2023年水力学期末考试试题及解析

2023年水力学期末考试试题及解析各位同学，时光荏苒，又到了检验一学期学习成果的时刻。水力学作为工科基础课程，其概念的理解与工程应用能力的培养至关重要。本次期末考试旨在考察大家对水力学基本原理、主要公式及工程应用的掌握程度。以下为2023年度水力学期末考试试题及详细解析，希望能对大家回顾知识点、查漏补缺有所助益。2023年水力学期末考试试题课程名称：水力学适用专业：土木工程、水利水电工程等相关专业考试时间：120分钟总分：100分注意事项：1.请在答题纸上作答，字迹工整，卷面整洁。2.答题前请将密封线内的项目填写清楚。3.所有答案请注明单位，计算结果保留两位小数。一、选择题(每题3分，共15分)1.下列哪项不属于水力学的研究对象基本特性？A.惯性B.粘滞性C.压缩性D.导电性2.静止液体中，某点的绝对压强为p_abs，相对压强为p，当地大气压强为p_a，则三者关系正确的是：A.p_abs=p+p_aB.p=p_abs+p_aC.p_abs=|p-p_a|D.p=p_abs-p_a(当p_abs>p_a时)3.尼古拉兹实验揭示了沿程阻力系数λ的变化规律，下列哪项不是影响λ的主要因素？A.雷诺数ReB.管壁相对粗糙度Δ/dC.流体的容重γD.流动状态（层流或紊流）4.在明渠均匀流中，断面平均流速v与水力坡度J、水力半径R、粗糙系数n之间的关系可由哪个公式表示？A.伯努利方程B.谢才公式C.达西-魏斯巴赫公式D.曼宁公式5.关于水流的两种流态（层流与紊流），下列说法正确的是：A.层流的沿程水头损失与流速的一次方成正比B.紊流的沿程水头损失与流速的一次方成正比C.雷诺数较小时一定为层流D.圆管中，雷诺数Re=2000是层流与紊流的绝对界限二、判断题(每题2分，共10分，正确的打√，错误的打×)1.理想液体是指没有粘滞性且不可压缩的液体。（）2.等压面一定是水平面。（）3.流线和迹线在恒定流条件下重合。（）4.水流在管道中流动时，局部水头损失总是发生在管道的转弯、阀门等局部障碍处。（）5.临界水深是明渠水流中，断面单位能量最小的水深。（）三、简答题(每题8分，共24分)1.简述流体静压强的两个基本特性。2.什么是水力粗糙管和水力光滑管？它们之间的转化与哪些因素有关？3.简述在应用伯努利方程时需要满足的条件及注意事项。四、计算题(共41分)1.（10分）如图所示，一封闭水箱，水面上气体压强p0=9.8kPa（相对压强，表压）。水箱右侧装有一U形水银测压计，测压计左端与水箱中A点相连，A点位于水面下h1=1.2m处，测压计右支管水银面较左支管高出h2=0.25m。已知水银的密度ρ_m=____kg/m³，水的密度ρ_w=1000kg/m³，重力加速度g=9.8m/s²。求水箱中A点的绝对压强p_A_abs（以kPa计）。*(此处应有示意图：封闭水箱，水面上方有气体压力p0，A点在水下h1处，通过软管连接到U形水银测压计左侧，右侧水银面比左侧高h2)*2.（15分）有一水平放置的等直径圆管，输送常温清水（密度ρ=1000kg/m³，运动粘度ν=1.007×10^-6m²/s）。已知管道直径d=0.1m，通过的流量Q=0.02m³/s。若管长L=100m，沿程阻力系数λ=0.025，忽略局部水头损失。试求：（1）管内水流的平均流速v；（2）管流的雷诺数Re，并判断流态；（3）管道两端的沿程水头损失h_f。3.（16分）一简单管道系统如图所示，水从水箱A经长度L=20m、直径d=0.05m的管道流入大气中，出口中心与水箱水面的高差H=5m。已知管道沿程阻力系数λ=0.03，管道进口处为直角进口（局部阻力系数ζ_in=0.5），出口为自由出流（局部阻力系数ζ_out≈1.0）。忽略水箱内的流速水头。试求通过管道的流量Q（m³/s）。（提示：对水箱水面和管道出口断面建立伯努利方程）*(此处应有示意图：水箱A，水位恒定，底部接一管道，管道长度L，直径d，出口在水下H处，出口流入大气)*---2023年水力学期末考试试题解析同学们在完成试题后，想必对自己的掌握情况有了一定的了解。下面我将对各题进行详细解析，希望能帮助大家深化理解，巩固所学。一、选择题解析1.答案：D解析：水力学研究对象为流体，其基本物理性质包括惯性（质量）、重力特性（容重）、粘滞性、压缩性与膨胀性等。导电性通常是描述材料是否导电的性质，不属于流体的基本水力特性。2.答案：A解析：绝对压强以绝对真空为基准，相对压强（表压）以当地大气压强为基准。三者关系为：绝对压强=相对压强+大气压强。当绝对压强小于大气压强时，相对压强为负值，称为真空度，其绝对值为真空压强。选项D的描述不全面。3.答案：C解析：尼古拉兹实验表明，沿程阻力系数λ在层流区仅与雷诺数Re有关；在紊流光滑区也仅与Re有关；在紊流过渡区与Re和管壁相对粗糙度Δ/d有关；在紊流粗糙区（阻力平方区）仅与Δ/d有关。流体的容重γ主要影响重力，对λ的直接影响不大。4.答案：D解析：明渠均匀流的流速计算公式常用曼宁公式：v=(1/n)R^(2/3)J^(1/2)，其中n为粗糙系数，R为水力半径，J为水力坡度。谢才公式为v=C√(RJ)，其中C为谢才系数，曼宁公式是确定谢才系数C的一种经验公式（C=(1/n)R^(1/6)）。伯努利方程是能量守恒方程，达西-魏斯巴赫公式主要用于计算沿程水头损失。5.答案：A解析：层流的沿程水头损失hf与流速v的一次方成正比（hf∝v）；紊流的沿程水头损失hf与流速v的1.75~2次方成正比（hf∝v^1.75~2）。雷诺数较小时“通常”为层流，但雷诺数的临界值并非绝对，它与流动的起始条件、边界扰动等因素有关，2000是圆管中常见的下临界雷诺数。二、判断题解析1.答案：√解析：理想液体是为简化研究而引入的理想化模型，其定义为没有粘滞性（μ=0）且不可压缩（密度ρ=常数）的液体。2.答案：×解析：等压面是指在静止液体中，压强相等的各点所组成的面。其重要特性之一是：在质量力只有重力作用的静止液体中，等压面是水平面。但若存在其他质量力（如离心力），等压面则不一定是水平面，例如旋转容器中静止液体的等压面是旋转抛物面。3.答案：√解析：流线是某一瞬时流场中一条空间曲线，曲线上每一点的切线方向与该点的流速方向一致；迹线是某一流体质点在一段时间内运动的轨迹线。在恒定流中，流场不随时间变化，因此流线的形状和位置不随时间改变，且与迹线重合。4.答案：√解析：局部水头损失是由于流体流经管道中的局部障碍（如弯头、阀门、变径管、进口、出口等）时，流速大小、方向发生急剧变化，产生漩涡，质点间剧烈碰撞而损失的机械能。它主要发生在这些局部障碍区域及其附近的流段。5.答案：√解析：明渠水流的断面单位能量Es=h+αv²/(2g)。当流量Q、渠道断面形式和尺寸一定时，Es是水深h的函数。通过对Es求导并令其等于零，可以证明存在一个临界水深hk，此时断面单位能量Es达到最小值。三、简答题解析1.答案要点：流体静压强具有两个基本特性：（1）方向性：流体静压强的方向总是沿着作用面的内法线方向，即垂直指向作用面。这是因为静止流体不能承受拉力和切力，只能承受压力。（2）等值性：在静止流体中，任一点处各个方向的静压强大小相等，与作用面的方位无关。即p(x,y,z)只是空间坐标的函数，而与方向无关。2.答案要点：水力粗糙管与水力光滑管并非绝对概念，而是相对于粘性底层厚度δ而言的：水力光滑管：当管壁的绝对粗糙度Δ小于粘性底层厚度δ（即Δ<δ）时，管壁粗糙凸起完全被粘性底层覆盖，对紊流核心的流动几乎没有影响，此时的管道称为水力光滑管。水力粗糙管：当管壁的绝对粗糙度Δ大于粘性底层厚度δ（即Δ>δ）时，管壁粗糙凸起暴露在紊流核心中，会引起紊流质点的强烈碰撞和漩涡，对流动阻力产生显著影响，此时的管道称为水力粗糙管。它们之间的转化主要与雷诺数Re（影响粘性底层厚度δ，Re增大，δ减小）和管壁的绝对粗糙度Δ有关。随着Re的增大，粘性底层厚度δ逐渐减小，当δ由大于Δ变为小于Δ时，管道就从水力光滑管转变为水力粗糙管。3.答案要点：应用伯努利方程需满足以下条件及注意事项：（1）流动条件：恒定流。（2）流体条件：不可压缩流体。对于气体，当流速远小于声速（马赫数Ma<0.3）时可近似应用。（3）作用力条件：质量力只有重力。（4）路径条件：沿同一条流线（或微小流束）。对于总流，需沿渐变流断面。注意事项：选取合适的两个计算断面，两断面之间应无能量输入或输出（若有，需在方程中考虑）。选取统一的基准面，以简化计算。各过流断面的压强计算基准（绝对压强或相对压强）需一致。正确计算动能修正系数α，对于紊流，α≈1.0；对于层流，α=2.0。方程中各项单位需统一。注意两断面间的水头损失hw的计算与方向。四、计算题解析1.解：本题考察流体静压强的计算及U形测压计的应用。已知：p0（相对压强）=9.8kPa，h1=1.2m，h2=0.25m，ρ_m=____kg/m³，ρ_w=1000kg/m³，g=9.8m/s²。首先，明确A点的相对压强p_A与测压计读数的关系。U形测压计左右两支管水银面的压强关系（等压面原理）：p_A+ρ_w*g*(h2)=p0+ρ_m*g*h2（说明：A点的压强大于p0，导致右侧水银面上升。A点到左侧水银面的高差为h2，此处为水柱产生的压强；右侧高出部分为水银柱产生的压强。）则A点的相对压强p_A为：p_A=p0+(ρ_m-ρ_w)*g*h2代入数据：p_A=9.8kPa+(____-1000)kg/m³*9.8m/s²*0.25m先计算第二项：(____)*9.8*0.25=____*2.45=____Pa=30.87kPa故p_A=9.8kPa+30.87kPa=40.67kPaA点的绝对压强p_A_abs=p_A+p_a（大气压强）但题目中p0本身是相对压强（表压），即p0=p0_abs-p_a=9.8kPa，所以p_a=p0_abs-9.8kPa。不过，通常在工程计算中，当已知p0为相对压强时，求A点绝对压强也可表示为当地大气压p_a加上A点的相对压强p_A。或者，也可以先求A点的绝对压强：p_A_abs=p0_abs+ρ_w*g*h1而p0_abs=p_a+p0（相对）但题目未直接给出p_a。通过U形管：左侧支管水银面压强（绝对）：p_A_abs-ρ_w*g*h1=p0_abs右侧支管水银面压强（绝对）：p_a+ρ_m*g*h2两式相等：p0_abs=p_a+ρ_m*g*h2而p0_abs=p_a+p0（相对），所以p0（相对）=ρ_m*g*h2-ρ_w*g*h2=(ρ_m-ρ_w)gh2，与前面一致。因此，A点的绝对压强p_A_abs=p_a+p_A。但通常，我们取当地大气压强p_a≈101.325kPa（标准大气压），或在工程中有时近似取100kPa。但题目中p0是相对压强9.8kPa，意味着p0_abs=p_a+9.8kPa。从U形管可知，p0_abs+ρ_wgh1=p_A_abs+ρ_wg(h1-h2)？不，前面的等压面分析更直接。正确的等压面是U形管中较低的那个水银面（左侧水银面）：该面上的压强，左边来自A点：p_A+ρ_w*g*(0)（A点到左侧水银面的垂直距离，如果图中A点与左侧水银面在同一高度，则无需考虑h1。题目描述“A点位于水面下h1处”，而测压计连接点是A点，因此A点直接连接到U形管左侧，A点的压强直接作用于左侧水银面。因此，等