工程流体力学思考题

思考题
第一章流体及其物理性质
1．试述流体的定义，以及它与固体的区别。

2．与气体有哪些共同的特性？它们各有什么不同的特性？试分别举例说明，在空气和水中相同与不同的一些流体力学现象。

3．何谓连续介质？引入连续介质模型的目的意义何在？
4．流体的密度、比容以及相对密度之间有何关系？这三者的单位如何？
5．流体的压缩性与膨胀性可以用哪些参量来描述？
6．完全气体的状态方程是什么？请说明方程中每一个参量的意义。

7．何谓不可压缩流体？在什么情况下可以忽略流体的压缩性？
8．何谓流体的粘性？流体的粘度与流体的压强和温度的关系如何？
9．流体的粘性力与固体的摩擦力有何本质区别？
10．试述牛顿内摩擦定律，根据此定律说明，当实际流体处于静止或相对静止状态时，是否存在切向应力？
11．何谓理想流体？引入理想流体模型的意义何在？
12．试述表面张力的定义，及其产生表面张力的机理。

13．何谓附着力，何谓内聚力？试分析水和水银在毛细管中上升或下降的现象。

14．作用在流体上的力可以分为哪两种？
第二章流体静力学
1．试述流体静压强的两个重要特性。

2．静力学的全部内容适用于理想流体还是实际粘性流体？或者两者都可？为什么？
3．何谓流体的平衡状态与相对平衡状态？它们对应的平衡微分方程有何相同之处与不同之处？
4．试写出欧拉平衡微分方程式，叙述该方程的适用范围以及方程中每一项的物理意义。

5．何谓质量力有势？试写出重力的势函数。

6．不可压缩流体处于平衡状态时，对作用在它上面的质量力有什么要求？
7．试写出静止流体的压强差公式，并叙述其物理意义，此公式对于相对静止流体是否适用？
8．试写出静止流体的等压面的微分方程式，此方程式对于相对静止流体是否适用？
9．试述等压面的重要性质。

10．流体静力学的基本方程式的物理意义和几何意义各是什么？
11．何谓绝对压强、计示压强与真空？它们之间有何关系？
12．静压强的计量单位有哪几种？它们的换算关系如何？
13．在一U型管中，盛有两种不相溶的、不同密度的液体，试问，在同一水平面上的液体压强是否相同？为什么？
14．叙述帕斯卡原理，试举例说明它在工程中的应用。

15．相对平衡液体的静压强分布规律，是否满足静力学基本方程？为什么？
16．液体随所在圆柱形容器，绕轴作等角速度旋转后，液面将发生怎样的变化？它与旋转角速度有什么关系？变化后液面各点的静压强是否相同？为什么？
17．相对平衡的液体的等压面形状与什么因素有关？
18．试写出静止液体作用在平面上和曲面上的总压力计算公式。

19．一般情况下，平面图形的压力中心D为什么总在其形心C的下方？在什么情况下，这两者重合。

20．何谓压力体？压力体由哪些面围成的？
21．用压力体表示的铅垂压力的方向如何确定？的作用线通过哪一点？对于复杂曲面，当曲面两侧有同种液体的压力体如何分析？
22．不同形状的敞开的贮液容器放在桌面上，如果液深相同，容器底部的面积相同，试问作用于容器底部的总压力是否相同？桌面上受到的容器的作用力是否相同？为什么？
23．有一受压面，面积为A，形心C的淹深为 hc,今使该平面绕通过其形心C的水平轴旋转任意角度α，试问该平面所受到的总压力的大小、方向、作用点是否发生变化？
24．叙述阿基米德原理，潜体所受的浮力与潜体在液体的深度有无关系？为什么？
第三章流体运动学
1. 研究流体流动有哪两种方法？这两种方法中，坐标ｘ、ｙ、ｚ有何不同意义？
2．试说明欧拉方法的基本思路，并举例说明它的实际应用。

3．在欧拉方法中，试写出流体质点的加速度表示式，并且说明其力学意义。

对于任意一个物理量N的质点导数又可以写成什么形式呢？
4．在非定常流动中，是否总存在流动加速度？为什么？在定常流动中，情况又将是如何呢？
5．设流体速度为，试说明流场中，的物理意义。

6．何谓定常流动与非定常流动？它们与坐标系的选择有何关系？试举例说明之。

7．试分析以下两种流动的定常性
（1）流体等加速绕流某一静止物体
（2）一无限长的直圆柱体在静止流体中作横向等速直线运动。

8．按照流体的性质，可将流体的流动分为哪几类？
9．按照流动空间的坐标变量数目，可以将流体的流动分为哪几类？
10．何谓流线？流线有什么特性？试写出流线的微分方程式。

11．在定常流动时，流线和迹线有何关系？在非定常流动时，它们的关系又将是如何？
12．何谓流管、流束和有效截面？何谓流量和平均流速？
13．何谓水力半径？引入水力半径的目的意义何在？
14．何谓系统和控制体？它们有何区别与联系？试写出系统—控制体的输运公式并说明其物理意义。

15．试写出积分形式的连续性方程，并说明此方程的适用范围。

对于一维定常流动，此方程又可以简化为什么形式。

16．微分形式的连续方程的一般形式是什么？对于不可压缩流体流动，此方程可以简化为什么形式？
17．一般情况下，流体微团的运动可以分解为哪三部分？每一部分的数学表达式如何？
18．何谓无旋流动与有旋流动？它与流体微团本身的运动轨迹有无关系？试举例说明之。

19．试写出流体微团的旋转角速度的表达式，并说明如何用此表示式判别流体的流动是无旋流动还是有旋流动？
20．何谓正压性流体和压强函数？试分别写出不可压缩流体流动及等熵流动中完全气体的压强函数的表示式。

21．试写出欧拉运动微分方程式，并说明此方程的适用条件。

22．试比较欧拉积分式与伯努里积分式的不同积分条件，根据每一项的几何意义与物理意义，说明流线常数与通用常数的含义有何不同？
23．何谓起始条件？何谓边界条件？试写出流体在固体壁面上的运动学条件和动力学条件。

24．试述涡线、涡管、涡束和涡通量的定义，并与流线、流管、流束和流量的定义相比较。

25．何谓速度环量？试写出其数学表达试。

根据斯托克斯定理，说明它与涡通量的关系。

26．根据沿某一封闭周线的速度环量是否为零，能否判断该封闭周线所包围区域中是否存在旋涡？
27．何谓有势流动？存在速度势的充要条件是什么？
28．试写出速度势函数与速度的关系式，并说明速度势函数有哪些性质？
29．试写出不可压缩平面流动的流函数与速度的关系式，并说明流函数有哪些性质？
30．不可压缩平面无旋流动的流线簇与等势线簇构成的网络有何特点？试简要说明理由。

31．试写出三种简单的不可压缩流体的平面无旋流动：平行流、点源（汇）和点涡的速度势和流函数的表达式。

32．何谓平面势流的迭加原理？如何利用此原理，求解复杂的平面势流问题？
33．试写出偶极流的速度势和流函数的表达式。

第四章流体动力学基础
1．运动中的理想流体与粘性流体所受的表面力有何不同？
2．试写出纳维—斯托克斯方程式，并说明此方程中每一项的意义及此方程的适用条件。

3．用应力表示的运动微分方程式是怎样导出的？适用条件是什么？
4．叙述利用纳维—斯托克斯方程式，求解不可压缩粘性流体在平行平板间作定常层流流动问题的基本思路。

5.试写出积分形式的动量方程和动量矩方程，说明每一项的意义。

对于定常流动，此方程又可以简化为什么形式。

6．试写出理想流体的伯努利方程，并且说明此方程的物理意义，几何意义以及它的适用条件。

7．何谓缓变流和急变流？在缓变流截面上，压强分布有何规律？
8．试写出粘性流体总流的伯努利方程，并且说明此方程的物理意义，几何意义以及它的适用条件。

9．理想不可压缩重力流体，流经弯管时，管内的流体的速度分布与压强分布如何？由此说明弯管两侧的破坏程度有何不同。

10．试述文丘里管测量流量的原理，如果通过文丘里管的流量保持不变，试问管道倾斜放置与水平放置的两种情况，测得差压计的液面高差是否会改变？为什么？
11．表征孔口出流性能主要是哪三个系数?试述这三个系数的物理意义。

12．在容器壁面上孔径相同的条件下，为什么圆柱形外管嘴的流量大于孔口出流的流量？
13．水箱中的水通过底部细管流出，不计损失，试问管内各截面的流速与压强有何变化规律？若拆去细管，水流从小孔流出，则流速与压强的变化规律又将如何？
14．处理变水头出流问题的基本出发点是什么？什么情况下才能这样处理？
第五章粘性流体流动及阻力
1. 雷诺试验表明，粘性流体的流动可以分为哪两种流动状态？试判别流体的流动状态，为何不用上临界雷诺数，而用下临界雷诺数？工程中一般取圆管的临界雷诺数为多少？
2．流体在渐扩管道中，从截面1流向截面2，若已知在截面1处流体作层流流动，试问，
流体在截面2处是否仍保持层流流动？
3．粘性流体在圆管中作层流流动时，其速度分布与切应力分布有何规律？
4．试写出哈根—泊萧叶公式，试述此公式的适用条件和实用意义。

5．何谓紊流流动的脉动现象？何谓时间平均化？引进时均概念的目的意义何在？
6．粘性流体作紊流流动时，其切向应力有何特点？根据普朗特混合长理论，如何求得紊流的附
加切向应力？
7．试从流动特点、速度分布、沿程损失，这三个方面来说明层流流动与紊流流动的区别？
8．圆管中紊流流动可以分为哪三个区域？粘性底层的厚度对紊流流动有何影响？
9．何谓光滑管和粗糙管？对于一根确定的管子是否永远保持为光滑管或粗糙管？为什么？
10．何谓达朗伯疑题，产生的原因是什么？
11．试写出库塔—儒可夫斯基升力公式，并说明如何确定升力方向。

第六章能量损失及管路计算
1．何谓沿程损失和局部损失？试分析产生这两种损失的原因。

2．试写出沿程损失和局部损失的计算公式，并说明公式中每一项的物理意义。

3．尼古拉兹实验曲线图中，可以分为哪五个区域？在这五个区域中，λ与哪些因素有关？
4．在工业管道的沿程阻力计算中，试比较尼古拉兹曲线图与莫迪曲线图。

试问这两个图中哪一个较实用些？
5．粘性流体在圆管中流动时，试分别讨论当雷诺数非常大与非常小的两种情况中，沿程阻力与速度的几次方成正比？
6．流体流过管道截面突然扩大处，为何会产生局部能量损失？试写出局部损失的计算公式？管道的出口与进口处局部损失系数，一般情况各取多少？
7．流体在弯管中流动时，产生的局部能量损失与哪些因素有关？
8．降低沿程损失和局部损失，可以采取哪些措施？
9．工程中对于简单管道的水力计算主要有哪三类问题？其计算方法如何？
10．在串联管道，并联管道中，各管段的流量和能量损失分别满足什么关系？
11．工程中，对于串联管道和并联管道的水力计算，分别有哪两类问题？其计算方法如何？
12．工程中，对于分支管道的水力计算，主要有哪类问题？
13．何谓水击？有何危害性？试以连接在水池上的排水管为例，阐述阀门由全开状态瞬时全关，产生的水击波的传播规律。

14．何谓直接水击和间接水击？减弱水击有哪些措施？
第七章相似原理和量纲分析
1．何谓几何相似，运动相似和动力相似？试举例说明之。

2．为了确定所有动力学量的比例尺，工程上一般选取哪三个量作为基本比例尺。

3．何谓牛顿相似准则，试写出牛顿数的表达式及其物理意义。

4．试写出佛劳德数、雷诺数、欧拉数、斯特劳哈尔数、柯西数、马赫数、韦伯数的定义式及其物理意义。

5．保证两流动相似的条件是什么？由这些相似条件可以解决模型试验中哪些问题？
6．何谓工程中常常采用的近似模型试验方法？请举例说明之。

7．对于无压的明渠流动及其它水工建筑物中的流动，应考虑什么准则数？对于有压的粘性管流或其它有压内流，又应该考虑什么准则数？
8．何谓量纲分析法？它对于进行模型试验有何作用？
9．试述利用瑞利法和π定理，探索流动规律的基本思路。

10．应用量纲分析法探索运动规律时，必须注意哪几点？
第八章气体动力学基础
1．何谓声速？它与流体的压缩性有何关系？试写出声速的表示式。

2．何谓马赫数？如何按马赫数将流动进行分类？
3．试写出气体一维定常绝热流动的能量方程的常见的几种形式，并说明该能量方程表示的物理意义。

4．何谓滞止状态，极限状态和临介状态？它们有何实际意义与理论意义？
5．试写出滞止参量与临界参量的关系式。

6．何谓速度系数？它与马赫数有何区别与联系？
7．如何由一维气体流动的马赫数（或速度系数）和滞止参量，求出相应的流动参量。

8．何谓激波？它有何特征？并比较它与微弱扰动波的不同之处。

9．按照激波形状及其与气流方向之间的夹角，可将激波分为哪几种？
10．试以正激波为例，分析激波的形成机理。

11．试分析正激波前后气流参量的变化情况。

12．试比较正激波的突跃压缩与微弱扰动波的等熵压缩的不同之处。

13．对于变截面管流，试分析气体流动速度、压强、密度、温度与通道截面积的关系。

14．喷管与扩压管的设计原理是什么？
15．当气流在收缩喷管出口处，达到临界状态之后，若继续降低背压，能不能提高出口速度和管内流量，为什么？
16．当亚声速气流通过缩放喷管时，在喷管的最小截面处，其速度能否达到声速？为什么？
17．试对非设计工况下拉瓦尔喷管内的流动情况进行理论分析。

18．试定性分析经过等截面换热管，气流参量的变化趋势。

19．试定性分析经过等截面摩擦管，气流参量的变化趋势。