流体力学第八章习题答案教学内容
流体力学6,7,8章课后题答案
第六章 6-1解：层流状态下雷诺数Re 2000< 60.1Re 6.710vdv υ-⨯==⨯ ⇒60.120006.710v -⨯<⨯⇒62000 6.710/0.10.134(/)v m s -<⨯⨯= 即max 0.134/v m s =223max max max 0.13.140.1340.00105/ 1.05/44d Q Av v ms L sπ===⨯⨯≈=6-2解：层流状态下雷诺数Re 2000<3Re 20000.910120000.0450.1()vd d m d ρυ-=<⨯⨯⨯⇒<⇒<6-3解：3221.66100.21(/)0.13.1444Q v m s d π-⨯==≈⨯临界状态时Re 2000=52533Re Re0.210.1 1.0510(/)20001.05100.88109.2410()vd vd m s Pa s υυυμυρ---=⇒=⨯⇒==⨯⇒==⨯⨯⨯=⨯⋅ 6-4解：当输送的介质为水时：32210101270131444.(/)..Q v m s d π-⨯===⨯ 612701838632000151910..Re .vd υ-⨯===>⨯水 3015100001501...d -∆⨯== 根据雷诺数和相对粗糙度查莫迪图可知流态为水力粗糙。
当输送的介质为石油时：质量流量与水相等3310101010(/)Q kg s -=⨯⨯=31000118850.(/)Q m s == 2200118150********..(/)..Q v m s d π===⨯ 415030113184200011410..Re .vd υ-⨯===>⨯水3015100001501...d -∆⨯== 根据雷诺数和相对粗糙度查莫迪图可知流态为水力光滑。
6-5解：判断流态需先求出雷诺数()2900036009000088023144./..Re Q v m s Avd υ÷===⨯=冬季：421101./m s υ-⨯=40088021608820001110..Re ..vd υ-⨯===<⨯ ⇒ 流态为层流。
流体力学 第八章 绕流运动
第八章绕流运动一、应用背景1、问题的广泛存在性：在自然界和工程实际中，存在着大量的流体绕物体的流动问题（绕流问题），如：飞机在空气中的飞行、河水流过桥墩、大型建筑物周围的空气流动、植物护岸（消浪，船行波），粉尘颗粒在空气中的飞扬和沉降，水处理中固体颗粒污染物在水中的运动。
（一种：流体运动；另外一种：物体运动），我们研究，将坐标系固结于物体上，将物体看成静止的，讨论流体相对于物体的运动。
2、问题的复杂性上一章的内容中可以看出，流体力学的问题可以归结为求解在一定边界条件和初始条件下偏微分方程组的求解。
但描述液体运动的方程式非常复杂的：一方面，是方程的非线性性质，造成方程求解的困难；另一方面，复杂的边界条件和初始条件都给求解流体力学造成了很多麻烦。
迄今为止，只有很少数的问题得到了解决。
平面泊萧叶流动，圆管coutte流动等等。
而我们所要解决的绕流问题正是有着非常复杂的边界条件。
3、问题的简化及其合理性流体力学对此的简化则是，简化原方程，建立研究理想液体的势流理论。
实际液体满足势流运动的条件：粘性不占主导地位，或者粘性还没有开始起作用。
正例：远离边界层的流体绕流运动、地下水运动、波浪运动、物体落入静止水体中，水的运动规律研究。
反例：研究阻力规律、能量损失、内能转换等等。
圆柱绕流（经典之一）半无限长平板绕流（经典之二）分成两个区域：一个区域是远离边界的地方，此区域剪切作用不明显，而且流体惯性力的影响远远大于粘性力的影响（理想液体）（引导n-s方程）；另一个是靠近边界的地方（附面层，粘性底层），此区域有很强烈的剪切作用，粘性力的影响超强，据现代流体力学的研究表明，此区域是产生湍流的重要区域，有强烈的剪切涡结构，但此区域只有非常薄的厚度。
此区域对绕流物体的阻力、能量耗损、扩散、传热传质都产生重要影响。
4、本章的主要研究内容（1） 外部：理想液体，（简化方法，求解方式）、（2） 内部：附面层理论，（简化方法，求解方式，求解内容，现象描述） （3） 两者的衔接。
流体力学第八章答案
流体力学第八章答案【篇一：流体力学第8、10、11章课后习题】>一、主要内容（一）边界层的基本概念与特征1、基本概念：绕物体流动时物体壁面附近存在一个薄层，其内部存在着很大的速度梯度和漩涡，粘性影响不能忽略，我们把这一薄层称为边界层。
2、基本特征：（1）与物体的长度相比，边界层的厚度很小；（2）边界层内沿边界层厚度方向的速度变化非常急剧，即速度梯度很大；（3）边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；（4）由于边界层很薄，因而可以近似地认为边界层中各截面上压强等于同一截面上边界层外边界上的压强；（5）在边界层内粘性力和惯性力是同一数量级；（6）边界层内流体的流动与管内流动一样，也可以有层流和紊流2种状态。
（二）层流边界层的微分方程（普朗特边界层方程）??v?vy?2v1?p?vy?????vx?x?y??x?y2????p??0?y???v?vy???0?x?y??其边界条件为：在y?0处，vx?vy?0 在y??处，vx?v(x)（三）边界层的厚度从平板表面沿外法线到流速为主流99%的距离，称为边界层的厚度，以?表示。
边界层的厚度?顺流逐渐加厚，因为边界的影响是随着边界的长度逐渐向流区内延伸的。
图8-1 平板边界层的厚度1、位移厚度或排挤厚度?1?1?2、动量损失厚度?2?vx1?(v?v)dy?(1?)dy x??00vv?2?1?v2???vx(v?vx)dy???vxv(1?x)dy vv（四）边界层的动量积分关系式??2???p?vdy?v?vdy?????wdx xx??00?x?x?x对于平板上的层流边界层，在整个边界层内每一点的压强都是相同的，即p?常数。
这样，边界层的动量积分关系式变为?wd?2d?vdy?vvdy?? x?x??00dxdx?二、本章难点（一）平板层流边界层的近似计算根据三个关系式：（1）平板层流边界层的动量积分关系式；（2）层流边界层内的速度分布关系式；（3）切向应力关系式。
技师培训教材--流体力学(第八章)
v2 代入得： C 1 2 p
或
p v2 C 1 g 2 g
可压缩流体的 伯努利方程
②
p
由于
p 1 p p ① 1 1
RT
③
c
RT
还可得如下不同形式的伯努利方程：
v2 1 p C －－－－－✶） 2 1 p
v2 e C 2 p
-------（✶）
上述一组同等效用，多种形式的伯努利方程的 物理意义：在一元定常等熵气体流动中，沿流束 任意断面上，单位质量气体的机械能和内能之和 保持不变。
二、气体速度与密度的关系
由于 即：
v dv 1
d vdv v 2 dv 2 dv 2 2 Ma c c v v
(3)声速与气体的绝热指数 及气体常数 R 有关。 空气中的声速为：
c 1.4 287T 20.1 T m s
二、马赫数 1、马赫数的定义：气体流动速度 v 与其本身(该 介质中) 的声速 c 之比。 记为：Ma = v / c 马赫数反映了气体的可压缩性程度，是气体 可压缩性效应的一个重要度量。 气体动力学依据马赫数对可压缩气体流动进行分类: Ma 1 即 v c， 为亚声速流动； Ma 1 即 v c， 为(跨)声速流动(兼有亚声速 区和超声速区)； Ma >1 即 v > c， 为超声速流动。
气体的全部能量转化为动能，压强为零，速 度达到最大值 vmax，分别称为最大速度状态和最 大速度。
由状态方程可见：因
p
2
RT
T 0 此时 p 0 ，
即 h 0 ，且声速 c 0
2 2 max
流体力学 第八章 明渠流动 (1)
i
Q2 K2
Q2 A 2C 2 R
3、确定渠道的断面尺寸
在设计一条新渠道时，一般已知流量Q、渠道底坡i、边坡 系数m及粗糙系数n，要求设计渠道的断面尺寸，即确定渠 道的底宽b和水深h。 这时将有多组解，为得到确定解，需要另外补充条件。 1、水深h0已定，求相应的底宽b
K AC R f (b) b Q K0 i
第八章
明渠恒定均匀流
§8.1 概述
§8.2 明渠均匀流
§8.3 无压圆管均匀流
§8.1
概
述
明渠：是人工渠道、天然河道以及不满流管道 统称为明渠。
明渠流：具有露在大气中的自由液面的槽内液 体流动称为明渠流（明槽流）或无压流（Free Flow）。
一、明渠流动的特点
1. 具有自由液面，p0=0，无压流（满管流则是有压 流）。 2. 重力是流动的动力，明渠流是重力流，管流则是压 力流。 3. 渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度增大，则 流速 ，水深。 4. 边界的突然变化将影响明渠流动的状态。
说明：1）具有水力最优断面的明渠均匀流，当i，n，A0给定时， 水力半径R最大，即湿周χ0最小的断面能通过最大的流 量。 2） i，n，A0给定时，湿周χ0最小的断面是圆形断面，即圆 管为水力最优断面。
1. 梯形过水断面渠道的水力最优断面
A h(b mh )
B
mh h 1:m 1 m
A b 2h 1 m mh 2h 1 m 2 h d dA 对于水力最优断面有：
b
K0
K=f(b)
K K=f(h)
2、底宽b已定，求相应的水深h0
K AC R f ( h) h Q K0 i
8流体力学-第八章 气体一维定常流动
M数很小，说明单位质量气体的动能相对于内能而言很小， 速度的变化不会引起气体温度的显著变化 ，对不可压流体来 说，不仅可以认为密度是常值而且温度T也是常值。
流动参数增加为四个：p、ρ、T、和u，
已经有了三个基本方程，它们是：状态方程、连续方程和理想 流的动量方程（即欧拉方程）。
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规
律
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总结
临界流速达到当地声速cf ,cr kpcr / cr
喷管 dcf>0
Ma<1 dA<0 渐缩
Ma=1 dA=0 临界截面
Ma>1 dA>0 渐扩
Ma<1→Ma>1 dA<0→dA>0 缩放（拉伐尔）
dc f d cf
Ma<1
dc f d cf
dc f d cf
dc f d cf
(c)
在的垂直平面的下游半空间(成为扰动
B
2 3
区)内传播，永远不可能传播到上游半
4
空间(成为寂静区)。
u+c0=2c0 →
3c
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2
4
二、亚、超声速流场中小扰动的传播特性
气流A超马声赫锥速流动 Ma>1
vc
vc
由的图扰可动o 见波，不2由 仅c 于 不3c能u>向c0上，游相传对播气，流反传而播被
2）对于气体等可压流，流速的变化取决于截面和密度的综合 变化。超音速时比体积的增加要大于流速的增大，因此，只 有增大通流面积才能保证通过一定不变的质量流量。
一、声速和马赫数
小扰动在弹性介质中的传播速度为声速，气体经历小扰动而压 缩及恢复过程并无能量损耗，作定熵过程处理，对理想气体：
流体力学第八章答案
流体力学第八章答案【篇一：流体力学第8、10、11章课后习题】>一、主要内容（一）边界层的基本概念与特征1、基本概念：绕物体流动时物体壁面附近存在一个薄层，其内部存在着很大的速度梯度和漩涡，粘性影响不能忽略，我们把这一薄层称为边界层。
2、基本特征：（1）与物体的长度相比，边界层的厚度很小；（2）边界层内沿边界层厚度方向的速度变化非常急剧，即速度梯度很大；（3）边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚；（4）由于边界层很薄，因而可以近似地认为边界层中各截面上压强等于同一截面上边界层外边界上的压强；（5）在边界层内粘性力和惯性力是同一数量级；（6）边界层内流体的流动与管内流动一样，也可以有层流和紊流2种状态。
（二）层流边界层的微分方程（普朗特边界层方程）??v?vy?2v1?p?vy?????vx?x?y??x?y2????p??0?y???v?vy???0?x?y??其边界条件为：在y?0处，vx?vy?0 在y??处，vx?v(x)（三）边界层的厚度从平板表面沿外法线到流速为主流99%的距离，称为边界层的厚度，以?表示。
边界层的厚度?顺流逐渐加厚，因为边界的影响是随着边界的长度逐渐向流区内延伸的。
图8-1 平板边界层的厚度1、位移厚度或排挤厚度?1?1?2、动量损失厚度?2?vx1?(v?v)dy?(1?)dy x??00vv?2?1?v2???vx(v?vx)dy???vxv(1?x)dy vv（四）边界层的动量积分关系式??2???p?vdy?v?vdy?????wdx xx??00?x?x?x对于平板上的层流边界层，在整个边界层内每一点的压强都是相同的，即p?常数。
这样，边界层的动量积分关系式变为?wd?2d?vdy?vvdy?? x?x??00dxdx?二、本章难点（一）平板层流边界层的近似计算根据三个关系式：（1）平板层流边界层的动量积分关系式；（2）层流边界层内的速度分布关系式；（3）切向应力关系式。
《流体力学》第八章绕流运动解析
( x, y ) d u dy u y dx C
x
实际上ψ(x,y)表示流场中的流线，C为任 意常数。不同的C，则对应不同的流线。 d dx dy ux , uy x y y x
ux , uy y x
第八章
绕流运动
在自然界和实际工程中，存在着大量的流体 绕流物体的流动问题，即绕流问题。 我们研究时，都是把坐标固结于物体，将物 体看作是静止的，而探讨流体相对于物体的 运动。 在大雷诺数的绕流中，由于流体的惯性力远 大于粘性力，可将流体视为理想流体。 在靠近物体的一薄层内，可以用附面层理论 处理。
d ( x, y, z) ux dx uy dy uz dz
展开势函数的全微分
d dx dy dz x y x
比较上两式的对应系数，得出：
ux uy uz x y z 即速度在三坐标上的投影，等于速度势函 数对于相应坐标的偏导数
工 业 液 槽 边 侧 吸 气
平面无旋运动是旋转角速度为零的平面运 动。在平面运动中，仅只有一个坐标方向 上的旋转角速度分量ωz，当ωz=0时，则 满足： u u
y
x
x
y
这时速度势函数全微分为：
d ux dx u y dy
对应的拉普拉斯方程为： 0 2 2 x y
流函数与势函数间关系为：
ux x y
两者交叉相乘得：
uy y x
0 y y x x
由高等数学得到，上式表明， φ(x,y)=C1和 ψ(x,y)=C2是互为正交的。由此表明：流线与等 势线是相互垂直的。当给出不同的常数C1，C2时， 就可得到一系列等势线和流线，它们间构成相互 正交的流网，应用流网的正交性，借助数值计算 方法和计算机，可以解决复杂的流场问题。
流体力学第八章习题答案
第八章习题答案选择题（单选题）明渠均匀流只能出现在：（b ）（a ）平坡棱柱形渠道；（b ）顺坡棱柱形渠道；（c ）逆坡棱柱形渠道；（d ）天然河道中。
水力最优断面是：（c ）（a ）造价最低的渠道断面；（b ）壁面粗糙系数最小的断面；（c ）过水断面积一点，湿周最小的断面；（d ）过水断面积一定，水力半径最小的断面。
水力最优矩形渠道断面，宽深比/b h 是：（c ） （a ）；（b ）；（c ）；（d ）。
平坡和逆坡渠道中，断面单位能量沿程的变化：（b ）（a ）de ds >0；（b ）de ds <0；（c ）deds=0；（d ）都有可能。
明渠流动为急流时：（a ）（a ）r F >1；（b ）h >c h ；（c ）v <c ；（d ）dedh <0。
明渠流动为紊流时：（a ）（a ）r F >1；（b ）h >c h ；（c ）v <c ；（d ）dedh<0。
明渠水流由急流过渡到缓流时发生：（a ）（a ）水跃；（b ）水跌；（c ）连续过渡；（d ）都可能。
在流量一定，渠道断面的形状、尺寸和壁面粗糙一定时，随底坡的增大，正常水深将：（a ）增大；（b ）减小；（c ）不变；（d ）不定。
在流量一定，渠道断面的形状、尺寸一定时，随底坡的增大，临界水深将：（b ）（a ）增大；（b ）减小；（c ）不变；（d ）不定。
宽浅的矩形断面渠道，随流量的增大，临界底坡c i 将：（b ）（a ） 增大；（b ）减小；（c ）不变；（d ）不定。
明渠水流如图8-49所示，试求1、2断面间渠道底坡，水面坡度，水力坡度。
解： 3210.0333030i -=== 8 6.50.0530p J -==224 4.58 6.5220.042830g gJ +--==答：1、2断面间渠道底坡0.033i =，水面坡度0.05p J =，水力坡度0.0428J =。
流体力学讲义 第八章 管道不可压缩流体恒定流
第八章管道不可压缩流体恒定流有压管流是日常生活中最常见的输水方式，本章主要介绍了有压管流的水力特点，计算问题以及简单管道与串联、并联和管网的水力计算原理与应用。
概述一、概念有压管流（penstock）：管道中流体在压力差作用下的流动称为有压管流。
有压恒定管流：管流的所有运动要素均不随时间变化的有压管流。
有压非恒定管流：管流的运动要素随时间变化的有压管流。
观看录像二、分类1.有压管道根据布置的不同，可分为：简单管路：是指管径、流速、流量沿程不变，且无分支的单线管道。
复杂管路：是指由两根以上管道所组成的管路系统。
2.按局部水头损失和流速水头之和在总水头损失中所占的比重，管道可分为长管：指管道中以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头所占比重小于（5%-10%）的沿程水头损失，从而可予以忽略的管道。
短管：局部水头损失和流速水头不能忽略的、需要同时计算的管道。
三、有压管道水力计算的主要问题1.验算管道的输水能力：在给定作用水头、管线布置和断面尺寸的情况下，确定输送的流量。
2.确定水头：已知管线布置和必需输送的流量，确定相应的水头。
3.绘制测压管水头线和总水头线：确定了流量、作用水头和断面尺寸（或管线）后，计算沿管线各断面的压强、总比能，即绘制沿管线的测压管水头线和总水头线。
第一节简单管道的水力计算一、基本公式1.淹没出流图8-1中，列断面１－１与２－２的能量方程(4-15)，图8-1令：且w1>>w, w2>>w，则有（8-1）说明：简单管道在淹没出流的情况下，其作用水头H0完全被消耗于克服管道由于沿程阻力、局部阻力所作负功所产生的水头损失上。
即：管道中的流速与流量为：（8-2）（8-3）式中：——管系流量系数，，它反映了沿程阻力和局部阻力对管道输水能力的影响。
H0——作用水头，指上、下游水位差加上游行进流速的流速水头。
——局部阻力系数，包含出口损失。
问题：图示两根完全相同的长管道，只是安装高度不同，两管道的流量关系为：A.Q1<Q2；B.Q1>Q2；C.Q1=Q2；D.不定。
流体力学第八章
习题8-5：解N-S方程求平板间的速度分布
由流动的特性 u 0, w 0, 0, f g
z
t
充分发展流动 二u 维，0、由定连常续性方程 x
v0
u t
u
u x
vu仅uy 是wyuz的函fx数
1
p x
(
2u x2
2u y 2
2u z 2
)
v t
u
v x
v
v y
w v z
fy
1
p y
(
2v x2
y
δ*
物理意义——边界
δ* * x
层流体的动量损失
U 2 ** Uudy u2dy
0
0
8.4 层流边界层流动的基本方程
二、边界层方程
1. 边界层的基本特征
（1） L
y
（2） u u y x
0
L
x
（3）边界层厚度沿着流动方向增加
（4）边界层内粘性力与惯性力同数量级
8.4 层流边界层流动的基本方程
y
0 1
L
外部势流
U
边界层流
x
L u v U ~ v ~ v x y L L U
例：水，L=0.5m，U=0.2m/s，Re=1105，~3mm
8.4 层流边界层流动的基本方程 2. 边界层微分方程 二元不可压缩定常流动边界层方程（不计质量力）
u v 0 x y
u
u x
2. 边界层厚度
y 圆管流与边界外层部流势速流度剖面相似 U
— u=0.99U
x
0
流态判断准则—雷诺数
Re x
Ux
Re
U
Re的物理意义: 惯性力/粘性力 & 流态判断准则
流体力学(第二版) 龙天渝 第八章 绕流运动习题答案
直线族 （d） u x 4 y ， u y 3 ，代入流线方程，积分： x
2 2 y c 3
1
抛物线族 （e） u x 4 y ， u y 3x ，代入流线方程，积分： 3x 2 4 y 2 c
椭圆族 （f） u x 4 y ， u y 4 x ，代入流线方程，积分： x 2 y 2 c
5
u0 X k
（查表知 t=20ºC， 1.007 106 m / s ）
Xk=
Re xk =0.1m<30m u0
可认为是紊流附面层：Re= 采用 C f
u0 X
=1.49×10
8
0.445 -3 ，则： C f =1.963×10 2.58 (lg Re )
2 u 0
u0 X k
,知
Xk=0.55m
8
（2）根据： =0.37 (
u0 x
) x，知 =0.0572m=57.2mm
1 5
（3） 根据：Re= 则： C f =
vx 6 知 Re =2.75×10 .
0.074 1700 -3 =3.196×10 1 Re Re 5
2 u 0
根据： D f C f A
解：叠加前
ux
Q y y (arctg arctg ) 2 xa xa
Q xa xa ( ) y 2 y 2 ( x a) 2 y 2 ( x a) 2 Q y y ( 2 2 ) 2 x 2 y ( x a) y ( x a) 2 uy Qy (y2 a2 )
Q y y (arctg arctg ) 2 xa xa
流体力学课后习题答案第八章
8－5 水箱用隔板分为A 、B 两室，隔板上开一孔口，其直径d 1=4cm ，在B 室底部装有圆柱形外管嘴，其直径d 2=3cm 。
已知H=3m,h 3=0.5m ，试求：（1）h 1、h 2；（2）流出水箱的流量Q 。
解：（1）nn Q Q μμ===()()()12122403.082.02404.062.0h H g gh -⨯=⨯ππ得 h 1=1.07m h 2=H- h 1=1.43m （2）20.6.073.56 l /sQ μ==⨯= 8-7 某厂房利用自然通风进行换气，其上下部各有一面积为8m 2的窗口，两窗口的中心高差为7m ，窗口流量系数为0.64，室外空气温度为20 o C ，室内空气温度为30 o C ，气流在自然压头作用下流动，求车间的自然通风换气量（质量流量）。
解：查表得20 o C 的空气密度1.2kg/m 3, 30 o C 的空气密度1.16kg/m 31122222222112212212()()2222 70.76 /m A v A v v v g h v m Ak g sρμρμρρρρρρρμρ==-=-=-==8-9 游泳池长25m ，宽10m ，水深1.5m ，池底设有直径10cm 的放水孔直通排水地沟，试求放尽池水所需的时间。
解：3223m ax m ax10 1.537510.62 2.6410427.89mQ d mV t hQ μπ-⨯⨯===⨯=⨯==V =258－17自密闭容器经两段串连管道输水，已知压力表读值p m =1at ，水头H=2m ，管长l 1=10m ，l 2=20m ，直径d 1=100mm, d 2=200mm ，沿程阻力系数λ1=λ2=0.03,试求流量并绘总水头线和测压管水头线。
解： 2212000 42M l p H h g gυυυρ++=+++=222222221122212221212151 0.5117222222f m l l d h h d g d g g g d g g υυυυυυλλ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=+==+-= ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦222226912 1.846m s 58 l 2Q A gυυυ=⇒===8-19 储气箱中的煤气经管道ABC 流入大气中，已知测压管读值为h=0.01mH 2O ，断面标高z A =0、z B =10m 、z C =5m ，管道直径d =100mm ，长度l AB =20m 、l BC =10m ，沿程阻力系数λ=0.03，管道入口和转弯的局部阻力系数分别为：ζe =0.6，弯头ζb =0.4，煤气密度ρ=0.6kg/m 3，空气密度ρa =1.2kg/m 3，试求流量。
《流体力学导论》第八章+对流与扩散-2016.1.7
浓度Rayleigh 数 （扩散比 ） 其中 ， （Prandtl 数 ） ，
2. 扩散与对流
2.3 双扩散对流
采用正则模式解的形式： 取扰动量为 代入线性化方程得到时间长数s 的特征值方程
其中 当τ =1 时，
， 扰动波数（wavenumber) 用 代替
第八章 参考书
涉及书中内容: 第六章：Convection in the Environment (P.F.LINDEN)
临界Ra数求解
采用正则模式解的形式： 取扰动量为 代入线性化方程得到时间长数s 的特征值方程
其中
， 扰动波数（wavenumber)
临界Ra数
n=1,
临界K 数
2. 扩散与对流
2.1 基本概念
1、扩散现象 烟囱排烟；河流排污；水面蒸发；食糖与食盐的溶解等。 2、传输过程 流体中所含有物质（如各种污染物，也包括动量、能量和热量）在 流场中某一处到另一处转移的过程。
Rayleigh 数
其中
，
Prandtl 数 （普朗特数）
（空气 σ = 0.7， 水σ = 7 ）
1. 热对流
1.2 Rayleigh-Bé nard 对流
线性化基本控制方程
u ,v ,p,T
u ,v ,p ,T u ,v ,p ,T
'
（ 1） （ 2） （ 3） 其中 3个速度分量 （u，v，w), 温度 T 和 压力 p , 共5个未知数 从（1）和（3）式消去压力 p, 得到： （ 4）
整理可得：
(Cu1 ) C 2C Dm 2 t x1 x1
2C 2C 2C C (Cu1 ) (Cu2 ) (Cu3 ) 对三维流动： Dm 2 2 2 t x1 x 2 x3 x1 x 2 x3
第八章不可压缩粘性流体内部流动-流体力学
二、流态与沿程阻力损失的关系
hf的变化规律 hf = kVm
(a)-(b)段，层流，m=1 hf = kV
( d)-(e)段，紊流，m=2 hf = kV2
(b)-(d)段，层流向 紊流过渡
hf = kV1.75~2
三、流态判别标准
雷诺数计算
Re vd vd
上临界Rec′: 与实验条件和初始状态有关。上临界 Rec′可高达13800。(不稳定）
1.紊流结构 层流底层厚度
32.8 d Re
2.混合长度和切应力
（1）粘性切应力
粘性
du dy
普朗特混合长度理论
（2）附加切应力
附加
l 2 ( du )2
dy
紊流切应力
τ= τ粘性+ τ附加 （层流底层τ附加=0）
3.速度分布
层流边层内
du
dy
积分 u 0 y
z2
)
Q(v2
v1 )
g
v2
A2
(v2
v1 )
( z1
p1
)
(
z
2
p2
)
v22 g
v 2 v1 g
代入伯努利方程
hr
v2 2 g
v2v1 g
v12 v2 2 2g
(v1 v2 )2 2g
（包达公式)
hr的另一形式
v1
v2
A2 A1
, 或v2
v1
进一步分析时均流速与脉动速度
流体力学第八章(湍流)
湍流运动极不规则和不稳定，并且每一点的物理量随 时间、空间激烈变化，显然，很难用传统的方法来对湍 流运动加以研究。
但湍流的杂乱无章及随机性可以用概率论及数理统计 的方法加以研究。
也就是说，湍流一方面具有随机性，而另一方面其统 计平均值却符合一定的统计规律。
三、平均值运算法则
①时间平均值：
考虑一维流体运动，对于物理量 A(x, t) ，对于任意空间
点 x ，以某一瞬时 t 为中心，在时间间隔 T 内求平均，
即：
A时
x,
t
1 T
tT
A 2
tT
x, t
dt
2
其中，T 为平均周期，它的选取一般要求大于脉动周期
，而小于流体的特征时间尺度。
②空间平均值：
对于任意时间 t ，以某一空间点 x 为中心，对一定 的空间尺度求平均，即：
A空x, t
Af AdA
而由于物理量量的值通常总是发生一定的有限范围之
内的，故通常采用下式来计算有限范围 A1 ~ A1 内
系统平均值：
A系x, t
A1 Af AdA
A1
以上就是处理湍流运动将经常用到的平均值的定义， 尤其是时间平均用得最多。
定义平均值后，可以将湍流运动表示为： 湍流运动 = 平均运动+脉动运动
为了平均化运算的方便，进行适当变换，可得：
u (uu) (uv) (uw) 1 p 2u u( u v w )
t x y
z
x
x y z
u (uu) (uv) (uw) 1 p 2u
t x y
z
x
将任意物理量表示为： A A A
速度分量为：
u u u;v v v; w w w; p p p
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第八章习题答案选择题（单选题）8.1明渠均匀流只能出现在：（b ）（a ）平坡棱柱形渠道；（b ）顺坡棱柱形渠道；（c ）逆坡棱柱形渠道；（d ）天然河道中。
8.2水力最优断面是：（c ）（a ）造价最低的渠道断面；（b ）壁面粗糙系数最小的断面；（c ）过水断面积一点，湿周最小的断面；（d ）过水断面积一定，水力半径最小的断面。
8.3水力最优矩形渠道断面，宽深比/b h 是：（c ） （a ）0.5；（b ）1.0；（c ）2.0；（d ）4.0。
8.4平坡和逆坡渠道中，断面单位能量沿程的变化：（b ）（a ）de ds >0；（b ）de ds <0；（c ）deds=0；（d ）都有可能。
8.5明渠流动为急流时：（a ）（a ）r F >1；（b ）h >c h ；（c ）v <c ；（d ）dedh <0。
8.6明渠流动为紊流时：（a ）（a ）r F >1；（b ）h >c h ；（c ）v <c ；（d ）dedh<0。
8.7明渠水流由急流过渡到缓流时发生：（a ）（a ）水跃；（b ）水跌；（c ）连续过渡；（d ）都可能。
8.8在流量一定，渠道断面的形状、尺寸和壁面粗糙一定时，随底坡的增大，正常水深将：（a ）增大；（b ）减小；（c ）不变；（d ）不定。
8.9在流量一定，渠道断面的形状、尺寸一定时，随底坡的增大，临界水深将：（b ）（a ）增大；（b ）减小；（c ）不变；（d ）不定。
8.10宽浅的矩形断面渠道，随流量的增大，临界底坡c i 将：（b ）（a ） 增大；（b ）减小；（c ）不变；（d ）不定。
8.11明渠水流如图8-49所示，试求1、2断面间渠道底坡，水面坡度，水力坡度。
解： 3210.0333030i -=== 8 6.50.0530p J -==224 4.58 6.5220.042830g gJ +--==答：1、2断面间渠道底坡0.033i =，水面坡度0.05p J =，水力坡度0.0428J =。
8.12梯形断面土渠，底宽b =3m ，边坡系数m =2，水深h =1.2m ，底坡i =0.0002，渠道受到中等养护，试求通过流量。
解： ()()1.23 1.22 6.48A h b hm =+=⨯+⨯=（m 2）232 1.28.367b b χ=+=+=+⨯=（m ）0.7745AR χ==（m ），取0.0225n =（见教材153页表6-4）∴1 3.435Q n===（m 3/s ）答：通过流量 3.435Q =m 3/s 。
8.13修建混凝土砌面（较粗糙）的矩形渠道，要求通过流量Q =9.7s m /3，底坡i =0.001，试按水力最优断面设计断面尺寸。
解： 对矩形断面，水力最优断面满足2b h =。
∴22A bh h ==，24b h h χ=+=，∴2242h hR h ==∵1Q A n=0.001i =，0.017n =∴23222h h ⎛⎫⋅=⎪⎝⎭，830.0179.7 4.14nQ h ⨯=== 1.70h =（m ）， 3.40b =（m ） 答：断面尺寸为 1.70h =m ， 3.40b =m 。
8.14修建梯形断面渠道，要求通过流量Q =1s m /3，边坡系数m =1.0，底坡i =0.0022，粗糙系数n =0.03，试按不冲允许流速[]m ax v =0.8s m /，设计断面尺寸。
解： ∵ max 0.8v v ≤=，∴0.8QA≤，max 1 1.250.8Q A v ≥==（m 2） 又∵[]max 1v v n =≤，即[]2max 3120.502n v R i≤== 0.366R =∴有 2 1.25hb mh +≥20.366≤即有2 1.253.42hb h b ⎫+≥⎪⎬+≥⎪⎭解得：2 1.870.6840h h -+=0.51.37h ⎧=⎨⎩， 2.012.455b ⎧=⎨-⎩∴ 2.00b =（m ），0.5h =（m ）答：断面尺寸为 2.00b =m ，0.5h =m 。
8.15已知一钢筋混凝土圆形排水管道，污水流量Q =0.2s m /3，底坡i =0.005，粗糙系数n =0.014，试确定此管道的直径。
解： 取充满度为0.6h dα==，则20.4920A d =，0.2776R d =。
∴[]82233110.49200.2776 1.05750.20.014Q d d d n ==⨯⨯==∴ 0.535d =（m ）故应取0.75h dα==，则由表8-4查得20.6319A d =，0.3017R d =831.43570.2d=，0.478d =（m ）故取500d =（mm ） 答：管道的直径500d =mm 。
8.16钢筋混凝土圆形排水管，已知直径d =1.0m ，粗糙系数n =0.014，底坡i =0.002，试校核此无压管道的过流量。
解： 满流时的过流量为：232000110.01444d Q A d nπ⎛⎫==⋅⋅ ⎪⎝⎭231110.01444π⎛⎫=⨯⨯⨯ ⎪⎝⎭0.996=（m 3/s ）对管径为1m 的输水管，取0.80hdα== 由图8-16查得：0.98QQ =，∴0.974Q =（m 3/s ） 解法2：取0.80hdα==，则20.67360.6736A d ==；0.30420.3042R d ==∴230.67360.30420.9730.014A Q n ==⨯=（m 3/s ）答：无压管道的过流量0.973Q =m 3/s 。
8.17三角形断面渠道，顶角为90°，通过流量Q =0.83/m s ，试求临界水深。
解： 临界水深满足32CCA Q gB α=其中 2C C A h =，2C C B h =∴ 522C h Q gα=，取 1.0α= ∴ 112255220.80.6659.807C Q h g ⎛⎫⎛⎫⨯=== ⎪⎪⎝⎭⎝⎭（m ）答：临界水深0.665C h =m 。
8.18有一梯形土渠，底宽b =12m ，边坡系数m =1.5，粗糙系数n =0.025，通过流量Q =18s m /3，试求临界水深和临界底坡。
解：32CA Q g Bα=()212 1.5C C C C CA h b mh h h =+=+ 2123C C CB b mh h =+=+∴()32212 1.51833.041239.807C C C h h h +==+ 用试算法求解。
0.6C h =（m ）临界底坡满足：2CC C Cg i C B χα=其中：()0.612 1.50.67.74C A =⨯+⨯=m 212313.8C C B h =+=m1220.614.16C χ=+⨯=m22160.006961CCC C CCC g gi C B B R n χχαα===⎛⎫ ⎪⎝⎭答：临界水深0.6C h =m ，临界底坡0.00696C i =。
8.19在矩形断面平坡渠道中发生水跃，已知跃前断面的1Fr ，问跃后水深''h 是跃前水深'h 的几倍？解：))1111222h h ''==⨯='答：跃后水深''h 是跃前水深'h 的2倍。
8.20试分析下列棱柱形渠道中水面曲线衔接的可能形式i 1<i ci 2>i ci 1<i ci 1<i 2<i ci 1>i ci 2<i c解：i 1<i ci 2>i cN 1N 1N 2N 2CCi 1<i ci 1<i 2<i cN 1N 1N 2N 2CC在该点相切2cC N N 28.21有棱柱形渠道，各渠段足够长，其中底坡0<1i <c i ， 2i >3i >c i ，闸门的开度小于临界水深c h ，试绘出水面曲线示意图，并标出曲线的类型。
0<i 1<i ci 2>i ci 3>i c (i 3<i 2)C C解：0<i1<i ci2>i ci3>i c(i3<i2) CC N1N1N2N2N3N38.22有矩形断面长渠道向低处排水，末端为跌坎，已知渠道底宽b=1m，底坡i=0.0004，正常水深h=0.5m，粗糙系数n=0.014，试求：（1）渠道末端出口断面的水深；（2）绘渠道中水面曲线示意图。
解：（1）确定临界水深Ch。
10.50.252120.5bhRb h⨯===++⨯（m）23110.50.250.2830.014Q K An===⨯⨯=（m3/s）()33223CCCbhA Qb hB b gα===∴131322221.00.2830.20219.807CQhb gα⎛⎫⎛⎫⨯===⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭（m）（2）计算水面曲线h0.5 0.4 0.3 0.202v0.566 0.708 0.943 1.401 2bhR b h =+0.25 0.222 0.188 0.144 161R C n= 56.6955.5854.0651.7122v h e gα+=0.516 0.426 0.345 0.302122R R R += 0.236 0.205 0.166 122C C C += 56.14 54.82 52.89 v0.637 0.826 1.172 23210v J C R -=⨯ 0.5461.1072.958el i J∆=∆- 6.69 6.28 3.89（3）渠道水面曲线示意图：答：（1）渠道末端出口断面的水深为0.202m ；（2）渠道中水面曲线示意图见上图。
8.23矩形断面长渠道，底宽b =2m ，底坡i =0.001，粗糙系数n =0.014，通过流量Q =3.03/m s ，渠尾设有溢流堰，已知堰前水深为1.5m ，要求定量给出堰前断面至水深1.1断面之间的水面曲线。
解：（1）正常水深计算。
2232300000000111210.0141h h Q A R bh h n n h h ⎛⎫⎛⎫==⋅⋅=⨯⨯⨯ ⎪⎪++⎝⎭⎝⎭∴230000.6641h h h ⎛⎫⨯== ⎪+⎝⎭可得正常水深0 1.04h =m （2）列表计算水面曲线。
h 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 A 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 v1.364 1.25 1.154 1.071 1.0 2bhR b h =+0.524 0.545 0.565 0.583 0.6 161R C n= 64.1364.5664.9565.2965.6022v h e gα+=1.195 1.280 1.368 1.458 1.551122R R R += 0.5345 0.555 0.574 0.5915 122C C C += 64.345 64.755 65.12 65.445 v1.3071.2021.11251.035524210v J C R-=⨯ 7.72 6.21 5.08 4.23 e l i J∆=∆- 6.43 6.58 6.67 6.85（2）水面曲线图。