水力学历年试卷及答案

2007年一名词解释1连续介质流体质点完全充满所占空间没有间隙存在其物理性质和运动要素都是连续分布的介质。2流线某一确定时刻T在流场中一定有这样的曲线存在使得曲线上各点处的流体质点的流速都在切线方向这样的曲线就叫做该时刻T的流线。3长管在水力计算中管道沿程阻力远远大于局部阻力局部阻力可以忽略不计的管道。4水跃明渠水流从急流过渡到缓流状态时会产生一种水面突然跃起的特殊局部水里现象既在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深的现象。5。渗流模型在保持渗流区原有边界条件和渗透流量不变的条件下把渗流看成是由液体质点充满全部渗流区的连续总流流动。二解答题1温度对流体粘性系数有何影响原因何在答温度升高时液体的粘滞系数降低流动性增加气体则相反粘滞系数增大。这是因为液体的粘性主要由分子间的内聚力造成的。温度升高时分子间的内聚力减小粘滞系数就要降低。造成气体粘性的主要原因则是气体内部分子的运动它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的变换。当温度升高时气体分子运动的速度加大速度不同的相邻气体层之间的质量交换随之加剧所以气体的粘性将增大。2写出总流伯努利方程解释各项及方程的物理意义。答总流伯努利方程为LHGVPZGVPZ222222221111其中Z表示总流过流断面上某点所取计算点单位重量流体的平均位置势能P表示总流过流断面上某点所取计算点单位重量流体的平均压强势能。GV22表示总流过流断面上某点所取计算点单位重量流体的平均动能。LH表示总流过流断面上某点所取计算点单位重量流体的平均机械能损失称为总流水头损失PZHP代表总流过流断面上单位重量流体的平均势能GVPZH22代表总流过流断面上单位重量流体的平均机械能3长度比尺为40的传播模型实验测得船速为12M/S时模型受到的波浪阻力为003N试求原型船速和原型船舶所受到的波浪阻力以重力作用为主答根据牛顿一般相似原理力的比例尺2222PPPPFMMMMFLVFLV弗罗特数法则22PMRPMVVFGLGL由以上两式得33PPMMFLFL最终得PF33PMLLMF3400031920N4利用圆管层流RE64水力光滑区250RE31640和粗糙区250DK这三个公式论证在层流中VHF光滑区751VHF粗糙区2VHF答因为GVDLHF22VLRE1由题圆管层流RE64所以VL64则GVLDHF264即AVVGLDHF264其中GLDA264当流体管长管径一定时A为定量所以层流中VHF。2在水力光滑区250RE31640所以25025031640VL则GVDLHF231640751250250即751751250250231640BVGVDLHF其中GDLB231640250250当流体管长管径一定时B为定量所以光滑区751VHF3在粗糙区250DK带入公式整理222512502CVGVDLKHF得其中GDLKC2251250当流体管长管径一定时C为定量所以粗糙区2VHF5简述明渠均匀流发生的条件和特征。答明渠均匀流发生的条件明渠均匀流只能出现在底坡不变断面形状尺寸壁面粗糙系数都不变的长直顺坡渠道中。明渠均匀流的流线是相互平行的直线因此具有以下特征1过水断面的形状尺寸及水深沿程不变。2过水断面上的流速分布断面平均流速沿程不变。3总水头线、水面线及渠底线相互平行。所以总水头线坡度水力坡度J水面线坡度测压管水头线坡度JP和渠道底坡I彼此相等即JJPI。三、计算题1半径为A的小球在粘度很大的不可压缩牛顿流体中下落证明其速922GAVS、是流体的密度和粘度S是小球的密度。证明由题小球在粘度很大的不可压缩牛顿流体中下落即圆球的雷诺数1ER绕流阻力不可忽略则对小球受力分析小球受到沿流动方向的阻力222212VACVACDDD为流体密度流体对小球的浮力GAF334重力GAGS334S为小球密度当小球处于悬浮状态时的速度为最终速度即FDG带入得GAVACGADS3223342134整理得GACVSD38由于1ER所以VARCED1224代入上式整理得922GAVS得证2水箱侧壁开一圆形薄壁孔口直径D5CM水面恒定孔口中心到水面的高度H4M。已知孔口的流速系数098收缩系数062孔口出流手上断面的流速CV、流量Q和水头损失MH。解设AC为收缩断面面积A为出口断面面积2200202MDA由题SMSMGHVC/688/48929802CCVAQ,200120MAAC则SMVAQCC/0103以水箱中自由表面为基准面对自由表面OO的点和收缩断面形心CC的点写伯努利方程式LCCCCHGVPZGVPZ22220000其中0C100VHPZPZCC00则整理得MGVHHCL15602即解得孔口出流收缩断面的流速SMVC/688流量SMQ/0103水头损失MHL15603解由题以允许流速SMV/01MAX为设计流速由谢才公式RICV611RNCI00016则水力半径MIVNR35023MAX明渠断面面积2MAX2MVQA又HMHBA212MHBAR列方程组得解得1,2741MBMH41012,5822MBMH322舍去故此梯形断面的底面底宽,274MB水深MH4104消防水管直径D015M,喷嘴出口直径D003M设计流量3Q0003M/S。喷嘴和管路用法兰连接并用螺栓固顶。不计水头损失求螺栓所受的总拉力。解以消防水管中轴水平面为基准面取法兰处断面11和喷嘴出口处断面22为研究断面,设总拉力为T由连续性方程2211VAVAQ221101802MDA2222000702MDA则SMAQV/67111SMAQV/864222对11和22写伯努利方程动量方程LHGVPZGVPZ222222221111101202VVQF其中12110201021ZZ,02P,0LH不计水头损失则AKPGVGVP979162221221又1211VVQNAPFN为水流在喷头处所受阻力。解得N1525KN因为TN1525KN即螺栓所受的总拉力为1525KN5图示串联供水管路各段管长123350,300,200LMLMLM管径123300,200,100DMMDMMDMM沿程阻力系数123003,0035,004节点流量123100/,60/,30/QLSQLSQLS末端所需自由水头为25M求水塔的供水高度H。解由题水塔高度MHHHHH3212111QSH,2222QSH,2333QSHSLQQQQ/1903211SLQQQ/90322SLQQ/3033由于管长很长可视为长管则52512111/763578MSGDLS52522222/7127168MSGDLS52532333/07662368MSGDLS所以MQSH92122111MQSH222222MQSH6592333MHHHHH321120M即水塔的供水高度H120M2006年一、单项选择题15CACBC610CDDCB1牛顿内摩擦定律表明决定流体内部切应力的因素是A动力粘度和速度B动力粘度和压强C动力粘度和速度梯度D动力粘度和作用面积2当水的压强增大一个大气压时水的密度增大大约为A1/20000B1/10000C1/4000D1/20003密闭水箱的侧壁为一矩形平板水面压强大于大气压强水深3M静水总压力的作用点到水面距离Y应是AYVKBIIKCFR1DHHK9宽顶堰要求A067HB06725HC2510HD10H10实际渗流与渗流模型相比A流量相同阻力相同B流量相同阻力不同C流量不同阻力相同D流量不同阻力不同二、名词解释1相对压强以当地大气压PA为零点来计量的压强称为相对压强2当量粗糙度所谓当量粗糙度指与工业管道粗糙区值相等的同直径尼古拉兹人工管道的粗糙高度3管嘴出流孔口出流的孔口上加一段34倍管径的短管流体经短管流出时充满短管出口的全部断面称为管嘴出流。4临界水深断面比能曲线上相应于最小断面比能的水深HK,称为临界水深。5基本量纲认为选取的彼此之间无关不能以其他各量的量纲所表示的量纲。三、简答题1简述温度对流体动力粘度的影响。答温度升高时液体的粘滞系数降低流动性增加气体则相反粘滞系数增大。这是因为液体的粘性主要由分子间的内聚力造成的。温度升高时分子间的内聚力减小粘滞系数就要降低。造成气体粘性的主要原因则是气体内部分子的运动它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的变换。当温度升高时气体分子运动的速度加大速度不同的相邻气体层之间的质量交换随之加剧所以气体的粘性将增大。2归纳总流能量方程的应用条件。答1流体是不可压缩流体2流动场是重力场3流体的流动是恒定流4过流断面是渐变流断面5流量沿程不变即无分流或合流6必需在同一的基准面上计算7压力可以都是绝对压强也可以都用相对压强3已知某平面流场XXYUX2YYXUY22此流动是否连续是否有旋答12YXUX12YYUY则0YUXUYX所以此平面流场连续因为是平面流场所以其涡量0YXYUXUXYZ由已知XXUY2XYUX2所以0Z即此流动为无旋流动4简述渗流达西定律与裘皮衣公式的区别。答渗流达西定律是表明在某一均质介质的空隙中渗流的水力坡度与渗流流速的一次方成正比是液体作层流运动所遵循的规律而裘皮衣公式是反映了渐变渗流过流断面上个点渗流流速相等并等于断面平均流速是对渐变渗流过流断面上流速的描述。5若球形尘粒的密度3/2500MKGM空气温度为20OC,求可采用斯托克斯公式计算悬浮速度的最大粒径为多少已知20OC时空气的密度3/21MKG动力粘滞系数SPA510811。解当满足斯托克斯公式计算悬浮速度时雷诺数1ER即1VDRE其中悬浮速度GDVM1812带入上式得MGDM53121085518即所求球形尘粒最大粒径为M510855四、计算题1溢水堰模型试验模型设计长度比例为20今测得模型流量为QM300L/S,水流推力为PM300N,求实际流动的流量QN和推力PN解由22,MNRMNMNMNMNUUFGLGLQQUUAA则222252222532,2020537/MNNNNMMNNMMMNMQQQALGALGALQALQQMS由由22NMNMUNMPPAAEUU得232202400MNNMMNMAQPPPKNAQ即实际流动的流量3537/,2400NNQMSPKN推力为2管道系统如图所示管长1240LLM,直径12400,80DMMDMM两水箱水面高度差H20M沿呈阻力系数12004,0035局部阻力系数1205,02其他阻力系数自定试求流量。解由题2,HHHHSQQS即HS为总阻抗由于12,LL串联所以12HSSS111111123241213128,1056,126LDSDGAA其中则带入解得2511334424/SSM22222242428,1LDSDG其中解得25237395/SSM2121ABMHHRMBHM所求流量为38/LS3矩形断面的水渠有一平板闸门宽度B34M上下游水深分别为122508HMHM和,试求水流对平板的冲力不计水头损失。解由连续性方程112212825VHVHVV对闸门两边写伯努利方程LHGVPZGVPZ222222221111由于不计水头损失所以121212122222121220,1,812522LPPHZZHHVVHHVGG解得216/,19/VMSVMS再由动量方程21FQVV22QVBH22122112FGBHHNQVV其中N为板对水流的阻力其与水流对板的冲力大小相等。解得N2655KN即所求水流对板的冲力为2655KN4今欲开挖一梯形断面土渠已知流量3Q10M/S,边坡系数15M粗糙系数N002,为防止冲刷取最大允许流速为1M/S求水力最优断面尺寸和底坡I。解由题取水力最优断面则22106MMBMMH即06BH210QABMHHMV带入B计算得H22M,B13M由谢才公式VCRI2121ABMHHRMBHM16150CRN带入谢才公式得I00004即水力最优断面尺寸为H22MB13M底坡I000045棱柱形渠道由急坡I1变到缓坡I2且0201HH各段均匀足够长请绘出水面曲线示意图并标出类型。本题见参考书191页983图932C定性描述水面曲线非常重要每年必考难度逐年加大需特别注意。2008一、填空题1理想流体是指忽略了粘滞力的流体2某变径管两断面的雷诺数之比为1/4则其管径之比为4/13绝对压强是以没有气体分子存在的当地大气压PA为基准算起的压强。4流线上各质点的流速都与该线相切。5均匀流动中沿程水头损失于切应力成正比关系6沿程直径不变流量也不变的管道称为均匀管。7孔口自由出流和淹没出流的计算公式相同各项系数相同但H代表意义不同。8均匀流是流体中质点的位变加速度为零的流动。9石油输送管路的模型试验要实现动力相似应选用相似准则是FR弗罗特准则10明渠水流模型试验长度比尺为4模型流速为2M/S时则原型中的流速为05M/S二简答题11文字描述牛顿内摩擦定律。答流体的内摩擦力与其速度梯度DUDY成正比与液层的接触面积A成正比与流体的性质有关而与接触面积的压力无关即DUFADY。12写出理想元流的伯努利方程并说明其物理意义和使用条件。答22PUZCG其中Z表示单位重量流体所具有的位能。P表示单位重量流体所具有的压强势能22UG表示单位重量流体所具有的动能PZ表示单位重量流体所具有的总势能22PUZG表示单位重量流体所具有的机械能。13简述明渠均匀流发生的条件和特征。答明渠均匀流发生的条件明渠均匀流只能出现在底坡不变断面形状尺寸壁面粗糙系数都不变的长直顺坡渠道中。明渠均匀流的流线是相互平行的直线因此具有以下特征1过水断面的形状尺寸及水深沿程不变。2过水断面上的流速分布断面平均流速沿程不变。3总水头线、水面线及渠底线相互平行。所以总水头线坡度水力坡度J水面线坡度测压管水头线坡度JP和渠道底坡I彼此相等即JJPI。14解释渗流模型并写处均匀渗流和渐变渗流的基本计算公式。答渗流模型即为在保持渗流区原有边界条件和渗透流量不变的条件下把渗流看成是由液体质点充满全部渗流区的连续总流流动。均匀渗流基本公式QVAAKIVUKI渐变渗流的基本公式DHQAVBHKIDSDHVKJKIDS15举例说明量纲分析方法。答本题见参考书79页例51本题出题很不严谨注意定理的应用下次可能会考三计算题16如图所示混凝土海堤靠海一侧为抛物线曲面202ZX。水深密度31025/KGM试求作用在单位长度海堤上的静水总压力。解设曲面海堤围成的压力体为OAB如图所示压力体所受的水平压力XP垂直压力YP则有2115102598125622XCXHPRHARHKN1674YPRVKN压力体体积根据面积积分公式求由于作用在海提上的力于作用在压力体上的力互为作用力与反作用力故其所受的力222093XYFPPKN,与水平方向夹角ARCTAN531YXPP17如图所示水在变径竖管中从下往上流动已知Z0处的直径005DM通过的流量309/QMS不计粘性作用为使管流中个断面的压力相同即0PZP试求竖管的直径DZ于Z的关系。解设Z0断面为00断面ZZ断面为11断面则对00断面与11断面列伯努利方程222000,222VVPPZVZZRGRGG20V即Z1由连续性方程得222000440DDVDVVVD即2又2244QQDVVD即3由123联立得222442448118091109831405QZGDDD即41006716ZD18梯形断面渠道边坡系数15M底坡00005I粗糙系数0025N设计流量315/QMS。按水里最优条件设计渠道断面的尺寸。解设矩形断面宽为B高为H根据水力最有条件设计有221061BMMH即B061H1又5323AIQCARIN2而2,21ABMHHBMH3联立123得B061M,H104M19水流通过变截面弯管若已知弯管的直径200,150ABDMMDMM流量301/QMS。断面AA的相对压强218/APKNM管中心线均在同一水平面上求固定此管所