水力学历年试卷及答案[1]

2007年

一 ，名词解释：

1．连续介质：流体质点完全充满所占空间，没有间隙存在，其物理性质和运动要素都是连

续分布的介质。

2．流线： 某一确定时刻t ，在流场中一定有这样的曲线存在，使得曲线上各点处的流体质

点的流速都在切线方向，这样的曲线就叫做该时刻t 的流线。

3．长管：在水力计算中，管道沿程阻力远远大于局部阻力，局部阻力可以忽略不计的管道。 4．水跃：明渠水流从急流过渡到缓流状态时，会产生一种水面突然跃起的特殊局部水里现

象，既在较短的渠段内水深从小于临界水深急剧地跃到大于临界水深的现象。

5。渗流模型： 在保持渗流区原有边界条件和渗透流量不变的条件下，把渗流看成是由液体

质点充满全部渗流区的连续总流流动。

二，解答题

1. 温度对流体粘性系数有何影响？原因何在？

答：温度升高时液体的粘滞系数降低，流动性增加，气体则相反，粘滞系数增大。这是因为液体的粘性主要由分子间的内聚力造成的。温度升高时，分子间的内聚力减小，粘滞系数就要降低。造成气体粘性的主要原因则是气体内部分子的运动，它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的变换。当温度升高时，气体分子运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量交换随之加剧，所以，气体的粘性将增大。 2. 写出总流伯努利方程，解释各项及方程的物理意义。 答：总流伯努利方程为：l h g

V P Z g

V P Z ++

+

=+

+

222

222

22

111

1αγ

αγ

其中：Z 表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均位置势能

γ

P

表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均压强势能。

g

V 22

α 表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均动能。 l h 表示总流过流断面上某点（所取计算点）单位重量流体的平均机械能损失，称

为总流水头损失

γP

Z H P +

= 代表总流过流断面上单位重量流体的平均势能

g

V P

Z H 22

αγ

+

+

= 代表总流过流断面上单位重量流体的平均机械能

3. 长度比尺为40的传播模型实验，测得船速为1.2m/s 时模型受到的波浪阻力为0.03N ，

试求原型船速和原型船舶所受到的波浪阻力（以重力作用为主）

答：根据牛顿一般相似原理：力的比例尺：2222

p

p p p

F m m m m

F l v F l v ρλρ==

弗罗特数法则 22p

m

r p m

v v F gL gL ==

由以上两式得

33p p

m

m

F l F l =

最终得p F =

33p

m

l l m F ⨯=3400.031920N ⨯=

4. 利用圆管层流Re 64=

λ ，水力光滑区25

.0Re 3164.0=λ和粗糙区25

.0)(d K =λ这三个公式，论证在层流中v h f ∝，光滑区75.1v h f ∝，粗糙区2v h f ∝

答：因为g v d L h f 22αλ=，μ

ρvL

=Re

（1）由题圆管层流Re

64

=

λ ，所以vL ρμλ64=， 则：g v Ld h f 264αρμ= ，

即av v g Ld h f ==

264αρμ其中g

Ld a 264α

ρμ= 当流体，管长，管径一定时a 为定量，所以

层流中v h f ∝。

（2）在水力光滑区25.0Re 3164.0=λ ，所以25.025.0)(3164.0vL ρμλ=，则：g

v d L h f 2)(3164.075

.125

.025.0αρμ=，即75

.175.125.025.02)(3164.0bv g v d L h f ==αρμ 其中g d

L b 2)(3164.025

.025.0αρμ= 当流体，管长，管径一定时b 为定量，所以光滑区75

.1v

h f ∝，

（3）在粗糙区25.0)(d K =λ，带入公式整理2

225

.125.02cv g v d L K h f ==α得，其中g d

L K c 225.125.0α= 当流体，管长，管径一定时c 为定量，所以粗糙区2

v h f ∝

5.简述明渠均匀流发生的条件和特征。

答：明渠均匀流发生的条件：明渠均匀流只能出现在底坡不变，断面形状，尺寸，壁面粗糙系数都不变的长直顺坡渠道中。

明渠均匀流的流线是相互平行的直线，因此具有以下特征：

（1）过水断面的形状，尺寸及水深沿程不变。

（2）过水断面上的流速分布，断面平均流速沿程不变。

（3）总水头线、水面线及渠底线相互平行。所以，总水头线坡度（水力坡度）J ，

水面线坡度（测压管水头线坡度）J p 和渠道底坡i 彼此相等，即 J= J p =i 。

三、计算题

1 半径为a 的小球在粘度很大的不可压缩牛顿流体中下落，证明其速μ

ρρ9)(22g

a v s -= ，

ρ、μ是流体的密度和粘度，s ρ是小球的密度。

证明：由题小球在粘度很大的不可压缩牛顿流体中下落，即圆球的雷诺数1

力不可忽略 则对小球受力分析

小球受到沿流动方向的阻力 222

2

1

2

v a C v A C D D D ρπρ⋅=

=，ρ为流体密度 流体对小球的浮力 g a F ρπ33

4

⋅= 重力 g a G s ρπ33

4

⋅=

s ρ为小球密度 当小球处于悬浮状态时的速度为最终速度，即 ：

F D

G += 带入得

g a v a C g a D s ρπρπρπ32233

4

2134⋅+⋅=⋅ 整理得：ga C v S D )(38ρ

ρ

ρ-=

由于1

μ

va R C e D 1224==

代入上式整理得： μ

ρρ9)(22g a v s -= 得证

2.水箱侧壁开一圆形薄壁孔口，直径d=5cm ，水面恒定，孔口中心到水面的高度H=4m 。 已知孔口的流速系数0.98ϕ=，收缩系数0.62ε=，孔口出流手上断面的流速c v 、流量Q 和

水头损失m h 。