流体力学试题 答案及评分标准

流体力学试卷一、名词解释(共10小题，每小题4分，共40分)1、流体力学2、连续介质基本假设3、理想流体4、牛顿内摩擦定律5、动量定律6、流线和迹线7、恒定流8、层流和紊流9、水击（锤）现象 10、明渠底坡二、简答题(共5小题，每小题5分，共30分)1、简述毕托管测流速的原理2、雷诺数及其物理意义3、简述水在土壤中的状态4、试简述理想液体恒定元流的能量方程z+常数γ=+gvp 22各项的物理意义5、简述曲面边界层的分离现象6、堰流的类型五、计算题(共3小题，每小题10分，共30分)1、闸门AB 曲面为一圆柱形的四分之一，半径r=2.0m ，垂直纸面的宽度b=1.0m ，水深H=4.0m ，闸门曲面左侧受到水压力。

求作用在闸门AB 曲面上的水平分力和铅直分力。

2、某矩形断面排水沟，采用浆砌块石衬砌，粗糙系数n=0.025，底宽1.5m ，全长1000m ，进出口底板高差为0.4m ，计算水深为1.0m 时输送的明渠均 匀流流量。

3、如图闭合并联管路，用旧铸铁管从A 向B 输水，已知d1=150mm ，l 1=800m ；d2=150mm ，l 2=500m ；d3=200mm ，l 3=1000mm ；总流量Q=100L/s ，求分支路上的流量Q1、Q2、Q3及AB 间损失水头。

h l1QA32BQ一、名词解释(本大题共10小题，每小题4分，共40分)11,l d 22,l d33,l d题3图 闭合并联管路1、流体力学：是力学的分支（1分），主要研究流体在各种力的作用下，流体本身的运动规律（1分），以及流体与固体壁面、流体与流体间由于存在相对运动时的相互作用（2分）。

也即研究流体的机械运动规律。

2、连续介质基本假设：流体力学研究流体的宏观运动规律，对流体的宏观运动（1分），假设流体是由无数质点组成的、没有空隙的连续体（1分），并认为流体的各物理量的变化随时间和空间也是连续的（1分），可应用高等数学中的连续函数来表达流体中各种物理量随空间、时间的变化关系（1分）。

3、理想流体：是流体力学中一个重要假设模型（或流体物理性质的简化）（1分），即流体分子间不存在内聚力（3分）。

4、牛顿内摩擦定律：流体的内摩擦力T（切向力）与流层间的接触面面积A和流层的速度梯度du/dy或变形率成正比（2分），即T=μAdu/dy，μ称为流体动力粘性系数（2分）。

5、动量定律作用于物体的外力∑F等于该物体在力作用方向上的动量变化率。

6、迹线和流线：迹线：某一流体质点的运动轨迹，是运动的流体质点在不同时刻所占据的空间位置的连线（2分）。

流线：是描述流场中各质点瞬态流动方向即速度方向的的曲线（2分）。

7、恒定流：描述流体质点运动的所有参数仅仅是空间坐标（x、y、z）的函数，而与时间t无关。

（或流场中任意空间位置上运动参数或物理量都不随时间而改变，即对时间的偏导数等于零。

）8、层流和紊流：层流：流体质点无横向脉动，质点互不混杂，层次分明，稳定安详的流动状态（2分）。

紊流：流体质点不仅在轴（纵）向而且在横向均有不规则脉动速度，流体质点杂乱交错的混沌流动状态（2分）。

9、水击（锤）现象：在有压管道流中（1分），由于某种原因（如阀门突然启闭、换向阀突然变换工位等），使流体速度突然发生变化（动量发生变化）（1分），从而引起流体压强的突然变化、升压和降压交替进行的水力现象（1分），对于管壁和阀门的作用如锤击一样，也称为水锤（1分）。

10、明渠底坡：明渠渠底与水平线的夹角的正弦值，即流体质点的落差与相应渠长（质点路径）的比值，i=sinθ=Δz/l。

（或单位渠长上的渠底高差。

）11、流体质点：是研究流体宏观运动规律的最小基本单元，具有宏观足够小、微观足够大的性质。

一方面，流体质点的尺度比起所研究问题的宏观尺度足够的小，从宏观上可以认为是一个几何上没有体积的点；另一方面，从微观上看，该特征体积远远大于流体分子间的间距，可容纳足够多的流体分子，个别分子运动参数的变化不影响这群分子运动参数的平均值，而不表现其随机性。

二、简答题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)1、简述毕托管测流量的原理（P39）2、雷诺数及其物理意义。

答：雷诺数：与流动状态相关的流速u 、管径d 、动力粘度μ和密度ρ可归结为一个无因数——雷诺数——作为判别流动状态的准则，Re=ρμd/μ（2分）。

层流受扰动后，当粘性的稳定作用起主导作用时，扰动就受到粘性的阻滞而衰减下来，层流就是稳定的；当扰动占上风，粘性的稳定作用无法使扰动衰减下来，于是流动便变为紊流。

因此，流动呈现什么流态，取决于扰动的惯性作用和粘性的稳定作用相互斗争的结果。

雷诺数之所以能判别流态，正是因为它反映了惯性力与粘性力的对比关系,[][][][][][][]Re ==μρL v 粘性力惯性力（2分）。

3、简述水在土壤中的状态。

水在土壤中的状态可分为气态水、附着水、薄膜水、毛细水和重力水等（1分）。

气态水以水蒸气状态散逸于土壤孔隙中，数量极少，通常不需考虑（1分）；附着水和薄膜水也称结合水，数量很少，其中附着水以极薄的分子层吸附在土壤颗粒表面，呈固态水的性质；薄膜水则以厚度不超过分子作用半径的薄层包围土壤颗粒，性质与液态水相似（1分）；毛细水因毛细管作用保持在土壤颗粒间细小的孔隙中；当土壤中含水量很大时，除少许结合水和毛细水外，大部分是在重力作用下在土壤空隙中运动，为重力水（1分）。

4、试简述理想液体恒定元流的能量方程z+常数γ=+gvp 22各项的物理意义。

z 表示单位重量液体相对于某基准面所具有的位能（重力势能）；p/γ表示单位重量液体所具有的压能（压强势能）；v 2/2g 表示单位重量液体所具有的动能；z+p/γ表示单位液体所具有的势能，而z+p/γ+v 2/2g 则表示单位重量液体所具有的机械能。

5、简述曲面边界层的分离现象。

在曲面体MM 断面以前，由于过流断面的收缩，流速沿程增加，因而压强沿程减小，为减压区，压差既用来克服粘性力，又能增加流体的动能；在MM 断面以后，过流断面不断扩大，流速不断减小，压强沿程增加，流体质点不仅受到粘性力作用，压差也阻碍流体的前进，靠近壁面区域的流速逐渐趋于零。

S 点为边界层流速分布的拐点，S 点以后的流体质点将产生反方向的流动即回流，但离壁面较远的流体还是沿主流方向流动，这样两部分运动方向相反的流体相接触处就形成漩涡。

6、流体的流动性流体在静止状态下不能承受剪力，静止的流体在微小剪应力作用下，都会产生连续不断的变形，即发生流动，只要剪力存在，流动就持续进行。

流体的这种在微小剪力作用下，连续变形的特性，成为流动性。

流动性是区别流体和固体的力学特征。

五、计算题(本大题共2小题，每小题10分，共20分)1、闸门AB 曲面为一圆柱形的四分之一，半径R=2.0m ，垂直纸面的宽度b=1.0m ，水深H=4.0m ，闸门曲面左侧受到水压力。

求作用在闸门AB 曲面上的水平分力和铅直分力。

解：（1）水平分力：Rb RH g A h P z c x ⋅-==)2(ργ…….(3分)kN N 8.58)(588000.10.2)2.20.4(8.91000==⨯⨯-⨯⨯=方向向右（2分）。

（2）铅直分力：绘如图所示的压力体，则b R R R H g V P z ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-==4)(2πργ……….（3分）kN N 972.69)(699720.140.214.30.2)0.20.4(8.910002==⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯+⨯-⨯⨯=，方向向下（2分）。

2、某矩形断面排水沟，采用浆砌块石衬砌，粗糙系数n=0.025，底宽1.5m ，全长1000m ，进出口底板高差为0.4m ，计算水深为1.0m 时输送的明渠均匀流流量。

解：渠道过水断面积：A=1.5×1.0=1.5(m2) 渠道湿周为：χ=1.5+1.0+1.0=3.5(m) 水力半径：R=A/χ=1.5/3.5=0.429(m) 渠道底坡：i=Δz/l=0.4/1000=4×10-4明渠均匀流流量为：)(683.002.0569.0600004.0025.05.1i 33/22/13/2429.0m i n A R AC Q R =⨯⨯=⨯⨯===3、如图闭合并联管路，d1=150mm ，l 1=800m,d2=150mm ，l 2=500m ，d3=200mm ，l 3=1000mm ，总流量Q=100L/s ，求分支路上的流量Q1、Q2、Q3及AB 间损失水头。

（查表管路B1=B2=42.0，B3=9.0）解：由于3支分路上的压力损失相等，即233322222111Q l S Q l S Q l S h l ===，故32,Q Q 可用1Q 表示为221112l S l S Q Q =，331113l S lS Q Q = 假设水管较旧，由相关手册中可以查出15021==d d mm ，226211085.41L sS S -⨯==，2003=d mm ，22631003.9L sS -⨯=则有16612265.15001085.418001085.41Q Q Q =⨯⨯⨯⨯=-- 16613926.110001003.98001085.41Q Q Q =⨯⨯⨯⨯=--因为11321191.4)926.1265.11(100Q Q Q Q Q Q =++=++==所以86.231=Q L/s ，18.301=Q L/s ，96.453=Q L/sAB 间水头损失 水柱）m Q l S h l (06.1986.238001085.41262111=⨯⨯⨯==-。