水力学040421试题答案a.doc

成绩
100
水力学试题（A卷）答案
040421班
姓名 学号 日期
大题
一
二
三
四
五
六
成绩
20
20
10
10
10
30
一、解释下列概念（每题2分，共20分）
牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律的液体。
恒定流：流场任意空间点的质点运动要素不随时间变化的液流。
迹线：一个流体质点在一段连续时间内在空间运动的轨迹线。
层流：水流各质点互不混掺，有规则性的运动。
卡门涡街：流体绕柱运动时，主体后部的减速增压区发生边界层分离。当雷诺数较大情况下，漩涡从主体后不够规则交替排列的漩涡组合现象。
水力最佳断面：在一定的流量下，能得到最小的过水面积，或者说，在过水断面面积一定的条件下，能通过的流量最大的明渠断面称为水力最佳断面。
孔口收缩系数：是指收缩断面面积与孔口断面面积之比，即。
水击：水击是有压管中最常见的非恒定流动，是有压管中流速因外界原因发生急剧变化时，所带来的一种液体内部压强交替升降的现象。
水跃：水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的局部水力现象。
堰流：明渠中缓流经障壁顶部溢流时，堰壁上游发生壅水，溢流水面降落，这一水流现象称为堰流，障壁称为堰。
二、结合叙述填空（每题2分，共20分）
1、连续介质假说，将液体看作是 由相互间无间隙的质点所组成的连续体 ，它们的 物理性质和运动要素 是连续分布的。
2、粘滞性与流体分子间的 内聚力 和 动量交换 有关。因此，液体温度增高时，粘滞性 减小 ，气体温度增高时，粘滞性 增大 。
3、流体静止状态是指 液体质点之间不存在相对运动 。静止液体质点之间不存在 切应力 ，它们之间的相互作用，都是以 压强 形式表现的。
4、流体运动是 平移 、 转动 ，变形 ，这三种运动的组合。
5、管流试验表明：圆管层流时，断面速度分布呈 B ，沿程损失与断面平均流速的____ D___成正比。
6、渐扩管中能形成。渐缩管中不能形成。因为附面层分离只能发生在断面逐渐扩大而压强沿程增加的增压减速区，所以渐扩管满足条件，而渐缩管不满足条件。
7、在并联管道上，因为流量不同，所以虽然各单位重量液体______相同，但通过各管的水流所损失机械能总量却不相同。
(a)表面张力； (b)粘滞力； (c)测压管水头线； (d)水头损失。
(d)
8、在环形管网计算中必须满足(1)各节点_________，(2)各环路_______。
必须满足(1)各节点（），(2)各环路()。 2
9、大于，小于
10、明渠水流中，型水面曲线：其上游端以正常水深线NN为渐近线，下游端以__水平线__为渐近线的曲线。
三、简单叙述（每题5分，共10分）
1、说明实际液体元流伯诺里方程的物理意义与几何意义。
（1）物理意义
三项分别表示单位重量液体的三种不同的能量形式。
z 为单位重量液体的位能(重力势能)。 为单位重量液体的动能。 为单位重量液体的(压强势能)。 是单位重量液体因克服阻力所损失的能量。
于是z+ 是单位重量液体的势能，而是单位重量液体的机械能。
（2）几何意义
各项表示了某种高度，具有长度的量纲。
z为位置水头。 为压强水头。为流速水头。为水头损失。
通常为p相对压强，此时z+称为测压管水头，以Hp表示，而称为总水头，以H表示。
（4）设二维恒定均速流绕圆柱流动，

根据伯努利方程，愈近圆柱，流速愈小，压强愈大，在圆柱面驻点A处，流速减低为零，压强增加到最大。由于液体不可压缩，继续流来的液体质点，压能部分转化为动能，改变原来的运动方向，沿着圆柱面两侧继续向前流动，流线在停滞点呈分歧现象。
当液体自停滞点A向侧面流去时，由于圆柱面的阻滞作用，在圆柱面上产生边界层。自点A经四分之一圆周到贴近圆柱面的点B以前，流线趋于密集，边界层内液体处在加速减压的情况，压能的部分能支付动能的增加和克服流动阻力而消耗的能量损失，边界层内液体质点的流速不会是零。过了B点以后，由于流线的疏散，边界层内液体处在减速增压的情况。这时动能部分恢复为压能，另外，克服流动阻力而消耗的能量损失也取之于动能。边界层内液体质点的流速迅速降低，到贴近圆柱面的停滞点C点，流速降低为零。由于液体不可压缩，继续流来的液体质点被迫脱离原来的流线，从而使边界层脱离了圆柱面，出现边界层的分离。
四、绘图叙述（每题5分，共10分）
1、试绘出图示ABC壁上相对压强分布，并注明大小。
画出非简化图形也正确
2、设定性画出图示管道的测压管水头线和总水头线。(管径沿程不变)

总水头线，测压管水头线。
四、证明下列各题（每题5分，共10分）
1、如图(a)、(b)所示，半径为，长度为(垂直纸面)的圆柱体，其作用是截止液流。试证明总压力。
解 水平分力

垂直分力

曲面上的静水总压力将等于

2、实验研究表明，圆管总流单位面积边界上的切应力（ML-1T-2），与流体的密度（ML-3），动力粘度（ML-1T-1），断面平均流速（LT-1），断面管径（L）及壁面粗糙高度（量纲L）有关，请用量纲分析方法求的表示式，其中。
解： ，

令
则
六、综合计算题（每题15分，共30分）
1、有一钢筋混凝土有压输水管，管径d＝0.5m，长为500m，输送流量为0.7m3/s，流动为粗糙区。试求该管路的水头损失。
参考：沿程阻力公式：，水力半径：，谢才系数：，指数：，混凝土糙率：n＝0.014。
解 过水断面面积
＝0.785×0.52＝0.196m2
湿周
＝3.14×0.5＝1.571m
水力半径
＝0.125m
取混凝土糙率n＝0.014.按式计算谢才系数。因为R＜1m，按式计算指数
＝0.178
＝49.33m0.5／s
由式(4-65)计算沿程水头损失，即
＝20.97m
2、设管路中有一段水平(0xy平面内)放置的等管径弯管，如图所示。已知管径d=0.2 m，弯管与x 轴的夹角θ=45°，管中过流断面1-1的平均流速v1 = 4 m/s，其形心处的相对压强ρ1=9.81×1O4pa。若不计管流的能量损失，试求水流对弯管的作用力FR。
解:取管内入流处附近均匀流断面和出流处附近均匀流断面为1和2断面
(1)计算速度和流量
根据连续性方程(3-23)式,

并且,所以=4m/s
根据平均流量公式,由题给条件可得
＝0.1256m3/s
(2)．计算两端断面总压力
由伯努利方程。以管轴线为基准面，列1-1和2-2断面能量方程(不计损失)。

并且，则：
＝9.81×104Pa
所以
=194.51kPa
(3)．计算水对管壁作用力Rx和Ry
由动量方程式,设管壁对水作用力R’x方向向左,R’y方向向上
x轴方向：

所以
Rx＝1049.74kN
y轴方向：

所以
Ry＝2532.99kN
R’x、R’y都为正值，说明所设的R’方向是正确的。水对管壁作用力Rx和Ry与管壁对水作用力R’x、R’y方向相反,Rx方向向右,R’y方向向下
合力为
＝2741.91kN
合力方向,与x方向夹角为

＝67.48。