工程流体力学5

闻建龙主编的《工程流体力学》习题参考答案第一章 绪论1-1 物质是按什么原则分为固体和液体两大类的？解：从物质受力和运动的特性将物质分成两大类：不能抵抗切向力，在切向力作用下可以无限的变形（流动），这类物质称为流体。

如空气、水等。

而在同等条件下，固体则产生有限的变形。

因此，可以说：流体不管是液体还是气体，在无论多么小的剪应力（切向）作用下都能发生连续不断的变形。

与此相反，固体的变形与作用的应力成比例，经一段时间变形后将达到平衡，而不会无限增加。

1-2 何谓连续介质假设？引入连续介质模型的目的是什么？在解决流动问题时，应用连续介质模型的条件是什么？解：1753年，欧拉首次采用连续介质作为流体宏观流动模型，即不考虑流体分子的存在，把真实的流体看成是由无限多流体质点组成的稠密而无间隙的连续介质，甚至在流体与固体边壁距离接近零的极限情况也认为如此，这个假设叫流体连续介质假设或稠密性假设。

流体连续性假设是流体力学中第一个根本性假设，将真实流体看成为连续介质，意味着流体的一切宏观物理量，如密度、压力、速度等，都可看成时间和空间位置的连续函数，使我们有可能用数学分析来讨论和解决流体力学问题。

在一些特定情况下，连续介质假设是不成立的，例如：航天器在高空稀薄气体中飞行，超声速气流中激波前后，血液在微血管（1μm ）内的流动。

1-3 底面积为25.1m 的薄板在液面上水平移动（图1-3），其移动速度为s m 16，液层厚度为mm 4，当液体分别为C 020的水和C 020时密度为3856m kg 的原油时，移动平板所需的力各为多大？题1-3图解：20℃ 水：s Pa ⋅⨯=-3101μ20℃，3/856m kg =ρ， 原油：s Pa ⋅⨯='-3102.7μ水： 233/410416101m N u=⨯⨯=⋅=--δμτN A F 65.14=⨯=⋅=τ油： 233/8.2810416102.7m N u=⨯⨯=⋅'=--δμτ N A F 2.435.18.28=⨯=⋅=τ1-4 在相距mm 40=δ的两平行平板间充满动力粘度s Pa ⋅=7.0μ液体（图1-4），液体中有一边长为mm a 60=的正方形薄板以s m u 15=的速度水平移动，由于粘性带动液体运动，假设沿垂直方向速度大小的分布规律是直线。

重 庆 能 源 职 业 学 院 教 案课程名称：流体力学 授课时间 2013 年 3 月授课教师：年 月日授课对象 系 别油气储运系本次课学时年级班次章节题目第三章 压力管路和孔口、管嘴的水力计算目的要求（含技能要求）掌握压力管路的分类、水力计算，掌握薄壁小孔出流的特征本节重点压力管路的水力计算及薄壁小孔出流 本节难点压力管路的水力计算及薄壁小孔出流 教学方法 理论教学与实例举例相结合。

教学用具 PPT 。

问题引入以实例引入。

如何突出重点 多次重复及字体区别。

难点与重点讲解方法 实例与课程内容相结合，加深印象。

内容与步骤简单长管的水力计算 复杂长管的水力计算 沿程均匀泄流管路 短管的水力计算定水头孔口和管嘴泄流 变水头泄流压力管路中的水击 本次课小 节课程小结 本章着重讨论运用流体运动的基本规律和水头损失的计算方法对实际工程管路进行水力计算，总结出实用的计算方法。

教后札记讨论、思考题、作业（含实训作业）1、何为管路特性曲线，有何用途？2、串并联管路各有何特点？在输油管上有哪些应用？3、分支管路应如何进行水力计算？重庆能源职业学院教案教学内容压力管路介绍压力管路在工程实际中的主要应用。

（10分钟）压力管路的分类（10分钟）长管的水力计算（20分钟）复杂管路的水力计算（50分钟）复杂管路的水力计算（60分钟）短管的水力计算（30分钟）孔口出流介绍孔口出流在工程实际中的主要应用和研究方法。

（10分钟）孔口出流的分类本节主要讨论孔口出流的一些基本概念：薄壁孔口、厚壁孔口、大孔口、小孔口、自由出流、淹没出流。

重点介绍薄壁孔口和厚壁孔口的主要技术特征。

（20分钟）薄壁小孔口自由出流分析推导薄壁小孔口自由出流时的各个特征参数计算公式。

（60分钟）水击现象日常生活中，快速开关阀门、停泵或突然断电一、水击的产生1、水击现象（水锤）在有压管路内，由于流速急剧变化，引起管内压强突然变化，并在整个管长范围传播的现象，称水击。

《工程流体力学》实验指导书适用专业：机械电子工程上海电机学院2014年9月目录实验一雷诺实验 (1)实验二局部水头损失实验 (5)实验三沿程水头损失实验 (10)实验一雷诺实验一、实验目的和要求1. 观察层流、湍流的流态及其转换过程；2. 测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；3. 学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，确定非圆管流的流态判别准数。

二、实验装置1．实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。

图1 雷诺实验装置图1. 自循环供水器2. 实验台3. 可控硅无级调速器4. 恒压水箱5. 有色水水管6. 稳水孔板7. 溢流板8. 实验管道9. 实验流量调节阀10. 稳压筒11.传感器12. 智能化数显流量仪2. 装置说明与操作方法供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。

本恒压水箱设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3~5分钟。

有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。

为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。

实验流量由调节阀9调节。

流量由智能化数显流量仪测量，使用时须先排气调零，所显示为一级精度瞬时流量值。

水温由数显温度计测量显示。

三、 实验原理1883年, 雷诺(Osborne Reynolds)采用类似于图1所示的实验装置，观察到液流中存在着层流和湍流两种流态：流速较小时，水流有条不紊地呈层状有序的直线运动，流层间没有质点混掺，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点作杂乱无章的无序的直线运动，流层间质点混掺，这种流态称为湍流。

雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速c v ，c v 与流体的粘性ν、园管的直径d 有关。

若要判别流态，就要确定各种情况下的c v 值，需要对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研究，工作量巨大。

雷诺实验的贡献不仅在于发现了两种流态，还在于运用量纲分析的原理，得出了量纲为一的判据——雷诺数Re ，使问题得以简化。

封面作者：Pan Hongliang仅供个人学习第一章流体及其主要物理性质1-1.轻柴油在温度15ºC时相对密度为0.83，求它的密度和重度。

解：4ºC时相对密度：所以，1-2.甘油在温度0ºC时密度为1.26g/cm3，求以国际单位表示的密度和重度。

解：1-3.水的体积弹性系数为1.96×109N/m2，问压强改变多少时，它的体积相对压缩1％？解：1-4.容积4m3的水，温度不变，当压强增加105N/m2时容积减少1000cm3，求该水的体积压缩系数βp和体积弹性系数E。

解：1-5.用200L汽油桶装相对密度为0.70的汽油，罐装时液面上压强为1个大气压，封闭后由于温度变化升高了20ºC，此时汽油的蒸气压为0.18大气压。

若汽油的膨胀系数为0.0006ºC－1，弹性系数为14000kg/cm2。

试计算由于压力及温度变化所增减的体积？问灌桶时每桶最多不超过多少公斤为宜？解：E＝E’·g＝14000×9.8×104PaΔp＝0.18at所以，从初始状态积分到最终状态得：另解：设灌桶时每桶最多不超过V升，则（1大气压＝1Kg/cm2）V＝197.6升dV t＝2.41升dV p＝2.52×10-3升G＝0.1976×700＝138Kg＝1352.4N1-6.石油相对密度0.9，粘度28cP，求运动粘度为多少m2/s?解：1-7.相对密度0.89的石油，温度20ºC时的运动粘度为40cSt，求动力粘度为多少？解：ν＝40cSt＝0.4St＝0.4×10-4m2/sμ＝νρ＝0.4×10-4×890＝3.56×10-2 Pa·s1-8.图示一平板在油面上作水平运动，已知运动速度u=1m/s，板与固定边界的距离δ=1，油的动力粘度μ＝1.147Pa·s，由平板所带动的油层的运动速度呈直线分布，求作用在平板单位面积上的粘性阻力为多少？解：1-9.如图所示活塞油缸，其直径D＝12cm，活塞直径d＝11.96cm，活塞长度L＝14cm，油的μ＝0.65P，当活塞移动速度为0.5m/s时，试求拉回活塞所需的力F=？解：A＝πdL , μ＝0.65P＝0.065 Pa·s , Δu＝0.5m/s , Δy=(D-d)/2第二章流体静力学2-1. 如图所示的U形管中装有水银与水，试求：（1）A、C两点的绝对压力及表压各为多少？（2）A、B两点的高度差为多少？解：①p A表＝γh水＝0.3mH2O＝0.03at＝0.3×9800Pa＝2940Pap A绝＝p a+ p A表＝（10+0.3）mH2O＝1.03at＝10.3×9800Pa＝100940Pap C表＝γhg h hg+ p A表＝0.1×13.6m H2O+0.3mH2O＝1.66mH2O＝0.166at＝1.66×9800Pa＝16268Pap C绝＝p a+ p C表＝（10+1.66）mH2O＝11.66 mH2O＝1.166at＝11.66×9800Pa＝114268Pa② 30c mH2O＝13.6h cmH2Oh＝30/13.6cm=2.2cm题2-2 题2-32-2.水银压力计装置如图。

第五章 不可压缩流体一维层流流动思考题建立流体流动微分方程依据的是什么基本原理?有哪几个基本步骤导致流体流动的常见因素有哪些?流体流动有哪几种常见的边界条件?如何确定这些边界条件? 对缝隙流动、管内流动或降膜流动，关于切应力和速度的微分方程对牛顿流体和非牛顿流体均适用吗？为什么一、选择题1、圆管层流过流断面的流速分布为A 均匀分布；B 对数曲线分布；C 二次抛物线分布；D 三次抛物线分布。

2、两根相同直径的圆管，以同样的速度输送水和空气，不会出现____情况。

A 水管内为层流状态，气管内为湍流状态；B 水管、气管内都为层流状态；C 水管内为湍流状态，气管内为层流状态；D 水管、气管内都为湍流状态。

3、变直径管流，细断面直径为d 1，粗断面直径为d 2，122d d 粗断面雷诺数Re 2与细断面雷诺数Re 1的关系是：A Re 1=0.5Re 2B Re 1=Re 2C Re 1=1.5Re 2D Re 1=2Re 24、圆管层流，实测管轴线上的流速为4m/s,则断面平均流速为：A 4m/sB 3.2m/sC 2m/sD 2.5m/s5 圆管流动中过流断面上的切应力分布如图 中的哪一种？A 在过流断面上是常数B 管轴处是零，且与半径成正比C 管壁处为零 ，向管轴线性增大D 抛物线分布9．下列压强分布图中哪个是错误的？B10．粘性流体总水头线沿程的变化是( A ) 。

A. 沿程下降B. 沿程上升C. 保持水平D. 前三种情况都有可能。

1．液体粘度随温度的升高而___，气体粘度随温度的升高而___( A )。

A.减小，增大；B.增大，减小；C.减小，不变；D.减小，减小四、计算题(50分)30.(6分)飞机在10000m 高空(T=223.15K,p=0.264bar)以速度800km/h 飞行，燃烧室的进口扩压通道朝向前方，设空气在扩压通道中可逆压缩，试确定相对于扩压通道的来流马赫数和出口压力。

(空气的比热容为C p =1006J/(kg ·K)，等熵指数为k=1.4，空气的气体常数R 为287J/(kg ·K))T 0=T ∞+v C p ∞=+⨯⨯23222231580010360021006/.()/() =247.69K M ∞=v a ∞∞=⨯⨯⨯=(/)...80010360014287223150743 P 0=p ∞11221+-⎡⎣⎢⎤⎦⎥∞-k M kk =0.26411412074038214141+-⨯⎡⎣⎢⎤⎦⎥=-.....bar31.(6分)一截面为圆形风道，风量为10000m 3/h ，最大允许平均流速为20m/s ，求：(1)此时风道内径为多少?(2)若设计内径应取50mm 的整倍数，这时设计内径为多少?(3)核算在设计内径时平均风速为多少?依连续方程（ρ=C ）v 1A 1=v 2A 2=q v(1)v 1π412d q v = d 1=100004360020⨯⨯π=0.42m=420mm (2)设计内径应取450mm 为50mm 的9倍，且风速低于允许的20m/s(3) 在设计内径450mm 时，风速为 v q d m s v 2222441000036000451746==⨯⨯=ππ../ 32.(7分)离心式风机可采用如图所示的集流器来测量流量，已知风机入口侧管道直径d=400mm,U 形管读数h=100mmH 2O ，水与空气的密度分别为ρ水=1000kg/m 3，ρ空=1.2kg/m 3，忽略流动的能量损失，求空气的体积流量q v 。

工程流体力学闻德课后习题答案 第五章 实际流体动力学基础5—1设在流场中的速度分布为u x =2ax ，u y =-2ay ，a 为实数，且a >0。

试求切应力τxy 、τyx 和附加压应力p ´x 、p ´y 以及压应力p x 、p y 。

解：0y x xy yx u u x y ττμ∂⎛⎫∂==+= ⎪∂∂⎝⎭24xxu p a xμμ∂'=-=-∂，24y y u p a y μμ∂'=-=∂， 4x x p p p p a μ'=+=-，4y y p p p p a μ'=+=+5－2 设例５－1中的下平板固定不动，上平板以速度v 沿x 轴方向作等速运动（如图所示），由于上平板运动而引起的这种流动，称柯埃梯（Couette ）流动。

试求在这种流动情况下，两平板间的速度分布。

（请将d 0d px=时的这一流动与在第一章中讨论流体粘性时的流动相比较）解：将坐标系ox 轴移至下平板，则边界条件为 y ＝０，0X u u ==；y h =，u v =。

由例５－1中的（11）式可得2d (1)2d h y p y yu v h x h h μ=-- （１） 当d 0d p x =时，y u v h=，速度ｕ为直线分布，这种特殊情况的流动称简单柯埃梯流动或简单剪切流动。

它只是由于平板运动，由于流体的粘滞性带动流体发生的流动。

当d 0d px≠时，即为一般的柯埃梯流动，它是由简单柯埃梯流动和泊萧叶流动叠加而成，速度分布为(1)u y y yp v h h h=-- （２） 式中2d ()2d h pp v xμ=- （３） 当p ＞０时，沿着流动方向压强减小，速度在整个断面上的分布均为正值；当p ＜０时，沿流动方向压强增加，则可能在静止壁面附近产生倒流，这主要发生p ＜－１的情况．5－3 设明渠二维均匀（层流）流动，如图所示。

若忽略空气阻力，试用纳维—斯托克斯方程和连续性方程，证明过流断面上的速度分布为2sin (2)2x gu zh z r q m=-，单宽流量3sin 3gh q r q m=。

第5章不可压缩流体二维边界层概述主要教学内容5.1 边界层的基本概念知识回顾与介绍在本世纪初之前，流体力学的研究分为两个分支：一是研究流体运动时不考虑黏性，运用数学工具分析流体的运动规律。

——势流理论 另一个是不用数学理论而完全建立在实验基础上对流体运动进行研究，解决了技术发展中许多重要问题，但其结果常受实验条件限制。

——实验流体力学这两个分支的研究方法完全不同，这种理论和实验分离的现象持续了150多年，直到1904年，在德国举行的第三届国际数学家学会上，德国著名的力学家普朗特第一次提出了边界层的概念为止。

由于边界层理论具有广泛的理论和实用意义，因此得到了迅速发展，成为黏性流体动力学的一个重要领域，在流体力学的发展史上有划时代的意义。

知识点 边界层的定义和特征本节教学目的1、掌握：边界层理论的概念、特征、作用 一、边界层的概念及边界层厚度1、边界层定义水和空气等黏度很小的流体，在大雷诺数下绕物体流动时，黏性对流动的影响仅限于紧贴物体壁面的薄层中，在这一薄层外黏性影响很小，完全可以忽略不计，这一薄层称为边界层。

大雷诺数下均匀绕流物体表面的流场划分为三个区域:● 边 界 层● 外 部 势 流 区 ● 尾 涡 区2、边界层厚度δ表示边界层的厚度。

但是应当指出，边界层区域与理想流体区的分界线是人为规定的。

通常规定速度0990u .u =的位置为边界层的外边界线。

边界层的主要特点之一是它的厚度δ相对于板长而言是小量。

内容拓展：(1) 边界层的排挤厚度1δ在边界中，由于存在黏性必将引起速度的下降，于是在边界层中通过的流量必将减小，因而势必有一部分流量被排挤到主流区（即理想流体区）中去，如图4-32所示。

由排挤厚度的大小，可以判断边界层对于主流区的影响程度。

排挤厚度以1δ表示，可写成对于主流区而言，1δ可以理解为物体向外推移的距离。

（2）边界层动量损失厚度2δ为了说明边界层中动量损失的程度，可以引进动量损失厚度的概念。

⼯程流体⼒学禹华谦1-5章习题解答第⼀章绪论1-1．20℃的⽔2.5m 3，当温度升⾄80℃时，其体积增加多少 [解] 温度变化前后质量守恒，即2211V V ρρ= ⼜20℃时，⽔的密度31/23.998m kg =ρ80℃时，⽔的密度32/83.971m kg =ρ 321125679.2m V V ==∴ρρ则增加的体积为3120679.0m V V V =-=?1-2．当空⽓温度从0℃增加⾄20℃时，运动粘度ν增加15%，重度γ减少10%，问此时动⼒粘度µ增加多少（百分数）[解] 原原ρννρµ)1.01()15.01(-+==原原原µρν035.1035.1==035.0035.1=-=-原原原原原µµµµµµ此时动⼒粘度µ增加了%1-3．有⼀矩形断⾯的宽渠道，其⽔流速度分布为µρ/)5.0(002.02y hy g u -=，式中ρ、µ分别为⽔的密度和动⼒粘度，h 为⽔深。

试求m h 5.0=时渠底（y =0）处的切应⼒。

[解] µρ/)(002.0y h g dydu-=)(002.0y h g dydu-==∴ρµτ当h =，y =0时)05.0(807.91000002.0-??=τPa 807.9=1-4．⼀底⾯积为45×50cm 2，⾼为1cm 的⽊块，质量为5kg ，沿涂有润滑油的斜⾯向下作等速运动，⽊块运动速度u=1m/s ，油层厚1cm ，斜坡⾓（见图⽰），求油的粘度。

[解] ⽊块重量沿斜坡分⼒F 与切⼒T 平衡时，等速下滑yu AT mg d d sin µθ== 001.0145.04.062.22sin 8.95sin ==δθµu A mg s Pa 1047.0?=µ1-5．已知液体中流速沿y ⽅向分布如图⽰三种情况，试根据⽜顿内摩擦定律yud d µτ=，定性绘出切应⼒沿y ⽅向的分布图。