水力学综合练习及解析.doc

水力学综合练习
一、判断题

1.流动的液体内部的质点之间存在着相对运动，液体质点之间会产生反抗这种相对运动的摩擦力，这种特性称为黏滞性。（ ）
2. 静水压强的方向平行并指向作用面。（ ）
3. 不可压缩恒定总流的连续性方程对理想液体和实际液体都适用。 （ ）
4. 层流的沿程水头损失系数与雷诺数成正比。（ ）
5. 圆管层流的流速沿径向是按抛物线规律分布的。 （ ）
6. 判别水流是层流或紊流流态的无量纲数是雷诺数Re。（ ）
7. 明渠非均匀流的底坡线、水面线、总水头线三者总是平行的。（ ）
8. 堰流是急变流，是位能转化为动能的过程。 （ ）
9．在温度不变的情况下，牛顿流体的黏滞系数是变量，随着流速梯度而改变。 （ ）
10．仅在重力作用下，静止液体内各点，对同一基准面的单位势能均相等。 ( )
11．水力半径全面反映了水流横向边界特征对于过流能力和水流阻力的综合影响。 ( )
12．圆管层流的流速沿径向是按直线规律分布的。 （ ）
13．明渠均匀流的底坡肯定是逆坡。 （ ）
14．在明渠均匀流中，断面比能保持沿程不变。（ ）
15．一般情况下闸孔出流的能量损失主要是局部水头损失。 （ ）

二、单项选择题
1．牛顿内摩擦定律 （ ）
A所有流体均适用 B只适用于膨胀流体
C只适用非牛顿流体 D只适用于牛顿流体
2．液体中某点的绝对压强为108kN/m2，则该点的相对压强为 （ ）
A 1 kN/m2 B 2 kN/m2 C 8 kN/m2 D 10 kN/m2
3．液体质点在运动过程中，不同时刻所流经空间点的连线称为 （ ）
A 迹线 B 流线
C 总水头线 D 测压管线
4．水流在流动过程中，运动要素不随流程而改变的流动，称为 ( )
A非均匀流 B恒定流
C 均匀流 D 缓流
5．按长管计算的管道流动的总水头线与测压管水头线（ ）
A 相重合 B是平行的直线
C 相平行，呈阶梯状 D 相垂直
6．水力最佳断面是（ ）
A湿周一定，面积最小的断面 B面积一定，通过流量最大的断面
C最低造价的断面 D 最小糙率的断面
76. 静水中若某点的真空压强是20kPa，则其相对压强是（ ） A 118 kPa B 78 kPa C -20 kPa D -78 kPa
8. 某瞬时在流场中绘制的一条曲线，该瞬时位于曲线上各质点的速度都与这条曲线相切，这曲线是 （ ）
A 迹线 B 总水头线 C 测压管线 D 流线
9. 以下哪种流态是不可能存在的？（ ）
A 明渠非恒定均匀流 B 明渠恒定均匀流
C 明渠恒定非均匀流的 D 明渠非恒定非均匀流
10. 水泵的扬程是指（ ）
A 水泵提水高度 B 水泵提水高度+吸水管的水头损失
C 水泵提水高度 + 吸水管与压水管的水头损失
D 吸水管与压水管的水头损失
11. 矩形断面明渠水力最佳断面的宽深比β等于（ ）
A 1 B 2 C 3 D 4
12. 判别明渠水流流态的依据是弗汝德数，当Fr ＞1则为（ ）
A 缓流 B 急流 C 急变流 D 临界流

三、问答题
1. 用渗流模型取代真实的渗流，必须遵守哪些原则？
2. 动量方程的适用条件？
3．什么是液体的可压缩性？什么情况下需要考虑液体的可压缩性？
4．同一边界在不同水流条件下为什么有时是水力光滑，有时是水力粗糙？

四、计算题
1．如图所示挡水矩形平板AB，已知水深h=2 m，板的宽b＝4m，求作用在矩形平板AB上的静水总压力的大小及作用点处的水深。

2．温度为 10°C的水，其运动粘度ν＝0.0131cm2/s，管径为d=10 cm，当管中通过的流量为 Q=0.01m3/s时，试计算管中水流的流速，并判别水流流态。如果水流要转变为另一种流态 ，则管中的水流流速应为多大？
3．图示一跨河倒虹吸圆管，管径d＝0.8m，长 l=50 m，管道每个30o转折处的局部水头损失系数ζ1=0.2，管道进口和出口的局部水头损失系数分别为ζ2=0.5，ζ3=1.0，倒虹吸管沿程水头损失系数λ=0.024，上下游水位差 H=3m。求通过倒虹吸管内的流速和流量Q（上下游渠道内的流速水头忽略不计）。

4．某矩形断面渡槽内的水流为均匀流，渡槽长l=200m，底宽b=2m，糙率n=0.015，当渡槽内的水深h=1m时，通过的流量Q=3.30m3/s。问该渡槽的底坡和两端断面的水面落差是多少？
5.有一3孔WES型实用堰。每孔净宽=8.0 m，上游堰高P=35m，堰顶水头H=3.2m，已知实用堰的流量系数m=0.502，侧受缩系数e1=0.96，堰下游收缩水深hc=0.5m，相应宽度30m，下游水位低于堰顶，下游河道水深ht=3.5m。
（1）求实用堰的流量Q 。
（2）确定堰下游水跃衔接形式，说明堰下游是否需要修建消能设施？
（3）如采用底流式消能，消能池中的水跃应为什么形式水跃？
6．有一矩形断面长渠道内水流作均匀流运动，已知渠道的底宽b=3.2m，渠中水深h=1.6m，糙率n=0.025，渠道的底坡i=0.0009，试计算渠道内通过的流量Q，并判别渠道内的水流是急流还是缓流?
7．某输油管道长L=500m，直径d=0.15m，流速v=0.24m/s，油的粘滞系数ν＝2.0cm2/s，试判断此时的流动型态；确定此管段的沿程阻力损失。
8．图示水箱一侧有一向上开口的短管，箱内水位恒定，水流通过短管向上喷射。若短管出口至水箱水面高h=5 m，短管局部水头损失系数ζ=1.2，沿程水头损失可以忽略，取动能修正系数α=1。忽略空气阻力，求管嘴的出流速度v及射流达到的高度z。

9.某矩形断面渠道中建有单孔平板闸门，已知平板闸门的宽度b＝6 m，闸前水深为 H=5m，闸孔流量系数μ=0.45，闸门开度e=0.5m，闸底板与渠底齐平。
（1）不计闸前行进流速水头，按自由出流求过闸流量Q。
（2）若闸下收缩水深hc＝0.4m，下游水深ht=2.5m，判断闸下水跃衔接的形式，并确定是否需要修建消力池？

练习解析
一、判断题
1．√ 2．× 3．√ 4．× 5．√ 6．√7．× 8．√
9．× 10．√ 11．√ 12．× 13．× 14．√ 15．√
二、 单选题
1．D 2．D 3．A 4．C 5．A 6． B
7．C 8．D 9．A 10．C 11．B 12． B

三、简答题
1． 用渗流模型取代真实的渗流，必须遵守哪些原则？
答：（1）通过渗流模型的流量必须和实际渗流的流量相等。（2）对同一作用面，从渗流模型得出的动水压力，应当和真实渗流动水压力相等。（3）渗流模型的阻力和实际渗流应相等，也就是说水头损失应该相等。
2．动量方程的适用条件？
答：（1）水流是恒定流，流量沿程不变；（2）水流为不可压缩的连续液体；（3）所选过流断面为渐变流断面，但是两个断面之间的水流可以是急变流。
3．什么是液体的可压缩性？什么情况下需要考虑液体的可压缩性？
答：液体的可压缩性是指：当外界的压强发生变化时液体的体积也随之而发生改变的特性。液体的可压缩性在一般情况下可以不必考虑，但是当外界压强变化较大，如发生水击现象时必须予以考虑。
4．同一边界在不同水流条件下为什么有时是水力光滑，有时是水力粗糙？
答：对于某个具体边界，粗糙度Δ是一定的；而粘滞底层厚度δ0随紊流强度Re的增大而减小。因此存在3种情况：
（a）当Re较小，δ0较大而且Δ/δ0＜0.3 ，边界粗糙突起Δ对紊流运动没有影响，认为边界是光滑的，即为紊流水力光滑区。（b）当Re较大，δ0较小且Δ/δ0＞6 ，这时边界凸起突入紊流核心，对紊流运动影响很大，边界是粗糙的，为紊流水力粗糙区。（c）当Re介于两者之间，0.3≤Δ/δ0≤6，粘滞性和紊流都对水流运动产生影响，这时紊流过渡粗糙区。
分析说明，边界同一个粗糙度Δ，当水流强度Re不同，相应粘滞底层厚度δ0也不同，这就构成紊流3个不同的流区，因水流阻力不同而形成不同的水头损失变化规律。

四、计算题
1．如图所示挡水矩形平板AB，已知水深h=2 m，板的宽b＝4m，求作用在矩形平板AB上的静水总压力的大小及作用点处的水深。

解：∵平板AB 的形心点c的水深 hc = h/2 = 1m
∴ 作用在平板上的静水总压力为

静水总压力作用点d处的水深 hD = h = 4/3 m＝1.333m

2.温度为 10°C的水，其运动粘度ν＝0.0131cm2/s，管径为d=10 cm，当管中通过的流量为 Q=0.01m3/s时，试计算管中水流的流速，并判别水流流态。如果水流要转变为另一种流态 ，则管中的水流流速应为多大？
解： 管中水流的流速为 m/s
水流的雷诺数为
因为雷诺数 Re＝972.5＜2000，管内为层流。
如果要转变为紊流则＞2000 ，
则流速应v＞=2.62cm/s

3．图示一跨河倒虹吸圆管，管径d＝0.8m，长 l=50 m，管道每个30o转折处的局部水头损失系数ζ1=0.2，管道进口和出口的局部水头损失系数分别为ζ2=0.5，ζ3=1.0，倒虹吸管沿程水头损失系数λ=0.024，上下游水位差 H=3m。求通过倒虹吸管内的流速和流量Q（上下游渠道内的流速水头忽略不计）。

解：按短管淹没出流计算，取下游水面为基准面，对上下游渠道内的计算断面建立能量方程

计算圆管道断面的水力半径和局部水头损失系数
d＝0.8m
将参数代入上式计算，可以求解得到圆管内的流速
v = 4.16 m/s
倒虹吸管通过的流量Q为 Q＝v A=2.093m3/s

4．某矩形断面渡槽内的水流为均匀流，渡槽长l=200m，底宽b=2m，糙率n=0.015，当渡槽内的水深h=1m时，通过的流量Q=3.30m3/s。问该渡槽的底坡和两端断面的水面落差是多少？
解：矩形渡槽的断面面积 A=bh=21=2m2
湿周 x=b+2h=2+21=4m2
水力半径 R=A/x=0.5m
谢才系数 C==59.39m0.5/s
渡槽的底坡 i==0.001544
渡槽两端断面槽底的落差即水面落差
Δh=li=0.00154200=0.308m

5.有一3孔WES型实用堰。每孔净宽=8.0 m，上游堰高P=35m，堰顶水头H=3.2m，已知实用堰的流量系数m=0.502，侧受缩系数e1=0.96，堰下游收缩水深hc=0.5m，相应宽度30m，下游水位低于堰顶，下游河道水深ht=3.5m。
（1）求实用堰的流量Q 。
（2）确定堰下游水跃衔接形式，说明堰下游是否需要修建消能设施？
（3）如采用底流式消能，消能池中的水跃应为什么形式水跃？

（1）P/H=35/3.2＞1.33是高堰，且为非淹没，实用堰的流量
Q＝e1mn b ＝0.96×0.502×3×8×=293.3m3/s
（2）下游单宽流量 q=Q/30=9.78m2/s ，临界水深hk= ＝2.14m
hc=0.5m＜hk＜ht=3.5m，而且＝6.0m＞ht=3.5m
堰下游发生远驱水跃，需要修建消力池。
（3）如采用底流式消能，消能池中的水跃应为微淹没式水跃

62．有一矩形断面长渠道内水流作均匀流运动，已知渠道的底宽b=3.2m，渠中水深h=1.6m，糙率n=0.025，渠道的底坡i=0.0009，试计算渠道内通过的流量Q，并判别渠道内的水流是急流还是缓流？
解：

m0.5/s
＝5.29 m3/s
渠道内通过的流量Q=5.29m3/s
渠道内水流的佛汝德数为 ＜1 水流为缓流。

7．某输油管道长L=500m，直径d=0.15m，流速v=0.24m/s，油的粘滞系数ν＝2.0cm2/s，
试判断此时的流动型态；确定此管段的沿程阻力损失。
解： 1），为层流；
2） 管段的沿程阻力系数为

管段的沿程阻力损失 （油柱）

8．图示水箱一侧有一向上开口的短管，箱内水位恒定，水流通过短管向上喷射。若短管出口至水箱水面高h=5 m，短管局部水头损失系数ζ=1.2，沿程水头损失可以忽略，取动能修正系数α=1。忽略空气阻力，求管嘴的出流速度v及射流达到的高度z。
解：（1）以短管出口为基准，列水箱水面与短管出口断面的能量方程，求短管出口流速
h+0+0=0+0+v2/2g+hw hw ＝1.2×v2/2g
即 5=v2/2g+1.2×v2/2g 解得v=6.67m/s
（2）以短管出口为基准，列短管出口与射流最高点z的能量方程
0+0+ v2/2g=z+0+0+hw1 hw1=0
z= v2/2g =2.27m
即射流达到的高度z=2.27m

9.某矩形断面渠道中建有单孔平板闸门，已知平板闸门的宽度b＝6 m，闸前水深为 H=5m，闸孔流量系数μ=0.45，闸门开度e=0.5m，闸底板与渠底齐平。
（1）不计闸前行进流速水头，按自由出流求过闸流量Q。
（2）若闸下收缩水深hc＝0.4m，下游水深ht=2.5m，判断闸下水跃衔接的形式，并确定是否需要修建消力池？

解：(1) 不计v0 , 则H0=H
流量 m3/s
2.227 m2/s
(2) 共轭水深 ＝
＝ ＝1.403m
因为 =1.403m< h t=2.5m ，该水跃为淹没水跃，不需要修建消力池。