电大《流体力学》形成性考核册.docx
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电大《流体力学》形成性考核册
教育部人才培养模式改革和开放教育试点
《流体力学》形成性考核册
学校名称:
学生姓名:
学生学号:
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作业1答案(第1章、第2章)
、选择题
时间B、质量C、长度D、力
重力
6、下属那些力属于质量力(E)
、判断题
(正确)
4、理想流体与实际流体的区别仅在于理想流体具有不可压缩性。
三、简答题(要点)
1.为什么要建立连续介质模型?
答:
液体(气体)是由分子组成的,分子间有空隙,不连续。
工程上研究的流体,关心的是流体宏观的物理性质。
把流体看成为由质点组成的连续体一一连续介质模型,目的是建立描述流体运动的连续函数,便于应用数学工具,解决工程实际问题。
2•什么是流体的粘滞性?
它对流体流动起什么作用?
答:
流体具有的阻滞变形运动的特性一一流体的粘滞性,它对流体流动产生阻力,造成能量损失。
3•动力粘滞系数"■和运动粘滞系数、有什么区别?
答:
两者都反映流体的粘滞性,为动力量,为运动量,」•-',量纲不同
4.容器内盛有液体,求下述不同情况时该液体所受单位质量力?
(1)容器静止时;液体所受单位质量力仅有重力。
(2)容器以等加速度g垂直向上运动:
液体所受单位质量力为
(3)容器以等加速度g垂直向下运动。
液体所受单位质量力为
5.试分析图中三种情况下水体A受哪些表面力和质量力?
(1)
6.
静止水池;
(2)顺直渠
道水流(均匀流);(3)平面弯道水流。
作图题(略)
计算题(解题思路与答案)
1.已知某水流流速分布为u=0.72y1/10
u的单位为m/s,y为距壁面的距离,单
位为m
(1)求y=0.1、0.5、1.0m处的流速梯度;
(2)若水的运动粘滞系数v=0.1010cm2/s,
计算相应的切应力。
解:
(1):
①求出点流速,②设y的增量dy=0.01m③y=y+dy处的点流速,④求出求解流速梯
屯=0.54771,0.13321,0.071691
dysss
1666
⑵:
'U=5.5310Pa;1'34510?
3;072410卩'。
2.已知温度20r时水的密度?
=998.2kg/m3,动力粘滞系数」=1.00210^Ns/m2,求其运动粘滞系数?
解:
直接用公式解,注意单位制。
_32
:
'=1.003810m/s
、选择题(略)
1、某点存在真空时,
(A)(D)
该点的绝对压强为正值
B、该点的相对压强为正值
C、
该点的绝对压强为负值
D、该点的相对压强为负值
2、
流体静压强的(B)
方向与受压面有关B
、大小与受压面积有关
C、大小与受压面积方位无关
3、
流体静压强的全微分式为
(C)
dp=p(Xdx+Ydy+Zdz)
B、p=p(x,
y,z)
p=Pargh
4、
压强单位为N/mf时,采用了哪种表示法
应力单位
、大气压倍数
、液柱高度
5、
、判断题
密封容器内液面压强小于大气压强,其任一点的测压管液面
3、静止流体中某点压强的大小,不仅与其淹没深度有关还与受压面的方位有关。
确)
(正确)
(正确)
5、静止液面下的闸板的总压力作用中心与闸板形心重合。
6、和大气相通容器的测压管液面一定与容器内液面高度相同
三、简答题
1.等压面是水平面的条件是什么?
图中所标明
:
①连续介质②同一介质③单一重力作用下.
2.同一容器中装两种液体,且一,在容器侧壁装了两根测压管。
试问:
的测压管中液面位置对吗?
为什么?
v
:
不对,(右测压管液面要低一些,从点压强的大小分析)
3.图中三种不同情况,试问:
A-A、B-B、C-C、D-D中哪个是等压面?
哪个不是等压面?
为什么?
A
B
(c)盛有不同种类溶液的连通器
:
(a)A-A是(b)B-B不是(c)C-C不是,D-D是。
四、作图题(略)
五、计算题(解题思路与答案)
1.已知某点绝对压强为80kN/mf,当地大气压强pa=98kN/m。
试将该点绝对压强、相对压强和真空压强用水柱及水银柱表示。
解:
用水柱高表示
(1)该点绝对压强:
8.16mHo
(2)该点相对压强:
-1.84mH2O
(3)该点真空压强:
1.84mHo
用水银柱高表示
(1)该点绝对压强:
599.1mmH
(2)该点相对压强:
-135.4mmHg
(3)该点真空压强:
135.4mmHg
2.一封闭水箱自由表面上气体压强p°=25kN/m,h1=5mh2=2m求A、B两点的静水压强。
解:
由压强基本公式p=Po•「gh求解
2
pA=7.551mH20(74kN/m)
2
pB=4.551mH20(44.6kN/m)
3如图所示为一复式水银测压计,已知v2.3m,2=「2m,'3=2.5m,v^1.4m,
'、5=1.5m(改为3.5m)。
试求水箱液面上的绝对压强p0=?
解:
①找已知点压强(复式水银测压计管右上端)②找出等压面③计算点压强,逐步推求水箱液面上的压强po.
2
Po=273.04kN/m
4某压差计如图所示,已知H=H=1m△H=0.5m求:
pA-Pb。
水银
解:
①找出等压面②求出相对的点压强③列平衡方程式求AB点的压强差.
④空气的;?
g不计.
2
Pa一Pb=47kN/m(4.8mH20)
5.水闸两侧都受水的作用,左侧水深3m右侧水深2m试求作用在单位宽度闸门上静水总压力的大小及作用点位置(用图解法和解析法分别求解)。
解:
①画出相对压强分布图,②计算各侧静水压力,③求静水总压力的大小
④列力矩平衡方程求静水总压力的作用点位置。
P=24.5kNe=1.267m(作用点到底部的距离)
7.一弧形闸门AB宽b=4m圆心角0=45°,半径r=2m,闸门转轴恰与水面齐平。
求作用于闸门的静水压力及作用点(改为:
作用力的方向)。
解:
①画出压力体图,②计算水平方向分力Px、铅垂方向分力Pz,
③求出合力及作用力的方向
P=92.59kN:
=25.04°
作业2答案(第3章、第4章)
一、选择题
1、流体运动的连续性方程是根据(C)原理导出的。
A、动量守恒B、质量守恒C、能量守恒D、力的平衡
2、流线和迹线重合的条件为(C)
A、恒定流B、非恒定流C、非恒定均匀流
二、判断题
1、以每个流体质点运动规律为研究对象的方法称为拉格朗日法。
(正确)
2、恒定流一定是均匀流。
(错误)
3、涡流是指流体质点在运动中不绕自身轴旋转的流动。
(正确)
4、无旋流就是无涡流。
(正确)
5、非均匀流一定是非恒定流。
(错误)
三、简答题
1.述流体运动的两种方法是什么?
简述其内容。
答:
(略)
2.流体微团体运动分为哪几种形式?
答:
①平移②线变形③角变形④旋转变形。
3.写出恒定平面势流中流函数、势函数与流速的关系。
(改为:
写出恒定平面势流中流函数具有的性质,流函数与流速势的关系。
)
答:
流函数具有的性质
(1)流函数相等的点组成的线即流线,或曰,同一流线上个点的流函数为常数。
(2)两流线间的函数值之差为为单宽流量。
(3)平面势流的流函数为一个调和函数。
答:
流函数与流速势的关系
(1)流函数与势函数为调和函数。
(2)等势线与等流函数线正交。
4.什么是过流断面和断面平均流速?
为什么要引入断面平均流速?
答:
与流线正交的断面叫过流断面。
过流断面上点流速的平均值为断面平均流速。
引入断面平均流速的概念是为了在工程应用中简化计算。
5.如图所示,水流通过由两段等截面及一段变截面组成的管道,试问:
(1)当阀门开度一定,上游水位保持不变,各段管中,是恒定流还是非恒定流?
是均匀流还是非均匀流?
(2)当阀门开度一定,上游水位随时间下降,这时管中是恒定流还是非恒定流?
(3)恒定流情况下,当判别第II段管中是渐变流还是急变流时,与该段管长有无关系?
0
阀门
対
|一1—*
-—n—►
hi—-
答:
(1)是恒定流。
I、川是均匀流,U是非均匀流。
(2)管中为非恒定流。
(3)有。
管段相当长为渐变流,管段较短为急变流。
四、计算题(解题思路)
1.恒定二维流动的速度场为Ux=ax,Uy-_ay,其中a=1秒-1。
(1)论证流线方程为
2
xy=C;
(2)绘出C=0、1及4m的流线;(3)求出质点加速度的表达式。
解:
(1)流线方程为:
空二鱼代入数值推导
UxUy
(2)(略)
(3)由:
ax二沁7x如7y旦代入数值求解。
dexdy
-Uy-Uy_Uy
ayUxUy代入数值求解。
aexcy
答案:
ax=a2xay二a2y
2试检验下述不可压缩流体的运动是否存在?
(1)ux=2x2y,Uy=2y2z,-4(xy)zxy
(2)Ux二yzt,Uy二xzt,Uz二xyt
解:
由连续性微分方程,U2L—LHs=o流体的运动存在,反之流体的运动不存在。
exdycz
答案:
(1)代入数值求解,流体的运动不存在。
(2)代入数值求解,流体的运动存在。
3水流从水箱经管径分别为d1=10cm,d2=5cm,d3=2.5cm的管道流出,出口流速
V3=1m/s,如图所示。
求流量及其它管道的断面平均流速。
解:
应用连续性方程
(1)流量:
Q二v3A3=4.9110“l/s
(2)断面平均流速v1=0.0625m/s
v2二0.25m/s。
4如图铅直放置的有压管道,已知di=200mmd2=100mm断面1-1处的流速vi=1m/s。
求
(1)输水流量Q;
(2)断面2-2处的平均流速V2;(3)若此管水平放置,输水流量Q及断面2-2处的速度V2是否发生变化?
(4)图a中若水自下而上流动,Q及V2是否会发生变化?
(b)
(1)Q=31.4I/s
(2)v2=4m/s
(3)不变。
(4)流量不变则流速不变。
5已知某流场的流速势为,=a(x2-y2),a为常数,试求ux及Uy2
解:
ux二axUy=ay
6.对于ux=2xy,Uy二a2,x2-y2的平面流动,a为常数。
试分析判断该流动:
(1)是
恒定流还是非恒定流?
(2)是均匀流还是非均匀流?
(3)是有旋流还是无旋流?
解:
应用质点加速度数学表达式
定流还是非恒定流;是均匀流还是非均匀流。
答案:
(1)是恒定流。
(2)是非均匀流
1QuCU
(3)用无旋流数学表达式"z二丄(仝'y)求解,是无旋流
2cyex
-.选择题
1、总流伯努力方程适用于(A)
A、恒定流B、非恒定流C
2、总水头线与测压管水头线的基本规律是:
A、总水头线总是沿程下降的B
C、测压管水头线沿程可升可降D
2.判断题
1、N-S方程为理想流体运动的微分方程。
2、毕托管是量测流体电流速的一种仪器。
3.简答题
1.说明总流能量方程中各项的物理意义。
:
(略)
2.
、可压缩流体
(A)(C)
、总水头线总是在测压管水头线的上方
、测压管水头线总是沿程下降的
(正确)
(正确)
写出实际流体恒定元流的伯努利方程和实际流体恒定总流的伯努利方程,并指出
他们的区别?
3应用恒定总统能量方程时,为什么把过流断面选在渐变流段或均匀流段?
只有渐变流断面或均匀流断面的汪兀
4在写总流能量方程时,过流断面上的代表点、基准面是否可以任意选取?
为什么?
答:
可以。
因为渐变流断面或均匀流断面的z•卫二c。
5关于水流流向问题有如下一些说法:
“水一定由高处向低处流”;“水是从压强大向压强小的地方流”;“水是从流速大的地方向流速小的地方流”。
这些说法是否正确?
为什么?
如何正确描述?
答:
(1)“水一定由高处向低处流”,(不对),对明渠水流是对的,对有压管流不一^定。
“水是从压强大向压强小的地方流”(不对),在有压管流中常常有从压强
小向压强大的地方流的现象。
(2)正确描述时,流体的运动方向总是由单位重量流体能量大的位置流向单位
重量流体能量小的位置。
(不能单从位能或压能一个角度比较)
6总流的动量方程为'F「2(好2-IM),试问:
(I)',F中包括哪些力?
(2)如果由动量方程求得的力为负值说明什么问题?
答:
(1)一般为表面力、重力,(惯性力、摩擦力、弹性力含在待求的力中了)
(2)求得的力为负值说明原假设的力的方向不对,反向即可。
四、计算题(解题思路)
1•在一管路上测得过流断面1-1的测压管高度巴为1.5m,过流面积Ai为0.05韦;过
Pg
2
流断面2-2的面积A为0.02m2;两断面间水头损失h,为0.5/;管中流量Q为201/s;
2g
乙为2.5m,乙为2.6m。
试求断面2-2的测压管高度邑。
(提示:
注意流动方向)。
(z2改
Pg
为1.6m与图相符)
解:
①能量方程可以求解位能、压能、流速与能量损失。
求测压管高度即求压
强,自然要想到用能量方程。
向未知情况下,流动方向可以假定。
先求出V|,v2
列能量方程求解
答案:
卫2=-2.289mH2O(1流向2);也=-1.473mH20(2流向1)
也Pg
2.如图所示,从水面保持恒定不变的水池中引出一管路,水流在管路末端流入大气,管路由三段直径不等的管道组成,其过水面积分别是A=0.05m2,A=0.03m3,A=0.04m2,
若水池容积很大,行近流速可以忽略(v°〜0),当不计管路的水头损失时,试求:
(1)
第12页共29页
出口流速V3及流量Q;
(2)绘出管路的测压管水头线及总水头线。
V
E
叫:
中牛卡
L—pP―|■卞
解:
(1)因为不计管路的水头损失,此题为理想流体的流动。
1因为是理想流体,作用水头完全转化为动能。
2先解出第3条管中断面平均流速,在求流量。
答案:
v3=9.90m/sq=0.396m3/s
(2)绘出管路的测压管水头线及总水头线步骤:
1因为是理想流体,不计水头损失,故总水头线为水平。
2
2计算各段流速水头—。
2g
3总水头线下方减去1个流速水头得测压管水头线。
(测压管水头线及总水头
线图,略)
3•如图一管路,A、B两点的高差△z=1m点A处直径dA=0.25m,压强pA=7.84N/cm2,
点B处直径dB=0.5m,压强Pb=4.9N/cm2,断面平均流速Vb=1.2m/s。
判断管中水流方向。
,总是单位重量流体
解:
判断管中水流方向,
总的机械能大的位址向单位重量流体总的机械能晓得的地方。
点单位重量流体总的机械
(2)比较A点与点单位重量流体总的机械能的大小。
答案:
从A流向B。
4•在水平安装的文丘里流量计上,直接用水银压差计测出水管与喉部压差△h为20cm
已知水管直径d1为10cm喉部直径d2为5cm当不计水头损失时,求通过流量Q
解:
可以直接用公式Q=K,126汕求解,也可以流能量方程推导公式求解。
答案:
Q=0.01425m3/s
5•为将水库中水引至堤外灌溉,安装了一根直径d为15cm的虹吸管(如图),当不计
水头损失时,问通过虹吸管的流量Q为多少?
在虹吸管顶部s点处的压强为多少?
解:
此题属理想流体的水力计算,作用水头转化为动能。
s点处的压强进考虑位能、动能压能之间的转化。
(1)列上游水面到管出口间的能量方程求流量,Q=0.1355m3/s
(2)列上游水面到s点处的能量方程求s点处的压强,理=_5mH2o
pg
6.一平板闸门宽b为2m,当通过流量Q为8nn/s时闸前水深h为4m闸孔后收缩断面水深he为0.5m,求作用于平板闸门上的动水总压力(不计摩擦力)。
解:
此题为用动量方程求解作用力。
因为流量未知,涉及到连续性方程、能量方程、动量方程这三大方程的联合应用。
(1)取控制面(脱离体)(上游过流断面与e-e断面之间)
(2)画出相对压强分布图,全面并分析、计算外力(上游过流断面压力r,e-e断面压力P2,重力沿水流方向的分力为0,设平板闸门对水的动水总压力为R,方向向左。
(3)因为流量未知先列能量方程求流速。
(4)列出的能量方程由Vi,V2两个未知量,用连续性方程消掉1个未知量。
求出流量、流速。
(5)列动量方程求解作用力。
答案:
作用于平板闸门上的动水总压力R=93.5kN,方向向右。
7•如图溢流坝,上游断面水深hi=1.5m,下游断面水深h2=0.6m,略去水头损失;求水流对2m坝宽(垂直纸面)的水平作用力。
注:
上、下游河床为平底,河床摩擦力不计,为方便计算取p=1000kg/m3,g=10m/€。
^77777^777777777^
2
解:
此题与上题解完全相同。
答案:
R=3.46kN,方向向右。
作业3答案(第5章、第6章)
第5章
一、选择题
1.管道中液体的雷诺数与(D)无关。
A.温度B.管径C.流速D.管长
2.某圆管直径d=30mm其中液体平均流速为20cm/s。
液体粘滞系数为0.0114cm3/s,则此管中液体流态为(B)。
A.层流B.层流向紊流过渡C.紊流
3.等直径圆管中紊流的过流断面流速分布是(D)
A呈抛物线分布B.呈对数线分布
C.呈椭圆曲线分布D.呈双曲线分布
4.等直径圆管中的层流,其过流断面平均流速是圆管中最大流速的(C)
A1.0倍B.1/3倍C.1/4倍D.1/2倍
5.圆管中的层流的沿程损失与管中平均流速的(B)成正比.
A.一次方B.二次方C.三次方D.四次方
6.圆管的水力半径是(A)
A.d/2B.d/3C.d/4D.d/5.
7、谢才公式中谢才系数的单位是(C)
8.
判断层流和紊流的临界雷诺数是
、判断题
等直径圆管中的层流,其过流断面平均流速是圆管中最大流速的1/2倍(正确)
三、简答题
1.圆管中层流与紊流,其流速分布有什么不同?
答:
层流为抛物线分布,紊流为对数曲线分布.(也可以画图)
2.简述尼古拉兹实验中沿程阻力系数入的变化规律。
答:
尼古拉兹实验揭示了沿程阻力系数入的变化规律,文字表述或数学公式表述.
层流:
■=f(Re);水力光滑区:
■=f(Re);过渡粗糙区:
一f(Re,K)
d
粗糙区(阻力平方区):
■=f(K).
d
3.写出管流和明渠水流雷诺数的表达式,并说明其层流、紊流的判别标准?
答:
管流:
Re二一Re:
:
2000(层流)Re2000(紊流)
V
vR
明渠水流:
ReRe:
:
:
500(层流)Re500(紊流)
V
4.雷诺数Re的物理意义?
它为什么能用来判别流态?
答:
雷诺数实质是反映粘性力与惯性力之比。
层流时惯性力不大,而粘性力占主导,
受粘性力的约束,流体质点做规则运动。
紊流时惯性力占主导,受到干扰形成涡体,当粘性力约束不了涡体时,流体质点互相掺混,所以用雷诺数可以来判别流态。
5.当输水管直径一定时,随流量增大,雷诺数是增大还是变小?
当输水管流量一定时,随管径加大,雷诺数是增大还是变小?
答:
当输水管直径一定时,随流量增大,雷诺数增大;
当输水管流量一定时,随管径加大,雷诺数变小。
6.两个不同管径的管道,通过不同粘滞性的液体,它们的临界雷诺数是否相同?
答:
不一定。
7.能量损失有几种形式?
产生能量损失的物理原因是什么?
答:
有沿程能量损失和局部能量损失两种。
一是因为流体具有粘滞性,二是因为固体边界条件的影响。
四、计算题(解体思路与答案)
1.有已输油管,管长I=100m,管径d=5cm,已知油的密度;=930kg「m3,动力粘滞系数」=0.072Nsm2。
当通过输油管的流量Q=0.005m's时,判断液流的流态,计算输油管的沿程水头损失hf。
解:
(1)计算雷诺数判别流态。
(2)计算沿程阻力系数入。
(3)计算沿程水头损失hf。
答案:
层流沿程水头损失hf=25.74m(油柱)
2.水管直径d=10mm,管中水流流速v=0.2m/s,水温T=10°C,
(1)试判别其流态;
(2)若流速与水温不变,管径改变为30mm,管中流态又如何?
(3)若流速与水温不
变,管流由层流转变为紊流时,水管直径为多大?
解:
(1)查表,求运动粘滞系数「计算雷诺数判别流态。
答案:
层流
(2)同上答案:
紊流
(3)设雷诺数等于2000,求管径。
答案:
d=13.06mm
3.有一圆管,在管内通过—0.013cm2/s的水,测得通过的流量为Q=35cm2/s,在管
长15m的管段上测得水头损失为2cm试求该圆管内径do
解:
(1)设管中水流为层流,推导出沿程阻力系数入表达式并代入数据;
l2
(2)将上式再代入达西公式hf=■丄仝并化简,代入数据求管径。
d2g
答案:
d=14.2mm
4.水管直径d=100mm,管中水流流速v=100cm/s,水温T=10°C,试判别其流态。
解:
答案:
紊流
5•凝土明渠中水流为均匀流,水力坡度J=0.0009,明渠底宽为b=2m,水深h=1m,粗糙系数n=0.014,计算明渠中通过的流量(分别用曼宁公式和巴氏公式计算)。
解:
此渠道为矩形渠道,
1计算出水力要素:
面积A,湿周,水力半径R,
2用曼宁公式和巴氏公式计算谢齐系数C,
3谢齐公式计算流速;
4计算量
答案:
Q=2.7m3/s(用曼宁公式计算)
Q二3.03m3/s(用巴氏公式计算)
6.水箱侧壁接出一根由两段不同管径所组成的管路。
已知d1=150mm,d2=75mm,
l=50m,管道的当量粗糙度K=0.6mm,水温为20C。
若管道的出口流速v^2m/s,求
(1)水位H;
(2)绘出总水头线和测压管水头线。
I丄二I
解:
(1)计算管中的雷诺数判断流态.。
(第1条管道在水力光滑区,第2条管道在紊流
粗糙区)。
(2)用经验公式计算沿程阻力系数■
(3)两管联接处为突然放大的局部阻力系数,进口局部阻力系数=0.5
(4)沿程阻力系数,选取公式有别,结果可不同。
答案:
H=12.93m
7.某一水池,水位恒定,通过一根管径d=100mm、管长l=800m的管道,已知水池水
面和管道出口高差H=20m,管道上有两个弯头,每个弯头的局部阻力系数.=0.3
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