西南交大土木研究生复试水力学复试题库附答案

西南交大土木研究生复试水力学复试题库附答案一、名词解释1.连续介质2.恒定流3.水力坡度4.相对运动5.流管6.动量修正系数7.断面比能8.水跃9.渗流10.自动模型区二、选择题1.理想液体与实际液体的主要区别在于（）。A.密度B.粘滞性C.压缩性D.表面张力2.在均匀流中，流线（）。A.平行且直线B.平行但曲线C.不平行但直线D.不平行且曲线3.液体的粘度主要与（）有关。A.压力B.温度C.流速D.密度4.雷诺数的物理意义表示（）。A.惯性力与重力之比B.惯性力与粘滞力之比C.压力与惯性力之比D.粘滞力与重力之比5.紊流粗糙区的沿程水头损失系数λ仅与（）有关。A.雷诺数B.相对粗糙度C.雷诺数和相对粗糙度D.弗劳德数6.文丘里流量计测量流量时，其流量公式主要依据（）方程推导。A.连续性方程B.伯努利方程C.动量方程D.连续性方程和伯努利方程7.水击波在管道中的传播速度（）。A.等于水流速度B.小于水流速度C.远大于水流速度D.接近于音速8.在明渠均匀流中，底坡i、水力坡度J和测压管坡度三者的关系为（）。A.iB.iC.iD.i9.渗流模型中的流速v与实际渗流流速之间的关系为（）。A.vB.vC.vD.不确定10.矩形断面明渠水跃的共轭水深比/随跃前断面弗劳德数F的增大而（）。A.减小B.增大C.不变D.先增大后减小11.作用在曲面上的静水总压力的垂直分力等于（）。A.曲面的面积乘以形心处的压强B.压力体的体积乘以液体的重度C.曲面在铅垂面上的投影面积乘以形心压强D.曲面的体积乘以液体的重度12.欧拉运动微分方程适用于（）。A.理想液体B.实际液体C.不可压缩液体D.牛顿液体13.圆管层流运动中，断面流速分布呈（）。A.线性分布B.抛物线分布C.对数分布D.指数分布14.判别明渠水流流态（急流或缓流）的准则参数是（）。A.雷诺数B.弗劳德数C.欧拉数D.韦伯数15.下列关于边界层分离的描述，正确的是（）。A.只在层流中发生B.只在紊流中发生C.在逆压梯度区容易发生D.在顺压梯度区容易发生三、简答题1.简述液体粘滞性的产生机理及其对流体运动的影响。2.试述理想流体伯努利方程的物理意义及几何意义，并说明其应用条件。3.为什么要引入动量修正系数和动能修正系数？在层流和紊流中它们的数值通常取多少？4.简述圆管层流和紊流在流速分布、切应力分布及水头损失规律上的主要区别。5.什么是水击现象？产生水击的原因是什么？工程中常采取哪些措施来减小水击危害？6.什么叫边界层？边界层分离的条件是什么？边界层分离与漩涡产生及绕流阻力有何关系？7.明渠水流有哪三种流态？如何用弗劳德数进行判别？各流态的断面比能随水深的变化规律有何不同？8.简述水跃函数的特性及其在水跃计算中的应用。9.解释渗流中的达西定律及其适用范围，并写出渗流模型的流速公式。10.说明模型试验中为什么要遵循弗劳德准则（重力相似准则）和雷诺准则（粘性力相似准则），在什么情况下可以忽略雷诺准则？四、计算题1.有一铅直放置的矩形平板闸门，已知水深H=5m(1)求作用在闸门上的静水总压力的大小和作用点位置。(2)若在闸门上游2m处（距液面）设置一测压管，测压管液面高出自由液面12.图示一水平变直径管段，已知=300mm，=100mm，断面1-1处的压强=150(1)断面2-2处的流速和压强。(2)若管段固定，求水流对管壁的作用力（假设流量不变）。3.某输油管道，长度L=1000m，直径d=200mm(1)判断流态。(2)沿程水头损失（若为层流，使用λ=64/Re；若为紊流粗糙区，使用4.一矩形断面渠道，底宽b=4m(1)求临界水深。(2)若渠底坡度i=0.001，糙率n=0.02，判断该渠道底坡属于缓坡还是陡坡（提示：计算正常水深5.有一梯形断面渠道，底宽b=5m，边坡系数m=1.5(1)跃后水深。(2)水跃长度（经验公式=6.9((3)单位宽度水跃消耗的能量ΔE答案与解析一、名词解释1.连续介质：假想流体是由无数没有间隙的流体微团（质点）组成的连续介质，从而可以运用连续函数的数学工具来描述流体的运动。2.恒定流：流场中各空间点的运动要素（如流速、压强、密度等）不随时间而变化的流动。3.水力坡度：总水头线沿流程的降低值与流程长度的比值，表示单位长度流程上的水头损失，即J=4.相对运动：液体在运动的固体边界（如叶轮）中运动，此时液体的运动为相对运动，通常引入牵连速度、相对速度和绝对速度的概念进行分析。5.流管：在流场中任取一封闭曲线（非流线），通过该曲线上所有点作流线，这些流线所构成的管状表面称为流管，流管内的流体称为流束。6.动量修正系数：实际流速分布不均匀，用断面平均流速代替实际流速计算动量时引入的修正系数，=。7.断面比能：指对于明渠水流，以通过渠底的水平面作为基准面计算的断面单位重量液体的总机械能，=h8.水跃：明渠水流从急流状态（超临界流）过渡到缓流状态（亚临界流）时，水面突然跃起的局部水力现象，属于急变流。9.渗流：流体在孔隙介质（如土壤、岩石缝隙）中的流动，通常指地下水运动。10.自动模型区：在模型试验中，当雷诺数Re超过某一临界值后，沿程阻力系数λ或绕流阻力系数不再随Re二、选择题1.B。理想液体忽略了粘滞性，这是与实际液体的根本区别。2.A。均匀流的定义是流线为平行直线，故迁移加速度为零。3.B。液体的粘度随温度升高而降低（气体相反），主要与温度有关，受压力影响极小。4.B。Re5.B。在紊流粗糙区（阻力平方区），粘性底层极薄，λ仅取决于壁面相对粗糙度。6.D。利用连续性方程求流速关系，利用伯努利方程建立压差与流速关系。7.C。水击波速c=8.A。明渠均匀流的重要特性是三坡相等：i=9.B。渗流模型流速v是全断面平均流速，实际流速是孔隙中流速，因孔隙率n<1，故v10.B。=(−1)，11.B。垂直分力=ρ12.A。欧拉方程是基于无粘性（理想）流体推导的。13.B。圆管层流流速分布呈旋转抛物面分布。14.B。Fr<1缓流，F15.C。边界层内流速减小，动能降低，若遇逆压梯度（压强沿程增加），流体无法克服阻力前进，导致边界层分离。三、简答题1.简述液体粘滞性的产生机理及其对流体运动的影响。液体粘滞性产生的机理主要源于分子间的内聚力（动量交换）。当液体流动时，液层间存在相对运动，由于分子间的内聚力以及分子热运动引起的动量交换，快层带动慢层，慢层阻滞快层，从而产生切应力。影响：粘滞性是流体产生能量损失（水头损失）的根本原因。在运动方程中体现为摩擦阻力项，使得流速在断面上分布不均匀。在实际工程中，必须克服粘滞阻力才能维持流动，这导致泵或风机需要消耗能量。2.试述理想流体伯努利方程的物理意义及几何意义，并说明其应用条件。方程：z+物理意义：z为单位位能（位置势能），p/γ为单位压能（压强势能），几何意义：各项分别代表位置水头、压强水头和流速水头。方程表明总水头线（线）是一条水平线。应用条件：(1)理想流体（无粘性）；(2)恒定流；(3)不可压缩流体；(4)质量力只有重力；(5)沿同一流线（对于有势流动则适用于整个流场）。3.为什么要引入动量修正系数和动能修正系数？在层流和紊流中它们的数值通常取多少？引入原因：实际流动中，过水断面上的流速分布是不均匀的。在应用总流伯努利方程或动量方程时，为了简化计算，通常用断面平均流速v代替实际流速u。由于和的平均值―和―不等于和，因此需要引入系数α（动能修正系数）和（动量修正系数）进行修正，以保证能量和动量的守恒。数值：层流：流速分布呈抛物线，α=2.0，紊流：流速分布较均匀（对数律），通常近似取α≈1.05∼4.简述圆管层流和紊流在流速分布、切应力分布及水头损失规律上的主要区别。(1)流速分布：层流呈抛物线分布，管轴处最大，管壁处为零；紊流呈对数分布或指数分布，由于质点混掺，流速分布比层流均匀得多，近壁处梯度极大。(2)切应力分布：层流切应力τ=(3)水头损失规律：层流∝（即与流速的一次方成正比）；紊流粗糙区∝（平方阻力区），过渡区介于1~2次方之间。5.什么是水击现象？产生水击的原因是什么？工程中常采取哪些措施来减小水击危害？水击（水锤）现象：在压力管道中，由于阀门突然开启或关闭，或者水泵突然停机，导致管内流速急剧变化，从而引起压强大幅度波动的现象。原因：液体具有惯性和压缩性（管壁也有弹性）。流速变化引起动量变化，产生惯性力，导致压强剧变。减小措施：(1)延长阀门启闭时间，使直接水击变为间接水击；(2)设置调压塔或空气室，以缓冲水击压强；(3)在管路上设置水击消除器（安全阀）；(4)限制管道流速，减小管长。6.什么叫边界层？边界层分离的条件是什么？边界层分离与漩涡产生及绕流阻力有何关系？边界层：在大雷诺数下，流经固壁附近的流场存在一个薄层，在此层内流速梯度很大，粘性力与惯性力同量级，必须考虑粘性影响，此薄层称为边界层。分离条件：当边界层内的逆压梯度（dp/d关系：边界层分离是产生漩涡的主要原因。漩涡的产生导致尾流区压强降低，从而增大了压差阻力（形状阻力）。不分离的流线型物体绕流阻力主要为摩擦阻力。7.明渠水流有哪三种流态？如何用弗劳德数进行判别？各流态的断面比能随水深的变化规律有何不同？三种流态：缓流、临界流、急流。判别：利用弗劳德数FrFr<1为缓流；F断面比能=h+=(1)缓流区：随h增大而增大（d/d(2)临界流：取得最小值（d/d(3)急流区：随h增大而减小（d/d8.简述水跃函数的特性及其在水跃计算中的应用。水跃函数θ(h)特性：在共轭水深和处，水跃函数值相等，即θ()=θ(应用：利用水跃函数这一特性，已知跃前水深，可求解跃后水深（或反之）。对于矩形渠道，可推导出常用的水跃共轭水深公式：=(−19.解释渗流中的达西定律及其适用范围，并写出渗流模型的流速公式。达西定律：渗流流速v与水力坡度J成正比，即v=kJ适用范围：适用于层流渗流（线性渗流定律），即雷诺数很小的渗流（Re渗流模型流速公式：v=，其中A为过水断面总面积（包括骨架和孔隙）。注意模型流速v小于实际孔隙流速，v=n（10.说明模型试验中为什么要遵循弗劳德准则（重力相似准则）和雷诺准则（粘性力相似准则），在什么情况下可以忽略雷诺准则？遵循原因：模型试验要求模型与原型在动力上相似。弗劳德准则代表重力相似，适用于重力起主导作用的流动（如明渠水流、堰流）。雷诺准则代表粘性力相似，适用于粘性力起主导作用的流动（如管道流、潜体绕流）。忽略雷诺准则的情况：当流动处于“自动模型区”时。对于雷诺数很大的流动（如明渠水流、风洞试验中的高雷诺数流动），此时粘性力影响相对较小，且阻力系数与Re无关，只要保证Fr相等，即可自动满足阻力相似，此时可忽略四、计算题1.解：(1)闸门面积A=受压面形心淹没深度=H静水总压力大小P=作用点位置（距液面距离）=+矩形面对形心轴的惯性矩===2.5即作用点距水面3.33m，距闸门底部5(2)若设置测压管，说明液面压强不为0。测压管液面高出自由液面1m，即表面压强=这相当于液面增加了1m新的形心处压强=+新的总压力=A压力增加了ΔP（注：作用点位置不变，因为压强分布图仍为矩形+三角形，相当于平移了图形，压力中心位置相对于闸门几何中心不变）。2.解：(1)根据连续性方程========列1-1和2-2断面的伯努利方程（水平管=，不计损失）：+==+=150000（注：出现负压，需注意汽化问题，此处仅作计算）。(2)取控制体（1-1至2-2管段），设管壁对水流的力R（方向假设向左）。动量方程（x方向）：−−Q=R=R=R=R为正，说明管壁对水流的力向左。水流对管壁的作用力=−R，即方向向右，大小为3.解：(1)计算流速和雷诺数。断面平均流速v=雷诺数Re由于Re(2)计算沿程水头损失。层流沿程阻力系数λ=达西公式：=λ=0.0377=0.0377=188.54.解：(1)求临界水深。矩形断面单宽流量q=临界水深公式=，取α==。(2)判断底坡类型。需计算正常水深（即均匀流水深）。矩形渠道谢才公式：Q=AC，其中CQ=代入数值：16=16=16=10.12=1≈试算：若=1.0，左边1，右边。若=2.0，右边。若=2.5，右边。若=2.7，右边。故正常水深≈2.7比较：≈2.7对于正坡渠道，>为缓坡。故该渠道底坡属