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工程流体力学试题及答案1


一\选择题部分 (1)在水力学中,单位质量力是指(答案:c ) a、单位面积液体受到的质量力;b、单位体积液体受到的质量力; c、单位质量液体受到的质量力;d、单位重量液体受到的质量力。 (2)在平衡液体中,质量力与等压面(答案:d ) a、重合; b、平行
2

c、相交;

d、正交。 d、10 kN/m2

(3)液体中某点的绝对压强为 100kN/m ,则该点的相对压强为

a、1 kN/m2 b、2 kN/m2 答案:b (4)水力学中的一维流动是指(答案:d a、恒定流动; b、均匀流动;

c、5 kN/m2 )

c、层流运动; d、运动要素只与一个坐标有关的流动。
(5)有压管道的管径 d 与管流水力半径的比值 d /R=(答案:b )

a、8;
体流动属于答案: c

b、4;

c、2;

d、1。

(6)已知液体流动的沿程水力摩擦系数 ?与 边壁相对粗糙度和雷诺数 Re 都有关,即可以判断该液

a、层流区;

b、紊流光滑区;

c、紊流过渡粗糙区;

d、紊流粗糙区

(7)突然完全关闭管道末端的阀门,产生直接水击。已知水击波速 c=1000m/s,水击 压强水头 H = 250m,则管道中原来的流速 v0 为答案:c a、1.54m b 、2.0m c 、2.45m 答案:c ) d、3.22m (8)在明渠中不可以发生的流动是( a、恒定均匀流; c、非恒定均匀流;

b、恒定非均匀流; d、非恒定非均匀流。
答案:b

(9)在缓坡明渠中不可以发生的流动是(

) 。

a、均匀缓流; b、均匀急流; c、非均匀缓流; d、非均匀急流。
(10)底宽 b=1.5m 的矩形明渠,通过的流量 Q =1.5m3/s,已知渠中某处水深 h = 0.4m,则该处水流 的流态为答案:b

a、 缓流; b、急流; c、临界流; (11)闸孔出流的流量 Q 与闸前水头的 H( a、1 次方 b、2 次方 答案:a (12)渗流研究的对象是( 答案:d )成正比。 d、1/2 次方 c、3/2 次方

)的运动规律。

a、重力水; b、毛细水; c、气态水; d、薄膜水。 (13)测量水槽中某点水流流速的仪器有答案:b a、文丘里计 b、毕托管 c、测压管 d、薄壁堰 (14)按重力相似准则设计的水力学模型,长度比尺λ L=100,模型中水深为 0.1 米, 则原型中对应点水深为和流量比尺为答案:d a、 1 米,λ
Q

=1000;

b、10 米,λ
1

Q

=100;

c、1 米,λ

Q

=100000;

d、10 米,λ

Q =100000。

2、判断题: (每小题 2 分) (1) 任意受压面上的平均压强等于该受压面形心处的压强。 答案: (2)水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。 答案:错误 (3)水力粗糙管道是表示管道的边壁比较粗糙。 答案:错误 (4)粘滞性是液体产生水头损失的内因。 答案:正确 (错误 ( ( ( ) ) ) ) ) ) ) ) )

(5)同样条件下直接水击比间接水击更不安全。 ( 答案:正确 (6)在正坡非棱柱渠道内可以形成均匀流。 ( 答案:错误 (7)矩形断面水力最佳断面的宽深比β =2。 ( 答案:正确 (8)断面比能沿流程总是减小的。 ( 答案:错误 (9) 在流量和渠道断面形式一定的条件下, 跃前水深越大, 跃后水深也越大。 ( 答案:错误

(10)渗流达西定律适用的条件是恒定均匀层流渗流,并且无渗透变形。 ( ) 答案:正确 3、填空题: (每小题 2 ~ 4 分) (1) 牛顿内摩擦定律适用的条件是 层流运动 和 牛顿液体 。 2 (2) 液 体 中 某 点 的 绝 对 压 强 为 100kN/m , 则 该 点 的 相 对 压 强 为 ??????2???????kN/m2,真空度为 不存在 。 (3) 只受重力作用,静止液体中的等压面是????水平面????????????。 (4) 实际液体在流动时产生水头损失的两个主要原因是???答案:液体存在粘滞性和 边界的影响?。 (5) 水流在明渠中的流态为缓流时,其水深 h????? hk,弗汝德数 Fr?? ????1。 (6) 在流量不变的条件下,水跃的跃前水深越小,则水跃的跃后水深越??大??。 (7) 根据管道水头损失计算方法的不同, 管道可以分为????短管???和????长管????。 (8) 在水击计算中阀门关闭的时间 Ts ? 水击相长 Tr 的水击,称为??????直接???? 水击,把 Ts ? Tr 的水击称为?????间接?????水击。 (9) a2 型水面曲线是发生在???陡坡?? 坡上的 ????缓流????流(指急流或缓流) 的水面线,这时弗汝德数 Fr 沿程 ??减小????(指增大、减小或不变) (10) 溢流堰的过堰流量与堰顶水头的???3/2 ????? 次方成正比。 (11) 泄水建筑物下游发生远驱水跃时,下游收缩断面水深 hc 的共轭水深
2

hc’’ ????????ht(ht 为下游河道的水深,填写? 、? 、?符号) 答案:填写? 、? 、?符号 (12) 按重力相似准则设计的溢流坝水力模型,长度比尺λ L=25,当模型中某点的流 速为 v m= o.8m/s,则原型中对应点的流速为 vp=???4m/s ?????m/s 。 4、问答题: (每小题 3 ~ 4 分) (1)什么是理想液体?为什么要引入理想液体的概念? 答案:理想液体是指没有粘滞性的液体。 实际液体都具有粘滞性,在液体流动时会引起能量损失,给分析液体运动带来很大 困难。为了简化液体运动的讨论,我们引入了理想液体的概念,忽略液体的粘滞性,分 析其运动规律,然后再考虑粘滞性影响进行修正,可以得到实际水流的运动规律,用以 解决实际工程问题。这是水力学重要的研究方法。 (2) “均匀流一定是恒定流” ,这种说法是否正确?为什么? 答案:这种说法错误的。均匀是相对于空间分布而言,恒定是相对于时间而言。当 流量不变通过一变直径管道时,虽然是恒定流,但它不是均匀流。 (3)简述尼古拉兹实验中沿程水力摩擦系数λ 的变化规律。 答案: 通过尼古拉兹实验可以发现: 在层流中λ 仅是雷诺数 Re 的函数并与 Re 成反 比;在层流到紊流过渡区,λ 仅是 Re 的函数;在紊流光滑区λ =f1(Re) 过渡区λ ; ? ? =f2(Re, ) ;粗糙区λ =f3( ) ,紊流粗糙区又称为阻力平方区。
R R

(4)为什么舍齐公式 ? C R i 只适用于阻力平方区? v 答案:舍齐公式是根据明渠均匀流的大量观察资料总结的公式,自然界中明渠水流 几乎都处于紊流阻力平方区,因此该公式只适用于紊流阻力平方区。 (5)流动相似的含义是什么? 答案:流动相似包括几何相似、运动相似和动力相似。其中几何相似是前提,动力 相似是保证,才能实现流动相似。 (6)从力学意义上解释明渠均匀流只能在正坡渠道中产生的原因。 答案: 均匀流的断面平均流速水头和压强水头沿程不变, 但水流运动总要消耗能量, 因此从能量方程来分析, 只能消耗位能来克服水流阻力。 所以均匀流只能产生在正坡渠 道中。 (7)分析水面曲线时,如何寻找急流和缓流的控制断面? 答案:急流的控制断面在上游,因为外界对急流的干扰不能向上游传播;缓流的控 制断面在下游,其原因与急流正好相反。 (8)在渗流计算中达西定律与杜比公式有何区别? 答案:达西定律适用于任一点的渗流流速 u=kJ,其适用于恒定均匀层流渗流;而杜 比公式是适用于恒定非均匀渐变层流渗流, 同一过水断面上各点的渗流流速都相等且等 于 v= kJ。 5、作图题: (1) 定性绘出图示管道(短管)的总水头线和测压管水头线。 (5 分)

3

v0=0

总 水 头 线 测 压 管 水 头 线

v0=0

解: (2)定性绘出图示棱柱形明渠内的水面曲线,并注明曲线名称及流态。(各渠段均 充分长,各段糙率相同) (5 分)
K

i1 < i K

i2 < i K i3 > i K

K

N1 K

缓流

a1
N1

缓流

b1
N3

b2

急流

i1 < i K

i2 < i K i3 > i K

K N3

6、计算题: (1) 图示一跨河倒虹吸管, 正方形断面面积为 A=0.64 m2, l =50 m, 长 两个 30。 折角、进口和出口的局部水头损失系数分别为ζ 1=0.2,ζ 2=0.5,ζ 3=1.0,沿程 水力摩擦系数λ =0.024,上下游水位差 H=3m。求通过的流量 Q ? ( 10 分)

解: 按短管计算,取下游水面为基准面,对上下游渠道内的计算断 面建立能量方程
4

H ? h w ? (?

l 4R

?

?

? )

v

2

(5 分)

2g

计算方形管道断面的水力半径和局部水头损失系数
R ? A

?

? 0 .2 m ,

??

? 0 .2 ? 2 ? 0 .5 ? 1 .0 ? 1 .9

将参数代入上式计算,可以求解得到
? v ? 4 . 16 m/s , Q ? vA ? 2 . 662 m /s
3

(5 分)

即倒虹吸管内通过的流量为 2.662m3/s 。 (2) 从水箱接一橡胶管道及喷嘴(如图)。橡胶管直径 D=7.5cm,喷嘴出口直径 d=2.0cm。水头 H =5.5 m。由水箱至喷嘴的水头损失 hw = 0.5m。用压力表测得橡胶管 与喷嘴接头处的压强 p = 4.9N?cm2。如用手握住喷嘴,需要多大的水平力 R,行近流速 v0=0,取动能校正系数和动量校正系数均为 1。 (15 分)

解:以过喷嘴中心的水平面为基准面,列水箱渐变流断面 1—1 和喷 嘴出口断面 2—2 的能量方程
H ?0?0 ? 0?0? v2
2

? 0 .5

2g

(5 分)
2 g ? 5 ? 9 .9 m s

求得喷嘴出口流速和流量为

v2 ?
3

Q ? v 2 A 2 ? 0 . 000314 m

s

(1.5 分)

橡胶管道内的流速为
v3 ? Q A3 ? 0 . 706 m s

(1 分)

对于喷嘴建立 x 方向的动量方程
p 3 A3 ? R ? ? ? Q ( v 2 x ? v 3 x ) R ? p 3 A 3 ? ? Q ( v 2 ? v 3 ) ? 187 . 79

N
5

(6.5 分)

水流对喷嘴冲击力为 R ? ? ? R 即为手握喷嘴所需之力。 (3) 有一梯形渠道, 底宽 底坡 i=0.001。如流动在紊流粗糙区 ,求通过的流量 Q。 解:计算渠道断面水力要素, 过流断面面积 湿周 水力半径 舍齐系数 通过的流量
A ? bh ? mh
2
2

(1 分) (9 分)

b =10 m, 水深 h = 3 m, 边坡为 1:1, 糙率 n = 0.014,

? 39 m

2 m (1.5 分)

(1.5 分)

x ? b ? 2 1 ? m h ? 18 . 49
R ? A x ? 2 . 11
1

m
1 2

(1 分)
/s

C ?

1 n

R

6

? 80 . 90 m

(2 分) (3 分)

Q = AC (R i)0.5 = 144.93 m3/s

(4)某矩形断面渠道中筑有一溢流坝。已知渠宽 B=18m,流量 Q=265m3/s,坝 下收缩断面处水深 hc=1.1m,当坝下游水深 ht=4.7m 时,问: 1)坝下游是否发生水跃? 2)如发生水跃,属于何种形式的水跃? 3) 是否需要修建消能工?若需要修建消能工,估算消力池深。 解:1)计算临界水深 hk,判断收缩断面和下游水流流态, q = Q/B =265/18 =14.72 m3/sm
hk ?

( 12 分) (4 分) (4 分) (4 分)

?q
3

2

?

3

14 . 72 9 .8

2

? 2 . 81

g

m

因为收缩断面水深

hc =1.1 m ? hk 为急流,下游水深 ht=4.7m ? hk 为缓流,

所以溢流坝下游必定发生水跃。 2)计算收缩断面处水深 hc 的共軛水深 hc" hc"= 2 ( 1 ? 8 gh 3 ? 1) c
1 .1 ?( 1? 8? 14 . 72
2 3

hc

q

2

= 2 因为

9 .8 ? 1 .1

? 1)

=5.81m

hc" ? ht ,该水跃为远驱水跃。

3)溢流坝下游发生远驱水跃,需要修建消力池。 估算消力池深 d,取水跃淹没系数 ?j =1.05 则池深约为 d = ?j hc"- ht =1.05?5.81 – 4.7 = 1.40 m

6


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