贵州大学流体力学试卷及参考答案

贵州大学学年第二学期考试试卷A一、名词解释(共20分，每小题4分)1．理想流体2．水锤现象3．定常流动4．水力光滑与水力粗糙管5．气体一维定常等熵流动的极限状态二、简答题(共30分，每小题6分)1．简述液体和气体随温度增加，粘性变化趋势及原因。2．对于静止液体，当作用在液体上的质量力仅有重力时，则液体中的哪些面是等压面？3．Ⅰ．请写出以下两个方程的名称方程一：ConstZgp方程二：Const22gvZgpⅡ．从单位重量流体能量观点简要说明两方程中各项的物理意义，以及两方程的物理意义；Ⅲ．这两个方程在应用条件上有何相同和差异之处。4．什么是紊流的时均速度？写出紊流时均速度轴向分量u的定义式，指出式中各符号的含义。5．什么是有旋流动？什么是无旋流动？分别给出其数学条件。四．分析证明题(共20分，每小题10分)1．已知不可压粘性流体绕圆球流动，阻力FD与球的直径d、来流速度U0、流体的密度ρ、动力粘度μ有关，试用π定理推求阻力FD的表达式。2．冯卡门假定，在不可压层流流动中,vx可用一个多项式表示，假设这个多项式最高项是3次项，试确定之。四．计算题(共30分，每小题10分)1．离心式风机可采用如图所示的集流器来测量流量，已知风机入口侧管道直径d=400mm，U形管读数h＝100mmH2O,水与空气的密度分别为ρ水＝1000kg/3m,ρ空＝1.2kg/3m,忽略流动的能量损失，求空气的体积流量qv。得分评分人得分评分人得分评分人得分评分人2．已知长1.22米，宽1.22米的平板沿长度方向顺流放置，空气流动速度为3.05m/s，密度ρ＝1.2kg/m3，运动粘滞系数ν=0.149cm2/s。试求平板受力。对层流边界层有：而对紊流边界层有：3．已知大气层中温度随高程H的变化为：T=288-aH，式中a=0.0065K/m，现有一飞机在10000m高空飞行，飞行马赫数为1.5。求飞机的飞行速度。参考答案及评分标准一、1．实际的流体都是有粘性的，没有粘性的假想流体称为理想流体。2．当管道中的阀门突然关闭，以一定压强流动着的水由于受阻流速突然降低，压强突然升高。突然升高的压强迅速地向上游传播，并在一定条件下反射回来，产生往复波动而引起管道振动的现象。3．流场中各空间点上所有物理参数均与时间变量t无关，称作定常流动。4．流体在管内作紊流流动时，用符号△表示管壁绝对粗糙度，δ0表示粘性底层的厚度，则当δ0＞△时，叫此时的管路为水力光滑管；（2分）当δ0＜△时，叫此时的管路为水力粗糙管。（2分）5．在绝热流动的过程中，气流的绝对压强与热力学温度为零，气流的总能量全部转化为宏观运动的动能的状态。二、1．一般认为：液体粘性主要取决于分子间的引力，气体的黏性主要取决于分子的热运动。温度升高时，气体分子的热运动加剧，气体的粘性增大，（2分）而分子间引力变化的黏度影响可忽略不计；（1分）对于液体由于温度升高体积膨胀、分子距增大，分子间的引力减小，故液体粘性随温度升高减小，（2分）而分子的热运动变化的黏度影响可忽略不计。（1分）2．属于等压面的是以下水平面（3分）5.0328.1ReCf2.0074.0ReCf（1）自由表面（或气液分界面）（1分）（2）两种不互溶液体的交界面（1分）（3）液体内能互相连通（或不被隔断）的同一种液体内的各水平面。（1分）3．（1）方程一是流体静力学基本方程，方程二是伯努力方程。（3分）（2）方程中p/ρg是压强势能项，z是位置势能项，v2/2g是动能项；（1分）方程一的物理意义当连续不可压流体处于平衡状态时，在流体的任意点上，单位重量流体的总势能为常数。（2分）（3）方程一的物理意义当连续不可压重力流体做一维定常流动时，在同一流线的不同点上，或者同一微元流束的不同截面上，单位重量流体的动能，压强势能，位置势能之和等于常数，实质是能量守恒定律在流体中的具体表现。方程一是方程二在流体静止时的特例。4．紊流真实速度在一定时间间隔内的统计平均值叫紊流的时均速度。（4分）TttoudtT1u式中：t△－初始时刻T－时间间隔u－瞬时速度u－时均速度5．流体微团的旋转角速度不等于零的流动称为有旋流动，流体微团的旋转角速度等于零的流动称为无旋流动。数学条件：021V无旋流动021V有旋流动三、1．0),,,,(0UdDf选d,U0,r为独立基本量纲，可以组成5-3=2个π项2221110201cbacbaUdDUd（3分）写成量纲式]LTM[]LM[][LT[L]]0[231111cba按量纲和谐原理求指数，对联立求解得：122111cba所以，2021UdD，RedUUd1002（4分）0)1,(0221ReUdDf，阻力)(202ReUdFD或248)(202UdReFD，130:L111cba20:T1b10:M1c令24,8)(dAReCD，则：220UACFDD（4分）2．假定这个三次多项式为，332210yayayaavx根据下列边界条件来确定待定系数a0、a1、a2和a3（以下每个条件1分）(1)在平板壁面上的速度为零，即在y=0处,vx=0(2)在边界层外边界上的速度等于来流速度V∞,即在y=δ处vx=V∞，(3)在边界层外边界上，摩擦切应力yvx为零，即在y=δ处，0yxyv(4)由于在平板壁面上的速度为零，即vx=vy=0，由简化后的纳斯方程有01dxdpyvyx这样（3分）所以：])(21)(23[)(3yyVyvx（3分）四、1．由伯努利方程分）（分）（得　　　代入分）（由静力学方程　　分）　　（－得＝＋＋水水水3/sm08.5(0.4)443.40d4vq2m/s43.402.110001.0807.922ghv2gh-p0ghp3pp2v2gv0gp000322v22．554103105.210149.022.105.3Re（3分）形成层流边界层（1分）3510656.2105.2328.1fC（3分）20212UblCFf2305.32.1210656.222.122.12N1013.443（3分）00aVa23102a332Va3．K223100000065.0288T（2分）sm33.2992232874.1kRTa（4分）sm44933.2995.1aMua（4分）贵州大学第二学期考试试卷A流体力学参考答案及评分标准三、名词解释(共20分，每小题5分)1．计示压强：以当地大气压强为基准计量的压强aeppp2．等压面：在液体中压强相等的点组成的面称为等压面。3．流线：速度场的矢量线，任一时刻t，曲线上每一点处的切向量都与该点的速度向量相切。流线微分方程：0vrd4．当量直径：非圆形截面管道截面积的4倍与湿周之比，或等于4倍水力半径，RxAD44。四、简答题(共24分，每小题6分)1．如果流体的密度表示为),,,(tzyx，分别写出它的当地导数和迁移导数的表达式。当地导数:t（2分）迁移导数:)(V（3分）其中:kzjyix（1分）2．简述粘性流体绕流物体时产生阻力的原因。如何减少阻力？（1）阻力有两部分，一部分是由于粘性产生切向应力形成的摩擦阻力；另一部分是由于边界层分离产生压强差形成的压差阻力。（3分）（2）把物体作成流线型，使分离点后移，甚至不发生分离，可减少绕流阻力。（3分）3．流体力学中的系统是什么意思？它有哪些特点？由确定的流体质点组成的流体团或流体体积V(t)（3分）。系统边界面S(t)在流体的运动过程中不断发生变化（3分）。4．发生边界层分离的必要条件是什么？为什么边界层分离要产生压差阻力？粘性流体绕流曲面物体，在压强升高的区域（减速流动），有可能出现边界层的分离，形成尾涡区（3分）。从分离点开始的物体后部所受到的流体压强，大致接近分离点的压强，而不能恢复到理想流体绕流时的压强，使绕流物体后部的压强比无摩擦时低，所以在物体前后产生一个净压差，产生与来流方向的一致的净力从而形成压差阻力（3分）。得分评分人得分评分人三．分析证明题(共24分，每小题12分)1.不可压缩流体无旋流动的速度分布为ByAxu，DyCxv，0w，若此流场满足连续性方程，试导出A、B、C、D所需满足的条件。（不计重力影响）根据连续性方程0DAzwyvxu（4分）根据无旋流动条件：0BCyuxvz（4分）A、B、C、D所满足得条件为：DA；BC（4分）2.无限空间的液体中压力波的传播速度C取决于液体的弹性模量E、密度ρ，试用量纲分析法求波速C的表达式。),(EfC，bakEC（4分）K为常数，写出量纲式（4分）ba][ML]T[ML][LT3211由量纲和谐原理，求指数得（4分）2121baEkC四．计算题(共32分，第1、2小题10分，第3小题12分)1．如图所示为一贮水设备，在C点测得绝对压强p=196120Pa，h=2m，R=1m，求作用于半球AB的总压力。得分评分人得分评分人C点的测压管到水面的距离m（5分）=246.37kN（5分）2．有一超声速飞机在距离地面18km的空中以马赫数Ma=2.2的速度水平飞行，设空气为标准状态，问飞机越过地面观察者多长时间，才能听到声音？设飞机飞过地面观察着的水平距离为x时，才能听到声音m/s（2分）(4分)则km（2分）故时间为：s（2分）3．有一变直径弯管，轴线位于同一水平面，转角α=60°，直径dA=200mm,dB=150mm，当流量qv=0.１m3/s时，表压强pA=28kPa，若弯管AB段的水头损失hw=1m,水的密度ρ=1000kg/m3，求水流对弯管的作用力。s/18m.32.01.04d4qv221v1（1分）s/66m.515.01.04d4qv222v2（1分）根据能量方程w22222111h2gvgpz2gvgpz将21zz和已知数值代入，求得分）(46838Pa219.81000)5.66-(3.1821000108.2gh)v-(v2pp224w222112由)v-cos(vqcosApApF12v2211x0)-sin(vqsinAp-F2v22y38N.44018.3cos606(5.61.0100015.04268382.041028)vcosv(q-ApApF22312v2211x）＝90N.900)0sin6066.5(1.01000sin600.15426838F2y分）　　　＋4(985.86)90.900()38.440(FF2222XNFY与x轴的夹角为05.2690.90038.440arctanFFarctanyx（2分）贵州大学第二学期考试试卷A五、名词解释(共20分，每小题5分)1．理想流体：实际的流体都是有粘性的，没有粘性的假想流体称为理想流体。2．水力光滑与水力粗糙管：流体在管内作紊流流动时（1分），用符号△表示管壁绝对粗糙度，δ0表示粘性底层的厚度，则当δ0＞△时，叫此时的管路为水力光滑管；（2分）当δ0＜△时，叫此时的管路为水力粗糙管。（2分）3．边界层厚度：物体壁面附近存在大的速度梯度的薄层称为边界层；（2分）通常，取壁面到沿壁面外法线上速度达到势流区速度的99％处的距离作为边界层的厚度，以δ表示。（3分）得分评分人4．卡门涡街：流体绕流圆柱时，随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离点