(2025年)东北大学《工程流体力学》期末考试真题集(含答案)

(2025年)东北大学《工程流体力学》期末考试练习题集(含答案)一、选择题（每题2分，共10分）1.以下关于流体粘性的描述，错误的是（）。A.粘性是流体抵抗剪切变形的能力B.液体的粘性随温度升高而减小C.气体的粘性随温度升高而增大D.理想流体的粘性系数为零答案：无错误选项（注：实际本题正确选项应为“无错误”，但原题设计时可能存在笔误，正确表述应为“错误的是”，正确选项应为无，此处按常规题设调整为：原题正确选项为“无”，但实际应检查题目是否存在矛盾，此处假设正确选项为无错误，可能题目存在设计问题，实际考试中应避免此类情况。）2.静止流体中，某点的绝对压强为80kPa（当地大气压为100kPa），则该点的相对压强为（）。A.80kPa（正压）B.-20kPa（负压）C.180kPaD.20kPa（负压）答案：B3.不可压缩理想流体在水平等直径管道中作定常流动时，以下说法正确的是（）。A.流速沿程减小B.压强沿程不变C.动能沿程增加D.总水头线为水平线答案：D4.圆管层流流动中，断面平均流速与最大流速的关系为（）。A.平均流速=最大流速B.平均流速=0.5倍最大流速C.平均流速=2倍最大流速D.平均流速=0.8倍最大流速答案：B5.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：A二、填空题（每空2分，共20分）1.流体的压缩性用__________表示，其定义为__________。答案：体积压缩系数；压强变化1单位时体积的相对变化量2.牛顿内摩擦定律的表达式为__________，其中μ的单位是__________。答案：τ=μ(dμ/dy)；Pa·s（或N·s/m²）3.恒定流动中，流线与迹线__________（填“重合”或“不重合”），流线的疏密反映了__________。答案：重合；流速的大小4.圆管湍流流动中，粘性底层厚度δ₀与雷诺数Re的关系为__________（填“正相关”或“负相关”），当δ₀远小于管壁绝对粗糙度Δ时，流动处于__________区。答案：负相关；粗糙管平方阻力5.孔口出流的流速系数φ与__________有关，当孔口为薄壁小孔时，φ约为__________（取两位小数）。答案：局部阻力；0.97三、简答题（每题8分，共24分）1.简述伯努利方程的应用条件，并说明“理想流体”假设在方程中的作用。答案：应用条件：①恒定流动；②不可压缩流体；③质量力仅为重力；④所取过流断面为渐变流断面；⑤两断面间无能量输入或输出。“理想流体”假设忽略了粘性力做功，因此方程中的机械能守恒仅考虑位能、压能和动能的转换，未计入能量损失项。2.解释“边界层分离”现象的成因，并说明其对工程的影响（举一例）。答案：成因：当流体绕曲面流动时，边界层内流体因粘性作用动能减小，在逆压梯度区（压强沿流动方向增加），近壁流体可能因动能耗尽而倒流，导致主流与壁面分离，形成分离区。影响：如飞机机翼边界层分离会增加压差阻力，降低升力；管道弯头处分离会导致局部水头损失增大，增加输送能耗。3.简述相似原理中“雷诺相似准则”和“弗劳德相似准则”的适用场景，并说明两者的区别。答案：雷诺相似准则（Re=常数）适用于粘性力起主导作用的流动（如管内流动、低流速绕流），要求模型与原型的雷诺数相等；弗劳德相似准则（Fr=常数）适用于重力起主导作用的流动（如明渠流动、波浪运动），要求模型与原型的弗劳德数相等。区别：前者关注粘性力与惯性力的平衡，后者关注重力与惯性力的平衡。四、计算题（共46分）1.（12分）如图所示（注：考试中需附示意图，此处描述：开口容器内盛有密度ρ=800kg/m³的油，油层厚度h₁=0.5m，其下为水（ρ_w=1000kg/m³），水层厚度h₂=1.2m，容器底部连接一U型水银测压计（ρ_Hg=13600kg/m³），测压计左侧水银面与容器底部平齐，右侧水银面比左侧高Δh=0.3m。求容器底部A点的绝对压强（当地大气压p_a=101.3kPa）。解：以容器底部为基准面，左侧测压管中，A点压强通过油和水传递至水银面，右侧水银面高出Δh=0.3m。根据静压强平衡，A点绝对压强p_A满足：p_A=p_a+ρgh₁+ρ_wgh₂+ρ_HggΔh代入数据：p_A=101300+800×9.8×0.5+1000×9.8×1.2+13600×9.8×0.3=101300+3920+11760+39984=157,964Pa≈158.0kPa答案：158.0kPa2.（14分）水平放置的渐缩管，进口直径d₁=100mm，出口直径d₂=50mm，进口断面流速v₁=2m/s，流体密度ρ=1000kg/m³。假设流动为理想流体恒定流动，忽略水头损失，求：（1）出口断面流速v₂；（2）进口与出口断面的压强差Δp；（3）若考虑粘性，实际出口流速为v₂'=3.8m/s，求两断面间的水头损失h_f。解：（1）由连续性方程v₁A₁=v₂A₂，A=πd²/4，故v₂=v₁(d₁/d₂)²=2×(100/50)²=8m/s。（2）理想流体，伯努利方程：p₁/ρg+v₁²/(2g)=p₂/ρg+v₂²/(2g)（水平管，z₁=z₂）压强差Δp=p₁p₂=ρ(v₂²v₁²)/2=1000×(8²2²)/2=1000×(64-4)/2=30,000Pa=30kPa。（3）实际流动中，伯努利方程含损失项：p₁/ρg+v₁²/(2g)=p₂/ρg+v₂'²/(2g)+h_f水头损失h_f=(v₁²v₂'²)/(2g)+(p₁p₂)/(ρg)但由连续性方程，实际v₂'应为v₁(d₁/d₂)²=8m/s，题目中v₂'=3.8m/s可能为笔误，假设为实际测量值，则h_f=(v₁²+2(p₁p₂)/ρv₂'²)/(2g)但更合理的计算应为：理想情况下v₂=8m/s，实际v₂'=3.8m/s不符合连续性方程，可能题目中“考虑粘性”指存在损失，此时v₂仍由连续性方程得8m/s，损失项为h_f=(p₁p₂ρ(v₂²v₁²)/2)/(ρg)。但根据题目描述，可能假设实际流量不变，v₂'=3.8m/s为错误，此处按正确连续性计算，h_f=(v₂²v₂'²)/(2g)（若v₂'为实际流速），但可能题目意图为h_f=(v₂²v₂'²)/(2g)，代入v₂=8m/s，v₂'=3.8m/s，则h_f=(6414.44)/(2×9.8)=49.56/19.6≈2.53m。答案：（1）8m/s；（2）30kPa；（3）约2.53m3.（10分）某圆管直径d=50mm，输送水的流量Q=0.005m³/s，水温20℃（水的运动粘度ν=1.0×10⁻⁶m²/s）。（1）判断流态；（2）若为湍流，计算管中心最大流速v_max（假设为光滑管，湍流速度分布为1/7次方律）。解：（1）断面平均流速v=Q/A=0.005/(π×0.05²/4)=0.005/(0.0019635)≈2.546m/s雷诺数Re=vd/ν=2.546×0.05/1.0×10⁻⁶=127,300>4000，为湍流。（2）光滑管湍流1/7次方律，平均流速v=0.817v_max（或v=(7/8)v_max），故v_max=v/0.817≈2.546/0.817≈3.12m/s。答案：（1）湍流；（2）约3.12m/s4.（10分）水流过90°弯头（局部阻力系数ζ=0.9），已知管内流速v=3m/s，密度ρ=1000kg/m³，求弯头的局部水头损失h_j及单位体积流体的能量损失e_j。解：局部水头