工程流体力学(水力学)闻德第五章_实际流体动力学基础课后答案.doc

工程流体力学闻德课后习题答案第五章 实际流体动力学基础51设在流场中的速度分布为ux =2ax，uy =-2ay，a为实数，且a0。试求切应力xy、yx和附加压应力px、py以及压应力px、py。解：，52 设例1中的下平板固定不动，上平板以速度v沿x轴方向作等速运动（如图所示），由于上平板运动而引起的这种流动，称柯埃梯（Couette）流动。试求在这种流动情况下，两平板间的速度分布。（请将时的这一流动与在第一章中讨论流体粘性时的流动相比较）解：将坐标系ox轴移至下平板，则边界条件为y，；，。 由例1中的（11）式可得 （）当时，速度为直线分布，这种特殊情况的流动称简单柯埃梯流动或简单剪切流动。它只是由于平板运动，由于流体的粘滞性带动流体发生的流动。 当时，即为一般的柯埃梯流动，它是由简单柯埃梯流动和泊萧叶流动叠加而成，速度分布为 （）式中 （）当p时，沿着流动方向压强减小，速度在整个断面上的分布均为正值；当p时，沿流动方向压强增加，则可能在静止壁面附近产生倒流，这主要发生p的情况53 设明渠二维均匀（层流）流动，如图所示。若忽略空气阻力，试用纳维斯托克斯方程和连续性方程，证明过流断面上的速度分布为，单宽流量。解：（1）因是恒定二维流动，由纳维斯托克斯方程和连续性方程可得，。因是均匀流，压强分布与x无关，因此，纳维斯托克斯方程可写成， 因ux只与z方向有关，与x无关，所以偏微分可改为全微分，则，积分得 ，当，；，得，（2）。54 设有两艘靠得很近的小船，在河流中等速并列向前行驶，其平面位置，如图a所示。（1）试问两小船是越行越靠近，甚至相碰撞，还是越行越分离。为什么？若可能要相碰撞，则应注意，并事先设法避免。（2）设小船靠岸时，等速沿直线岸平行行驶，试问小船是越行越靠岸，还是越离岸，为什么？（3）设有一圆筒在水流中，其平面位置如图b所示。当圆筒按图中所示方向（即顺时针方向）作等角转速旋转，试问圆筒越流越靠近D侧，还是C侧，为什么？解：（1）取一通过两小船的过流断面，它与自由表面的交线上各点的应相等。现两船间的流线较密，速度要增大些，压强要减小些，而两小船外侧的压强相对要大一些，致使将两小船推向靠近，越行越靠近，甚至可能要相碰撞。事先应注意，并设法避免、预防。（2）小船靠岸时，越行越靠近岸，理由基本上和上面（1）的相同。（3）因水流具有粘性，圆筒旋转后使靠D侧流速增大，压强减小，致使越流越靠近D侧。5-5 设有压圆管流（湍流），如图所示，已知过流断面上的流速分布为，为管轴处的最大流速。试求断面平均流速v（以umax表示）和动能修正系数值。解：设，56设用一附有水银压差计的文丘里管测定倾斜管内恒定水流的流量，如图所示。已知d1 =0.10m，d2 =0.05m，压差计读数h0.04，文丘里管流量系数 =0.98，试求流量Q。解：由伯努利方程得（）由连续性方程得 （）由压差计得 （）将式（）（）代入（）得， 57设用一附有水银压差计的文丘里管测定铅垂管内恒定水流流量，如图所示。已知d1 =0.10m，d2 =0.05m，压差计读数h0.04，文丘里管流量系数 =0.98，试求流量Q请与习题56、例54比较，在相同的条件下，流量Q与文丘里管倾斜角是否有关。解：与习题6的解法相同，结果亦相同，（解略）它说明流量Q与倾斜角无关58利用文丘里管的喉道负压抽吸基坑中的积水，如图所示。已知d1 =50mm，d2 =100mm，h =2m，能量损失略去不计，试求管道中的流量至少应为多大，才能抽出基坑中的积水。解：对过流断面1、写伯努利方程，得，。59密度为860kg/m3的液体，通过一喉道直径d1 =250mm的短渐扩管排入大气中，如图所示。已知渐扩管排出口直径d2 =750mm，当地大气压强为92kPa，液体的汽化压强（绝对压强）为5kPa，能量损失略去不计，试求管中流量达到多大时，将在喉道发生液体的汽化。解：对过流断面11，22写伯努利方程管道中流量大于0.703m3/s时，将在喉道发生液体的汽化。510设一虹吸管布置，如图所示。已知虹吸管直径d =150mm，喷嘴出口直径d2 =50mm，水池水面面积很大，能量损失略去不计。试求通过虹吸管的流量Q和管内A、B、C、D各点的压强值。解：对过流断面1-1，2-2写伯努利方程，可得，由连续性方程得 对过流断面1-1、A-A写伯努利方程，可得 同上，可得， 111122511 设有一实验装置，如图所示。已知当闸阀关闭时，点A处的压力表读数为27.44104Pa（相对压强）；闸阀开启后，压力表读数为5.88104Pa；水管直径d =0.012m，水箱水面面积很大，能量损失略去不计，试求通过圆管的流量Q。解：由题意得，水箱高度是。对过流断面1-1，2-2，写伯努利方程可得： 512 设有一管路，如图所示。已知A点处的管径dA =0.2m，压强pA =70kPa；B点处的管径dB =0.4m，压强pB =40 kPa，流速vB =1m/s；A、B两点间的高程差z =1m。试判别A、B两点间的水流方向，并求出其间的能量损失。解：， H2O水流由A点流向B点。513 一消防水枪，从水平线向上倾角 =30，水管直径d1 =150mm，喷嘴直径d2 =75mm，压力表M读数为0.31.013105Pa，能量损失略去不计，且假定射流不裂碎分散。试求射流喷出流速v2和喷至最高点的高度H及其在最高点的射流直径d3。（断面1-1，2-2间的高程差略去不计，如图所示。） ，由自由落体公式得 5-14 一铅垂立管，下端平顺地与两水平的平行圆盘间的通道相联，如图所示。已知立管直径d =50mm，圆盘的半径R =0.3m，两圆盘之间的间隙 =1.6mm，立管中的平均流速 =3m/s，A点到下圆盘顶面的高度H=1m。试求A、B、C、D各点的压强值。能量损失都略去不计，且假定各断面流速均匀分布。解：由连续性方程得，由伯努利方程得：， 5-15 水从铅垂立管下端射出，射流冲击一水平放置的圆盘，如图所示。已知立管直径D =50mm，圆盘半径R =150mm，水流离开圆盘边缘的厚度 =1mm，试求流量Q和水银压差计中的读数h。能量损失略去不计，且假定各断面流速分布均匀。解：设立管出口流速为，水流离开圆盘边缘的流速为，根据连续性方程得，由伯努利方程得，水银压差计反映盘面上的驻点压强p，即， 516 设水流从左水箱经过水平串联管路流出，在第二段管道有一半开的闸阀，管路末端为收缩的圆锥形管嘴，如图所示。已知通过管道的流量Q =0.025m3/s、第一、二段管道的直径、长度分别为d1 =0.15m、l1 =25m和d2 =0.125m、l2 =10m，管嘴直径d3 =0.1m，水流由水箱进入管道的进口局部损失系数j1 0.5，第一管段的沿程损失系数f1 =6.1，第一管道进入第二管道的突然收缩局部损失系数j2 0.15，第二管段的沿程损失系数f2 =3.12，闸阀的局部损失系数j3 2.0，管嘴的局部损失系数j4 0.1（所给局部损失系数都是对局部损失后的断面平均速度而言）。试求水箱中所需水头H，并绘出总水头线和测压管水头线。解：对断面00，33写总流伯努利方程，得 （1） （2） （3）将有关已知值代入（3）、（2）式，得H=2.35m速度水头：，损失水头： ，校核：总水头线和测压管水头线分别如图中实线和虚线所示。517 设水流在宽明渠中流过闸门（二维流动），如图所示。已知H 2m，h 0.8m，若不计能量损失，试求单宽（b 1m）流量q，并绘出总水头线和测压管水头线。解：由伯努利方程得 （1）由连续性方程得 （2）联立解（1）（2）式得 ，5.29m/s，0.45.29 m/s2.12m/sqA1212.12 m3/s4.24 m3/s，总水头线，测压管水头线分别如图中虚线，实线所示。518 水箱中的水通过一铅垂渐扩管满流向下泄去，如图所示。已知高程3 0，20.4m，1 0.7m，直径d2 50mm，d3 80mm，水箱水面面积很大，能量损失略去不计，试求真空表M的读数。若d3不变，为使真空表读数为零，试求d2应为多大。真空表装在 0.4m断面处。解：，对2、3断面列能量方程 真空表读数为41.92103为使P2=0，再对2、3断面列能量方程，=2.42m/s因d2d3，所以应改为渐缩形铅垂管，才能使真空表读数为零。519 设水流从水箱经过铅垂圆管流入大气，如图所示。已知管径d =常数，H =常数h，所以 得负值的相对压强值，出现真空。管内不同h处的真空度hv变化规律如图点划线所示。（3）对轴绘出的总水头线和测压管水头线，分别如图中实线和虚线所示。520 设有一水泵管路系统，如图所示。已知流量Q =101m3/h，管径d =150mm，管路的总水头损失hw1-2 =25.4mH2O，水泵效率 75.5，上下两水面高差h =102m，试求水泵的扬程和功率P。解：521 高层楼房煤气立管布置，如图所示。B、C两个供煤气点各供应Q =0.02m3/s的煤气量。假设煤气的密度 =0.6kg/m3，管径d =50mm，压强损失AB段用计算，BC段用计算，假定C点要求保持余压为300Pa，试求A点酒精（s =0.8103kg/m3）液面应有的高差h。空气密度a =1.2kg/m3。解：，对过流断面A、C写气体伯努利方程可得 h=0.045m=45mm522 矿井竖井和横向坑道相连，如图所示。竖井高为200m，坑道长为300m，坑道和竖井内气温保持恒定t =15，密度 1.18kg/m3，坑外气温在早晨为5，a 1.29kg/m3，中午为20，a 1.16kg/m3，试问早晨、中午的气流方向和气流速度的大小。假定总的损失为。解：设早晨气流经坑道流出竖井，则，设中午气流经竖井流出坑道，则，上述假设符合流动方向。523 锅炉省煤器的进口处测得烟气负压h1 =10.5mmH2O，出口负压h2 =20mmH2O，如图所示。如炉外空气密度a 1.2kg/m3，烟气的平均密度0.6kg/m3，两测压断面高差H =5m，试求烟气通过省煤器的压强损失。解：由气体伯努利方程得524 设烟囱直径d =1m，通过烟气量Q =176.2kN/h，烟气密度 0.7kg/m3，周围气体的密度1.2kg/m3，烟囱压强损失用计算，烟囱高度H，如图所示。若要保证底部（断面11）负压不小于10mmH2O，烟囱高度至少应为多少？试求高度上的压强。为烟囱内烟气速度。解：列1-1、2-2断面气体伯努利方程 H=32.61m，烟囱高度H应大于32.61m。对经过M的过流断面、出口断面写气体伯努利方程可得 525 设绘制例510气流经过烟囱的总压线、势压线和位压线。解：例510的烟囱如题5-25图所示，经a过流断面的位压为ac段压强损失为 cd段压强损失为 动压为 选取0压线，a、c、d各点总压分别为294，（29488.34）205.66，（205.66-196.98）=8.68因烟囱断面不变，各段势压低于总压的动压值相同，出口断面势压为零。a点位压为294；b、c点位压相同，均为；出口断面位压为零。题5-25图总压线、势压线、位压线，分别如图中的实线，虚线和点划线所示。整个烟囱内部都处于负压区。526 设有压圆管流（湍流）（参阅习题5-5图），已知过流断面上的流速分布为，式中为圆管半径，y为管壁到流速是u的点的径向距离，为管轴处的最大流速。试求动量修正系数值。解：设527 设水由水箱经管嘴射出，如图所示。已知水头为H（恒定不变），管嘴截面积为A，水箱水面面积很大。若不计能量损失，试求作用于水箱的水平分力FR。.解：设水箱壁作用于水体的水平分力为，方向向右。动量修正系数1.0，取水箱水面、管嘴出口及水箱体作为控制体，对x轴写总流动量方程可得 对过流断面00、11写伯努利方程，可得所以值与值大小相等，方向相反，即的方向为水平向左。528 设管路中有一段水平（Oxy平面内）放置的等管径弯管，如图所示。已知管径d =0.2m，弯管与x轴的夹角 45，管中过流断面11的平均流速v1 =4m/s，其形心处的相对压强p1 =9.81104Pa。若不计管流的能量损失，试求水流对弯管的作用力FR。解：设弯管作用于水体的水平分力为，铅垂分力为。由总流动量方程可得由连续性方程得；由伯努利方程得p1=p2。所以 ，方向与相反，529 有一沿铅垂直立墙壁敷设的弯管如图所示，弯头转角为90，起始断面11到断面22的轴线长度为3.14m，两断面中心高差z为2m。已知断面11中心处动水压强p1为11.76104Pa，两断面之间水头损失hw为0.1mH2O，管径d为0.2m，流量Q为0.06m3/s。试求水流对弯头的作用力FR。解：，对过流断面11、22写伯努利方程可得对x轴写动量方程得对于y轴写动量方程得，方向与相反。，。530 设有一段水平输水管，如图所示。已知d1 =1.5m，d2 =1m，p1 =39.2104Pa，Q =1.8m3/s。水流由过流断面11流到过流断面22，若不计能量损失，试求作用在该段管壁上的轴向力FR。解：设管壁作用于水体的力为，由总流动量方程可得由伯努利方程得，方向与相反，即的方向为水平向右。104Pa9.2531 设水流在宽明渠中流过闸门（二维流动），如图所示。已知H=2m，h=0.8m，若不计能量损失（摩擦阻力），试求作用于单宽（b1m）阀门上的力。解：设闸门作用于水体的水平力为，取闸门前后过水断面及之间的部分为控制体，对水平轴列总流动量方程得由习题517求得q4.24m3/s，2.12m/s，5.29m/s。，方向与相反，即的方向为水平向右。532 设将一固定平板放在水平射流中，并垂直于射流的轴线，该平板取射流流量的一部分为Q1，并引起射流的剩余部分偏转一角度，如图所示。已知=30m/s，Q=0.036m3/s Q1=0.012 m3/s。若不计能量损失（摩擦阻力）和液体重量的影响，试求作用在固定平板上的冲击力。解：设平板作用于水体的水平力为，由连续性方程得由伯努利方程得：由总流动量方程得 ，方向与相反，即的方向为水平向右。533 水流经180弯管自喷嘴流出，如图所示。已知管径D=75mm，喷嘴直径d=25mm，管端前端的测压表M读数为60kPa，求法兰盘接头A处，上、下螺栓的受力情况。假定螺栓上下前后共安装四个，上下螺栓中心距离为150mm，弯管喷嘴和水重G为100N，它的作用位置如图所示。不计能量损失(摩擦阻力).解：对过流断面11、22写伯努利方程可得由连续性方程可得 因此 设弯管作用于水体的水平力为，取过流断面11、22及喷嘴内水流为控制体，列水平方向总流动量方程可得 水流作用与弯管的力333.82N，方向与相反，即的方向为水平向左，由四个螺栓分别承受。 另外，水体重力和射流反力构成的力矩亦应由螺栓分别承受，由习题527知射流反力为。对断面AA轴心点取矩，以逆时针方向力矩为正，则 上式负号表示力矩的方向与假定的方向相反，即为顺时针方向，且由上、下螺栓分别承受，其力 上螺栓所受的拉力 每个侧螺栓所受的拉力 下螺栓所受的拉力534 一装有水泵的机动船逆水航行，如图所示。已知水速为1.5m/s，船相对与陆地的航速0为9m/s，相对于船身水泵向船尾喷出的水射流的射速r为18m/s，水是从船首沿吸水管进入的。当水泵输出功率（即水从水泵获得的功率