工程流體力學(xué)課后習(xí)題答案(第二版).doc

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第一章 緒論 1-1．20℃的水2.5m3，當(dāng)溫度升至80℃時，其體積增加多少？ [解] 溫度變化前后質(zhì)量守恒，即 又20℃時，水的密度 80℃時，水的密度 則增加的體積為 1-2．當(dāng)空氣溫度從0℃增加至20℃時，運動粘度增加15%，重度減少10%，問此時動力粘度增加多少（百分?jǐn)?shù)）？ [解] 此時動力粘度增加了3.5% 1-3．有一矩形斷面的寬渠道，其水流速度分布為，式中、分別為水的密度和動力粘度，為水深。試求時渠底（y=0）處的切應(yīng)力。 [解] 當(dāng)=0.5m，y=0時 1-4．一底面積為4550cm2，高為1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿涂有潤滑油的斜面向下作等速運動，木塊運動速度u=1m/s，油層厚1cm，斜坡角22.620 （見圖示），求油的粘度。 [解] 木塊重量沿斜坡分力F與切力T平衡時，等速下滑 1-5．已知液體中流速沿y方向分布如圖示三種情況，試根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，定性繪出切應(yīng)力沿y方向的分布圖。 [解] 1-6．為導(dǎo)線表面紅絕緣，將導(dǎo)線從充滿絕緣涂料的模具中拉過。已知導(dǎo)線直徑0.9mm，長度20mm，涂料的粘度=0.02Pa．s。若導(dǎo)線以速率50m/s拉過模具，試求所需牽拉力。（1.O1N） [解] 1-7．兩平行平板相距0.5mm，其間充滿流體，下板固定，上板在2Pa的壓強作用下以0.25m/s勻速移動，求該流體的動力粘度。 [解] 根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，得 1-8．一圓錐體繞其中心軸作等角速度旋轉(zhuǎn)。錐體與固定壁面間的距離=1mm，用的潤滑油充滿間隙。錐體半徑R=0.3m，高H=0.5m。求作用于圓錐體的阻力矩。（39.6Nm） [解] 取微元體如圖所示 微元面積： 切應(yīng)力： 阻力： 阻力矩： 1-9．一封閉容器盛有水或油，在地球上靜止時，其單位質(zhì)量力為若干？當(dāng)封閉容器從空中自由下落時，其單位質(zhì)量力又為若干？ [解] 在地球上靜止時： 自由下落時： 第二章 流體靜力學(xué) 2-1．一密閉盛水容器如圖所示，U形測壓計液面高于容器內(nèi)液面h=1.5m，求容器液面的相對壓強。 [解] 2-2．密閉水箱，壓力表測得壓強為4900Pa。壓力表中心比A點高0.5m，A點在液面下1.5m。求液面的絕對壓強和相對壓強。 [解] 2-3．多管水銀測壓計用來測水箱中的表面壓強。圖中高程的單位為m。試求水面的絕對壓強pabs。 [解] 2-4． 水管A、B兩點高差h1=0.2m，U形壓差計中水銀液面高差h2=0.2m。試求A、B兩點的壓強差。（22.736N／m2） [解] 2-5．水車的水箱長3m,高1.8m，盛水深1.2m，以等加速度向前平駛，為使水不溢出，加速度a的允許值是多少？ [解] 坐標(biāo)原點取在液面中心，則自由液面方程為： 當(dāng)時，，此時水不溢出 2-6．矩形平板閘門AB一側(cè)擋水。已知長l=2m，寬b=1m，形心點水深hc=2m，傾角=45，閘門上緣A處設(shè)有轉(zhuǎn)軸，忽略閘門自重及門軸摩擦力。試求開啟閘門所需拉力。 [解] 作用在閘門上的總壓力： 作用點位置： 2-7．圖示繞鉸鏈O轉(zhuǎn)動的傾角=60的自動開啟式矩形閘門，當(dāng)閘門左側(cè)水深h1=2m，右側(cè)水深h2=0.4m時，閘門自動開啟，試求鉸鏈至水閘下端的距離x。 [解] 左側(cè)水作用于閘門的壓力： 右側(cè)水作用于閘門的壓力： 2-8．一扇形閘門如圖所示，寬度b=1.0m，圓心角=45，閘門擋水深h=3m，試求水對閘門的作用力及方向 [解] 水平分力： 壓力體體積： 鉛垂分力： 合力： 方向： 2-9．如圖所示容器，上層為空氣，中層為的石油，下層為 的甘油，試求：當(dāng)測壓管中的甘油表面高程為9.14m時壓力表的讀數(shù)。 [解] 設(shè)甘油密度為，石油密度為，做等壓面1--1，則有 2-10．某處設(shè)置安全閘門如圖所示，閘門寬b=0.6m，高h(yuǎn)1= 1m，鉸接裝置于距離底h2= 0.4m，閘門可繞A點轉(zhuǎn)動，求閘門自動打開的水深h為多少米。 [解] 當(dāng)時，閘門自動開啟 將代入上述不等式 得 2-11．有一盛水的開口容器以的加速度3.6m/s2沿與水平面成30o夾角的斜面向上運動，試求容器中水面的傾角。 [解] 由液體平衡微分方程 ，， 在液面上為大氣壓， 2-12．如圖所示盛水U形管，靜止時，兩支管水面距離管口均為h，當(dāng)U形管繞OZ軸以等角速度ω旋轉(zhuǎn)時，求保持液體不溢出管口的最大角速度ωmax。 [解] 由液體質(zhì)量守恒知，I 管液體上升高度與 II 管液體下降高度應(yīng)相等，且兩者液面同在一等壓面上，滿足等壓面方程： 液體不溢出，要求， 以分別代入等壓面方程得： 2-13．如圖，，上部油深h1＝1.0m，下部水深h2＝2.0m，油的重度=8.0kN/m3，求：平板ab單位寬度上的流體靜壓力及其作用點。 [解] 合力 作用點： 2-14．平面閘門AB傾斜放置，已知α＝45，門寬b＝1m，水深H1＝3m，H2＝2m，求閘門所受水靜壓力的大小及作用點。 [解] 閘門左側(cè)水壓力： 作用點： 閘門右側(cè)水壓力： 作用點： 總壓力大?。? 對B點取矩： 2-15．如圖所示，一個有蓋的圓柱形容器，底半徑R＝2m，容器內(nèi)充滿水，頂蓋上距中心為r0處開一個小孔通大氣。容器繞其主軸作等角速度旋轉(zhuǎn)。試問當(dāng)r0多少時，頂蓋所受的水的總壓力為零。 [解] 液體作等加速度旋轉(zhuǎn)時，壓強分布為 積分常數(shù)C由邊界條件確定：設(shè)坐標(biāo)原點放在頂蓋的中心，則當(dāng)時，（大氣壓），于是， 在頂蓋下表面，，此時壓強為 頂蓋下表面受到的液體壓強是p，上表面受到的是大氣壓強是pa，總的壓力為零，即 積分上式，得 ， 2-16．已知曲面AB為半圓柱面，寬度為1m，D=3m，試求AB柱面所受靜水壓力的水平分力Px和豎直分力Pz 。 [解] 水平方向壓強分布圖和壓力體如圖所示： 2-17．圖示一矩形閘門，已知及，求證>時，閘門可自動打開。 [證明] 形心坐標(biāo) 則壓力中心的坐標(biāo)為 當(dāng)，閘門自動打開，即 第三章 流體動力學(xué)基礎(chǔ) 3-1．檢驗不可壓縮流體運動是否存在？ [解]（1）不可壓縮流體連續(xù)方程 （2）方程左面項 ；； （2）方程左面=方程右面，符合不可壓縮流體連續(xù)方程，故運動存在。 3-2．某速度場可表示為，試求：（1）加速度；（2）流線；（3）t= 0時通過x=-1，y=1點的流線；（4）該速度場是否滿足不可壓縮流體的連續(xù)方程？ [解] （1） 寫成矢量即 （2）二維流動，由，積分得流線： 即 （3），代入得流線中常數(shù) 流線方程： ，該流線為二次曲線 （4）不可壓縮流體連續(xù)方程： 已知：，故方程滿足。 3-3．已知流速場，試問：（1）點（1，1，2）的加速度是多少？（2）是幾元流動？（3）是恒定流還是非恒定流？（4）是均勻流還是非均勻流？ [解] 代入（1，1，2） 同理： 因此 （1）點（1，1，2）處的加速度是 （2）運動要素是三個坐標(biāo)的函數(shù)，屬于三元流動 （3），屬于恒定流動 （4）由于遷移加速度不等于0，屬于非均勻流。 3-4．以平均速度v =0.15 m/s 流入直徑為D =2cm 的排孔管中的液體，全部經(jīng)8個直徑d=1mm的排孔流出，假定每孔初六速度以次降低2%，試求第一孔與第八孔的出流速度各為多少？ [解] 由題意 ；；； 式中Sn為括號中的等比級數(shù)的n項和。 由于首項a1=1，公比q=0.98，項數(shù)n=8。于是 3-5．在如圖所示的管流中，過流斷面上各點流速按拋物線方程：對稱分布，式中管道半徑r0=3cm，管軸上最大流速umax=0.15m/s，試求總流量Q與斷面平均流速v。 [解] 總流量： 斷面平均流速： 3-6．利用皮托管原理測量輸水管中的流量如圖所示。已知輸水管直徑d=200mm，測得水銀差壓計讀書hp=60mm，若此時斷面平均流速v=0.84umax，這里umax為皮托管前管軸上未受擾動水流的流速，問輸水管中的流量Q為多大？（3.85m/s） [解] 3-7．圖示管路由兩根不同直徑的管子與一漸變連接管組成。已知dA=200mm，dB=400mm，A點相對壓強pA=68.6kPa，B點相對壓強pB=39.2kPa，B點的斷面平均流速vB=1m/s，A、B兩點高差△z=1.2m。試判斷流動方向，并計算兩斷面間的水頭損失hw。 [解] 假定流動方向為A→B，則根據(jù)伯努利方程 其中，取 故假定正確。 3-8．有一漸變輸水管段，與水平面的傾角為45，如圖所示。已知管徑d1=200mm，d2=100mm，兩斷面的間距l(xiāng)=2m。若1-1斷面處的流速v1=2m/s，水銀差壓計讀數(shù)hp=20cm，試判別流動方向，并計算兩斷面間的水頭損失hw和壓強差p1-p2。 [解] 假定流動方向為1→2，則根據(jù)伯努利方程 其中，取 故假定不正確，流動方向為2→1。 由 得 3-9．試證明變截面管道中的連續(xù)性微分方程為，這里s為沿程坐標(biāo)。 [證明] 取一微段ds，單位時間沿s方向流進(jìn)、流出控制體的流體質(zhì)量差△ms為 因密度變化引起質(zhì)量差為 由于 3-10．為了測量石油管道的流量，安裝文丘里流量計，管道直徑d1=200mm，流量計喉管直徑d2=100mm，石油密度ρ=850kg/m3，流量計流量系數(shù)μ=0.95?，F(xiàn)測得水銀壓差計讀數(shù)hp=150mm。問此時管中流量Q多大？ [解] 根據(jù)文丘里流量計公式得 3-11．離心式通風(fēng)機用集流器A從大氣中吸入空氣。直徑d=200mm處，接一根細(xì)玻璃管，管的下端插入水槽中。已知管中的水上升H=150mm，求每秒鐘吸入的空氣量Q?？諝獾拿芏圈褳?.29kg/m3。 [解] 3-12．已知圖示水平管路中的流量qV=2.5L/s，直徑d1=50mm，d2=25mm，，壓力表讀數(shù)為9807Pa，若水頭損失忽略不計，試求連接于該管收縮斷面上的水管可將水從容器內(nèi)吸上的高度h。 [解] 3-13．水平方向射流，流量Q=36L/s，流速v=30m/s，受垂直于射流軸線方向的平板的阻擋，截去流量Q1=12 L/s，并引起射流其余部分偏轉(zhuǎn)，不計射流在平板上的阻力，試求射流的偏轉(zhuǎn)角及對平板的作用力。（30；456.6kN） [解] 取射流分成三股的地方為控制體，取x軸向右為正向，取y軸向上為正向，列水平即x方向的動量方程，可得： y方向的動量方程： 不計重力影響的伯努利方程： 控制體的過流截面的壓強都等于當(dāng)?shù)卮髿鈮簆a，因此，v0=v1=v2 3-14．如圖（俯視圖）所示，水自噴嘴射向一與其交角成60的光滑平板。若噴嘴出口直徑d=25mm，噴射流量Q=33.4L/s，，試求射流沿平板的分流流量Q1、Q2以及射流對平板的作用力F。假定水頭損失可忽略不計。 [解] v0=v1=v2 x方向的動量方程： y方向的動量方程： 3-15．圖示嵌入支座內(nèi)的一段輸水管，其直徑從d1=1500mm變化到d2=1000mm。若管道通過流量qV=1.8m3/s時，支座前截面形心處的相對壓強為392kPa，試求漸變段支座所受的軸向力F。不計水頭損失。 [解] 由連續(xù)性方程： 伯努利方程： 動量方程： 3-16．在水平放置的輸水管道中，有一個轉(zhuǎn)角的變直徑彎頭如圖所示，已知上游管道直徑，下游管道直徑，流量m3/s，壓強，求水流對這段彎頭的作用力，不計損失。 [解] （1）用連續(xù)性方程計算和 m/s； m/s （2）用能量方程式計算 m；m kN/m2 （3）將流段1-2做為隔離體取出，建立圖示坐標(biāo)系，彎管對流體的作用力的分力為，列出兩個坐標(biāo)方向的動量方程式，得 將本題中的數(shù)據(jù)代入： =32.27kN =7.95 kN 33.23kN 水流對彎管的作用力大小與相等，方向與F相反。 3-17．帶胸墻的閘孔泄流如圖所示。已知孔寬B=3m，孔高h(yuǎn)=2m，閘前水深H=4.5m，泄流量qV=45m3/s，閘前水平，試求水流作用在閘孔胸墻上的水平推力F，并與按靜壓分布計算的結(jié)果進(jìn)行比較。 [解] 由連續(xù)性方程： 動量方程： 按靜壓強分布計算 3-18．如圖所示，在河道上修筑一大壩。已知壩址河段斷面近似為矩形，單寬流量qV=14m3/s，上游水深h1=5m，試驗求下游水深h2及水流作用在單寬壩上的水平力F。假定摩擦阻力與水頭損失可忽略不計。 [解] 由連續(xù)性方程： 由伯努利方程： 由動量方程：