等于82.097.0,流量比Q 孔口/Q 管嘴等于82

.060.0。 33．不可压缩流体的空间三维的连续性微分方程是0=??+??+??z

u y u x u z y x 。 34．1=M 即气流速度与当地音速相等，此时称气体处于临界状态。

35．淹没出流是指液体通过孔口出流到另一个充满液体的空间 时的流动。

36．气体自孔口、管路或条缝向外喷射 所形成的流动，称为气体淹没射流。

37．有旋流动是指流体微团的旋转角速度在流场内不完全为零 的流动。

38．几何相似是指流动空间几何相似。即形成此空间任意相应两线段夹角相同，任意相应线段长度保持一定的比例 。

39．因次是指物理量的性质和类别。因次分析法就是通过对现象中物理量的因次以及因次之间相互联系的各种性质的分析来研究现象相似性的方法。他是一方程式的因次和谐性为基础的。

40．容积泵与风机又可分为往复式和回转式。

41．根据流体的流动情况，可将泵和风机分为以下四种类别：离心式泵与风机；轴流式泵与风机；混流式泵与风机和贯流式泵与风机。

42．风机的压头（全压）p 是指单位体积气体通过风机所获的的能量增量。

43．单位时间内泵或风机所输送的流体量称为流量。风机的容积流量，特指风机进口处的容积流量。

44．泵或风机所提供的流量与设备本身效率之间的关系，用)(3Q f =η来表示。

45．泵或风机的工作点是泵与风机的性能曲线 与管路的性能曲线 的交点。

46．泵的扬程H 的定义是：泵所输送的单位重量流量的流体从进口至出口的能量 增值。

47．安装角是指叶片进、出口处的切线 与圆周速度反方向 之间的交角。

48．泵和风机的全效率等于容积效率 ，水力效率 及机械效率 的乘积。

49．当泵的扬程一定时，增加叶轮转速可以相应的减少 轮径。

50．附面层的分离发生在减速增压 区。附面层外主流区的流动属于有势 流动。附面层内的流动属于有旋 流动。

二、判 断 题

1．当平面水平放置时，压力中心与平面形心重合。 对

2．一个工程大气压等于98kPa,相当于10m 水柱的压强。对

3．静止液体自由表面的压强，一定是大气压。错

4．静止液体的自由表面是一个水平面，也是等压面。对

5．当静止液体受到表面压强作用后，将毫不改变地传递到液体内部各点。对

6．当相对压强为零时，称为绝对真空。错

7．某点的绝对压强小于一个大气压强时即称该点产生真空。对

8．流场中液体质点通过空间点时，所有的运动要素不随时间变化的流体叫恒定流。对

9．恒定流时，流线随的形状不随时间变化，流线不一定与迹线相重合。错

10．渐变流过水断面上动水压强的分布规律可近似地看作与静水压强分布规律相同。对

11．流线是光滑的曲线，不能是折线，流线之间可以相交。错

12．一变直径管段，A 断面直径是B 断面直径的2倍，则B 断面的流速是A 断面流速的4倍。对

13．弯管曲率半径Rc 与管径d 之比愈大，则弯管的局部损失系数愈大。错

14．随流动雷诺数增大，管流壁面粘性底层的厚度也愈大。错

15．水泵的扬程就是指它的提水高度。错

16．管嘴出流的局部水头损失可有两部分组成，即孔口的局部水头损失及收缩断面出突然缩小产生的局部水头损失。错

17．当流速分布比较均匀时，则动能修正系数的值接近于零。错

18．流速分布越不均匀，动能修正系数的值越小。错

19．在水流过水断面面积相等的前提下，湿周愈大，水力半径愈小。对

20．圆形管的直径就是其水力半径。错

21．为了减少摩擦阻力，必须把物体做成流线型。错

22．在研究紊流边界层的阻力特征时，所谓粗糙区是指粘性底层的实际厚度Δ小于粗糙高度。对

23．水泵的安装高度取决于水泵的允许真空值、供水流量和水头损失。对

24．大孔口与小孔口都可认为其断面上压强、流速分布均匀，各点作用水头可以认为是一常数。错

三、简答题

1．什么是粘滞性？什么是牛顿内摩擦定律？不满足牛顿内摩擦定律的流体是牛顿流体还是非牛顿流体？

答：粘滞性是当流体流动时，在流体内部显示出的内摩擦力性质。

牛顿内摩擦定律是：

du

T A

dy

μ

=；不满足牛顿内摩擦定律的流体是非牛顿流体。

2．在流体力学当中，三个主要的力学模型是指哪三个？

答：（1）连续介质；（2）无粘性流体；（3）不可压缩流体。

3．什么是理想流体？

答：理想流体即指无粘性流体，是不考虑流体的粘性的理想化的流体。

4．什么是实际流体？

答：考虑流体的粘性的流体。

5．什么是不可压缩流体？

答：不计流体的压缩性和热胀性的而对流体物理性质的简化。

6．为什么流体静压强的方向必垂直作用面的内法线？

答：由于流体在静止时，不能承受拉力和切力，所以流体静压强的方向必然是沿着作用面的内法线方向。

7．为什么水平面必是等压面？

答：由于深度相等的点，压强也相同，这些深度相同的点所组成的平面是一个水平面，可见水平面是压强处处相等的面，即水平面必是等压面。

8．什么是等压面？满足等压面的三个条件是什么？

答：在同一种液体中,如果各处的压强均相等由各压强相等的点组成的面称为等压面。满足

等压面的三个条件是同种液体连续液体静止液体。

9．什么是阿基米德原理？

答：无论是潜体或浮体的压力体均为物体的体积，也就是物体排开液体的体积。

10．潜体或浮体在重力G和浮力P的作用，会出现哪三种情况？

答：（1）重力大于浮力，则物体下沉至底；（2）重力等于浮力，则物体可在任一水深处维持平衡；（3）重力小于浮力，则物体浮出液体表面，直至液体下部分所排开的液体重量等于物体重量为止。

11．等角速旋转运动液体的特征有那些？

答：（1）等压面是绕铅直轴旋转的抛物面簇；（2）在同一水平面上的轴心压强最低，边缘压强最高。

12．什么是绝对压强和相对压强？

答：绝对压强：以毫无一点气体存在的绝对真空为零点起算的压强。

p为零点起算的压强。

相对压强：当地同高程的大气压强

a

13．什么叫自由表面？

答：和大气相通的表面叫自由表面。

14．什么是流线？什么是迹线？流线与迹线的区别是什么？

答：流线是某一瞬时在流场中画出的一条空间曲线，此瞬时在曲线上任一点的切线方向与该点的速度方向重合，这条曲线叫流线。

区别：迹线是流场中流体质点在一段时间过程中所走过的轨迹线。流线是由无究多个质点组成的，它是表示这无究多个流体质点在某一固定瞬间运动方向的曲线。而迹线则是在时间过程中表示同一流体质点运动的曲线。

15．什么是流场？

答：我们把流体流动占据的空间称为流场，流体力学的主要任务就是研究流场中的流动。16．什么是欧拉法？

答：通过描述物理量在空间的分布来研究流体运动的方法称为欧拉法。

17．什么是拉格朗日法？

答：通过描述每一质点的运动达到了解流体运动的方法。

18．什么是恒定流动？什么是非恒定流动？

答：动平衡的流动，各点流速不随时间变化，由流速决定的压强、粘性力也不随时间变化，这种流动称之为恒定流动反之为非恒定流动。

23．什么是沿程损失？

答：在沿程不变的管段上，流动阻力沿程也基本不变，称这类阻力为沿程阻力，克服沿程阻力引起的能量损失为沿程损失。

24．什么是局部损失？

答：在边壁急剧变化的区域，阻力主要地集中在该区域中及其附近，这种集中分布的阻力称为局部阻力。克服局部阻力的能量损失为局部损失。

22．什么是单位压能？ 答：p γ是断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度，水力学中称为压强水头，表示压力作功所能提供给单位重量流体的能量，称为单位压能。

26．为什么虹吸管能将水输送到一定的高度？

答： 因为虹吸管内出现了真空。

25．什么是水力半径？什么是当量直径？

答：水力半径R 的定义为过流断面面积A 和湿周χ之比，即χA R =

；当量直径R de 4=。 27．什么是气蚀现象？产生气蚀现象的原因是什么？

答：气蚀是指浸蚀破坏材料之意，它是空气泡现象所产生的后果。

原因有下：泵的安装位置高出吸液面的高差太大；泵安装地点的大气压较低；泵所输送的液体温度过高。

四、计 算 题

1． 图示为一采暖系统图。由于水温升高引起水的体积膨胀，为了防止管道及暖气片胀裂，特在系统顶部设置一膨胀水箱，使水的体积有自由膨胀的余地。若系统内水的总体积8V =m 3，加热前后温差50t =o C ，水的膨胀系数0005.0=α，求膨胀水箱的最小容积。

[解] 由dV V dT

α=得： 0.0005850dV V dT α=??=??

0.2=m 3

故膨胀水箱的最小容积为0.2m 3

2． 有一矩形底孔闸门，高 3h =m ，宽 2b =m ，上游水深 16h =m 下游水深25h =m 。试用图解法及解析法求作用于闸门上的水静压力及作用点？

[解] A h A h P P P c c ?'

?-??=-=γγ下上

)5.35.4(6807.9-?=

59=kN 作用于闸门中心

图解h b A h h P ??=?-?=γγ)(21

9.807659=?=kN

3． 宽为1m ，长为AB 的矩形闸门，倾角为?45，左侧水深 13h =m ，右侧水深 22h =m 。试用图解法求作用于闸门上的水静压力及其作用点？

[解] 压强分布图略，根据图计算如下： 22121211sin 45sin 4522P P P h h γγ=-=??-?? 2

2

11119.80739.80722222

=??-?? 62.327.6534.65=-=kN

1122D P y P y P y ?=?-?

1122D P y P y y P

?-?= 122262.327.65(2)3245324534.65

h h ??-?++????= 762.32227.652334.65

?-?= 17691 2.4634.65

-==m 4．20.4h =m ，闸门可绕C 点转动。求闸门自动打开的水深h 为多少米。

[解] 故 2111

1120.1()c b h l J y A h h b h ?=?==-??m C 点是合力作用点的极限点，当其高于C 点闸门自动打开。 )2

(1.0121121h h h -?=

21110100.5 1.3312212h h h =+=+=m 即 1.33h ?m 时，闸门便自动打开。

5． 有一圆滚门，长度 10l =m ，直径 4D =m ，上游水深 14H =m ，下游水深22H =m ，求作用于圆滚门上的水平和铅直分压力。

[解]

2221211()2x P P P l H H γ=-=

??- 2219.80710(42)2

=???- 590=kN

234

z P V A l R l γγγπ=?=??=???? 39.8074104

π=??? 920=kN

6． 一弧形闸门AB ，宽 4b =m ，圆心角 ?=45?，半径 2r =m ，闸门转轴恰与水面齐平，求作用于闸门的水静压力及作用点。

[解] 2sin =

?=?γh 21449.80739.22

x P h b γγ=??==?=kN z P V b γγ=?=??面积

()b γ=??-扇形面积三角形面积

2211()9.8074(1)822

b r h πγπ=??-=??- 22.4=kN

2245.2x z P P P =+=kN

7． 油沿管线流动，A 断面流速为2m/s ，不计损失，求开口C 管中的液面高度。

[解] 2)1

.015.0()(22?=?=A B A B v d d v 4.5=m/s

通过B 断面中心作基准面，写A 、B 两断面的能 能量方程：

025.40225.12.122+++=++g p g γ 2212.7(2 4.5)2p

g

γ=+- 2.70.83=-

1.86=m

8． 用水银比压计量测管中水流，过流断面中点流速u 如图。测得A 点的比压计读数

60h ?=mm 汞柱。

（1）求该点的流速u ；（2）若管中流体是密度为0.8g/cm 3的油，h ?仍不变，该点流速为若干，不计损失。

[解] γγA B

p g u p =+22

h p p g u B A ??-=-=)(212

γ

γγγγ

当管中通水时：

h h ??=??-6.121γ

γγ 212.629.80712.60.06 3.85u g h =????=???=m/s

当管中通油时：

h h ??=??-=??-16807

.98.0807.98.04.1331γγγ 21629.807160.06 4.31u g h =????=???=m/s

9． 水由管中铅直流出，求流量及测压计读数。水流无损失。

[解] 写出管口断面，圆盘周边断面的能量方程：

g

v g v 2002032

221++=++ 3222122=-g

v g v 2211v A v A ?=?

212112(0.05)40.30.001A v v v A ππ?==?? 2

110.05 2.10.30.0014

v v ==??? 所以 322)1.2(2121=-?g v g v 882.011.23222

1=-=g v 120.882 4.15v g =?=m/s

211(0.05) 4.150.008154Q Av π==

?=m 3/s

写管出口、圆盘测压管连接处的能量方程： γ

p g v =+232

1 )882.03(+?=∴γp 由等压面规律得： h p ??=?+15.1γγ

1119.807( 1.5)(30.882 1.5) 5.3820.395395133.4

h p m γγγγ?=?+=++=?==mm 10． 直径为1700d =mm 的管道在支承水平面上分支为2500d =mm 的两支管，A-A 断面压强为70kN/m 2，管道流量0.6Q =m 3/s ，两支管流量相等：（1）不计水头损失，求支墩受水平推力。（2）水头损失为支管流速水头的5倍，求支墩受水平推力。不考虑螺栓连接的作用。

[解] 112

10.6 1.56(0.7)4

Q v A π=

==?m/s 222

20.3 1.53(0.5)4Q v A π===?m/s g

v p g v p 222

22211+=+γγ γγγγ1221222112253.1256.122p g g p g v g v p p ≈-+=-+=

2170p p ==kN/m 2

写能量方程式：

Rx v Q A p v Q A p +??+?=+30cos )(222221111ρρ

??+?-+=30cos )(22222111v Q A p v Q A p Rx ρρ

]53.13.01000)7.0(470000[356.16.01000)7.0(4

7000022??+?-??+?=ππ

30801393219 3.219N =+==kN

当记入损失时： g

v g v p g v p 25222

2222211++=+γγ 264.15p =kN/m 2 同理

35.24Rx =kN

11．油在管中以1v =m/s 的速度流动，油的密度920ρ=kg/m 3，3l =m ，25d =mm 水银压差计测得9h =cm ，试求（1）油在管中的流态？（2）油的运动粘滞系数υ？（3）若保持相同的平均流速反向流动，压差计的读数有什何变化？

[解] （1）若为层流：

2

2

v d l h f ρλ??= 2

64

)(2v d l d v g h ????=?-?ρυρρ油汞 2

2

320.09(13600920)9.807l v d υ???-?= 23231920(0.025)

υ????= 24

40.09126809.8(2.5)100.7910323920

γ--????==???m 2/s 校核是否为层流 31610

79.0025.01Re 4=??==-υvd

所以为层流。

（3）若倒流：

则下端压强大于上端压强，h 仍为9cm 。

12．油的流量77Q =cm 3/s ，流过直径6d =mm 的细管，在2l =m 长的管段两端水银压差计读数30h =cm ，油的密度900ρ=kg/m 3，求油的μ和υ值。

[解] 设若为层流

277 2.720.785(0.6)v ==?m/s 2

2

f l v p d ρλ?=?? 2()2

v l h g d ρρρλ??-?=??油汞油 2

60.3127009.8(0.006)8.610232900 2.72

υ-???==????m 2/s 638.6109007.7510μυρ--=?=??=?Pas

验证：62.720.006Re 189720008.610u d υ-??=

==?? 故为层流。

13． 水箱侧壁接出一根由两段不同的管径所组成的管道。已知1150d =mm ，275d =mm ，50l =m ，管道的当量糙度0.6K =mm ，水温为20o C 。若管道的出口流速22v =m/s ，求

（1）水位H 。（2）绘出总水头线和测压管水头线。

[解]（1）2222175(

)2()0.5150d v v d ==?=1m/s 11

6

0.50.15Re 742571.0110v d υ-??==

=?1 2260.50.15Re 742571.0110

v d υ-??===?2 10.6()0.004150

K d == 20.6()0.00875K d == 由叶迪图可知 0.03λ=1；0.037λ=2