西南大学水力学作业及答案

2017年西南大学水力学作业及答案28、圆管层流沿程水头损失系数λ的计算公式为λ＝64/Re ?29、有一水平分叉管中液流流动如图示，已知Q2=Q3=0.5Q1，A2=A3=0.5A1，各断面形心位于同一水平面内，取α1=α2=α3，忽略水头损失，则2—2断面的形心点压强p2与1—1断面形心点压强p1的关系为本题参考答案：相等30、水平射流流量为Q、以速度v射向固定平板，则射流对平板的水平作用力F为。

本题参考答案：F=ρQβv (方向水平向右)31、作层流运动的牛顿流体，其层间切应力为本题参考答案：32、当管道尺寸及粗糙度一定时，随着流量的加大，紊流流区的变化是本题参考答案：光滑区→过渡粗糙区→粗糙区33、图示容器内液面压强p0为 P a。

本题参考答案：980034、如图所示：水箱一侧接一串联管道，已知末端管径d=0.2m，流速v=5m/s，分流量q=0.2m3/s，则水箱出流量Q为 m3/s。

本题参考答案：0.357135、紊流过水断面上的流速分布比层流过水断面上的流速分布答：均匀36、明渠均匀流的力学特征是本题参考答案：重力沿流程的分量=边壁摩阻力37、简述雷诺数R e、弗劳德数Fr的物理意义。

本题参考答案：是根据管路中沿程水头损失加流速水头与局部水头损失所占的比重分为长管、短管。

（1）长管：水头损失以h f为主，在总损失中所占比重很小，可忽略不计或可按h f的百分数计算的管道。

（2）短管：在总损失中占有一定的比重，计算时不能忽略的管道。

38、何为连续介质模型水力学研究中引入连续介质模型的可行性和必要性是什么本题参考答案：连续介质模型：假设液体是一种充满其所占据空间的毫无空隙的连续体。

引入可能性：水力学所研究的，是液体在外力作用下的机械运动，而不研究其微观运动。

在常温下，水相邻分子间的距离与我们所要研究的液流特征尺度相比是极其微小的。

引入必要性：有了连续介质假设，就可以摆脱分子运动的复杂性，在研究液体的宏观运动时，就可以将液体视为均匀的连续体，其每个空间点和每个时刻都有确定的物理量，且都是空间和时间坐标的连续函数。

这样，我们就可以运用连续函数的方法来分析液体的平衡和运动的规律。

39、简述尼古拉兹实验中沿程水力摩擦系数λ的变化规律。

答：通过尼古拉兹实验可以发现：在层流中λ仅是雷诺数Re的函数并与Re成反比；在层流到紊流过渡区，λ仅是Re的函数；在紊流光滑区λ=f1（Re）；过渡区λ=f2（Re，△/R）；粗糙区λ=f3(△/R)，紊流粗糙区又称为阻力平方区。

?40、流线和迹线的区别和联系是什么本题参考答案：1）区别：迹线是单个液体质点在某一时段内不同时刻的流动轨迹线；流线是同一瞬时由连续的一系列液体质点所构成的流动方向线。

（2）联系：恒定流时，流线与迹线重合。

41、简述过水断面上单位重量流体的平均总机械能E（断面总能）与断面比能e的区别与联系本题参考答案：（1）基准面不同断面总能E：是以某一个水平面为基准面计算的单位重量液体所具有的机械能，水平面可任取，但同一题目必须是同一基准面；断面比能e：是以断面最低点所在的水平面为基准面计算的单位重量液体所具有的机械能，水平面不能任意选取，且一般情况下同一题目不同的过水断面基准面不同。

（2）沿流程变化率不同E沿流程总是减小，即恒小于零；e则可以沿流程上升、下降或不变，即可>0，<0，=0。

42、简述明渠均匀流的形成条件和特征。

本题参考答案：答：明渠均匀流的形成条件：根本（力学）条件：重力沿流向的分量=边壁摩阻力（）具体条件：1. 水流应为恒定流；2. 流量沿程不变；3.渠道必须是长而直的棱柱形顺坡渠道；4. 糙率n沿程不变；5.渠道中无建筑物的局部干扰。

明渠均匀流的水力特征为：1. 等深流动：h1=h2=h；2. 等速流动：V1=V2=V；3. 总水头线 // 水面线 // 渠底线，J=Jp=i。

43、“均匀流一定是恒定流”，这种说法是否正确为什么本题参考答案：这种说法错误的。

均匀是相对于空间分布而言，恒定是相对于时间而言。

当流量不变通过一变直径管道时，虽然是恒定流，但它不是均匀流。

解：（1）判别流态，将油量Q换成体积流量QQ=Q mρ油=Qgγ油=15.5×103×9.88.43×103×3600=0.05 m3/sν=Qπ4d =0.005π4×0.15=0.283 m/sR x=νdV =0.283×0.150.2×10−4=2122＜2300，属于层流（2）由层流的性质可知：u max=2ν=0.566 m/s（3）h f=64R x ldν22g=642122×10000.15×0.28322×9.8=0.822 m解：v=0.017751+0.0337×20+0.000221×202=0.0101 cm2/s （1）判别流态∵ ν=Qπ4d 2=4000π4×102=51 cm/s∴R x=νdv =51×100.0101=50495＞2300，属于紊流（2）要使管内液体层流运动，则需R x=νd＜2300即ν＜2300vd =2300×0.010110=2.323 cm/sQ=π4dν＜π4×102×2.323=182.4 cm3/s解：p1γ+v122g=v222gp1=v22−v12代入v1=QA1=0.4π4×0.42=3.18 m/sv2=A1v12=0.422×3.18=51 m/sp1γ=5122g−3.1822g=132 m沿轴向写动量方程：p1A1+ρQv1−ρQv2−R x=0R x=p1A1+ρQ(v1−v2)=13000×π4×0.42+1000×0.4(3.18−51)=143.4 KN每个螺栓受力F=143.412=12 KN解：（1）以水箱地面为基准，对自由液面1—1断面和虹吸管下端出口处2—2断面建立伯努利方程，忽略水头损失，则Z1+p1+v12=Z2+p2+v22其中Z1=Z2+h p1=p2=0 v1=0则v2=√2gh=√2×9.81×6=10.85 m/s管内体积流量：Q=v2π4d2=10.85×π4×0.152=0.192 m/s（2）以管口2—2断面为基准，对自由液面1—1断面即管内最高点S点为中心断面，列伯努利方程，忽略水头损失，则Z1+p1γ+v12 2g =Z S+p Sγ+v S22g其中Z1=h Z S=a+h p1=0 v1=0 v S=v2=10.85 m/s即p S=γ（−a−v222g ）=9807×（−2−10.8522×9.81）=78.46 kPa故S点的真空压强p真=78.46 kPa（3）当h不变时，S点a增大时，当S点压强p S等于水的气化压强时，此时S点发生水的汽化，管内的流动即终止。

查相关表可知，在常温下（15摄氏度）水的汽化压强为1697Pa（绝对压强），以管口2—2断面为基准，列S点位中心的断面及断面2—2的伯努利方程（忽略水头损失）Z S+p Sγ+v S22g=Z2+p2γ+v222g其中Z S=a+h Z2=0 v S=v2 p S=1697 Pa p2=101325 Pa即a=p2−p Sγ−h=101325−16979807−6=4.16 m伯努利方程中两边的压强性质要相同，由于Ps为绝对压强，因此出口处也为绝对压力。

解：∵p A ρg +u A 22g =p ρg∴u A 22g=p ρg−p A ρg=（ρ’ρ−1）h p =12.6h pu A =√2g ×12.6h p =√2×9.807×12.6×0.06=3.85 m/sQ =π4d 2v =π4×0.22×0.84×3.85=0.102 m3/s解：木块重量沿斜坡分力F 与切力T 平衡时，等速下滑mg sin θ=T =μAdu dyμ=mg sin θA u δ=5×9.8×sin 22.620.5×0.45×10.001=0.08376 Pa ·s 解：（1）计算临界水深h k ，判断收缩断面和下游水流流态，q =Q B =26518=14.72 m3/smh k =√aq 23=√14.7223=2.81 m因为收缩断面水深h c =1.1m ＜h k 为急流，下游水深h 1=4.7m ＞h k为缓流，所以溢流坝下游必定发生水跃。

（2）计算收缩断面处水深h c 的共轭水深h c ′h c ′=h c2(√1+8q 2gh c3−1)=1.12×(√1+8×14.7229.8×1.13−1)=5.81 m因为 h c ′＞h t ，该水跃为远驱水跃。

（3）溢流坝下游发生远驱水跃，需要修建消力池。

估算消力池深d ，取水跃淹没系数σj =1.05则池深约为d=σj h c′−h t=1.05×5.81−4.7=1.40 m解：∵A=πdl=3.14×0.8×10−3×20×10−3=5.024×10−5㎡∴F R=μuh A=0.02×500.05×10−3×5.024×10−5=1.01 N52、有一倾斜放置的渐粗管如图所示，A-A与B-B两过水断面形心点的高差为1.0m。

断面A-A管径da=200mm，形心点压强Pa=68.5kpa。

断面B-B管径db=300mm,形心点压强pb=58kpa,断面平均流速Vb=1.5m/s，试求（1）管中水流的方向。

（2）两端面之间的能量损失。

（3）通过管道的流量。

解：（1）H A=Z A+(P Aρg +α1V A22g）nV B A B=V A A A得V A=6 m/sH A=8.83J H B=E B+P Bρg +α2V B22g=7.03JH A＞H B所以水流从A—A断面流向B—B断面（2）h Wa−b=H A−H B=1.8J（3）Q=V B A B=1.5×π×（0.32）2=0.106 m3/s解：一次扩大时的局部水头流失为：h m1=(v1−v2)22g分两次扩大时的总局部水头流失为：h m2=(v1−v)22g +(v−v2)22g在v1、v2已确定的条件下，求产生最小h m2的v值：dh m2dv=0 −(v1−v)+(v−v2)=0v=v1+v2即当v=v1+v22时，局部水头损失最小，此时水头损失为：h m2min=14g(v1−v2)2h m1 m2=(v1−v2)22g⁄(v1−v2)24g⁄=2由此可见，分两次扩大可减少一半的局部水头损失。