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流体力学与流体机械习题参考答案

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流体力学与流体机械

习题参考答案

主讲：陈庆光

中国矿业大学出版社

张景松编.流体力学与流体机械, 徐州：中国矿业大学出版社，2001.6（2005.1重印）

删掉的题目：1-14、2-6、2-9、2-11、2-17、3-10、3-19、4-5、4-13
《流体力学与流体机械之流体力学》
第一章 流体及其物理性质
1-8 1.5的容器中装满了油。已知油的重量为12591N。求油的重度和密度。
解：；
1-11 面积的平板水平放在厚度的油膜上。用的水平力拉它以速度移动（图1-6）。若油的密度。求油的动力粘度和运动粘度。

解：，，
所以，，
1-12 重量、面积的平板置于斜面上。其间充满粘度的油液（图1-7）。当油液厚度时。问匀速下滑时平板的速度是多少。

解：，，
因为，所以
1-13 直径的轴颈同心地在的轴承中转动（图1-8）。间隙中润滑油的粘度。当转速时，求因油膜摩擦而附加的阻力矩。

解：将接触面沿圆柱展开，可得接触面的面积为：

接触面上的相对速度为：
接触面间的距离为：
接触面之间的作用力：
则油膜的附加阻力矩为：
1-14 直径为的圆盘水平地放在厚度为的油膜上。当驱动圆盘以转速旋转时，试证明油的动力粘度与驱动力矩的关系为：

证明：，
，，

所以：
第二章 流体静力学
2-5 试求潜水员在海面以下50m处受到的压力。海面上为标准大气压，海水重度。
解：
2-6 开敞容器，盛装两种液体，如图2-27所示，求：①在下层液体中任一点的压力；②1和2两测压管中的液面哪个高些？哪个和容器内的液面同高？为什么？

解：① 其中，为上层液体的深度，为下层液体中任一点距离分界面的距离。
②测压管1的液面高些，与容器的液面同高。
管1中的流体与容器中上层流体为同一种流体，并相互连通，根据等压面的性质，对于同一种流体并连通时，任一水平面为等压面，即管1中的液面与容器内的液面等高。
划交界面的延长线，并与管2相交，根据等压面的定义可知，这是一个等压面：

2-7 如图2-28所示的双U形管，用来测定重度比水小的液体的密度。试用液柱高度差来确定位置液体的密度。（管中的水是在标准大气压下，的纯水）

解： 1）
2）
将1）式代入2）式得：

2-9 某地大气压为。求：①绝对压力为202650时的相对压力及水柱高度；②相对压力为8m水柱时的绝对压力；③绝对压力为78066时的真空度。
解：①，，所以，
②，所以，
③
2-10 用两个U行管串联在一起去测量一个贮气罐中的气体的压力，见图2-30所示。已知，，，大气压为101325，，气柱重力可略去，求罐内气体的压力等于多少。

解：，
所以：
所以：
2-11 两根水银测压管与盛有水的封闭容器连接，如图2-31所示。已知，，，试求下面测压管水银面距自由液面的深度。

解：

所以：
所以：
2-12 封闭容器内盛有油和水，如图2-32所示。油层厚，油的重度，另已知，，试求油面上的表压力。

解：，
2-14 如图2-34所示，欲使活塞产生的推力，活塞左侧需引入多高压力的油？已知活塞直径，活塞杆直径，活塞和活塞杆的总摩擦力等于活塞总推力的10%，活塞右侧的表压力.

解：，解得：
2-16 如图2-36所示，无盖水箱盛水深度，水箱宽度，高，若，试求：①水箱的水保持不致溢出时的加速度；②以此加速度运动时，水箱后板壁所受的总压力。

解：①，，，
②由压力分布公式可得：
在水箱后壁板，；将其带入上式并对水箱后壁板进行积分：

两边的大气压正好相抵，即：
2-17 贮水小车沿倾角为的轨道向下做等加速运动，设加速度为，如图2-37所示。求水车内水面的倾角。

解：在自由液面上建立直角坐标系，以水平方向为x轴，向右为正向，竖直方向为y轴，向上为正向。
作用在液体上的单位质量力为：

根据压强差平均微分方程式：
在液面上为大气压强，，代入压强差平均微分方程式，可得：
，

2-18 尺寸为的飞机汽油箱如图2-38所示，其中所装的汽油为邮箱油量的三分之一。试确定下面两种情况下飞机作水平等加速飞行时的加速度各是多少？

解：①，所以，，，得：

②，所以，，，
2-19 在一直径，高度的圆柱形容器中，注水至高度，使容器绕垂直轴作等角速度旋转，如图2-39所示。
①试确定使水之自由液面正好达到容器边缘时的转速。
②求抛物面顶端碰到容器底时的转速，若此时容器停止旋转，水面高度将为若干？

解：①，所以，
，所以，，得
②，所以，，得
容器中剩余水的体积为：
，所以，，所以，
第三章 流体运动学
3-9 直径的水箱通过的小孔泄流。今测得水箱的液面在1s内下降了0.8mm。求泄流量和小孔处的平均速度。
解：，
因为：，所以，
3-10 密度的重油沿的输油管流动。当质量流量时，求体积流量和平均速度。
解：，因为：，所以，
3-11 大管和小管之间用一变径接头连接。若小管中的速度，求流量和大管中的平均速度。
解：，，所以，。
3-12 已知某不可压缩平面流动中，。应满足什么条件才能使流动连续？
解：要使流动连续，应当满足，，
所以，
3-14 二元流动的速度分布为；。则
（1）求势函数和流函数；
（2）当时，作出通过点（1，1）的流线。
解：（1）由连续性方程可知，满足连续条件，流函数存在。
由流函数的定义可知：，

所以，
由无旋条件知：，满足无旋条件，势函数存在。
由势函数的定义可知：，

所以，
（2）流函数，积分得：
因为，时，通过（1,1）点，所以，，此时的流线方程为
3-15 判断下列流动是否满足不可压缩流动的连续性条件。若满足，求出流函数。
（1）；（，，均为常数）；
（2）；；
（3）；；
（4）；。
解：（1），，，满足连续条件。
，，所以，，A为常数。
（2），，，不满足连续条件。
（3），，，满足连续条件。
，，所以，，c为常数。
（4），，，满足连续条件。
，，所以，，c为常数。
3-16 在3-15题中，哪些流动是无旋的，求其势函数。
解：（1），，，所以，无旋。
，，，A为常数。
（2），，，所以，有旋。
（3），，，所以，有旋。
（4），，，所以，无旋。
，，，c为常数。
3-19 不可压缩流动的流函数，求其势函数。
解：，，
所以，，，c为常数。
第四章 流体动力学基础
4-3 用图4-32所示的测压管测定水管中的点速，测压计中工作液的密度。当读数，，时，求A、B两点的流速、。

解：计算A点流速：
A点的全压对应的高度为，静压对应的高度为，
则A点的动压为，
计算B点流速：
因A、B在同一过流断面上，测压管水头相同，，但流速不同，由速度形成的压差是
，
4-4 如图4-33利用一变截面管中水流产生的压力差，通过活塞操纵气体控制器。已知，，，管段水平放置，活塞直径。忽略损失及活塞杆直径，求活塞受到之压力。

解：，
根据伯努利方程：，
所以：
4-5 如图4-34一垂直向上流动的水流，设流束截面保持圆形。已知喷嘴直径，喷嘴出口流速。问在高于喷嘴4m处，水流的直径为多少？忽略损失。

解：对截面1-1和2-2列伯努利方程：，
，
4-6 如图4-35水沿渐缩管道垂直向上流动。已知，，表压力，，。若不计摩擦损失，试计算其流量。

解：，，，

4-8 离心式风机借集流器从大气中吸取空气（如图4-37所示）。其测压装置为一从直径圆柱形管道上接出的、下端插入水槽中的玻璃管。若水在玻璃管中上升高度，求风机的吸风量。空气的密度。

解：，，
，
4-11 密度的水由直径15cm、高于基准面6m的A点，流至直径为75mm、高于基准面3m的B点。已知A点压力为103kPa，流速为3.6m/s。忽略损失，求B点压力。
解：对A、B两截面列伯努利方程：
，，
4-13 水箱底部有一截面积为小孔（图4-40），射流的截面积为A（x）。在小孔处x=0。通过不断注水使水箱中水深h保持常数。设水箱的横截面远比小孔大，求射流截面积随x的变化规律A（x）。

解：，，，，
4-14 一虹吸管直径100mm，各管段垂直距离如图4-41所示。不计水头损失，求流量和A、B点压力。

解：对水平面和C截面列伯努利方程：
，
对水平面和A截面列伯努利方程：，，

对水平面和B截面列伯努利方程：，，

4-20 如图4-46离心式水泵借一内径的吸水管以的流量从一敞口水槽中吸水，并将水送入压力水箱。设装在水泵与吸水管接头上的真空计指出负压值为40kPa，水头损失不计，试求水泵的吸水高度H。

解：根据伯努利方程：，，
4-21 如图4-47所示，密度为830的油水平射向直立的平板。已知，求支撑平板所需的力F。

解：根据动量定理：
根据牛顿第三定律，，方向水平向左。
4-24 水流经一弯管流入大气，如图4-49所示。已知，，，水的重度为，求弯管上受到的力（不计损失，不计重力）。

解：建立坐标系，取水平向右方向为x轴正向，取竖直向上方向为y轴正向。
由连续性方程得：，
对截面1和截面2列伯努利方程：，
根据动量定理：
在水平方向：

在竖直方向：

根据牛顿第三定律：弯管受的力，，负号表示方向沿y轴负方向。
,
第五章 粘性流体流动及阻力
5-15 粘度的油在直径的管中被输送。求层流状态下的最大输油量Q。
解：，，
5-16 重度、粘度的油在直径的直管中流过3000m时的沿程损失为26.1m（油柱），求流量Q。
解： 假设流动是层流：，，，

此时，，流动属于层流，假设成立。
5-19 温度的水在宽度的矩形水槽中流动。当水深h=0.3m，速度v=10cm/s时，求此时的雷诺数。若水深不变，速度为多少时变为层流。
解：查表得，15水的运动粘度为：
矩形水槽的水利直径为：

要改变水的流态，必须使雷诺数
5-20 某输油管路长4000m，管径d=0.3m，输送、的原油。当流量时，求油泵为克服沿程阻力所需增加的功率。
解：，，为层流，
，
5-23 重度为、粘度为的液体在倾角为的无限平板上靠重力向下流动，如图5-39所示。假设流动为层流，液流厚度为h。试证明速度分布为：

证明：在层流中取一微元，高为dh，长为l，宽取单位宽度，则有微元体的重量为：
重力在运动方向的分力为：
切应力为：
，即：
积分得：
带入边界条件：y=h，，得：，
再积分得：
带入边界条件：时，，

5-24 如图5-40所示，两平行平板间充满粘度分别为和的两种互不相混的液体，厚度分别为和。上板以匀速U运动，下板不动。若为层流，试证明切应力分布为：

证明：
第六章 能量损失及管路计算
6-8 一旧铸铁管长l=30m，管径d=0.3m。管中水流速度v=1.5m/s，水温。试计算沿程损失。
解：根据谢维列夫公式：，
6-9 直径d=250mm的铸铁管。当量粗糙度。用它输送的水。分别计算流动处于水力光滑区的最大输水量和阻力平方区时的最小流量。
解：当流动处于水力光滑区时：
，，
当流动处于阻力平方区时：
，，
6-10 某水管直径d=0.5m，，水温。分别用公式法和查图法确定流量分别为，，时的沿程阻力系数。
解：1）时，
公式法：，
，，
位于水里光滑管区。

查图法：
2）公式法：，
，
，位于水力光滑区。

查图法：
3）公式法：，
，，
，位于第二过渡区。
，
查图法：
6-14 如图6-22所示，用一直径d=20mm、长l=0.5m的管段做沿程阻力实验。当的水以通过时，两侧压管液面高差h=0.6m，试计算。若流动处于阻力平方区，确定当量粗糙度。

解：，，，流动处于阻力平方区
，
6-17 泵送供水管如图6-25所示。已知吸水管，，，；排水管，，。。设水泵的扬程H与流量Q的关系为。不计其他局部损失，该管路每昼夜的供水量是多少？

解：由题意可得：，
，解得：，
所以，供水量=
《流体力学与流体机械之流体机械》
第一章 泵与风机的分类及工作原理
1-2 泵与风机的基本特性参数有哪些？
解：泵的特性参数有：流量,扬程,转速，轴功率,有效功率，效率，允许吸上真空度。
风机的特性参数有：流量，全压,转速，轴功率,有效功率，效率。
1-3 试述离心式水泵的工作原理。
解：以单级单吸离心式水泵为例说明其工作原理：单级单吸离心式水泵由叶轮、主轴、机壳等组成。当叶轮随主轴旋转时，叶片间的液体也随叶轮旋转而获得能量，从叶片之间的开口处甩出，进入机壳，通过出液口排出。叶片间液体被甩出后，叶轮中心部分的压力就要降低，当压力降低到能将外部液体吸入时，吸入的液体就能从轴向流入叶轮。叶轮连续旋转，就能连续输出有压液体。
第二章 泵与风机的基本理论
2-6 设有一离心水泵，叶轮的尺寸为：，，，，，。设叶轮的转速n=1450r/min，流体以径向流入叶轮，试计算其理论流量和此时的理论扬程。
解：，
，，
，

2-7 已知4-72-11No5型通风机的转速n=1452r/min，风量，，，，，，，Z=10，排挤系数。试求环流系数K和 理论全压。
解：，：，，
，，
，
，
，

2-8 有一单级轴流式风机，转速为750r/min。在直径980mm处，风以速度轴向进入叶轮，在出口以的速度流出。求叶片进出口相对速度角度的变化（）。
解：：，
，

，，
，
—=
2-11 某风机在转速为1450r/min时，全压P=4609Pa，流量，轴功率N=99.8kW。若转速将为730r/min，气体密度均不变，试计算此时的全压、流量和功率。
解：
由题可知：
所以：

2-12 试根据下列参数计算比转数。
（1）单级单侧进风离心风机，，H=600Pa，n=1000r/min。
（2）单级单入口水泵，，H=25m，n=1450r/min。
（3）单级双入口水泵，，H=20m，n=1450r/min。
（4）三段分级式水泵，，H=122.4m，n=1480r/min。
解：（1）对于离心风机：
（2）对于单级单入口水泵：
（3）对于单级双入口水泵：
（4）对于三级分段式水泵：
第五章 给排水系统
5-3 为什么要在关闭闸阀的情况下启动和停止离心式水泵。
解：闸阀关闭时，泵的流量为零，从泵的功率特性曲线可以看出，零流量时泵所需功率最小，电动机的启动电流也最小，所以，关闭闸阀启动，可减小启动电流，减轻对电网的冲击。
水泵停止时，应先关闭排水闸阀，然后再停电机，这样做是为了阻止发生水击。
5-11 保证水泵正常工作的条件是什么？
解：1）泵的稳定工作条件，
2）泵的经济工作条件，
3）不发生气蚀的条件
5-17 离心式水泵在转速2940r/min时的流量与扬程和效率的关系如表5-8所示，管网特性曲线方程为（Q的单位为L/s，Hg的单位为m）。试求工况点的流量和轴功率。
表5-8 流量与扬程和效率的关系
Q/
0
1
3
5
7
9
11
/%
0
27.5
52.6
62.4
65
63
53
H/m
27
26.5
25.0
22.9
20.1
16.7
12.7
解：在工况点处，，所以，工况点的流量为5L/s
有效功率
轴功率
5-18 一泵允许吸上真空度6m，水温，吸水管中流速1m/s，吸水线上损失0.3m，试求实际允许的吸水高度。
解：：，

第六章 通风系统
6-12 某矿井负压，风量，网路出口面积。试计算风阻R和比例系数b，并绘制R曲线。
解：, 所以,
6-15 某轴流风机扩散器进口面积F=2，扩散面积比n=2.5，损失比。当时，试计算装扩散器前、后风机的全压差和静压差。
解：，所以，

6-19 集流器直径D=600mm，。今测得其真空（）=250mm，试计算流量Q。已知空气密度。
解：对集流器前后截面运用伯努利方程：
可得：，所以：
6-20 现场实测某工况下的结果是，，P=2100Pa，N=94kW，转速n=950r/min。试将实测结果换算到标准状态（）和额定转速（）下。
解：由相似定律可知：
，，
所以，

第七章 空气压缩设备
7-5 某单级空压机吸入自由空气量为，温度为，压力为0.1MPa，若n=1.25，使其最终压力提高到（表压），求最终温度、最终容积及消耗的理论功。
解：，，所以

7-7 某两级空压机，吸气温度为，吸气量为，由初压，压缩到终压（表压），若n=1.3.试求最佳中间压力和循环理论功。
解：，
7-8 某单级双作用空压机，缸径D=360mm，活塞行程s=280mm，活塞杆径d=40mm，曲轴转速n=290r/min，空压机排气量。求空压机的排气量系数。
解：
所以：

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