2018水力学复习题答案11.doc

第一章概论1.液体与固体的物理性质都有哪些区别，什么是流体的易流动性？答：固体：形状、体积固定，能够承受拉、压、弯、剪、扭等外力，在外力作用下产生相应形变； 液体：体积固定，形状不定，不能承受拉力，具有表面张力；易流动性 气体：体积、形状都不定，压缩性、膨胀性较大，不具有表面；具有易流动性 易流动性：流体在很小的切向力作用下将发生连续不断的变形，直到切向力消失为止。这种特性称为流体的易流动性。2、液体与气体的物理性质都有哪些区别？答：宏观上：气体密度小，流动性好，易压缩；液体密度较气体大，流动性不如气体好，不易压缩。微观上：气体分子能够非常自由地震动和平动，液体分子间作用力更大，分子紧密堆积，液体分子有振动和平动，但不如气体分子自由。3、什么是液体微团，连续介质模型，该模型的引入对流体的研究有何意义？答：液体微团：是指在研究液体的机械运动中所取的最小液体微元，它的体积无穷小却又包含无穷多个液体质点。连续介质模型：认为液体是由无数质点组成、质点之间没有空隙、连续充满其所占据空间的连续介质。将流体看成是连续介质，流体的各物理要素可用连续函数来表征，从而利用微积分的方法研究流体的受力和运动规律。 4、作用在流体上的力分为哪些，各有何特点？答：按作用特点或类型，将作用力分为表面力（面积力）和质量力（体积力）两大类。表面力：作用于流体接触表面上，大小与作用面积成正比；表面力分为压力和剪切力。质量力：作用在液体每一质点上，与液体的质量成正比：最常见的是重力和惯性力。5、什么是流体的粘性,粘性有何特征？答：流体的粘性：流体内相邻质点间存在相对运动时，在其接触面上会产生内摩擦力，以阻止其相对运动，流体的这种性质称为粘性。粘性特征：流体的固有属性，粘性阻碍液体的相对流动，但只能延缓相对运动的过程而不能消除。6、流体粘性的产生原因和主要影响因素是什么，液体和气体的粘性变化有何不同？（1）流体粘性产生原因：流体各分子间的内聚力和碰撞（布朗运动）（2）流体粘性的主要影响因素：温度（3）液体和气体的粘性变化不同之处：液体粘性随温度升高而减小；气体粘性的决定性因素是分子不规则运动的动量交换产生的阻力，温度升高动量交换加剧，因此粘性随温度升高而增大。7、牛顿内摩擦定律及其各项含义是什么？描述流体粘性的物理参数及其关系是什么？答：（1）牛顿内摩擦定律：=d/dyd/dy: 速度梯度，表示速度大小沿垂直于速度方向y的变化率:动力粘度（或动力粘滞系数）。单位为Ns/m2或pas.表征单位速度作用下的切应力：液层的接触面积（2）=/动力粘度（或动力粘滞系数），单位为Ns/m2或pas运动粘度（或运动粘滞系数），单位为m2/s或cm2/s8.什么是不可压缩流体模型、理想流体模型，它们有何物理意义？答：（1）不可压缩流体：认为=c（常数），忽略液体的压缩性。物理意义：认为液体是不可压缩的，可以简化实际问题；（2）理想流体模型：认为流体是粘性的，即=0物理意义：流体无粘性，流体运动时内部没有阻力影响，可用固体的运动规律来研究流体运动问题。9.什么是液体的汽化压强，它与温度的关系如何？答：在液体自由表面上，汽化和凝结同时存在，当这两个过程达到动态平衡时，宏观的汽化现象停止，此时液体表面上的气体压强称为饱和蒸汽压强，或汽化压强。液体的汽化压强随温度的升高而增大。10. 水力学的研究方法？答：（1）理论分析法：无限微量法、有限控制体法（2）实验研究法：系统实验、模型实验（3）数值计算法：第二章 水静力学1、静水压强的定义及其特性，静水压强函数的特点是什么？答：静水压强是指流体受作用表面上单位面积所受的静水压力。特性：（1）静水压强的方向为垂直并指向受作用面（与受作用面的内法线方向一致）。（2）某点静水压强的大小和受压面方位无关（作用于某点上的静水压强沿各方向大小都相等）。静水压强函数的特点：连续介质的平衡液体内，任一点静止液体压强仅是空间坐标的连续函数而与受压面的方位无关。即p=p(x,y,z).2、欧拉液体平衡微分方程的综合表达式，说明什么物理意义？答：欧拉液体平衡微分方程的综合表达式：dp=(Xdx+Ydy+Zdz)物理意义：该方程表明流体所受质量力是其表面力产生的原因。3、等压面的定义及其性质是什么，如何选取等压面，通常选取那些面为等压面？答：等压面是指液体中压强相等的点系所组成的面。选取等压面：故通常选取静止的、同种、连续液体的同一水平面为等压面。常用等压面：液体与气体的交界面（即自由表面）；处于平衡状态下的两种不相混合液体的交界面。4、静水压强基本方程的表达式及其含义是什么？答：表达式：z+p/g=C 或P=P0+gh含义：(1)质量力只有重力作用下的静止液体内，任一点测压管水头为常数； (2)静止液体内某点压强由液面上的气体压强和过该点单位面积水平面、水深h的水柱重量两部分组成。5、什么是绝对压强、相对压强、真空度及其相互关系？答：绝对压强是以设想的没有气体分子存在的绝对真空为基准起算的压强，用p表示；相对压强是以当地大气压为基准起算的压强，用p 表示；真空度是指绝对压强小于当地大气压强的数值，用pv表示。相互关系：pv = -p = pap6、压强的计量单位有哪几种，换算关系？答：压强的计量单位有三种：(1) 应力单位N/m2 ,Pa（2）工程大气压倍数Pat（3）液柱高度，常用水柱高度或汞柱高度换算关系：1Pat=98kPa=10mH2O=736mmHg7、什么是测压管、位置水头、压强水头、测压管高度、测压管水头，它们的物理意义和相互关系怎样？答：测压管是用同种液体的液柱高度来测量液体压强的L型或U型玻璃管，它一端通大气，另一端与被测点相连。位置水头是指液体某点在基准面以上的高度(z)，可直接测量。压强水头（测压管高度）：测压管液面到被测点的高差，h=p/g测压管水头是指位置水头与压强水头的总和。物理意义：位置水头表示单位重量液体具有的重力势能（位能）压强水头表示单位重量液体具有的压强势能（压能）测压管水头表示单位重量液体具有的全部势能相互关系：测压管水头=位置水头+压强水头8、作用于平面上的静水总压力的大小、方向和作用点的确定。答：1）解析法静水总压力的大小：等于受压面面积与其形心点所受静水压强的乘积，即P=ghcA=pcApc-受压面形心点的相对压强 hc-受压面形心点的淹没深度方向：垂直并指向受压面，即沿着受压面的内法线方向；作用点D（压力中心）：yD=yc+Ic/ycAyD-总压力作用点到Ox轴的距离yc-受压面形心到Ox轴的距离Ic-受压面对平行Ox轴的形心轴的惯性矩2）图解法大小：等于压强分布图的面积S乘以受压面的宽度b，即P=bS方向：垂直并指向受压面；作用点D（压力中心）：可由合力矩定理求得D离底边的距离e。9、作用于曲面上的静水总压力的大小、方向和作用点的确定。答：大小：静水总压力的水平分力：Px=ghcAx=pcAxPx-曲面上总压力的水平分力Ax-曲面的垂直投影面积hc-垂直投影面Ax形心点的淹没深度pc-垂直投影面Ax形心点的压强静水总压力的垂直分力：Pz=gV (即压力体的液体重力)静水总压力：P=方向：静水总压力P的作用线过曲面的曲率中心（圆心）与水平面的夹角为,tan=Pz/Px=arctanPz/Px压力作用点D（压力中心）：通过Px作用线（通过Ax压强分布图形心）和Pz作用线（通过压力体的形心）的交点，作与水平面成角的直线就是总压力作用线，该直线与曲面的交点即为总压力作用点。10、什么是压力体、组成方法、如何判断及表示其实、虚？答：压力体是指受作用曲面到自由液面或自由液面的延伸面之间的垂直柱体。压力体由下列周界面所围成的封闭体：受压曲面液面或液面延长面通过曲面的四个边缘向液面或液面延长面所作的垂直平面。压力体的实、虚表示：液体和压力体位于曲面同侧，为实压力体（Pz）；液体和压力体位于曲面异侧，为虚压力体（Pz）。第三章1.描述流体运动的方法有哪些？其实质内容是什么？适用于流体的哪些运动?答：描述流体运动的方法一般有拉格朗日法和欧拉法两种。拉格朗日法研究每个流体指点的运动情况，并通过综合各个液体指点的运动情况获得一定空间内整个液体的运动规律，实质是力学中用于研究指点系运动的方法，又称质点系法，适用于流体特殊运动。欧拉法实质上是研究固定空间点上的液体质点的运动特点，适用于流体一般运动。2.什么是恒定流，非恒定流，流管，元流，总流？答：恒定流：是流场中各空间点上流体质点的所有运动要素均不随时间变化的流动；否则，为非恒定流。流管：在流场中垂直流动方向取环形曲线，过该曲线上每一点的流线所组成的管状结构。元流：充满以流管为边界的一束液流运动（流管内包含的所有流线的集合）。总流：由无数个元流组成的整个液体运动（流场内所有元流的集合）。3.什么是流线、迹线，流线的特征有哪些？4什么是过水断面，流量，断面平均流速？答：过水断面：与元流或总流的所有流线正交的横断面为过水断面，其面积为A；流量：单位时间内通过某一过水断面液体的体积，用Q(m3/s或L/s)表示，。断面平均流速：是假定在过水断面上液体质点都以同一个速度V向前运动，V=Q/A5什么是均匀流和非均匀流，渐变流和急变流，均匀流的特征如何？答：对于一维流动，如果流动过程中运动要素不随流程坐标S而改变，这种流动为均匀流；反之，为非均匀流。 当流线之间的夹角较小或流线曲率半径较大，流线近似是平行直线时，称为渐变流。反之，当流线之间的夹角较大或流线曲率半径较小，这种非均匀流称为急变流。 均匀流特性：过水断面是平面，而且大小和形状都沿流程不变；各个过水断面上流速分布情况相同，断面平均流速沿流程不变；同一过水断面上各点动水压强的分布符合静水压强的分布规律。6.恒定总流的连续性方程及其物理意义？答：恒定总流的连续性方程为：Q1=Q2 (v1A1=v2A2)对于不同压缩液体作恒定流动，任意过水断面所通过的流量都相等；总流的断面平均流速与过水断面面积成反比。第四章 水动力学基础1实际液体恒定总流的能量方程及其各项的物理及几何含义？答：实际液体恒定总流的能量方程：p92公式(4-13a)物理意义 几何意义Z1 位置势能 (位能) 位置水头（位头） p1/g 压强势能（压能） 势能 压强水头（压头） 测压管水头v2/2g 流速动能（动能） 机械能 速度水头 总水头hw 能量损失 水头损失2.什么是动能修正系数、动量修正系数，它的大小决定因素是什么？如何变化？答：动能修正系数： p91公式(4-8)它的大小取决于过水断面上流速分布的均匀程度，流速分布越不均匀其值越大，对于渐变流，一般=1.051.10，为简便计算通常取=1。动量修正系数：=Au2dA/(v2A)大小取决于过水断面上流速分布的均匀程度，在一般的渐变流中取=1.021.05，为简便计算通常取=1。3.什么是总水头线、测压管水头线，它们的特点和相互关系怎样？答：测速管水头所连成的线称为总水头线。测压管水头所连成的线称为测压管水头线。相互关系： 总水头线是一条下降的线； 长直管路（动能不变）总水头线与测压管水头线平行； 总水头线永远高于管道轴线，而测压管水头线可能会低于管道轴线； 总水头线与测压管水头线的间距为速度水头。4.恒定总流能量方程的应用条件有哪些？答： 恒定流，不可压缩液体（=c,气体4000时，与相对粗糙度无关，只是的函数。第区湍流过渡区，不同相对粗糙管的试验点落在不同的曲线上，与相对粗糙度和有关。第五区湍流粗糙区（或阻力平方区），不同的相对粗糙管的实验点分别落在不同的水平直线上。意义：表明了只与相对粗糙度有关，而与无关。这说明水流处于发展完全的湍流状态，水流阻力与流速的平方成正比故又称阻力平方区。10、明渠水流的水力计算公式（谢才公式）及其各符号的含义。（不作为考试内容）11、莫迪图的使用方法、当量粗糙。答：莫迪图是以相对粗糙度为参数，把作为Re的函数，绘制出的工业管道阻力系数曲线，在图上按/d 和Re可直接查出。当量粗糙：把直径相同，湍流粗糙区值相等的人工粗糙管的粗糙度，定义为该管材工业管道的当量粗糙，就是将工业管道湍流粗糙区实测的值，代入尼古拉兹粗糙管公式反算得到的。12、减小水头损失（沿程水头损失和局部水头损失）的措施有哪些？答：减小沿程水头损失的措施：减小管道内壁的粗糙程度，使其更加光滑；降低流体的粘性（液体升温、气体降温）；控制流速在一定范围。减小局部水头损失的措施：将管道形变由突变改为渐变；将90度弯管改为两个45度弯管，提高管道附件内壁的光洁度，对于气体管道可采用导页来减小横向脉动。第六章1、 量纲、基本量纲、诱导量纲、无量纲量（量纲为一的量）的定义，量纲的表示法。答： 量纲：表征各物理量属性和类别的称为物理量的量纲。基本量纲：基本量纲是相互独立的量纲，即其中的任意一个量纲都不能从其他的量纲推导出来。诱导量纲：诱导量纲是由基本量纲推导出来的，也称导出量纲。bca量纲一的量（无量纲量）：在力学问题中，任何一个物理量X的量纲都可以用三个基本量纲的指数乘积来表示，若选择长度L、时间T、质量M为基本量纲，即X=L T M当a=b=c=0时，则X=LTM=LTM=1式中，称X为无量纲量（量纲为一的量）。量纲的表示法:物理量。2、量纲和谐原理及其意义、应用答： 量纲和谐原理：任何一种物体的运动规律，都可以用一定的物理方程来描述。凡是正确、完整地反映客观规律的物理方程，其各项的量纲都必须是相同的，这就是量纲和谐原理，或称量纲一致性原理。意义：1、利用量纲和谐原理，可以从一个侧面来检验物理方程的正确性。2、量纲和谐原理还可以用来确定经验公式中系数的量纲，以及分析经验公式的结构是否合理。应用：量纲和谐原理最重要的用途之一，是能够确定方程中物理量的指数，从而找到物理量间的函数关系，以建立结构合理的物理、力学方程。3、 量纲分析法。答：量纲分析法就是依据量纲和谐原理，从量纲的规律性入手来推求物理量之间的函数关系，从而找到物体的运动规律。量纲分析法有两种，一种用于比较简单的问题，称为瑞利法；另一种是具有普遍性的方法，称为定理法。第七章1、 孔口出流、薄壁孔口、厚壁孔口、小孔口、大孔口。答： 孔口出流：在容器侧壁或底部上开一孔口，容器中的液体经孔口的出流，称为孔口出流。薄壁孔口：在容器侧壁上开一孔口，出流流股与孔口壁接触仅是一条周线，壁的厚度对水流现象没有影响，这种孔口叫薄壁孔口。若孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩开，与孔口接触形成面而不是线，这种孔口称为厚壁孔口或管嘴。根据d/ H的比值不同将孔口分类。若d=H/10称为小孔口；若d=H/10则为大孔口。2、 孔口自由出流、孔口淹没出流、孔口收缩断面、孔口收缩系数。答：容器中的液体自孔口出流到大气中，称为孔口自由出流；若孔口流出的水股不是进入大气而是进入水中，即孔口淹没在下流水面之下，这种情况称为淹没出流；容器中液体从四面八方流向孔口，由于水流惯性，当绕过孔口边缘时，流线不能成直角突然的改变方向，只能以圆滑曲线逐渐弯曲，在孔口断面上仍然继续弯曲且向中心收缩，造成孔口断面上急变流，直至断面收缩达到最小，流线趋于平行，称为渐变流，该断面称为收缩断面；孔口断面的面积为A，收缩断面的面积为Ac，=Ac/A称为孔口收缩系数。3、 全部收缩孔口、非全部收缩孔口、完善收缩、不完善收缩。答：当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时，孔口四周的流线全部发生弯曲，水股在各个方向都发生收缩，这种孔口称为全部收缩孔口。而只有部分边发生收缩时称为非全部收缩孔口；根据器壁对流线弯曲有无影响而把全部收缩的水股分为完善收缩与不完善收缩。周边离侧壁的距离大于3倍孔口在该方向上的尺寸，此时出流流线弯曲率最大，收缩的最充分，为全部完善收缩；否则为不完善收缩。4、 圆柱形外管嘴、圆柱形外管嘴的真空度。答：水流进入管嘴时如同孔口出流一样，流股也发生收缩，在收缩断面处与管壁分离，形成漩涡区；然后流股逐渐扩张，至出口断面上完全充满管嘴断面流出，这种管嘴出流称为圆柱形外管嘴出流。孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而增加，这是由于收缩断面处有真空作用的结果。5、圆柱形外管嘴的作用、圆柱形外管嘴正常工作条件。答：圆柱形外管嘴的作用主要是增大流量，另外便于控制水流（方向、流速、开闭）； 圆柱形外管嘴的正常工作条件是：管嘴长度L = (3 4) d，作用水头H9mH2O。6、什么是短管、长管，它们的特点和计算公式。答：短管：管道的长细比L/d1000时，沿程水头损失和局部水头损失在总水头损失中所占比重相当，两者都要计算：长管：管道的长细比L/d1000时，沿程水头损失在总水头损失中所占比重较大，为简化计算，可忽略局部水头损失和速度水头，或按沿程水头损失的一定比例估算。7、串联管路，并联管路的特点，计算方法？答：串联管路：有多个直径不同的管段依次首尾相连而组成；特点：各管段的流量沿程减少、管径减小，管道的总水头线呈折线形；流向节点的流量等于留出节点的流量。 ; Q流入 = Q流出并联管路：管路中多个管段有共同的起、迄点（分流点与汇流点），担负着相同的作用；特点：各并联管段的水头损失皆相等； 8、管网，枝状管网，环状管网定义，特点及其优缺点？答：管网：是由若干条简单管路组合而成的，分为枝状管网和环状管网。枝状管网：一般是由多条管段串联而成的干线和与干线相连的多条支管所组成。特点是：各管段没有环状闭合的链接，管网由一点向多点单向供水，某一点断流则影响该点之后的管段。因此其缺点是供水的可靠性差，其优点是节省管材，降低造价。环状管网：由多条供水管路互相连接成闭合形状的供水管路系统。特点是：管网内任一点均可从不同方向供水；供水的可靠性好，增加管线加长度，提高管网的造价。第八章 明渠流动1、明渠流动的特点答： 明渠水流具有自由液面，是无压流、重力流； 明渠底坡影响断面流速和水深； 明渠局部边界变化影响范围大。2、