流体力学第1～5章思考题解答.doc

《工程流体力学》思考题解答
第1章 绪论
1.1 答：流体与固体相比，流体的抗剪切性能很差，静止的流体几乎不能承受任何微小的剪切力；在一般情况下，流体的抗压缩性能也不如固体的抗压缩性能强。
液体与气体相比，液体的压缩性与膨胀性均很小，能够承受较大的外界压力，而气体由于压缩性和膨胀性都很大，所以气体不能承受较大的外界压力。气体受压时，变形通常会非常明显。
1.2 答：④
1.3 答：①
1.4 答：④
1.5 答：①
1.6 答：④
1.7 答：④
1.8 正确。
1.9 错误。
1.10 答：量纲：是物理量的物理属性，它是唯一的，不随人的主观意志而转移。而单位是物理量的度量标准，它是不唯一的，能够受到人们主观意志的影响。本题中，时间、力、面积是量纲，牛顿、秒是单位。
1.11 基本，导出。
1.12 答：量纲的一致性原则。
1.13 答：若某一物理过程包含n+1个物理量（其中一个因变量，n个自变量），即：
q =f(q1，q2，q3，…，qn)
无量纲π数的具体组织步骤是：
（1）找出与物理过程有关的n＋1个物理量，写成上面形式的函数关系式；
（2）从中选取m个相互独立的基本物理量。对于不可压缩流体运动，通常取三个基本物理量，m=3。
（3）基本物理量依次与其余物理量组成［（n＋1）－m］个无量纲π项：

（1）
…………

式中ai、bi、ci为各π项的待定指数，由基本物理量所组成的无量纲数π1＝π2＝π3＝1。
（4）满足π为无量纲项，求出各π项的指数ai、bi、ci，代入上式中求得各π数；
（5）将各π数代入描述该物理过程的方程式（1），整理得出函数关系式。
第2章 流体静力学基础
思考题
2.1 答：C
2.2 答：D
2.3 答：不能认为压强是矢量，因为压强本身只是流体内部位置坐标点的函数，与从原点指向该点的方向转角没有关系。
2.4 答：测管1和测管2液面与容器中液面0-0不平齐。测管1液面比测管2液面要高，因为液体1的密度比液体2的密度要小。
2.5 答：两个底面上所受的静水总压力相同，而两个秤盘上所称得的重量不相同。这是因为两个容器内所盛液体的质量不相同，而秤盘上得到的重量取决于容器内液体的质量。（或两图的压力体不同。）
2.6 答：该浮力不会使圆柱绕轴O转动。根据静水压强的垂直性可以知道，圆柱体上每一个点所受到的压强都垂直与该点并指向圆柱体的轴心，所以，不会对圆柱体产生任何转动的力矩作用。
2.7 答：
原图：
修改后图：

第3章 流体动力学基础
3.1 答：Lagrange方法以个别流体质点的运动作为观察对象，综合每个质点的运动来获得整个流体的运动规律，其函数表达式为个别质点运动的轨迹方程。
Euler 方法以流体运动所经过的空间点作为观察对象，观察同一时刻各固定空间点上流体质点的运动，综合不同时刻所有空间点的情况，构成整个流体运动。
3.2 答：流线是表示某一瞬时流动方向的曲线，该曲线上所有各点的流速矢量均与曲线相切。
流线的性质：a. 恒定流时，流线的形状和位置不随时间而改变；
b. 恒定流时流体质点运动的迹线与流线重合；
c. 除特殊点外，流线不能相交；
d. 除特殊点外，流线是不发生转折的光滑曲线（或直线）。
迹线是表示某一流体质点在运动过程中，不同时刻所流经的空间点的连线，即流体质点运动的轨迹线。
3.3 答：②
3.4 答：（1）是恒定流，其中I、III是均匀流，II是非均匀流。
（2）非恒定流。
（3）有关系。如果II段较长，则为渐变流；较短则为急变流。
3.5 答：与过流断面上流速分布是否均匀没有关系，存在非恒定均匀流和恒定急变流。
3.6 答：③
3.7 答：③
3.8 答：断面平均流速：断面各个点流速的平均值。采用一元流动分析法时必须引入此概念。
3.9 答：

在同一过流断面上，。
3.10 答：④
3.11 答：（1），从能量方程分析，，而，，则，且，所以
（2），从能量方程分析，，而，，且，所以。
（3）不一定。同样由能量方程分析，
，式中，，且， ，所以不一定小于。

3.12 答：读数不会改变。
因为
3.13 答：将阀门开大时，A点处的流速加大，压强减小，出现负压，此时玻璃管中的水会提升一个高度，当阀门开大到一定程度时，提升的水柱高度会到达A点，则玻璃管中的水向上流动。
3.14 答：如果Q相等，则v一定相等。
计算压强时，用公式：，由于各点的位置高度和水头损失不同，所以压强不相同。
3.15 答：③
3.16 答：
3.17 答：下降；上升、水平或下降。
3.18 答：⑴ c受力最大，a受力最小。
⑵ 当时叶片受力最大。
第4章 流动阻力和水头损失
4.1 答：雷诺数的力学意义是表征流体质点所受的惯性力和粘滞力作用之比。如果流动平稳，没有任何扰动，涡体不易形成，则雷诺数虽然达到一定的数值，也不可能产生紊流，所以自层流转变为紊流时，上临界雷诺数极不稳定。反之，自紊流转变为层流时，只要雷诺数降低到一定数值，惯性力将不足以克服粘滞力，即使涡体存在，也不能掺入临层，所以不管有无扰动，下临界雷诺数都是比较稳定的。这正是雷诺数能够成为判断流态类型的重要参数原由。
4.2 答：决定流态三个参量：流速、管道面积、液体粘性，所以不能单独用临界流速作为判断层流、紊流的依据。
4.3 答：空气更容易成为紊流，因为空气的粘性比水小很多，雷诺数要大很多。
4.4 答：推导该方程是从力的平衡推导的，与层流、紊流没有关系。
4.5 答：紊流的主要特征：运动要素表现为脉动、存在粘性底层、产生附加切应力、断面流速分布均匀化。紊流的恒定流是时均的恒定流，严格上讲脉动与恒定两者确实存在矛盾，但经过时均化处理后，可以满足流体力学的计算精度要求。
4.6 答：紊流阻力除了层流阻力之外，还会产生附加切应力。产生附加切应力主要是因为涡体产生的脉动而引起的升力。
4.7 答：没有。
4.8 答：实验研究揭示，在靠近边壁的流层内，由于边壁约束流体质点基本不能垂直于边壁方向运动，而且流速梯度较大，粘滞切应力起主导作用，该薄层称为粘性底层（或层流底层）。
根据粗糙度的大小和粘性底层厚度的比较，可以将流道壁面分成三种类型：
（1）水力光滑面。当雷诺数Re较小或绝对粗糙度较小时，粘性底层厚度可以大于粗糙度若干倍，粘性底层能够完全掩盖住粗糙突体，流体在平直的粘性底层上滑动，象在光滑壁面上流动一样，边壁对流动的阻力只有粘性底层的粘滞阻力，粗糙度对紊流不起任何作用。这种壁面称为水力光滑面（或光滑面）。
（2）水力粗糙面。当Re较大或较大时，粘性底层极薄，可以小于若干倍，紊流绕过突入到紊流区的粗糙体时会产生小漩涡，加剧了紊流的脉动作用。此时，边壁对流动的阻力主要由这些小漩涡的横向掺混运动而形成，而粘性底层的粘滞阻力作用是十分微弱的，边壁粗糙度对紊流的影响将起主导作用。这种壁面称为水力粗糙面（或粗糙面）。
（3）过渡粗糙面。粘性底层已不足以完全掩盖住边壁粗糙度的影响，但粗糙度还没有起决定性作用，介于水力光滑与水力粗糙之间，这种壁面称为过渡粗糙面。值得说明的是，水力光滑面或粗糙面并非完全取决于固体边界表面本身是光滑还是粗糙，而必须依据粘性底层和绝对粗糙度两者的相对大小来确定，即使同一固体边壁，在某一雷诺数下可能是光滑面，而在另一雷诺数下又可能是粗糙面。
4.9 答：
（1）层流区。，理论公式是λ=64/Re。
（2）层流到紊流的过渡区。由于过渡流态极不稳定，因此实验点据散乱。无成熟公式。
（3）水力光滑区。λ只与Re 有关而与无关，且随Re的增大而减小， 。
（4）过渡粗糙区。λ既与Re有关，又与有关。。
（5）水力粗糙区。λ只与有关，而与Re无关。，当λ与Re无关时，由达西公式可见，沿程水头损失与流速的平方成正比，因此水力粗糙区又称为阻力平方区。
4.10 答：
将工业管道和人工管道在同样试验条件下，进行沿程水头损失试验，把具有同一沿程阻力系数值的人工砂粒粗糙度作为工业管道的当量粗糙度，也以表示。
4.11 答：内因：流体的粘性；外因：边界形状突变。
4.12 答：2
4.13 答：②
4.14 答：②
4.15 答：①
4.16 答：①
∵ ，
从可知，当相等时， 流速v相等，
∴ 由可知，。
4.17 答：③
∵两断面的测压管液面差h反映的是两断面间的测压管水头差ΔHp，要加上各自的流速水头才代表两断面间的总水头差ΔH，而（a）、（b）两图两断面的流速水头不相等，
水头差8 ∴只有图（c）正确。
第5章 孔口、管嘴出流及有压管流
5.1 答：。主要是由于收缩断面处出现真空，对容器内的液体产生抽吸作用的缘故。
5.2 答：当液流中压强小于当时气温下的汽化压强时，液流便开始汽化，管嘴可能产生空蚀破坏；同时，收缩端面压强较低时，会将空气由管嘴出口吸入，从而破坏原来的真空状态，管嘴内的流动变为孔口自由出流，出流能力降低。根据实验结果，当液流为水流、管嘴长度为（3～4）时，管嘴正常工作的收缩断面最大真空度为7.0m，因此得到作用水头必须满足的条件为

此外，当管嘴长度小于时，收缩断面与管嘴出口的距离太小，液流未充分扩散以前便抵达出口，收缩断面上不能形成真空，管嘴不能发挥作用；若管嘴长度过大，沿程损失增大，出流能力减小。所以，长度为的短管出流才称为管嘴出流。
所以圆柱形外管嘴的正常工作条件是：
（1）作用水头；
（2）管嘴长度。
5.3 答：④
5.4 答：③
5.5 答：②
5.6 答：③
5.7 答：④
5.8 答：①
5.9 答：③
5.10 答：③
5.11 答：①
5.12 答：②
5.13 答：②
5.14 答：④
5.15 答：③
为便于描述，引入阻抗S的概念：

在紊流粗糙区，阻抗S与流量Q无关。
在作用水头不变的条件下， (1)
式中：
对于并联管段2、3，水头损失相等：

代入（1）式：
当H、S1、S2、S4一定时，阀门K开度关小，阻抗S2增大，增大，总流量Q1必减小。
而，当H、S1、S2、S4一定时，Q1减小，Q2必增大；，Q3必减小。
结论：并联管道系统作用水头一定，当阻力加大时，系统的总流量减小，增阻管段的流量减小，与之并联的未增阻管段流量增大。
5.16 答：④
5.17 答：②
5.18 答：
5.19 答：④