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2012流体力学复习题答案

第一章 绪论

1.流体与固体的物理性质都有哪些区别,什么是流体的易流动性?

答:固体:形状、体积固定,能够承受拉、压、弯、剪、扭等外力,在外力作用下产生相应形变;

液体:体积固定,形状不定,不能承受拉力,具有表面张力;具有易流动性

气体:体积、形状都不固定,压缩性、膨胀性较大,不具有表面;具有易流动性。

流体的易流动性:静止的流体在微小切向力作用下将发生连续不断的变形(相对运动),直到切向力

消失为止的特性。

2、液体与气体的物理性质都有哪些区别?

答:宏观上: 气体密度小,流动性好,易压缩;

液体密度较气体大,流动性不如气体好,不易压缩。

微观上: 气体分子能够非常自由地振动和平动,

液体分子间距小、作用力较大,液体分子有振动和平动,但不如气体分子自由度大。

3、什么是流体微团,连续介质模型,该模型的引入对流体的研究有何意义?

答:流体微团(流体质点):在研究流体的机械运动中所取的最小流体单元,它的体积无穷小却又包含无数

多个流体分子。

连续介质模型:认为流体是由无数质点(流体微团)组成、质点之间没有空隙、连续地充满其所占据

空间的连续体。

物理意义:将流体看成是连续介质,描述流体运动的各物理要素可用连续函数来表征,从而利用微积

分的方法研究流体的受力和运动规律。

4、作用在流体上的力分为哪些、表达式,各有何特点?

答:根据力的作用方式不同,作用在流体上的力分为质量力(体积力)和表面力(面积力)。

质量力:是作用在流体每一个质点(或微团)上与受作用流体的质量成正比的力,常采用单位质量力的坐标分量来表示,Zk Yj Xi f ++=

表面力:是作用在所考察的流体(或称分离体)表面上与受作用流体的表面积成正比的力,常用单位

面积上表面力,分为切向力τ(内摩擦力)和法向力p (压强)来表示。

5、什么是流体的粘性,粘性有何特征?

答:流体的粘性:流体内部相邻质点间或流层间存在相对运动时,在其接触面上会产生内摩擦力(内力)

以反抗(阻碍)其相对运动的性质。

粘性的特征:粘性是流体的固有属性,粘性阻碍或延缓液体相对运动的过程而不能消除,静止流体的

粘性无法表现表现。

6、流体粘性的产生原因和主要影响因素是什么,液体和气体的粘性变化有何不同?

答:产生的原因:流体分子间的内聚力和碰撞(布朗运动)。

影响因素:温度(主要)、压强、流速、杂质含量等。

液体和气体的粘性变化的不同:气体粘性随温度升高而增大;气体粘性的决定因素是分子不规则运动

的动量交换产生的阻力,温度升高动量交换加剧、内聚力下降,由于前者增加的幅度大于后者减少的幅度因此粘性随温度升高而增大。

液体粘性随温度升高而减小:液体粘性的决定因素是分子的内聚力,温度升高液体分子间距增大,动

量交换加剧、内聚力下降,由于前者增加的幅度小于后者减少的幅度,因此液体粘性随温度升高而增大。

7、牛顿内摩擦定律及其各项含义是什么?描述流体粘性的物理参数及其关系是什么?

答:牛顿内摩擦定律:dy du /μτ=

τ :单位面积上的内摩擦力; dy du :速度梯度,表示速度大小沿垂直于速度方向y 的变化率,单位为s -1;

μ :动力粘度(动力粘滞系数)。单位N /(m 2

·s )或Pa ·s ,表征单位速度梯度时的切应力;

ν :运动粘度(运动粘滞系数),单位s m 2,ν = μ/ρ。

8、流体力学中所定义的流体力学模型有哪些,各模型的概念、物理意义是什么?

(连续介质模型、不可压缩流体模型、理想流体模型、一元流动模型、)

答:流体力学模型:(1)连续介质模型:将流体认为是充满其所占据空间无任何间隙的质点所组成的连续

体。连续介质模型是对物质结构的简化,使我们不再考虑复杂的微观分子运动,只考虑在外力

作用下的宏观机械运动,并且在流体的研究中可以运用连续函数的数学分析工具。

(2)无粘性流体(理想流体)模型:不考虑流体的粘性。无粘性流体(理想流体)模型是

对流体物理性质的简化。

(3)不可压缩流体模型:不考虑流体的压缩性和热涨性,认为其密度为常熟的流体。不可

压缩流体模型是对流体物理性质的简化。

(4)一元流动模型:流场中流体的运动参数仅是空间坐标一个坐标分量的函数,如元流。

9、什么是液体的汽化压强,它与温度的关系如何?

答:在液体自由表面上,汽化和凝结同时存在,当这两个过程达到动态平衡时,宏观的气化现象停止,此时液体表面上的气体压强称为饱和蒸汽压强,或汽化压强。

液体的汽化压强随温度的升高而增大。

10、什么是流体的压缩性和热胀性,液体和气体的压缩性和热胀性有何不同?

答:流体的压缩性:流体受压,体积缩小,密度增大的性质。

流体的热涨性:流体受热,体积膨胀,密度减小的性质。

液体的压缩性和热涨性很小,通常忽略不计,当水击、热水采暖时要考虑;

气体的压缩性和热涨性显著,当气体流速小于68m/s 时,流动过程中压强和温度变化较小,可认为其 密度为常熟。

11、液体的表面张力及其表现,哪些物理过程需要考虑该因素?

答:表面张力:由于分子间的吸引力,在自由表面上的液体分子受到指向液体内部的合力,该微小拉力称

为表面张力。

需考虑该因素的物理过程:(1)液体的毛细管现象;

(2)水滴和气泡的形成的研究;

(3)液体的雾化研究;

(4)气液两相流的传热与传质的研究。 第二章 流体静力学

1、静水压强的定义及其特性,静水压强函数的特点是什么?

答:静水压强定义:作用在静止液体微元面积ΔA 上的静压力ΔP ,与作用面积ΔA 的比值A P p ??=

,为平 均静水压强;当面积ΔA 无限缩小到a 点时,其比值的极限值为a 点的静压强。

特性:(1)静水压强的方向为垂直并指向受作用面(与受作用面的内法线方向一致);

(2)某点静水压强的大小和受压面方位无关(作用于某点上的静水压强沿各方向大小都相等)。

静水压强函数的特点:连续介质的平衡液体内,任一点静止液体压强仅是空间坐标的连续函数而与受

压面的方位无关。即p=p(x,y,z)。

2、欧拉液体平衡微分方程的综合表达式,说明什么物理意义?

答:欧拉平衡微分方程综合表达式:=dp )(Zdz Ydy Xdx dz dy dx z p y p x p

++=++??????ρ

Z d z Y d y X d x dw ++=(当流体是不可压缩的)势函数

物理意义:该方程说明质量力是表面力产生的原因;它指出流体处于平衡状态时作用于流体上的质量

力与压强递增率之间的关系。

3、什么是等压面、等压面的特性是什么?如何选取等压面、通常选取的等压面是哪些面?等压面与等密面、等温面有何联系?(气体没有等压面,只有等压体)

答:等压面是平衡液体中由压强相等的点所构成的平面或曲面。

等压面的特性:(1)等压面即是等势面;

(2)等压面与质量力正交;

(3)等压面的压强大小与容器的形状无关。

选取等压面条件:通常选取静止的、同种、连续液体的同一水平面为等压面。

通常选取的等压面:自由液面和平衡液体中互不混合的两种液体的分界面。

静止非均质流体的水平面是等压面,同时也是等密面和等温面。

4、静水压强基本方程的表达式及其含义是什么?(流体静力学的基本方程表达形式有哪几种,其各项的物理意义是什么)?

答:静水压强的基本方程:gh P P ρ+=0;

P ——液体内某点的压强 ;

0P __自由液面气体压强;

ρ——液体的密度,m kg

3;

h ——某点在液面下的深度,m ,

含义:静止液体中任意一点的压强是由液面气体压强和该点在液面下的深度与液体容重乘积两部分之 和所组成。

另一种形式:C g

p Z =+ρ(常数) Z ——单位重量流体所具有的位能;

g

p

ρ——单位重量流体所具有的压能; g p Z ρ+——单位重量流体具有的总势能;

含义:同种、连续、静止的均质流体中各点的测压管水头都相等;即单位重量流体具有的总势能相等。

5、什么是绝对压强、相对压强、真空度及其相互关系、选用原则是什么?

答:绝对压强:是以绝对真空状态下的压强(绝对零压强)为基准计量的压强,用p ′表示;

相对压强:又称“表压强”,是以当地大气压a p 为基准计量的压强,用p 表示。

真空度:是指绝对压强小于当地大气压,相对压强为负值的情况,取相对压强的绝对值,用v p 表示。

相互关系: p= a p p -' v p =–p= p p a '-

6、压强的计量单位有哪几种,换算关系?

答:压强的计算单位有三种:

(1)应力单位2

m N ,a p

(2)工程大气压倍数工p ;

(3)液柱高度,常用水柱高度或汞柱高度。

换算关系式:1工p =98K a p =10m O H 2=736mmHg

7、测量压强的仪器都有哪些、有何特点、使用场合?

答:测量压强的仪器:

(1)测压管 以液柱高度表征测量点压强的连通管,一端接于测点,另一端开口通大气的竖直玻璃管。测压管适合用于测量较小的压强,但不适合测真空度。

(2)U 型管测压计:主要用于测定管道或容器中某点的流体压强,通常被测点压强较大,并可测真空度;

(3)倾斜式微压计:用于测定微小压强(压差),一般用于测定气体压强;

(4)压力表:测量液体、气体的相对压强;

(5)真空表:测量液体、气体的真空度;

8、作用于平面上的静水总压力的大小、方向和作用点的确定。

答:(1)解析法

平面上静水总压力的大小:等于受压面面积与其形心点所受静水压强的乘积,

即A gh A p P c c ρ==

c p :受压面形心点相对压强

c h :受压面形心点的淹没深度

方向:垂直并指向受压面,即沿受压面的内法线方向;

作用点D (压力中心):A y I y y C C C D +=

D y :总压力作用点到Ox 轴的距离;

C y :受压面形心点到Ox 轴的距离;

C I :受压面对平行Ox 轴的形心轴的惯性矩。

(2)图解法

大小:等于压强分布图的面积S 乘以受压面的宽度b ,即 bS P =

方向:垂直并指向受压面;

作用点D (压力中心):可由合力矩定理求得D 离底边的距离e 。

9、作用于曲面上的静水总压力的大小、方向和作用点的确定。

答:大小:

静水总压力的水平分力:A p A h P x c x c x g ==ρ

P x :曲面上总压力的水平分力

A x :曲面的垂直投影面积;

h c :垂直投影面A x 形心点的淹没深度;

p c :垂直投影面A x 形心点的压强

静水总压力的垂直分力:

gV p z ρ=(即压力体的液体重力) 静水总压力:p p z x P 22+=

方向:静水总压力P 的作用线过曲面的曲率中心(圆心)与水平面的夹角为θ,

p p x z =θt a n p p x

z a r c t a n

=θ 压力作用点D (压力中心):通过P x 作用线(通过A x 压强分布图形心)和P z 作用线(通过压力体的形心)的交点,做与水平面成θ角的直线就是总压力作用线,该直线与曲面的交点为总压力作用点。

10、什么是压力体、构成方法、如何判断并表示其实、虚?

答:压力体是指由受作用曲面到自由液面或自由液面的延伸面之间的垂直柱体;

压力体是由下列周界面所围成的封闭体:

(1)受压曲面;

(2)液面或液面延长面;

(3)通过受压曲面的四个边缘向液面或液面的延长面所做的垂直面。

压力体的实、虚表示:(1)液体和压力体位于曲面同侧,为实压力体(Z P ↓)

(2)液体和压力体位于曲面异侧,为虚压力体(Z P ↑)。

第三章一元流体动力学基础

1、描述流体运动的方法有哪些?其实质内容是什么?适用于流体的哪些运动?

答:描述流体运动的方法一般有拉格朗日法和欧拉法两种。

拉格朗日法:研究每个流体质点的运动情况,并通过综合各个流体质点的运动情况获得一定空间内整 个流体的运动规律;实质是利用理论力学中研究质点系运动的方法,又称质点系法(质点追踪法),适用 于云团、台风、波浪等的运动。

欧拉法:研究流场内固定空间点上液体质点的运动情况,又称定点观测法,适用于流体的一般运动。

2、什么是恒定流,非恒定流,流管,元流,总流?

答:恒定流:流场中各空间点上流体质点的所有运动要素均不随时间变化的流动;

非恒定流:流场中各空间点上流体质点的运动要素随时间变化的流动;

流管:在流场中垂直流动方向取环形曲面,过该区面上每一点的流线所组成的管状结构;

元流:充满以流管为边界的一束液流运动(流管内包含的所有流线的集合);

总流:由无数个元流组成的整个液体运动(流场内所有元流的集合)。

3、什么是流线和迹线,各自有何特点,相互关系如何?

答:流线:是表示某一瞬间液体运动的流速场内流动方向的曲线;

迹线:是某一液体质点运动的轨迹线;

流线特征:连续光滑曲线,流线不能断,既可能闭合也可能不闭合;不能交叉:流线的疏密程度表示

该处流速大小;恒定流时液体质点运动的迹线与流线重合。

4、什么是过水断面,流量,断面平均流速?

答:过流断面:与元流或总流所有流线正交的横断面为过流断面,其面积为A ;

流量:单位时间内通过某一过流断面液体的体积,用Q (s m 3或s L )表示;

断面平均流速:假定在过流断面上液体质点都以同一速度V 向前运动, A Q V /=。

5、什么是均匀流和非均匀流,渐变流和急变流,均匀流的特征如何?

答:对于一维流动,如果流动过程中运动要素不随流程坐标S 而改变,这种流动称为均匀流;反之,为非均匀流。

当流线之间的夹角较小或流线曲率半径较大,单个流线近似是平行直线时,称为渐变流。

反之,流线之间的夹角较大或流线曲率半径较小,这种非均匀流称为急变流。

均匀流特性:流线是平行直线、过流断面是平面,而且大小和形状都是沿流程不变的;各个过流断面上流速分布情况相同,断面平均流速沿流程不变;同一过流断面上各点动水压强的分布符合静水压强的分布规律。

6、不可压缩流体恒定流连续性方程、依据及其物理意义?

答:不可压缩流体恒定流连续性方程:2211A V A V =

该式表明通过恒定总流各过流断面的流量是相等的,其断面平均流速与过流断面面积成反比。

7、什么是测压管、位置水头、压强水头、测压管高度、测压管水头,它们的物理意义和相互关系怎样? 答:测压管:是用同种液体的液柱高度来测量液体压强的L 型或U 型玻璃管,它一端通大气,另一端与被测点相连。

位置水头:指液体某点在基准面以上的高度(z ),可直接测量;

压强水头(测压管高度):测压管液面到被测点的高差,g p

h ρ=

测压管水头是指位置水头与压强水头的总和。

物理意义:位置水头表示单位重量液体具有的重力势能(位能)

压强水头表示单位重量液体具有的压强势能(压能)

测压管水头单位重量液体具有的全部势能。

相互关系:测压管水头=位置水头+压强水头。

8、实际液体恒定总流的能量方程及其各项的物理及几何含义? 答:实际液体恒定总流的能量方程:hw g v g p Z g v g p Z +++=++2222

22221111αραρ

物理意义 几何意义

Z 位置势能(位能) 位置水头(位头)

g p ρ 压强势能(压能) 压强水头(压头)

g v 22

流速动能(动能) 速度水头

h w 能量损失 水头损失

9、什么是动能修正系数、动量修正系数,它的大小决定因素是什么?如何变化? 答:动能修正系数:A dA

a v u A 3

3?= 它的大小取决于过流断面上流速分布的均匀程度,流速分布越不均匀其值越大,对于渐变流,一般α=1.05——1.10,为简便计算常取α=1。 动量修正系数:A dA v u A 22?=β大小取决于过流断面上流速分布的均匀程度,渐变流中取1.02—1.05,

为简便计算常取1

10、什么是总水头线、测压管水头线,它们的特点和相互关系怎样?

答:测速管水头所连成的线称为总水头线。

测压管水头所连成的线称为测压管水头线。

相互关系:(1)总水头线是一条下降直线;

(2)长直管路(动能不变)总水头线与测压管水头线平行;

(3)总水头线永远高于管道轴线,而测压管水头线可能低于管道轴线;

(4)总水头线和测压管水头线之间的间距为速度水头。

11、恒定总流能量方程的应用条件有哪些?

答:(1)恒定流,不可压缩流体(ρ=c ,气体s m

v 68≤); (2)质量力只有重力(运动加速度很小);

(3)所取得过流断面应该在渐变流或均匀流区域;

(4)所取得过流断面间除了水头损失外没有其他的机械能输入;

(5)所取得过流断面间没有能量的汇入和分出,即总流的能量沿流程不变。

12、流体力学实验的测量仪器有哪些、作用是什么?

答:(1)测压管:测量液体内部某点的压强(静压或动压);

(2)水银差压计:测两断面间的压强差;

(3)文丘里流量计(孔板流量计):测量管道中流量的大小;

(4)测速管:测量水流在通过过水断面某点时的速度;

(5)温度计、压力表、真空表、

13、恒定总流的动量方程及其应用条件?

答:恒定总流的动量方程:)(1122x x v v Q Fx ββρ-=∑

应用条件:(1)不可压缩流体恒定流;

(2)两端的控制断面必须选在渐变均匀流或均匀流区域,但两个断面之间可有急变流存在;

(3)在所取得控制体中有动量流入和流出的过流断面只有一个。

14、什么是控制面、控制体,确定他们的意义是什么?

答:控制面:由总流上、下游过流断面及其与周围环境的接触面所围成的封闭曲面。

意义:作用于控制断面上的力就是表面力。

控制体:控制面所包围的液体。

意义:作用于控制体上的力即为质量力。

15、恒定气流能量方程的两种表达式及其应用条件、各项的含义?

答: 恒定气流能量方程式:(1) 212222211122-+++=++l p p gZ p gZ ρυρρυρ

(2)212

22122112))((2-++=--++l a p p Z Z g p ρυρρρυ

适用于:高差较大,气体密度和空气密度不等的情况下,必须考虑大气压强因高度不同的差异。 各项含义: 21,p p 称为静压(相对压强)

))((12Z Z g a --ρρ 称为位压

221

ρυ ,222ρυ

称为动压

第四章 流动阻力和能量损失

1、水流阻力产生的原因有哪些,根据其产生的部位不同水流的阻力又分为那些,其特点是什么?

答:水流阻力产生的原因:内因是流体具有粘性;

外因是流体内部相邻质点间存在相对流动。

水流阻力的分类: 沿程阻力:沿水流长度均匀分布,沿程水头损失的大小与流程长度成正比。

局部阻力:与固体边壁形状改变有关,作用范围小能量损耗大。

2、沿程、局部水头损失是如何产生的,水头损失叠加原理及其使用条件是什么啊?

答:沿程水头损失:水流与固体边壁间及水流内部的摩擦力,阻碍流体流动,是一部分液体的一部分机械 能不可逆的转化为热能而散失。

局部水头损失:固体边壁形状改变断面流速重新分布,而产生横向摩擦力,水流维持边界分离区的 漩涡所输出的机械能。

水头损失叠加原理:由于水头损失是一个标量,从而可以代数叠加。因此流段两截面间的水头损失可

以表示为两截面的所有沿程损失和所有局部水头损失总和。

3、雷诺实验的现象主要是什么,揭示了流体内部结构的哪些因素?

答:当水流缓慢流动时颜色溶液形成一条清晰的平滑直线,而不与周围清水混渗掺;

当流速增至某一数值时,个别流段上产生漩涡,颜色水流突然破裂,扩散遍至全管,并迅速与周围清

水混掺,水流充满漩涡。

实验结论:任何实际流体的流动都存在着层流和紊流两种不同的流动形态。

4、什么是层流、紊流、水力半径?如何判断水流的形态?雷诺数的含义?

答:层流:流速较小时,不同流速的水质点成层状分布,相互间互不混掺;

紊流:流速较大时,管中水流充满漩涡,不同流速的水质点互相混掺的流动, 水力半径:过流断面的面积与湿周之比,x A R =; 管流雷诺数:v d v Re =,Re 值与c Re =2000相比便可判断流态:

Re

Re>c Re ,则流动时紊流。

雷诺数含义:反映了惯性力与粘滞力的对比关系,若Re 较小,反映出粘滞力的作用大,粘滞力作用

对质点运动起控制作用,因此当Re 小到一定程度时,质点呈现有秩序的线状运动,这就是流层。

当Re 逐渐增大时,粘滞力对流体的控制也逐渐减小,惯性力对流体的激励作用增加,在质点运动失

去控制时,层流失去了稳定,惯性力作用使微小扰动发展扩大形成紊流。

5、圆管均匀流过水断面上切应力的分布特征,层流和紊流过水断面上的流速分布规律,(画出分布图)。 答:圆管均匀流过流断面上切应力成直线分布,管轴心为零,边壁处最大;

层流过流断面上的流速分布规律呈旋转抛物面;

紊流过流断面上的流速分布规律呈对数分布(指数分布)。

6、沿程水头损失和局部水头损失计算公式及各符号含义。 答:沿程水头损失的计算公式:g v d l h f 22λ

=

λ——沿程阻力系数;

l ——流体所在流段管长;

d ——流体所在圆管直径;

v ——流体流速

局部水头损失:g v h m 22?=

断面突然扩大:g v v h m 2)(221-=

7、圆管紊流的内部结构、水力光滑管、水力粗糙管。

答:(1)圆管紊流的内部结构:粘性底层(层流底层)和紊流流核(紊流核心);

(2)水力光滑管:当流层底层的厚度比绝对粗糙度大较多时,管壁的粗糙度对紊流结构基本上没有影 响,水流就像在光滑的管壁上流动一样,这种情况叫做“水利光滑管”;

(3)水力粗糙管:当突出高度深入到紊流流核中,称为漩涡的发源地,从而加剧了紊流的脉动作用, 水头损失也就较大,这种情况称为“水力粗糙管”。

8、绝对粗糙度、相对粗糙度、人工粗糙。

答:(1)绝对粗糙度:管壁粗糙突出的平均高度;

(2)相对粗糙度:管壁粗糙突起高度(绝对粗糙度)与管内径的比值;

(3)人工粗糙管:用不同粒径的均匀砂粒粘附在不同直径的玻璃管道内壁上,来模拟工业管道内壁的 粗糙而制成的管道。

9、尼古拉兹实验曲线的分区及其特性,该曲线所具有的物理意义是什么?它与莫迪图有何不同?

答:第Ⅰ区——层流区,Re<2000时, λ与相对粗糙度

d ?无关,只是R

e 的函数,符合Re 64=λ。 第Ⅱ区——层流向紊流的过渡区, λ与

d ?无关,只是R

e 的函数;(可忽略) 第Ⅲ区——紊流光滑区, λ与d ?

无关,只是Re 的函数;

第Ⅳ区——紊流过渡区,不同相对粗糙管的试验点落在不同的曲线上,λ与

d ?

和Re 都有关; 第Ⅴ区——紊流粗糙区(阻力平方区),曲线与横轴平行,表明λ只与d ?

有关,而与Re 无关,水流

阻力与流速的平方成正比故又称阻力平方区。

尼古拉兹实验的物理意义:该曲线比较完整地反映了λ的变化规律,揭示了影响λ变化的主要因素。

10、莫迪图的使用方法、当量粗糙度、当量直径。

答:莫迪图是以相对粗糙度为参数,把λ作为Re 的函数,绘制出的工业管道阻力系数曲线,在图上按d ? 和Re 可直接查出。

当量粗糙度:把直径相同、紊流粗糙区λ值相等的人工粗糙管的粗糙度?,定义为该工业管道的当量粗糙;就是将工业管道紊流粗糙区实测的λ值,带入尼古拉兹粗糙管公式反算得出的粗糙度。

当量直径:令非圆管道的水力半径R 和圆管的水力半径

4d 相等,即得当量直径的计算公式

R d e 4= 11、减小沿程、局部阻力(水头损失)的措施有哪些?

答:减小沿程水头损失的办法:减小管壁内部的粗糙程度,使其更加光滑;降低流体的粘性(温度升高、气压降低);控制流速在一定范围。

减小局部水头损失的措施:将管道变径由突变改为渐变;将90度弯管改为两个45度弯管,提高管道附件内壁的光洁度,对于气体管道采用导叶来减小横向脉动。

第五章 管路流动

1、孔口出流、薄壁孔口、厚壁孔口、小孔口、大孔口。

答:空口出流:在容器侧壁或底部上开一孔口,容器中的液体经孔口出流,称为孔口出流。

薄壁孔口:在容器侧壁上开一孔口,出流流股与孔口壁接触仅是一条周线,壁的厚度对水流现象没有影响,这种孔口叫做薄壁孔口。

若孔壁厚度和形状促使流股收缩后又扩大,与孔口接触形成面而不是线,这种孔口称为厚壁孔口(管嘴)。 根据H d 的比值不同将孔口分类。10H d 称为小孔口;若10H d ≥称为大孔口。

2、孔口自由出流、孔口淹没出流、孔口收缩断面、孔口收缩系数。

答:容器中液体子孔口出流到大气中,称为孔口自由出流;

若孔口流出的水股不是进入大气而是进入水中,即孔流淹没在下游水面之下,这种情况称为淹没出流; 容器中液体从四面八方流向孔口,由于水流惯性,当绕过孔口边缘时,流线不能成直角突然改变方向,只能以圆滑曲线逐渐弯曲,在孔口断面上仍然继续弯曲且向中心压缩,造成孔口断面上急变流,直至断面收缩达到最小,流线趋于平行,成为渐变流,该断面称为收缩断面;孔口断面的面积为A ,收缩断面的面积为Ac ,ε=Ac/A 称为孔口收缩系数。

3、全部收缩孔口、非全部收缩孔口、完善收缩、不完善收缩。

答:当孔口的全部边界都不与相邻的容器底边和侧边重合时,孔口四周的流线全部发生弯曲,水股在各个方向都发生收缩,这种孔口称为全部收缩孔口。而只有部分边发生收缩时称为非全部收缩孔口;根据器壁对流线弯曲有无影响而把全部收缩的水股分为完善收缩和不完全收缩。周边离侧壁的距离大于3倍孔口在该方向上的尺寸,此时出流流线弯曲率最大,收缩的最充分,为全部完善收缩;否则为不完善收缩。

4、圆柱形外管嘴、圆柱形外管嘴的真空度。

答:水流进入管嘴时如同孔口出流一样,流股也发生收缩,在收缩断面处与管壁分离,形成漩涡区;然后流股逐渐扩张,至出口断面上完全充满管嘴断面流出,这种管嘴出流称为圆柱形外管嘴出流。

孔口外面加管嘴后。增加了阻力,但是流量反而增加,这是由于收缩断面处有真空作用的结果。

5、圆柱形外管嘴的作用及其产生机理、圆柱形外管嘴正常工作条件。

答:圆柱形外管嘴:在圆形孔口外侧连接一段长L=(3—4)d 的圆管,使其出流量增大,该装置为管嘴; 圆柱形外管嘴的作用:主要是增大流量,另外便于控制水流(方向、速度、开闭);

圆柱形外管嘴的正常工作条件是:管嘴长度L=(3—4)d ,作用水头H ≤9mH 2O.

6、孔口、管嘴出流的系数有哪些,管嘴类型及其特点。

答:断面收缩系数ε、流速系数φ、流量系数μ

直角管嘴: 钢管与钢制水箱焊接而成

流线型管嘴:利用模具制作而成,水流顺畅

收缩形管嘴:增大水流出口流速,

扩大形管嘴:降低水流出口流速。

7、什么是短管、长管,它们的特点和计算公式。

答:(1)短管:管道的长细比L/d<1000时,沿程水头损失和局部水头损失在总水头损失中所占比重相当, 两者都要计算;

特点:沿程、局部水头损失、速度水头都要计算;

列能量方程解题

(2)长管:管道的长细比L/d ≥1000时,沿程水头损失在总水头损失中所占比重较大,为简化计算,

可忽略局部水头损失和速度水头,或按沿程水头损失的一定比例估算。

特点:总水头线为下降的折线,并与测压管水头线重合;

2

i H Q S H ∑=

8、串联管路,并联管路的特点,计算方法?

答:(1)串联管路:有多个直径不同的管段依次首尾相连而组成;

特点:各管段的流量沿程减少、管径减小,管道的总水头线呈折线形;∑∑==

2

i i li l Q S h h 流向节点的流量等于流出节点的流量: 流出流入Q Q =

(2)并联管路:管路中多个管段有共同的起、迄点(分流点和汇流点),担负着相同的任务;

特点:各并联管段的水头损失皆相等。

9、管网、枝状管网、环状管网定义,特点及其优缺点?

答:(1)管网:是由若干条简单管路组合而成的管道系统,分为枝状管网和环状管网。

(2)枝状管网:一般是由多条管段串联而成的干线,以及与干线相连的多条支管所组成。

特点是:各管段没有环状闭合的连接,管网由一点向多点单向供水,某一点断流则影响该点之 后的管段。

缺点是供水的可靠性差;优点是节省管材,降低造价。

(3)环状管网:由多条供水管路互相连接成闭合形状的供水管路系统。

特点是:管网内任一点均可从不同方向供水;供水的可靠性好,增加管线加长度,提高管网的造价。

10、有压管路的水击(水锤)、危害及其控制措施。

答:有压管路的水击:在有压管道系统中,由于管路中的部件工作状态突然改变,就会引起管内液体流速 的急剧变化,同时引起液体压强的大幅度波动,这种现象称为水击现象。

水击的危害:水击现象发生时,压力升高值可能为正常压力的好多倍,使管壁材料承受很大应力; 压力的反复变化,会引起管道和设备的振动,严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。 水击预防措施:(1)尽量缓慢关闭和开启阀门,以避免直接水击,

(2)减小管内流速

(3)缩短管长

(4)增加管道的弹性

(5)安装附加装置(止回阀、稳压罐、泄压阀),使水击波减弱。 第六章 气体射流

1、气体射流的分类、特点及其研究内容。

答:(1)气体射流:气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射到另一部分流体介质中所形成的流动。

(2)淹没射流:流体射入与其性质相同的介质中的射流称为淹没射流。

(3)紊流射流:当出口速度较大,流动呈稳流状态时,叫做紊流射流。

(4)无限空间射流:气体出流到无限大空间中,流动不受固体边壁的限制的射流,又称自由射流。

(5)有限空间射流:气体出流到房间中,流动受房间边壁限制的射流。

(6)温差或浓差射流:射流气体本身的温度、浓度与周围气体的温度、浓度存在差异,射流发生弯曲。 按射流的断面形状可分为平面射流、圆断面射流和矩形断面射流。

2、气体自由射流的结构、及其各段特点。

答:射流起始段:核心区流速为出口流速v 0,范围沿流程逐渐缩小、边界层扩大,在过渡断面处核心区

缩至轴心点,流量沿程增大;

射流主体段:在过渡段面后,边界层占据整个射流断面,断面轴心流速最大且沿程降低,流量增大; 射流的运动特征:射流各截面上的流速分布具有相似性;

射流的动力特征:射流各横断面上轴向动量守恒。

3、质量平均流速和断面平均流速的含义及其意义。

答:质量平均流速:射流断面真实轴向动量与质量的比值,一般用v 2表示。

意义:v2=0.47v m可近似代表轴心附近使用区的气体流速,有实际意义。

断面平均流速:射流断面各点速度的算术平均值,一般用

ν表示。

1

意义:

ν=0.47v m不能恰当的反应被使用区的速度,无实际意义。

1

4、平面射流与圆断面射流的区别是什么?

答:平面射流与圆断面射流的射流断面形状不同,且平面射流与圆断面射流相比,流量的增加和流速的减小都相对较慢(这是因为运动的扩散被限制在垂直于条缝长度的平面上的缘故)。

5、温差、浓差射流中各断面的热量扩散与其动量扩散是否同步,为什么?

答:温差、浓差射流中各断面的热量扩散与其动量扩散不同步。由于动量扩散主要通过碰撞和漩涡,而温度、浓度扩散除伴随动量扩散外,还可通过热辐射、热传到、局部对流、浓度差渗透等,因此温度、浓度边界层比速度边界层发展要快些厚些。

6、温差射流或浓差射流产生射流弯曲现象的原因?

答:温差射流与浓差射流由于射流气体密度与周围气体密度不同,所受的重力与浮力不相平衡,使整个射流发生向上或向下弯曲;整个射流仍可看作对称于轴心线。

7、什么是旋转射流,他与一般射流有何不同,旋转射流的流速分量?

答:旋转射流是气流通过具有旋转作用的喷嘴向外射流,气流一面旋转前进,同时向周围介质中扩散。

旋转作用方式:采用切向导入管,或在喷嘴内安装导向叶片。

旋转射流与一般射流相比:射流紊动性强,扩散角大很多(可达90°以上),射程较短;旋转作用产生的离心力,使射流中心呈现低压,将射流前方介质反向吸入,形成射流中心回流区。

旋转射流的流速分量:轴向流速V x ,

横断面径向流速V r

横断面切向流速Vθ

8、有限空间射流及其边界性状,动力特征?

答:由于房间边壁限制了射流边界层的发展扩散,射流半径及流量不是一直增加,增大到一定程度后反而逐渐缩小,使其边界线呈橄榄形。重要的特征是橄榄形的外边界外部与固体边壁形成与射流方向相反的回流区,于是流线成闭合状。

其结构为:自由扩张段、有限扩张段、收缩段。

动力特征:射流内部压强是变化的,随射程的增大,压强增大,直至端头压强最大,达稳定后数值比周围大气压强要高一些。这样射流中各截面上动量是不相等的,沿程减少。

第九章气体动力学基础

1、可压缩气体流动过程中发生变化的物理参数有哪些?气体运动中的能量组成包括那些方面?

答:可压缩气体流动过程中发生变化的物理参数:压力p、密度ρ、温度T。

气体运动中的能量组成包括:气体内能u、气体动能v2/2和气体压能p/ρ。

2、可压缩气体流动的运动模型有哪些,各自特点是什么?具体的气体流动如何简化?

答:(1)一元定容流动:气体在容积不变、或比容不变的条件下的热力过程,气体密度ρ不变;

(2)一元等温流动:气体在温度T不变条件下的热力过程:

(3)一元绝热流动:气体在既无能量损失、又与外界无热量交换的等熵流动;

3、声速的三种表达式及其含义、声速的特点?

答:(1)ρ

c=声音与流体的弹性模量与密度之比的平方根成正比,反映流体压缩性大小;

/

E

(2)ρd dp c /=

反映微小平面波、球面波的传播特性; (3)kRT c = 各种不同气体声速不同,同种气体温度不同声速不同。

4、不同马赫数运动的气体其流速与过流断面间的相互关系。如何获得超音速气流?

答:可压缩流体连续性微分方程: v dv Ma A dA

)1(2-=

(1)Ma>1,v>c ,超音速流动,气流中参数的变化不能向上传播,说明速度随断面的增大而加快,随 断面的减小而减慢;

(2)Ma<1,v

断面的减小而加快;

(3)Ma=1,v=c ,气体处于临界状态,为临界断面,临界断面为极小断面。

(4)超音速气流:使亚音速气流流经收缩管,在最小断面上达到声速;然后再进入扩张管,使气流断 面膨胀增速,便可获得超音速气流,该喷管又称拉伐尔喷管。

涡轮喷气发动机。特点:高射速,低流量。

主要概念

1、人工粗糙管 :用不同粒径的均匀砂粒粘附在不同直径的玻璃管道内壁上,来模拟工业管道内壁的粗糙而制成的管道。

2、绝对粗糙度 :管道固体边壁由于加工条件及造价的影响,总是或多或少的粗糙不平,粗糙突出的平均高度称为绝对粗糙度。

3、相对粗糙度 :专指管壁粗糙突起高度(绝对粗糙度)e 与管子内径d 的比值,是无因次量。

4、经验公式:在科学实验和生产实践中,经常要从一组实验数据出发,寻求)(x f y =的一个近似表达式)(x y Φ=,这个近似表达式就称为经验公式。

5、半经验公式 :由于实验的复杂性,不可能考虑所有影响因素,大多数半经验公式是由一半经验理论与观测研究结合起来而归纳出来的。

6、当量粗糙度 :把直径相同,紊流粗糙区λ值相等的人工粗糙管的粗糙度?,定义为该管材工业管道的当量粗糙,就是将工业管道紊流粗糙区实测的λ值,带入尼古拉斯粗糙管公式反算得出的。

7、孔口出流的收缩断面 :容器中液体从四面八方流向孔口,由于水流惯性,当绕过孔口边缘时,流线不能成直角突然改变方向,只能以圆滑曲线逐渐弯曲,在孔口断面上仍然继续弯曲且向中心压缩,造成孔口断面上急变流,直至断面收缩达到最小,流线趋于平行,称为渐变流,该断面称为收缩断面;孔口断面的面积为A ,收缩断面的面积为Ac ,ε=Ac/A 称为孔口收缩系数

8、薄壁孔口:在容器侧壁上开一孔口,出流流股与孔口壁接触仅是一条周线,壁的厚度对水流现象没有 影响,这种孔口叫做薄壁孔口。

9、小孔口 :根据h d 的比值不同将孔口分类。10h d ≤称为小孔口。

10、自由出流 :容器中液体子孔口出流到大气中,称为孔口自由出流。

11、淹没出流:若孔口流出的水股不是进入大气而是进入水中,即孔流淹没在下游水面之下,这种情况称 为淹没出流。

12、作用水头:液体产生的压强值用等值的水柱高度来表示。

13、圆柱形外管嘴:在孔口处外接一段长l=(3——4)d 圆管,该圆管称为圆柱形外管嘴。

14、有压管路的水击(水锤):在有压管道系统中,由于系统中某一管路中的部件工作状态的突然改变, 就会引起管内液体流速的急剧变化,同时引起液体压强的大幅度波动,这种现象称为水击现象。

15、气体射流(紊流射流、自由射流、受限射流):

16、质量平均流速:用v2表示,用v2乘以质量即得真是的轴向动量,即反解某一截面上的动量守恒式得

质量平均流速v2。

17、平面射流:气体从狭长细缝中外射运动时,射流在条缝长度方向上几乎无扩散运动,只能在垂直条

缝长度的各个平面上作扩散运动。这种流动可视为平面运动,故称为平面射流。

18、温差射流、浓差射流:射流本身的温度和浓度与周围气体的温度、浓差有差异。

19、射流弯曲:温差射流、浓差射流由于密度与周围气体的密度不同,所受的重力与浮力不相平衡,使整

个射流将发生向下或向上弯曲。

20、声速(压力波或弹性波):微小扰动在流体中的传播速度,就是声音在流体中的传播速度。

21、滞止参数(气体运动速度为零时的各物理参数):气流某断面的流速,设想以无摩擦绝热过程降低

至零时,断面各参数所达到的值,称为气流在该断面上的滞止参数。

22、马赫数:指定点的当地速度v与该点当地声速c的比值称为马赫数Ma,反映了惯性力与弹性力的相

对比值。

管路阻抗射流过渡断面紊流系数贴附射流层流紊流