水力学形成性考核册及参考答案.doc

水力学
一、 单项选择题 （每小题3分，共计12分）
1.静止液体中同一点各方向的静水压强 （ a ）
a 、大小相等 b 、大小不等
c、仅水平方向数值相等; d、铅直方向数值为最大
2.在平衡液体中，质量力与等压面 （ d ）
a、重合； b、平行 c、相交； d、正交。
3.液体只受重力作用，则静止液体中的等压面是 （ b ）
a、任意曲面； b、水平面 c、斜平面； d、旋转抛物面。
4.液体中某点的绝对压强为88kN/m2，则该点的相对压强为 （ b ）
a、10 kN/m2 b、-10kN/m2 c、12 kN/m2 d、-12 kN/m2
5.过水断面是指 （b）
与流线平行的断面； b、与流线正交的横断面 c、与流线斜交的横断面； d、与迹线正交的横断面。
6、紊流粗糙区的水头损失与流速成 （ b ）
a、一次方关系； b、二次方关系； c、1.75～2.0次方关系；d、不能确定
7、已知液体流动的沿程水头损失系数λ与边壁粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于 （ c ）
a、层流区； b、紊流光滑区； c、紊流过渡粗糙区； d、紊流粗糙区
8、有压管道的管径d与管流水力半径的比值d /R = （ b ）
a、8 b、4 c、2 d、1
9、已知突扩前后有压管道的直径之比d1/d2 =1：2，则突扩前后断面的雷诺数之比为 （ a ）
a、2 b、1 c、0.5 d、0.25
10、层流断面流速分布规律符合 （ c ）
a 、对数分布； b 直线分布； c、抛物线分布； d、 椭圆分布
11.根据管道水头损失计算方法的不同，管道可以分为（ a）
a、 长管，短管； b、复杂管道，简单管道；
c、并联管道，串联管道；
12、矩形水力最佳断面的宽深比β= （ b ）
a、1； b、2； c、3； d、4
13、在缓坡明渠中不可以发生的流动是 （ b ）
a、均匀缓流； b、均匀急流； c、非均匀缓流； d、非均匀急流。
14、长管的总水头线与测压管水头线 （ b ）
b、 重合； b、相平行的直线； c、相平行呈阶梯状。
15、水流在明渠中的流态为缓流时，其水深h h k，弗汝德数Fr_____1。（ c ）
a、< ，< ； b、< ，> ； c、 > ，< ； d、> ，>。
闸孔出流的流量与闸前水头的（ d ）成正比。
a、1次方 b、2次方 c、3/2次方 d、1/2次方
16、溢流堰的过堰流量与堰顶水头的（ c ）次方成正比。
a、1次方 b、2次方 c、3/2次方 d、1/2次方
17、底流式消能池中产生的水跃应该是 ( a )
a、远离式水跃， b、临界水跃 ， c、强淹没水跃 ，
d、淹没系数为1.05～1.1的弱淹没水跃
18、对于底坎为平顶堰的闸孔，相对开度e/H＞ （ a ）时的水流运动为堰流。
a、 0.65 b、0.67 c、 0.75 d、2.5
19、渗流研究的对象是（ a ）的运动规律。
a、重力水； b、毛细水； c、气态水； d、薄膜水。
20、按重力相似准则设计的水力学模型，长度比尺λL=100，模型中水深为0.1米，则原型中对应点水深为和流量比尺为（ d ）
a、 1米，λQ =1000； b、10米，λQ =100；
c、 1米，λQ =100000； d、10米，λQ =100000。
21、测量水槽中某点水流流速的仪器有（ b ）
a、文丘里计 b、毕托管 c、测压管 d、薄壁堰
22、泄水建筑物下游发生远驱水跃，下游收缩断面水深hc的共轭水深hc’’ ____下游河道的水深h t。（ c ）
a、< ， b、= ， c、> 。
二、 填空题
三、 1.牛顿内摩擦定律适用的条件是 层流运动 和 牛顿流体 。
2.液体中某点的相对压强值为20kN/m2，则该点的绝对压强值为 118 kN/m2，真空度为 不存在 。
3.当压力体与受压面位于同一侧，则铅垂方向作用力的方向是向 下 。
4、恒定流时流线与迹线 重合 。
5、实际液体在流动时产生水头损失的内因是 液体的粘滞性 ，
外因是 边界条件的影响 。
6、雷诺试验揭示了液体存在_____层流___和____紊流 _两种流态，并可用 临界雷诺数 来判别液流的流态。
7、在等直径长直管道中，液体的温度不变，当流量逐渐增大，管道内的雷诺数Re将逐渐 增大 。
8、在水击计算中阀门关闭的时间Ts < Tr水击相长的水击，称为 直接 水击，把Ts > Tr的水击称为 间接 水击。
9、a2型水面曲线是发生在 陡 坡上的 急 流（指急流或缓流）的水面线，这时弗汝德数Fr沿程 减小 （指增大、减小或不变）
堰、闸出流都属于 急变流 流，它们的主要区别在于 流堰上部没有受到闸门控制，水面是连续的，而闸孔出流受到闸门控制，水面是不连续的，因而过流能力不同 。
10．溢流堰的过堰流量与堰顶水头的___ 次方成正比。3/2
11．当堰顶厚度δ=5m，堰为宽顶堰的堰上水头范围是 。0.5m＜H＜2m
12．泄水建筑物下游发生远驱水跃，下游收缩断面水深hc的共轭水深hc’’ _＞__h t。 (ht为下游河道的水深，填写< 、= 、>符号)。
13．工程中应用WES实用堰与其它实用堰型相比具有下列优点 便于施工控制，节省工程量 。

三、判断题
1.理想液体是不考虑液体粘滞性的理想化的液体。 （√）
2.图中矩形面板上的静水总压力作用点D与受压面的形心点 C重合。 （×）

3.静止液体内任何一点的测压管水头等于常数。 （×）
4、根据连续性方程，流速与过流断面面积成正比。 （×）
5、水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。 （×）
6、只有过水断面上各点流速相等的流动才是均匀流 （×）
7、均匀流与渐变流一定是恒定流，急变流一定是非恒定流。 （×）
8、判别圆管水流是层流或紊流流态的临界雷诺数Re为2000。 （√）
9、层流一定是均匀流，紊流一定是非均匀流。 （×）
10、根据达西公式hf =λ，层流沿程水头损失与流速平方成正比。（×）
11、紊流粗糙区的沿程水头损失系数只与雷诺数有关。 （×）
12、水泵的扬程就是指提水的高程。 （× ）
13、同样条件下直接水击比间接水击更不安全。 （√ ）
14、在正坡非棱柱渠道内可以形成均匀流。 （× ）
15、在流量和渠道断面形状一定的条件下，水跃的跃后水深随跃前水深的增大而增大。 （× ）
16、断面比能沿流程总是减小的。 （× ）
17、陡坡渠道中产生均匀流必定是急流，缓坡上出现均匀流必为缓流。（√ ）
18、其它条件相同时，实用堰的流量系数大于宽顶堰的流量系数。 （√ ）
19、影响WES实用堰流量系数的两个因素是：实际水头H与设计水头Hd之比，上游堰高P与设计水头Hd之比。 （√ ）
20、底流消能消力池深度是以通过的最大流量作为设计流量的。 （× ）
21、渗流达西定律适用的条件是恒定均匀层流渗流，并且无渗透变形。（√ ）
22、两个液流只要在相应点的速度和加速度的大小成比例，则两个液流就是运动相似的。 （√ ）
23、棱柱体明渠恒定渐变流的水面曲线有12条，而地下河槽无压渗流的浸润曲线只有4条。 （√ ）
四、 问答题
1.液体的基本特征是什么？
答：液体的基本特征是易流动、不易被压缩、均匀等向的连续介质。
2.什么是液体的粘滞性？它对液体运动有什么影响？
答：对于流动的液体，如果液体内部的质点之间存在相对运动，那么液体质点之间也要产生摩擦力来反抗这种相对运动的发生，我们把液体的这种特性称为粘滞性；由于粘滞性的存在，液体在运动过程中要克服粘滞助力作功而消耗能量，所以粘滞性是液体在流动过程中产生能量损失的根源。
3.有人说“均匀流一定是恒定流”，这种说法是否正确？为什么？
答：这种说法是错误的，均匀流不一定是恒定流。因均匀流是相对于空间而言，即运动要素沿流程不变，而恒定流是相对于时间而言，即运动要素不随时间而变。两者判别标准不同。
4.根据尼古拉兹实验，简单叙述沿程水头损失系数λ在不同流态的变化规律。
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，△/d）；粗糙区λ=f3（△/d），紊流粗糙区又称为阻力平方区。
5.总水头线、测压管水头线的关系和沿程变化的特点是什么？
答案：均匀的总水头线和测压管水头线是相互平行的直线。
6.简述明渠均匀流的特征。
①过流断面的形状、尺寸和水深沿流程不变；②过流断面上的流速和流速分布沿流程不变，所以流速水头沿程不变；③总水头线、测压管水头线（既水面线）和渠底线三者互相平行。
7.渠水流的流态有哪几种方法？
答：有四种方法：（1）用弗德德数判别（2）用微波波速判别（3）用临界水深判别（4）用临界流速判别
8.简述堰的分类和相应的水流运动特征。
①薄壁堰流。当δ/H＜0.67时，过堰的水舌形状受堰顶厚度δ的影响，水舌下缘与堰顶呈线接触，而且堰顶常做成锐缘形，水面为单一的降落曲线；②实用堰流。当0.67＜δ/H＜2.5时，过堰水流受到堰顶的约束和顶托，水舌与堰顶呈面接触，但水面仍有单一的降落曲线；③宽顶堰流。当2.5＜δ/H＜10时，堰顶厚度对水流的顶托作用更为明显，水流在堰顶进口处出现第一次跌落后，形成与堰顶近乎平行的渐变流段，然后出现第二次跌落（下游水位较低时）。
9、简述泄水建筑物下游有哪几种消能形式和它们的特点。
①底流消能与衔接。底能消能多用于中、低水头及地质条件较差的泄水建筑物下游；②挑能消能与衔接。多用于高水头、下游河床地质条件好的建筑物末端的消能；③面流消能与衔接。在底部旋滚和表层主流扩散的过程中实现的
10、建立渗流模型应遵循哪些原则？
（1）通过渗流模型的流量必须和实际渗流的流量相等。
（2）对同一作用面，从渗流模型得出的动水压力，应当和真实渗流动水压力相等。
（3）渗流模型的阻力和实际渗流应相等，也就是说水头损失应该相等。
五、 作图题
1.试绘制图中AB面上的静水压强分布图
2.试绘制图中曲面ABC上的水平方向静水压强分布图及压力体图
pgh1
pg(h1+h2)
pg(h1+h2+h3)
pg(h1+h2)
pg(R1+R2)

题 5 – 1 题 5 - 2
六、 计算题
1. 如图所示，平板在水面上作水平运动，速度为u=10cm/s，平板与下部固定底板的距离为δ=1mm，平板带动水流运动速度呈直线分布，水温为20C，试求：作用平板单位面积上的摩擦力。 （12分）
解:因为水流运动速度呈直线分布，则流速梯度为常数，即：du/dy=0.1/0.001=100
查表1-1，温度为20℃时水的动力粘滞系数为：μ=1.002×10-3N·s/m2
根据牛顿内摩擦定律，平板单位面积上的摩擦力为：
τ=μ×（du/dy）=1.002×10-3×100=0.1002N
C
D
E
C
D
E
2. 图示为复式比压计，各点的高度如图所示，已知油的密度为ρ油=800kg/m3，水银的密度为水的密度13.6倍，求A，B两点的压强差。 （12分）
解:图中等压面为C-C，D-D，E-E。计算如下：
PC=PA+ρ水g×0.5
PD=PC –ρ汞g×0.2
PE=PD +ρ油g×0.3
PB=PE –ρ水g×0.6–ρ汞g×0.4
PB= PA+ρ水g×0.5–ρ汞g×0.2+ρ油g×0.3 –ρ水g×0.6–ρ汞g×0.4
PA–PB=ρ水g×0.1+ρ汞g×0.6–ρ油g×0.3
=1×9.8×0.1+13.6×1×9.8×0.6–0.8×9.8×0.3
=78.596KN/m2
3. 如图所示矩形挡水闸AB，已知水深h=3 m，板的宽b＝2.5m，求作用在矩形平板AB上的静水总压力大小以及作用点处的水深。 （12分）
解: 依题意作用在闸门AB上的静水总压力P应为：
P=pcA=ρghcA=pg(h/2)×hb=1/2×pgh2b
=1/2×1×9.8×32×2.5=110.25KN
静水总压力P的作用点为：

即总压力的作用点位于水面下2米处。
4. 图示为溢流坝上的弧型闸门。已知R=6m，弧门宽B=5m，α=60°，试求：
（1）作用在弧型闸门上的静水总压力。（10分）
（2）静水总压力作用点hD的位置。（4分）
解：（1）计算水平分力：
计算垂直分力：垂直分力等于压力体eabB的水重。
长方形abce面积=ae×ec=4×(6 - 6×cos60o)=12m2
扇形eoB的面积=(60/360) ×π×R2=(1/6) ×3.14×62=18.84 m2
三角形coB的面积=(1/2) ×Bc×co=(1/2) ×6sin60o×6cos60o=7.79 m2
压力体eabB的体积=（12+18.84 - 7.79）×5 =115.25m3
所以，垂直分力Fpz =ρgv = 1×9.8×115.25=1129.5KN（反向向上）
闸门上的静水总压力
（2）Fp和水平线的夹角为β，
∴β=33.90o
因为曲面是圆柱面的一部分，各点压强都垂直于圆柱面，且同通过圆心O点，所以总压力Fp的作用线必通过O点，Fp的作用点距水平面的距离：
hD=4+Rsinβ=4+6sin33.90o=7.35

19

一、 计算题
1、 管道直径 d = 10 mm，通过流量 Q = 20 cm3/s，运动粘度ν= 0.0101 cm2/s。问管中水流流态属层流还是紊流？若将直径改为 d = 30 mm，水温、流量不变，问管中水流属何种流态？ （8分）
解：（1）∵运动粘度ν= 0.0101 cm2/s，而管道截面积A=πd2/4，=Q/A，
则管道流动的雷诺数：

∴管道水流为紊流。
（2）∵管道流动的雷诺数，故可知水温、流量不变，管径扩大3倍后的雷诺数
∴将直径改为 d = 30 mm，水温、流量不变，管中水流是层流。

2、图示水箱一侧有一向上开口的短管，箱内水位恒定，水通过管嘴向上喷射。若管嘴出口至水箱水面的高度h=5 m，管嘴局部水头损失系数ζ=0.2，取动能校正系数α=1。求管嘴的出流速度v及此射流达到的高度z。 （ 12分）
3
2
1
解：（1）以管嘴出口为基准面，对水面1和管嘴出口2列能量方程，得：

由h=5 m，ζ=0.2，α=1得

=9.04m/s
(2) 以管嘴出口为基准面，管嘴出口2和水面3列能量方程，得：

由=9.04m/s，α=1得

3 、已知如图所示的文丘里管流量计，管的直径d1 =5cm，d2=2cm，1断面与喉管断面的测压管水头差为Δh =5cm ，如果文丘里管流量计流量修正系数μ=0.98，求管路中通过流量Q为多少？（不计水头损失） （12分）
解：计算文丘里管常数：

管路中通过的流量：

4、某水平管路的直径d1=7.5cm，管内流速v1=0.70m/s，管路末端接一渐缩喷嘴通入大气（如图）。喷嘴出口直径d2=2.0cm，用压力表测得管路与喷嘴接头处压强p=49kN/m2，求水流对喷嘴的水平作用力F（取动量校正系数为1） 　　　　

x
解：取管路1-1断面和管嘴2-2断面为计算断面，根据连续方程得：

对喷嘴建立x方向的动量方程，β=1得：
pA1 – F′=βρQ(v2x – v1x)
F′= pA1 – βρQ(v2 – v1)=49×(1/4) ×3.14×0.0752 - 1×1×0.0031×(2.625-0.7)
=0.21KN
水流对喷嘴的水平作用力F与F′大小相等，方向相反。
5、有一浆砌块石的矩形断面渠道，宽b = 6m，当Q = 14.0m3/s时，渠中均匀水深h = 2m，糙率n = 0.025，试求500m长渠道中的沿程水头损失。 （12分）
解：计算渠道断面水力要素：
过流断面面积A=bh=6×2=12m2
湿周χ=b+2h=6+2×2=10m
水力半径

根据舍齐公式，沿程水头损失：

五、作图题 （共2题，计8分）
1、定性绘出图示管道（短管）的总水头线和测压管水头线。
测 压 管 水 头 线
总 水 头 线
v0=0

2、 定性绘出图示棱柱形明渠内的水面曲线，并注明曲线名称及流态。(各渠段均充分长，各段糙率相同)

N n
N n
N1 n
N1 n
N2 n
N2 n
N3 n
N3 n

(a) (b)
七、 计算题 （共6题，计58分）
1、图示用直径d = 0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道水位为120m，灌溉渠道水位118m，虹吸管各段长度为l1 = 10m，l2 =5m， l3 =12m，虹吸管进口安装无底阀的滤网（ζ= 2.5）,管道有两个60o的折角弯管（ζ=0.55）。 （12分）
B
求：（1）通过虹吸管的流量。
B
（2）当虹吸管内最大允许真空值hv =7.0m时，虹吸管的最大安装高度。
解： （1）虹吸管的出口淹没在水面以下，当不计行近流速时，可按照淹没出流公式来计算流量。
先计算管道流量系数：

虹吸管的流量：

（2）虹吸管的最大真空发生在管道的最高位置。即B—B断面。以上游河面为基准面，对断面0—0和断面B—B建立能量方程：

其中，，v=Q/A=0.35/(3.14×0.22)=2.79m/s，取α=1.0，v0≈0，代入得则：

式中是断面B—B的真空值，它满足

故虹吸管的最大安装高度：

2、底宽b = 1.5 m的矩形明渠，通过的流量为Q = 1.5 m3/s，已知渠中的水深h = 0.4 m，则判断该处水流的流态。 （7分）
解：求临界水深hk：
q=Q/b=1.5/1.5m3 (s·m)= 1m3 (s·m)

用临界水深判别：ho<hk，所以该处水流的急流。
3、已知底宽为b = 6m的矩形渠道中，临界水深为hk =1.37m，求渠道内通过的流量Q。
解：根据矩形断面明渠临界水深公式，求矩形断面的单宽流量：

q=5.021m3 (s·m)
所以，Q=qb=5.02×6=30.12m3/s
4、有一混凝土护面的梯形渠道，底宽b =10 m，正常水深 h = 3 m，边坡为 1:1，底坡 i =0.001，糙率 n = 0.014。如流动在紊流粗糙区 ，求谢才系数C和均匀流的Q流量。
解：计算梯形断面的水力要素：
A=(b+mh)h=(10+1×3) ×3=39m2

R=A/χ=2.11m
故，

5、有一矩形断面混凝土渡槽(n=0.014)，底宽b＝1.5m,槽长L＝116.5m。进口处槽底高程▽=52.06m，当通过设计流量Q＝7.65m3/s时，槽中均匀流水深h0=1.7m，试求渡槽出口的底高程▽2？
解：计算矩形断面的水力要素：
渡槽断面面积：A=bh0=1.5×1.7=2.55m2
湿周：x =b+2 h0=1.5+2×1.7=4.9m
水力半径：R=A/x=0.52
舍弃系数：
根据明渠均匀流公式，计算i

i=Q2/A2C2R= 7.652/2×2.552×0.52=0.0042

=52.06—0.0042×116.5=51.57m
6、在矩形断面水平渠道中设一平板闸门，如图所示，闸门与渠道同为宽度b = 4m，闸孔出流量Q = 12m3/s，闸下收缩断面水深hc =0.4m，产生水跃与下游水流衔接，下游水深ht =1.4m，求跃前水深并判别水跃发生的位置。 （12分）
1
1
t
t
0
0
解：
（1）跃前水深
求临界水深hk

因为ht>hk，所以下游水流是缓流。
根据能量方程，以渠道底为基准面，对断面1 – 1和t – t建立能量方程。

忽略行进水头，则=0，取，不计水头损失。

求得H=1.6m.
（2）判别水跃发生的位置
先求收缩断面水深hc的共轭水深hc’’

因为
ht< hc’’，为远驱式水跃衔接，水跃发生在ht的共轭水深处ht’’

四、计算题
1、有一5孔WES型实用堰。每孔净宽b＝8.0 m，堰高P=50 m，堰顶设计水头H＝3.2 m，溢流堰下接远离式水跃。已知WES型实用堰的设计流量系数md＝0.502，侧收缩系数ε＝0.96，
（1）求实用堰的设计流量Qd，
（2）如果实测堰顶设计水头H＝4.0 m，过堰流量Q为500m3/s，试求流量系数
解：（1）P/H=50/3.2=15.6＞1.33是高堰，且溢流堰下接远离式水跃，为非淹没，实用堰的流量，σs=1，得：
Qd＝σsεmdnb ＝1×0.96×0.502×5×8×=488.52m3/s
(2)当H＝4.0 m，Q=500m3/s时，P/H=50/4=15.6＞1.33是高堰，为非淹没，实用堰σs=1，得：
Q＝σsεmnb
500＝1×0.96×m×5×8×
求得：m=0.368
2、某平底坎水闸，共有10孔，采用平板闸门，每孔宽度为b =4m，闸门开度e = 2m，下游水深ht = 3m，当通过闸孔的流量Q = 470m3/s时，求闸前水头为多少？（8分）
解：忽略行进水头，先假设闸孔为自由出流，，Q = 470m3/s，代入闸孔出流基本计算公式

求得H
3、如图所示，在溢流坝下游收缩断面hc＝0.315m，溢流坝单宽流量q＝2.45m2/s 。已知下游水深ht＝1.5 m 。（1）试判别是否需要修建消力池？ (2)如需修建消力池，不考虑挖深影响（hc不变）和出池水面跌落Δz，试设计挖深式消能池的池深d，消力池水跃淹没系数取σ’=1.1 。 (12分)

解：（1）判别闸下水跃形式

∵ ∴产生远驱式水跃
所以下游需要建消力池
（2）设计池深

4、一矩形断面陡槽，如图所示，槽宽b =5m， 下接一个宽度相同的缓坡明槽，当通过的流量Q = 20m3/s时，陡槽末端水深h1 =0.5m，下游水深 ht =1.80m，试判别水跃的衔接形式。如果水跃从1一1断面开始发生，所需下游水深应为多少？（10分）

解：

解：（1）判别陡槽水跃衔接形式
求单宽流量
q=Q/b=20/5=4m3/s·m
∵ ∴产生远驱式水跃
（2）如果水跃从1一1断面开始发生，这种衔接为临界水跃衔接，所需下游水深

5、直径的圆柱形滤水器，滤水层由均匀砂组成，厚1.5m，渗透系数=0.013cm/s，求在H=0.6m的恒定流情况下，滤水器的渗流流量Q。(10分)
解：水力坡度J= hw / L =0.6/1.5 =0.4

6、以重力相似原则设计的某水工模型，长度比尺λl=25；若原型中闸孔收缩断面处的平均流速vp=7.5m/s，坝高PP=50m，则确定模型中相应收缩断面处的平均流速和vm和坝高Pm 。如果原型中过闸流量Qp =3000m3/s，则模型中相应的流量为Qm 为多少？
解：
(1)确定模型中相应收缩断面处的平均流速vm

(2)确定模型坝高Pm 。
采用正态模型，坝高比尺

(3)确定模型中相应的流量为Qm