工程流体力学答案第四章

第四章 理想流体动力学和平面势流答案4－1 设有一理想流体的恒定有压管流，如图所示。

已知管径1212d d =，212d D =，过流断面1-1处压强p 1>大气压强p a 。

试按大致比例定性绘出过流断面1-1、2-2间的总水头线和测压管水头线。

解：总水头线、测压管水头线，分别如图中实线、虚线所示。

4－2 设用一附有液体压差计的皮托管测定某风管中的空气流速，如图所示。

已知压差计的读数h ＝150mmH 2O ，空气的密度ρa =1.20kg/m 3，水的密度ρ =1000kg/m 3。

若不计能量损失，即皮托管校正系数c =1，试求空气流速u 0。

解：由伯努利方程得2002s a a p u p g g gρρ+= 00a 2()s p p u g gρ-=（1） 式中s p 为驻点压强。

由压差计得 0s p gh p ρ+=0s p p gh ρ-= （2）联立解（1）（2）两式得0a a 10002229.80.15m/s 49.5m/s 1.2gh h u gg g ρρρρ===⨯⨯⨯= 4－3 设用一装有液体（密度ρs =820kg/m 3）的压差计测定宽渠道水流中A 点和B 点的流速，如图所示。

已知h 1 =1m ，h 2 =0.6m ，不计能量损失，试求A 点流速u A 和B 点流速u B 。

水的密度ρ =1000kg/m 3。

解：（1）1229.81m/s 4.427m/s A u gh ==⨯⨯= （2）由伯努利方程可得22A AA u p h g gρ+= （1）22B BB u p h g gρ+= （2）式中A h 、A p 和B h 、B p 分别为A 点和B 点处的水深和驻点压强。

由（1）、（2）式可得2222A B A BA B p p u u h h g g gρ-=+-- （3） 由压差计得，22ρρρρ--++=A A s B B p gh gh gh gh p ，所以220.82A BA B p p h h h h gρ-=+-- (4) 由（3）式、（4）式得2222 4.427(10.82)0.6(10.82)0.8922229.8B A u u h g g =--=--=⨯ 29.80.892m/s 4.18m/s B u =⨯⨯=。

【4-4】管路阀门关闭时，压力表读数为49.8kPa ，阀门打开后，读数降为9.8kPa 。

设从管路进口至装表处的水头损失为流速水头的2倍，求管路中的平均流速。

【解】当管路阀门关闭时，由压力表度数可确定管路轴线到自由液面的高度H 49.810 5.082m1109.8p H g ρ⨯===⨯⨯当管路打开时，列1-1和2-2断面的伯努利方程，则000222p v v H g g gρ++=+++35.0821 4.082m 2v pH ggρ=-=-= 5.164m/s v【沿变截面管路排出的质量流量Qm=14kg/s ，若d1=100mm ，d2=75mm ，d3=50mm ，不计损失，求所需的水头H ，以及第二段管段中央M 点的压力，并绘制测压管水头线。

【解】列1-1和3-3断面的伯努利方程，则00002v H g ++=++4143.171m/s11000 3.140.0754ρπ⨯===⨯⨯Q v d 4147.134m/s 11000 3.140.054ρπ⨯===⨯⨯Q v d 得 7.134 2.6m229.8===⨯v H g列M 点所在断面2-2和3-3断面的伯努利方程，则7.134 3.171100020.42kPa22ρ--==⨯=v v p 【4-9】由断面为0.2m2和0.1m2的两根管子组成的水平输水管系从水箱流入大气中：（1）若不计损失，①求断面流速v1及v2；②绘总水头线及测压管水头线；③求进口A 点的压力。

（2）计入损失：第一段的水头损失为流速水头的4倍，第二段为3倍，①求断面流速v1及v2；②绘制总水头线及测压管水头线；③根据所绘制水头线求各管段中间点的压力。

【解】（1）列自由液面和管子出口断面的伯努利方程，则00002vH g ++=++29.848.854m/s⨯⨯v又由 Av A v =1 4.427m/s =v 列A 点所在断面和管子出口断面的伯努利方程，则00022p v v gg gρ++=++8.854 4.427100029.398kPa 22ρ--==⨯=v v p （2）列自由液面和管子出口断面的伯努利方程，则43222v v v H g g g =++由 1122Av A v =得3.96m/s v =、1 1.98m/s v = 细管段中点的压力为：13 3.96(3)100011.76kPa 2222ρ⨯⨯=⨯⨯=v 粗管段中点的压力为：1.98(2)(2 3.96)100033.32kPa 22ρ+=⨯+⨯=v v 【4-10】用73.5×103W 的水泵抽水，泵的效率为90％，管径为0.3m ，全管路的水头损失为1m ，吸水管水头损失为0.2m ，试求抽水量、管内流速及泵前真空表的读数。

工程流体力学答案(陈卓如)第四章本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March［陈书4－8］测量流速的皮托管如图所示，设被测流体的密度为ρ，测压管内液体密度为1ρ，测压管内液面的高度差为h 。

假定所有流体为理想流体，皮托管直径很小。

试证明所测流速ρρρ-=12gh v［证明］沿管壁存在流线，因此可沿管壁列出理想流体的Bernoulli 方程：g p g V z g p g V z ρρ2222121122++=++ （1）其中点1取在皮托管头部（总压孔），而点2取在皮托管环向测压孔（静压孔）处。

因流体在点1处滞止，故：01=V又因皮托管直径很小，可以忽略其对流场的干扰，故点2处的流速为来流的速度，即：2V v =将以上条件代入Bernoulli 方程（1），得： ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-=g p p z z g v ρ21212 （2）再次利用皮托管直径很小的条件，得：021=-z z从测压管的结果可知：()gh p p ρρ-=-121将以上条件代入（2）式得：ρρρ-=12ghv 证毕。

［陈书4－13］水流过图示管路，已知21p p =，m m 3001=d ，s m 61=v ，m 3=h 。

不计损失，求2d 。

［解］因不及损失，故可用理想流体的Bernoulli 方程：g p g v z g p g v z ρρ2222121122++=++ （1）题中未给出流速沿管道断面的分布，再考虑到理想流体的条件，可认为流速沿管道断面不变。

此外，对于一般的管道流动，可假定水是不可压缩的，于是根据质量守恒可得：2211A v A v = （2） 其中1A 和2A 分别为管道在1和2断面处的截面积：4211d A π=，4222d A π= （3）方程（1）可改写为：()g p p g v z z g v ρ2121212222-++-= （4）根据题意：021=-p p ，h z z =-21 （5）将（5）代入（4），得：g v h g v 222122+= （6）再由（2）和（3）式可得：44222211d v d v ππ= 所以：222112d d v v = （7）将（7）式代入（6）得：g v h g d d v 2221424121+= 整理得：212142412v v gh d d += 14212122d v gh v d += （8）将m m 3001=d ，s m 61=v ，m 3=h ，2m 8.9=g 代入（8）式，得：()mm 236m 236.03.0368.963642==⨯+⨯=d［陈书4－19］图示两小孔出流装置，试证明不计流动损失时有关系式()22211y h y y h =+。

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=⨯⨯=⋅=--δμτ 油： 233/8.2810416102.7m N u =⨯⨯=⋅'=--δμτ 1-4 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。

第四章习题简答4-2 管径cm d 5=，管长m L 6=的水平管中有比重为0.9油液流动，水银差压计读数为cm h 2.14=，三分钟内流出的油液重量为N 5000。

管中作层流流动，求油液的运动粘度ν。

解: 管内平均流速为s m d Q v /604.1)4/05.0/(180/)9.09800/(5000)4//(22=⨯⨯==ππ 园管沿程损失h f 为γ(h 水银γ/油)1-=0.142(13.6/0.9-1)=2.004m园管沿程损失h f 可以用达西公式表示： g v d l h f 22λ=,对层流, Re /64=λ, 有fgdh lv 264Re 2=, 但νvd =Re , 从而lv h gd f 6422=ν, 代入已知量, 可得到s m /10597.124-⨯=ν题 4-2 图4-4 为了确定圆管内径，在管内通过s cm /013.02=ν的水，实测流量为s cm /353，长m 15管段上的水头损失为cm 2水柱。

试求此圆管的内径。

解：422222212842642642642Re 64gd lQ d d g lQ gd lv g v d l vd g v d l h f πνπννν=⎪⎭⎫ ⎝⎛==== m gd lQ d 0194.002.08.9210013.0351********4=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==∴-ππν 4-6 比重85.0s m /10125.024-⨯=ν的油在粗糙度mm 04.0=∆的无缝钢管中流动，管径cm d 30=，流量s m Q /1.03=, 求沿程阻力系数λ。

解: 当78)(98.26∆d >Re>4000时，使用光滑管紊流区公式：237.0Re221.00032.0+=λ。

园管平均速度s m d q v /4147.1)4//(2==π, 流动的33953Re ==νvd , ： 723908)(98.2678=∆d , 从而02185.0Re /221.00032.0237.=+=o λ4-8 输油管的直径mm d 150=,流量h m Q /3.163=，油的运动黏度s cm /2.02=ν,试求每公里长的沿程水头损失。

流体力学第四章参考答案流体力学是研究流体运动和力学性质的学科，它在工程学、物理学和地球科学等领域中具有重要的应用价值。

第四章是流体力学中的一个重要章节，主要讨论了流体的运动方程和流体的动力学性质。

在本文中，将对流体力学第四章的参考答案进行详细的论述和解释。

首先，我们来讨论流体的运动方程。

流体的运动方程是描述流体运动的基本方程，它包括连续性方程、动量方程和能量方程。

连续性方程描述了流体的质量守恒，即单位时间内通过某一截面的质量流量等于该截面内质量的减少量。

动量方程描述了流体的动量守恒，即单位时间内通过某一截面的动量流量等于该截面内动量的减少量。

能量方程描述了流体的能量守恒，即单位时间内通过某一截面的能量流量等于该截面内能量的减少量。

其次，我们来讨论流体的动力学性质。

流体的动力学性质包括粘性、密度、压力和速度等。

粘性是流体的一种性质，它描述了流体内部分子之间的摩擦力。

密度是流体的另一种性质，它描述了单位体积内的质量。

压力是流体的一种性质，它描述了单位面积上受到的力的大小。

速度是流体的运动状态，它描述了单位时间内流体通过某一截面的体积。

在解答流体力学问题时，我们需要根据具体情况选择合适的运动方程和动力学性质。

首先，我们可以根据问题中给出的条件和要求选择适当的运动方程。

例如，如果问题中要求求解流体的速度分布，则我们可以选择动量方程。

其次，我们可以根据问题中给出的条件和要求选择适当的动力学性质。

例如，如果问题中给出了流体的密度和压力分布，则我们可以选择密度和压力作为动力学性质。

在解答流体力学问题时，我们还需要运用一些基本的解题方法和技巧。

首先，我们可以利用物理规律和数学方法建立数学模型。

例如，我们可以利用连续性方程、动量方程和能量方程建立流体的运动方程。

其次，我们可以利用数学工具和计算方法求解数学模型。

例如，我们可以利用微积分和偏微分方程求解流体的运动方程。

最后，我们可以利用实验和观测数据验证数学模型和解题结果。

第1章绪论【1-1】500cm3的某种液体，在天平上称得其质量为0.453kg，试求其密度和相对密度。

【解】液体的密度相对密度【1-2】体积为5m3的水，在温度不变的条件下，当压强从98000Pa增加到4.9×105Pa时，体积减少1L。

求水的压缩系数和弹性系数。

【解】由压缩系数公式Pa-【1-3】温度为20℃，流量为60m3/h的水流入加热器，如果水的体积膨胀系数βt=0.00055K-1，问加热到80℃后从加热器中流出时的体积流量变为多少？【解】根据膨胀系数Vdt则1【1-4】用200升汽油桶装相对密度0.70的汽油。

罐装时液面上压强为98000Pa。

封闭后由于温度变化升高了20℃，此时汽油的蒸汽压力为17640Pa。

若汽油的膨胀系数为0.0006K-1，弹性系数为13.72×106Pa，（1）试计算由于压力温度变化所增加的体积，（2）问灌装时汽油的体积最多不应超过桶体积的百分之多少？【解】（1）由pdVP1可得，由于压力改变而减少的体积为VdpE由于温度变化而增加的体积，可由1dVtVdT得（2）因为t，相比之下可以忽略由压力变化引起的体积改变，则由得【1-5】图中表示浮在油面上的平板，其水平运动速度为u=1m/s，油品的粘度μ=0.9807Pa·s，求作单位面积上的阻力。

【解】根据牛顿内摩擦定律dudy习题1-5图δ=10mm，用在平板则习题1-6图【1-6】已知半径为R圆管中的流速分布为r2式中c为常数。

试求管中的切应力τ与r的关系。

【解】根据牛顿3第2章流体静力学【2-1】容器中装有水和空气，求A、B、C和D各点的表压力？【解】空气各点压力相同，与空气接触的液面压力即为空气的压力，另外相互连通的同种液体同一高度压力相同，即等压面【2-2】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力各为多少？（2）求A、B两点的高度差h？【解】由p a题2-2图，，得（1）＋1（2）选取U形管中水银的最低液面为等压面，则得wH题2-3图w13.6【2-3】在一密闭容器内装有水及油，密度分别为ρw及ρo，油层高度为h1，容器底部装有水银液柱压力计，读数为R，水银面与液面的高度差为h2，试导出容器上方空间的压力p与读数R的关系式。

第四章作业答案4-3水在变直径竖管中流动，已知粗管直径 d 1=300mm ，流速v 1=6m/s 。

两断面相距3m,为使两断面的压力表读值相同。

试求细管直径（水头损失不计）。

解：221122122222112222p v p v Z Z g 2g g 2gp v p v v 6 300 3 4.837m v 9.74m/sg 2g g 2g 2g 2g lh ρρρρ++=+++++=+++=+=⇒=22221121v d v d d 300235.5mm ====4—4变直径管段AB ，d A =0.2m,d B =0.4m ，高差△h=1.5m，测得p A =30kPa ，p B =40kPa ，B 点处断面平均流速v B =1.5m/s ，试判断水在管中的流动方向。

解：22222220.43061.5()6m/s 0 4.900.229.8240 1.51.5 5.69m29.819.6B A A A B A A A B B B B d p H z md g g g p H Z g g υυυρυρ==⨯==++=++==++=++= H B >H A , 水由B 流向A; 水头损失5.69-4.90=0.79m4—5用水银压差计测量水管中的点流速u ，如读值 △h=60mm ，（1）求该点流速；（2）若管中流体是30.8/kg m ρ=的油，△h 不变，不计水头损失，则该点的流速是多少？解：(1) 3.85m/s u ===(2) 4.34m/s u ===4—6 利用文丘里管的喉管处负压抽吸基坑中的积水，已经知道管道直径1100d mm =，喉管直径250d mm =，2h m =，能量损失忽略不计。

试求管道中流量至少为多大，才能抽出基坑中的积水？解：由题意知，只有当1212()()p p z z h g gρρ+-+=时，刚好才能把水吸上来，由文丘里流量计原理有Q =，其中211d k π=，代入数据，有12.7Q l s =。