国家开放大学《流体力学》考试题库及答案

国家开放大学《流体力学》考试题库及答案一、选择题1.连续介质假设意味着（）A.流体分子间没有间隙B.流体中的物理参数是连续函数C.流体分子间有间隙，但可以忽略D.流体不可压缩答案：B。连续介质假设是将流体视为由无数连续分布的流体质点所组成的连续介质，流体的物理参数（如密度、速度、压强等）在空间和时间上都是连续分布的，可表示为连续函数。A选项，流体分子间是有间隙的；C选项不是其核心含义；D选项，连续介质假设与流体是否可压缩无关。2.理想流体是指（）A.忽略黏性的流体B.密度不变的流体C.不可压缩的流体D.符合牛顿内摩擦定律的流体答案：A。理想流体是一种理想化的模型，其主要特征是忽略流体的黏性。B选项，密度不变的流体是不可压缩流体；C选项，不可压缩流体强调密度不随压力等因素变化；D选项，符合牛顿内摩擦定律的是黏性流体。3.牛顿内摩擦定律适用于（）A.层流运动B.紊流运动C.层流和紊流运动D.牛顿流体的层流运动答案：D。牛顿内摩擦定律只适用于牛顿流体的层流运动。牛顿流体是指符合牛顿内摩擦定律的流体，在层流状态下，流体的黏性表现符合该定律，而紊流运动较为复杂，不单纯遵循牛顿内摩擦定律。4.液体的黏性随温度的升高而（）A.增大B.减小C.不变D.不定答案：B。液体的黏性主要是由分子间的内聚力引起的，当温度升高时，分子的热运动加剧，内聚力减弱，导致液体的黏性减小。5.气体的黏性随温度的升高而（）A.增大B.减小C.不变D.不定答案：A。气体的黏性主要是由分子的热运动引起的动量交换产生的。温度升高时，分子的热运动加剧，动量交换更频繁，气体的黏性增大。6.静止流体中任意一点的压强大小（）A.与作用面的方位有关B.与作用面的方位无关C.与作用面的大小有关D.与作用面的形状有关答案：B。根据流体静压强的特性，静止流体中任意一点的压强大小只与该点的位置有关，而与作用面的方位无关。流体静压强在各个方向上的大小是相等的。7.等压面是指（）A.压强相等的点组成的面B.压力相等的点组成的面C.高度相等的点组成的面D.密度相等的点组成的面答案：A。等压面是指压强相等的点所组成的面。等压面的性质在流体静力学中有重要应用，例如在连通器中，同一液体的静止等压面是水平的。8.绝对压强与相对压强的关系为（）A.绝对压强=相对压强+当地大气压B.绝对压强=相对压强-当地大气压C.相对压强=绝对压强+当地大气压D.相对压强=绝对压强-当地大气压答案：A。绝对压强是以绝对真空为基准计量的压强，相对压强是以当地大气压为基准计量的压强。所以绝对压强等于相对压强加上当地大气压。9.某点的真空度为65000Pa，当地大气压为0.1MPa，该点的绝对压强为（）A.65000PaB.55000PaC.35000PaD.165000Pa答案：C。已知当地大气压\(p_{a}=0.1MPa=100000Pa\)，真空度\(p_{v}=65000Pa\)。根据绝对压强\(p\)、相对压强\(p_{r}\)和真空度\(p_{v}\)的关系\(p=p_{a}-p_{v}\)，可得该点的绝对压强\(p=100000-65000=35000Pa\)。10.液体在重力作用下作恒定流动时，沿流程方向总水头线是（）A.上升的B.下降的C.水平的D.不定的答案：B。根据能量方程和水头损失的概念，液体在重力作用下作恒定流动时，由于存在沿程水头损失和局部水头损失，总水头是不断减小的，所以沿流程方向总水头线是下降的。11.恒定流是指（）A.流场中各点的流速不随时间变化的流动B.流场中各点的压强不随时间变化的流动C.流场中各点的运动参数不随时间变化的流动D.流场中各点的速度大小和方向不随时间变化的流动答案：C。恒定流的定义是流场中各点的运动参数（如流速、压强、密度等）不随时间变化的流动。A选项只强调了流速；B选项只强调了压强；D选项只强调了速度大小和方向，都不全面。12.流线与迹线重合的条件是（）A.恒定流B.非恒定流C.不可压缩流D.可压缩流答案：A。在恒定流中，流场中各点的流速不随时间变化，流线的形状和位置也不随时间变化，此时流线与迹线重合。在非恒定流中，流线和迹线一般不重合。13.均匀流是指（）A.流场中各点的流速大小相等的流动B.流场中各点的流速方向相同的流动C.流场中各过流断面流速分布相同的流动D.流线为平行直线的流动答案：D。均匀流的定义是流线为平行直线的流动。在均匀流中，各过流断面的流速分布相同，沿程没有流速的大小和方向的变化。A选项只强调了流速大小相等；B选项只强调了流速方向相同；C选项是均匀流的一个特征，但不是定义。14.圆管层流运动的断面流速分布规律为（）A.均匀分布B.对数曲线分布C.抛物线分布D.椭圆分布答案：C。根据圆管层流的理论分析，圆管层流运动的断面流速分布规律为抛物线分布，管轴处流速最大，管壁处流速为零。15.圆管层流运动的沿程水头损失与断面平均流速的（）次方成正比。A.1B.1.75C.2D.2.5答案：A。圆管层流运动的沿程水头损失\(h_{f}\)的计算公式为\(h_{f}=\frac{32\mulv}{\gammad^{2}}\)，其中\(v\)是断面平均流速，由此可知沿程水头损失与断面平均流速的一次方成正比。16.圆管紊流运动的断面流速分布规律为（）A.均匀分布B.对数曲线分布C.抛物线分布D.椭圆分布答案：B。在圆管紊流运动中，由于流体的紊动混合作用，断面流速分布比层流更均匀，但仍不均匀，其流速分布规律接近对数曲线分布。17.圆管紊流粗糙区的沿程水头损失与断面平均流速的（）次方成正比。A.1B.1.75C.2D.2.5答案：C。在圆管紊流粗糙区，沿程水头损失\(h_{f}\)与断面平均流速\(v\)的平方成正比，这是因为在粗糙区，黏性底层很薄，壁面粗糙度对流动的影响起主要作用。18.雷诺数\(Re\)是判别下列哪种流态的重要无量纲数（）A.层流和紊流B.均匀流和非均匀流C.恒定流和非恒定流D.渐变流和急变流答案：A。雷诺数\(Re=\frac{vd}{\nu}\)，其中\(v\)是断面平均流速，\(d\)是管径，\(\nu\)是运动黏度。当\(Re\ltRe_{c}\)（临界雷诺数）时，流动为层流；当\(Re\gtRe_{c}\)时，流动为紊流。所以雷诺数是判别层流和紊流的重要无量纲数。19.当雷诺数\(Re\)较小时，表明作用在液流上的（）起主导作用。A.惯性力B.黏性力C.重力D.压力答案：B。雷诺数反映了惯性力与黏性力的比值。当雷诺数较小时，说明黏性力相对惯性力较大，黏性力起主导作用，此时流体的流动表现为层流。20.水力半径\(R\)是指（）A.过流断面面积与湿周之比B.过流断面面积与管长之比C.湿周与过流断面面积之比D.管长与过流断面面积之比答案：A。水力半径\(R\)的定义为过流断面面积\(A\)与湿周\(\chi\)之比，即\(R=\frac{A}{\chi}\)。水力半径是反映过流断面形状和大小对水流阻力影响的一个重要参数。二、判断题1.连续介质假设使流体的研究摆脱了复杂的分子运动，而着眼于宏观的机械运动。（）答案：正确。连续介质假设将流体视为连续分布的介质，忽略了流体分子的微观运动，使我们可以用连续函数来描述流体的宏观物理量，从而便于进行数学分析和研究流体的宏观机械运动。2.理想流体在流动过程中没有能量损失。（）答案：正确。理想流体忽略了黏性，而黏性是引起流体能量损失的主要原因之一。在理想流体的流动过程中，不存在黏性引起的能量耗散，所以没有能量损失。3.流体的黏性是流体的固有属性，与流体的运动状态无关。（）答案：正确。黏性是流体的一种物理属性，它只与流体的种类、温度等因素有关，而与流体的运动状态（如静止或流动）无关。无论流体是否运动，只要流体存在，就具有黏性。4.静止流体中各点的压强大小只与该点的位置有关。（）答案：正确。根据流体静压强的特性，静止流体中任意一点的压强大小只与该点的位置有关，与作用面的方位无关。流体静压强的分布规律由流体的密度和该点在重力场中的位置决定。5.等压面一定是水平面。（）答案：错误。等压面是压强相等的点组成的面，只有在连通的同种静止液体中，等压面才是水平面。如果液体不连通、非同种液体或者液体处于运动状态，等压面不一定是水平面。6.绝对压强总是大于相对压强。（）答案：错误。绝对压强是以绝对真空为基准计量的压强，相对压强是以当地大气压为基准计量的压强。当绝对压强小于当地大气压时，相对压强为负值，此时绝对压强小于相对压强加上当地大气压的绝对值。7.恒定流中，流线的形状和位置不随时间变化。（）答案：正确。在恒定流中，流场中各点的流速不随时间变化，根据流线的定义，流线的形状和位置也不随时间变化。8.均匀流一定是恒定流。（）答案：错误。均匀流是指流线为平行直线的流动，恒定流是指流场中各点的运动参数不随时间变化的流动。均匀流不一定是恒定流，例如在一个管径不变的管道中，流量随时间变化的流动，虽然是均匀流，但不是恒定流。9.圆管层流的断面平均流速是管轴处最大流速的一半。（）答案：正确。对于圆管层流，管轴处流速最大，其值为\(u_{max}\)，断面平均流速\(v=\frac{1}{2}u_{max}\)。10.圆管紊流的沿程水头损失系数\(\lambda\)只与雷诺数\(Re\)有关。（）答案：错误。圆管紊流的沿程水头损失系数\(\lambda\)与雷诺数\(Re\)和管壁的相对粗糙度\(\frac{\Delta}{d}\)有关。在不同的紊流区域，\(\lambda\)与\(Re\)和\(\frac{\Delta}{d}\)的关系不同。三、简答题1.简述连续介质假设的意义。连续介质假设是将流体视为由无数连续分布的流体质点所组成的连续介质。其意义主要体现在以下几个方面：-数学描述方便：使我们可以用连续函数来描述流体的各种物理参数，如密度、速度、压强等。这样就可以运用高等数学中的微积分等工具对流体的运动进行分析和研究，大大简化了流体力学问题的处理。-忽略微观复杂性：摆脱了研究流体分子的复杂运动，着眼于流体的宏观机械运动。在宏观尺度下，流体的宏观性质是大量分子运动的统计平均结果，连续介质假设忽略了分子间的间隙和分子的随机运动，使研究更加关注流体的整体行为。-建立统一理论基础：为建立流体力学的基本理论和方程提供了基础。例如，连续性方程、运动方程等都是基于连续介质假设推导出来的，这些方程是研究流体各种流动现象的重要工具。2.简述理想流体的概念及其在流体力学研究中的作用。理想流体是一种理想化的模型，是指忽略了黏性的流体。在实际流体中，黏性是普遍存在的，但在某些情况下，黏性对流体运动的影响较小，可以忽略不计。理想流体在流体力学研究中的作用主要有：-简化问题分析：由于忽略了黏性，流体的运动分析变得相对简单。在研究一些问题时，如流体的势流理论、无旋流动等，使用理想流体模型可以得到较为简洁的解析解，帮助我们初步理解流体运动的基本规律。-提供理论基础：为实际流体的研究提供了理论基础。通过对理想流体的研究，我们可以得到一些基本的概念和理论，然后在此基础上考虑黏性的影响，对实际流体的运动进行更深入的分析。-便于实验研究：在实验研究中，理想流体模型可以帮助我们设计实验方案和分析实验结果。例如，在一些风洞实验和水洞实验中，当黏性影响较小时，可以近似将流体视为理想流体，从而更好地研究流体与物体的相互作用。3.简述流体静压强的特性。流体静压强具有以下两个重要特性：-方向特性：流体静压强的方向总是沿着作用面的内法线方向。这是因为流体不能承受拉力，在静止状态下，流体对作用面的压力只能是垂直指向作用面的，即沿着作用面的内法线方向。-大小特性：静止流体中任意一点的压强大小只与该点的位置有关，而与作用面的方位无关。也就是说，在静止流体中，同一点在各个方向上的压强是相等的。这一特性可以通过取微小四面体的流体微元，根据力的平衡条件推导得出。4.简述恒定流与均匀流的区别和联系。区别：-定义不同：恒定流是指流场中各点的运动参数（如流速、压强、密度等）不随时间变化的流动；均匀流是指流线为平行直线的流动。-强调重点不同：恒定流强调的是运动参数随时间的变化情况，与流场的空间分布无关；均匀流强调的是流场中流速的空间分布情况，与时间无关。-表现形式不同：恒定流中，流场中各点的流速大小和方向可能随空间位置变化；均匀流中，各过流断面的流速分布相同，但流量可能随时间变化。联系：-可能同时存在：在某些情况下，流体的流动可以既是恒定流又是均匀流。例如，在管径不变、流量稳定的管道中，流体的流动就是恒定均匀流。-相互影响：均匀流在一定条件下可以保持恒定流的状态，而恒定流也可能表现为均匀流的形式。在研究流体流动时，它们的特性可以相互结合，用于分析和解决实际问题。5.简述层流和紊流的主要区别。层流和紊流是流体流动的两种不同流态，它们的主要区别如下：-流体质点运动方式：层流中，流体质点沿着平行的流线作有规则的分层流动，各层之间的流体质点互不掺混；紊流中，流体质点的运动是杂乱无章的，除了有沿主流方向的运动外，还有垂直于主流方向的脉动运动，流体质点之间相互掺混。-流速分布：层流的断面流速分布呈抛物线形状，管轴处流速最大，管壁处流速为零；紊流的断面流速分布比层流更均匀，接近对数曲线分布。-能量损失：层流的能量损失主要是由流体的黏性引起的，沿程水头损失与断面平均流速的一次方成正比；紊流的能量损失除了黏性损失外，还有由于流体质点的脉动和掺混引起的附加损失，在紊流粗糙区，沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比。-判别方法：可以通过雷诺数\(Re\)来判别层流和紊流。当\(Re\ltRe_{c}\)（临界雷诺数）时，流动为层流；当\(Re\gtRe_{c}\)时，流动为紊流。四、计算题1.有一矩形断面的渠道，底宽\(b=2m\)，水深\(h=1m\)，求该渠道的过流断面面积\(A\)、湿周\(\chi\)和水力半径\(R\)。解：-过流断面面积\(A\)：矩形断面的过流断面面积\(A=b\timesh\)，已知\(b=2m\)，\(h=1m\)，则\(A=2\times1=2m^{2}\)。-湿周\(\chi\)：湿周是过流断面上流体与固体壁面接触的周界长度。对于矩形断面渠道，湿周\(\chi=b+2h\)，将\(b=2m\)，\(h=1m\)代入可得\(\chi=2+2\times1=4m\)。-水力半径\(R\)：根据水力半径的定义\(R=\frac{A}{\chi}\)，将\(A=2m^{2}\)，\(\chi=4m\)代入可得\(R=\frac{2}{4}=0.5m\)。2.某圆管直径\(d=100mm\)，管内水流的断面平均流速\(v=1m/s\)，水的运动黏度\(\nu=1\times10^{-6}m^{2}/s\)，试判别管内水流的流态。解：首先计算雷诺数\(Re\)，雷诺数的计算公式为\(Re=\frac{vd}{\nu}\)。已知\(v=1m/s\)，\(d=100mm=0.1m\)，\(\nu=1\times10^{-6}m^{2}/s\)，将这些值代入公式可得：\(Re=\frac{1\times0.1}{1\times10^{-6}}=100000\)。对于圆管流动，临界雷诺数\(Re_{c}=2000\)。因为\(Re=100000\gtRe_{c}=2000\)，所以管内水流的流态为紊流。3.有一水平放置的等直径圆管，管径\(d=50mm\)，管长\(l=10m\)，管内水流的断面平均流速\(v=0.5m/s\)，水的运动黏度\(\nu=1\times10^{-6}m^{2}/s\)，求该管段的沿程水头损失\(h_{f}\)。解：第一步，计算雷诺数\(Re\)：\(Re=\frac{vd}{\nu}\)，将\(v=0.5m/s\)，\(d=50mm=0.05m\)，\(\nu=1\times10^{-6}m^{2}/s\)代入可得：\(Re=\frac{0.5\times0.05}{1\times10^{-6}}=25000\)。因为\(Re\gt2000\)，所以流动为紊流。假设该管为光滑管，对于紊流光滑区，可采用布拉修斯公式\(\lambda=\frac{0.3164}{Re^{0.25}}\)计算沿程水头损失系数\(\lambda\)。\(\lambda=\frac{0.3164}{25000^{0.25}}\approx0.023\)。第二步，根据达西-魏斯巴赫公式\(h_{f}=\lambda\frac{l}{d}\frac{v^{2}}{2g}\)计算沿程水头损失\(h_{f}\)，其中\(g=9.8m/s^{2}\)，\(l=10m\)，\(d=0.05m\)，\(v=0.5m/s\)，\(\lambda=0.023\)。\(h_{f}=0.023\times\frac{10}{0.05}\times\frac{0.5^{2}}{2\times9.8}\approx0.059m\)。4.如图所示，有一密闭水箱，水面上的绝对压强\(p_{0}=110kPa\)，当地大气压\(p_{a}=101.3kPa\)，求水面下\(h=2m\)处\(A\)点的绝对压强\(p_{A}\)和相对压强\(p_{rA}\)。（水的密度\(\rho=1000kg/m^{3}\)，重力加速度\(g=9.8m/s^{2}\)）解：（1）求\(A\)点的绝对压强\(p_{A}\)：根据流体静力学基本方程\(p=p_{0}+\rhogh\)，其中\(p_{0}=110kPa=110000Pa\)，\(\rho=1000kg/m^{3}\)，\(g=9