(2025年)流体力学试卷题库及答案

(2025年)流体力学试卷题库及答案一、选择题（每题3分，共30分）1.关于流体粘性的描述，正确的是（）A.粘性是流体抵抗剪切变形的能力，仅与温度有关B.气体粘性随温度升高而减小，液体粘性随温度升高而增大C.理想流体假设忽略粘性，适用于所有流动问题D.牛顿流体的切应力与速度梯度成正比，比例系数为动力粘度答案：D2.静止流体中某点的静压强特性不包括（）A.方向垂直于作用面并指向作用面B.同一点各方向静压强相等C.压强大小与作用面方位无关D.压强随深度增加呈线性递减答案：D3.不可压缩理想流体定常流动中，伯努利方程适用的条件是（）A.任意流线间的能量转换B.同一流线上不同点的机械能守恒C.非定常流动时仍可使用D.必须考虑粘性耗散答案：B4.雷诺数Re的物理意义是（）A.惯性力与粘性力之比B.粘性力与惯性力之比C.压力与粘性力之比D.重力与惯性力之比答案：A5.圆管层流流动中，断面流速分布的规律是（）A.均匀分布B.对数分布C.抛物线分布D.指数分布答案：C6.尼古拉兹实验中，湍流过渡区的沿程阻力系数λ（）A.仅与雷诺数Re有关B.仅与相对粗糙度Δ/d有关C.与Re和Δ/d均有关D.与Re和Δ/d均无关答案：C7.马赫数Ma=1时，气体流动处于（）A.亚声速流动B.超声速流动C.声速流动D.跨声速流动答案：C8.边界层分离的主要原因是（）A.流体粘性消失B.逆压梯度与粘性共同作用C.来流速度过高D.壁面温度变化答案：B9.等温自由射流中，射流核心区的特点是（）A.速度等于来流速度B.速度沿程线性衰减C.温度显著高于周围流体D.核心区长度与喷口直径无关答案：A10.平面势流中，势函数φ和流函数ψ满足的关系是（）A.∇²φ=0，∇²ψ≠0B.∇²φ≠0，∇²ψ=0C.∇²φ=0，∇²ψ=0D.∇²φ≠0，∇²ψ≠0答案：C二、填空题（每空2分，共20分）1.牛顿内摩擦定律的表达式为τ=______，其中μ为______。答案：μ（du/dy）；动力粘度2.静止流体中，静压强的两个特性是______和______。答案：方向垂直于作用面；同一点各方向压强相等3.不可压缩流体连续性方程的微分形式为______，其物理意义是______。答案：∇·v=0；质量守恒4.雷诺数的表达式Re=______，当Re<2000时，圆管流动为______。答案：vd/ν；层流5.沿程水头损失的计算公式为hf=______，其中λ为______。答案：（λl/d）（v²/2g）；沿程阻力系数6.卡门涡街形成的必要条件是______和______。答案：钝体绕流；雷诺数达到一定范围三、简答题（每题8分，共40分）1.简述流体粘性的本质及影响因素。答案：流体粘性的本质是分子间的内聚力（液体）或分子热运动的动量交换（气体）。液体粘性主要受温度影响（温度升高，内聚力减弱，粘性减小）；气体粘性随温度升高而增大（分子热运动加剧，动量交换增强）。压力对粘性影响较小，通常可忽略。2.说明静压强的两个特性，并举例其在工程中的应用。答案：特性一：静压强方向垂直于作用面并指向作用面（因流体不能承受拉力，静止时无切应力）；特性二：同一点各方向静压强相等（由平衡条件推导）。工程应用如液压千斤顶（利用静压强传递力）、大坝设计（计算坝面静水压力分布）。3.阐述伯努利方程的物理意义及应用条件。答案：物理意义：单位重量流体的机械能（动能、势能、压能）之和沿流线守恒。应用条件：①理想流体（忽略粘性）；②定常流动；③不可压缩流体；④沿同一流线。4.解释雷诺数的物理意义，并说明其在流动状态判断中的作用。答案：雷诺数Re=惯性力/粘性力。当Re较小时，粘性力主导，流动为层流（流体质点无横向运动）；Re超过临界值时，惯性力主导，流动转为湍流（质点剧烈混合）。圆管流动中，临界Re约为2000（下临界值），Re<2000为层流，否则为湍流。5.分析边界层分离的原因及减小分离的措施。答案：分离原因：逆压梯度（主流区速度降低，压强升高）与粘性共同作用，导致边界层内流体动能耗尽，质点回流，脱离壁面。减小措施：①设计流线型物体（避免大的逆压梯度）；②边界层吹吸（补充动能）；③控制壁面粗糙度（加速层流转捩为湍流，增加边界层动能）。四、计算题（共60分）1.（20分）如图所示，一垂直放置的矩形闸门，宽度b=2m，高度h=3m，闸门顶部距水面深度h1=1m。求闸门所受的静水总压力及压力中心位置（取g=9.8m/s²）。解：（1）静水总压力P=ρgAhc其中，形心深度hc=h1+h/2=1+3/2=2.5m面积A=b×h=2×3=6m²P=1000×9.8×6×2.5=147000N=147kN（2）压力中心深度yD=hc+（Ic）/（Ahc）矩形对形心轴的惯性矩Ic=（bh³）/12=（2×3³）/12=4.5m⁴yD=2.5+4.5/（6×2.5）=2.5+0.3=2.8m答案：总压力147kN，压力中心距水面2.8m。2.（20分）水平放置的变直径圆管，已知粗管直径d1=100mm，细管直径d2=50mm，粗管流速v1=1m/s，水的密度ρ=1000kg/m³，粘性忽略不计。求：（1）细管流速v2；（2）若粗管与细管间的压强差Δp=15000Pa，判断流动方向（粗管→细管或细管→粗管）。解：（1）由连续性方程v1A1=v2A2，A=πd²/4v2=v1（d1/d2）²=1×（100/50）²=4m/s（2）对粗管（1-1）和细管（2-2）截面列伯努利方程（水平管，z1=z2）：p1/ρg+v1²/2g=p2/ρg+v2²/2gΔp=p1-p2=ρ（v2²v1²）/2=1000×（16-1）/2=7500Pa题目中Δp=15000Pa>7500Pa，说明实际p1-p2更大，因此流动方向为粗管→细管（高压→低压）。答案：（1）v2=4m/s；（2）粗管→细管。3.（20分）20℃空气（ν=1.5×10⁻⁵m²/s）以v∞=10m/s流过平板，假设边界层为层流，试用布拉修斯解计算：（1）距前缘x=0.5m处的边界层厚度δ；（2）单位宽度平板的摩擦阻力F（取平板长度L=1m）。解：（1）层流边界层厚度δ=5.0x/√Re_xRe_x=v∞x/ν=10×0.5/1.5×10⁻⁵≈3.33×10⁵（<5×10⁵，层流）δ=5.0×0.5/√(3.33×10⁵)=5.0×0.5/(577.35)≈0.00433m=4.33mm（2）局部摩擦系数cf=0.664/√Re_x单位宽度的总摩擦阻力F=∫₀^Lτwdx=∫₀^L(0.5ρv∞²cf)dx=0.5ρv∞²×0.664/√(v∞/ν)×∫₀^Lx^(-1/2)dx积分得：F=