工程流体力学自测题

第1章

测试题

一、思考题

1.1试从力学的角度，比较流体与固体的差别。 1.2气体和液体的物理力学特性有何差别？

1.3何为连续介质？流体力学中为何需要引入连续介质假设？ 1.4什么是牛顿内摩擦定律？它的应用条件是什么？ 1.5流体的动力粘滞系数与运动粘滞系数有何不同？

1.6流体的动力粘性与哪些因素有关？它们随温度是如何变化的？ 1.7为什么通常把水看作是不可压缩流体？ 1.8为什么玻璃上一滴油总是近似呈球形？ 1.9测压管管径为什么不能过细？

1.10按作用方式区分作用在流体上有哪两类力？

1.11如何认识流体力学的研究方法将不断发展和创新？ 二、选择题

1.1在常温下水的密度为 kg/m3。

(A) 10 (B) 100 (C) 998.2 (D) 1000

1.2在标准大气压下200C时空气的密度为 kg/m3。

(A) 1.2 (B) 12 (C) 120 (D) 1200 1.3温度升高时，水的粘性 。

(A) 变小 (B) 变大 (C) 不变 (D) 不能确定 1.4温度升高时，空气的粘性 。

(A) 变小 (B) 变大 (C) 不变 (D) 不能确定 1.5动力粘滞系数?与运动粘滞系数?的关系为 。

(A)

?? (B)

2??? (C) (D) ??p221.6运动粘滞系数的是 。

(A) s/m (B) m/s (C) N.s/m (D) N.m/s

1.7流体的粘性与流体的 无关。

(A) 分子内聚力 (B) 分子动量变换 (C) 温度 (D) 速度梯度 1.8与牛顿内摩擦定律直接有关的因素是 。

(A) 切应力与速度 (B) 切应力与剪切变形 (C) 切应力与剪切变形速度 (D) 切应力与压强

1.9液体体积压缩系数是在 条件下单位压强引起的体积变化率。

(A) 等压 (B) 等温 (C) 等密度 (D) 体积不变 1.10 是非牛顿流体。

(A) 空气 (B) 水 (C) 汽油 (D) 沥青 1.11静止流体 切应力。

(A) 可以承受 (B) 能承受很小的

(C) 不能承受 (D) 具有粘性时可以承受 1.12表面张力系数的单位是 。

(A) N/m (B) N/m (C) N/m (D) N/s 1.13随温度升高，表面张力系数 。

(A) 增大 (B) 减小 (C) 不变 (D) 不能确定 1.14毛细管中液柱高度的变化与 成反比。

(A) 表面张力系数 (B) 接触角 (C) 粘性系数 (D) 管径 1.15作用在流体上的质量力包括 成反比。

(A) 压力 (B) 摩擦力 (C) 切应力 (D) 重力 1.16理想流体的特征是 。

(A) 不可压缩 (B) 粘滞系数为常数 (C) 无粘性 (D) 符合牛顿内摩擦定律 1.17不可压缩流体的特征是 。

(A) 温度不变 (B)密度不变 (C) 压强不变 (D) 体积不变 1.18单位质量力是指作用在单位 流体上的质量力。

(A) 面积 (B)体积 (C)质量 (D) 重量 1.19单位质量力的国际单位是 。

(A)

232N/m2 (B) N/m3 (C) N/kg (D) N

1.20按连续介质的概念，流体质点是指 。

（A）流体的分子 （B）流体内的固体颗粒

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（C）几何尺寸同流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体 （D）几何的点 三、计算题

－

1.1 某油的密度为851kg/m3，运动粘度为3.39×106m2/s，求此油的重度γ、比容v和动力粘度μ。 1.2 粘度μ=3.92×10﹣2Pa·s的粘性流体沿壁面流动，距壁面y处的流速为v=3y+y2（m/s），试求壁面的切应力。

1.3在相距1mm的两平行平板之间充有某种黏性液体，当其中一板以1.2m/s的速度相对于另一板作等速移动时，作用于板上的切应力为3 500 Pa。试求该液体的粘度。

1.4如图1所示，一圆锥体绕竖直中心轴作等速转动，锥体与固体的外锥体之间的缝隙δ=1mm，其间充满μ=0.1Pa·s的润滑油。已知锥体顶面半径R=0.3m,锥体高度H=0.5m,当锥体转速n=150r/min时，求所需旋转力矩。

图1 图2

1.5如图2所示，上下两平行圆盘，直径均为d，间隙为δ，其间隙间充满黏度为μ的液体。若下盘固定不动，上盘以角速度?旋转时，试写出所需力矩M的表达式。 1.6当压强增量

1.7如图3所示，一圆筒形盛水容器以等角速度?绕其中心轴旋转。试写出图中A(x,y,z)处质量力的表达式。

?p=5×104N/m2时，某种液体的密度增长0.02%。求此液体的体积弹性模量。

图3 图4

1.8图4为一水暖系统，为了防止水温升高时，体积膨胀将水管胀裂，在系统顶部设一膨胀水箱。若系统内水的总体积为8m3，加温前后温差为50℃，在其温度范围内水的热胀系数α=0.000 5/℃。求膨胀水箱的最小容积。

1.9汽车上路时，轮胎内空气的温度为20℃，绝对压强为395kPa，行驶后，轮胎内空气温度上升到50°С，试求这时的压强。

1.10图5为压力表校正器。器内充满压缩系数为k=4.75×10﹣10m2/N的油液。器内压强为105Pa时，油液的体积为200mL。现用手轮丝杆和活塞加压，活塞直径为1cm，丝杆螺距为2mm，当压强升高至20MPa时，问需将手轮摇多少转？

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图5 图6

1.11黏度测量仪有内外两个同心圆筒组成，两筒的间隙充满油液。外筒与转轴连接，其半径为r2,旋转角速度为?。内筒悬挂于一金属丝下，金属丝上所受的力矩M可以通过扭转角的值确定。外筒与内筒底面间隙为a，内筒高H，如图6所示。试推出油液黏度水银与玻璃的接触角??的计算式。

1.12内径为1mm的玻璃毛细管插在水银中，如图7所示。水银在空气中的表面张力系数为0.514N/m，

??1400，水银的密度13600kg/m3。试求毛细管内外水银液面的高度差d。

1.13设一平壁浸入体积很大的水中，由于存在表面张力，在靠近壁面的地方要形成一个曲面，如图8所示。

1d2y假设曲面的曲率半径r可以表示成?，接触角?和表面张力系数?已知。试确定平壁附近水面的2rdx形状和最大高度h。

图7 图8

第2章 流体静力学自测题

一、思考题

2.1 流体静压强有哪两个特性?

2.2 流体平衡微分方程的物理意义是什么？ 2.3 什么是等压面？等压面有什么特性?

2.4 重力场中液体静压强的分布规律是什么? 2.5 静止液体中等压面为水平面的条件是什么? 2.6 相对静止液体的等压面是否为水平面？为什么?

2.7 什么是绝对压强、相对压强、真空度？它们之间有何关系？ 2.8 压力表和开口测压计测得的压强是绝对压强还是相对压强绝？

2.9 盛有某种液体的敞口容器作自由落体运动时，容器壁面上的压强等于多少？

2.10 压力中心D和受压平面形心C的位置之间有什么关系？在什么情况下D点和C点重合？ 2.11 如何确定作用在曲面上液体总压力水平分力和垂直分力的大小、方向和作用线的位置？ 1.12 什么是压力体？如何确定压力体的范围和垂直分力的作用方向？ 二、选择题

2.1相对压强的起算基准是 。

（A）绝对真空 （B）1个标准大气压 （C）当地大气压 （D）液面压强

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2.2 金属压力表的读值是 。

（A）绝对压强 （B）绝对压强加当地大气压 （C）相对压强 （D）相对压强加当地大气压

2.3 某点的真空压强为65 000Pa，当地大气压为0.1MPa，该点的绝对压强为 。（A）65 000 Pa （B）55 000 Pa （C）35 000 Pa （D）165 000 Pa

pab与相对压强p、真空压强pv、当地大气压pa之间的关系是 。

（A）pab?p?pv （B）p?pab?pv （C）pv?pa?pab （D）p?pv?pa

2.4 绝对压强

2.5 在封闭容器上装有U形水银测压计，其中1、2、3点位于同一水平面上，其压强关系为 。 （A）p1>p２> p3 （B）p1=p２= p3 （C）p1

2.6用Ｕ形水银压差计测量水管内Ａ、Ｂ两点的压强差，水银面高度hp＝10cm，pA-pB为 。 （A）13.33kPa （B）12.35kPa （C）9.8kPa （D）6.4kPa 2.7在液体中潜体所受浮力的大小 。

（A）与潜体的密度成正比 （B）与液体的密度成正比 （C）与潜体的淹没深度成正比 （D）与液体表面的压强成反比 2.8 静止流场中的压强分布规律 。

（A）仅适用于不可压缩流体 （B）仅适用于理想流体

（C）仅适用于粘性流体 （D）既适用于理想流体，也适用于粘性流体

习题2.5图2.9 静水中斜置平面壁的形心淹深hC与压力中心淹深hD的关系为hC hD。

（A）大于 （B）等于 （C）小于 （D）无规律 1.10流体处于平衡状态的必要条件是 。

（A）流体无粘性 （B）流体粘度大 （C）质量力有势 （D）流体正压。 2.11液体在重力场中作加速直线运动时，其自由面与 处处正交。

（A）重力 （B）惯性力 （C）重力和惯性力的合力 （D）压力 2.12压力体内 。

（A）必定充满液体 （B）肯定没有液体；

（C）至少部分液体 （D）可能有液体，也可能没有液体 三、计算题

2.1试决定图示装置中A、B两点间的压强差。已知h1=500mm，h2=200mm，h3=150mm，h4=250mm ，h5=400mm，酒精γ1=7 848N/m3，水银γ2=133400 N/m3，水γ3=9810 N/m3。

2.2如图所示，一液体转速计由直径d1的中心圆筒和重为W的活塞、以及两直径为d2的有机玻璃管组成，玻璃管与转轴轴线的半径为R，系统中盛有水银。试求转动角速度?与指针下降距离h的关系（??0时，。 h?0）

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2.3如图所示，底面积为b?b?0.2m?0.2m的方口容器，自重G=40N，静止时装水高度h=0.15m，设容器在荷重W=200N的作用下沿平面滑动，容器底与平面之间的摩擦因数f=0.3，试求保证水不能溢出的容器最小高度。

2.4如图所示，一个有盖的圆柱形容器，底半径R=2m，容器内充满水，顶盖上距中心为r0处开一个小孔通大气。容器绕其主轴作等角速度旋转。试问当r0为多少时，顶盖所受的水的总压力为零。

2.5 矩形闸门AB宽为1.0m，左侧油深h1=1m ，水深h2=2m，油的比重为0.795，闸门倾角α=60o，试求闸门上的液体总压力及作用点的位置。

0

2.6水库的圆形泄水孔，直径D＝1m，门的形心点位于水深h＝3m处，门的倾角α＝60，门的下游为大气压，门的顶端有铰固定，不计门重，求启门所必须的向上拉力F。

2.7一直径D=0.4m的盛水容器悬于直径为D1=0.2m 的柱塞上。容器自重G=490N，a=0.3m。如不计容器与柱塞间的摩擦，试求：（1）为保持容器不致下落，容器内真空压强应为多大。（2）柱塞浸没深度h对计算结果有无影响。

2.8容器底部圆孔用一锥形塞子塞住，如图H=4r，h=3r，若将重度为γ1的锥形塞提起需力多大（容器内液体的重度为γ）。

2.9一长为20m，宽10m，深5m的平底船，当它浮在淡水上时的吃水为3m，又其重心在对称轴上距船底

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一、静水压强量测实验

（一）目的要求

1.掌握用测压管测量流体静压强的技能； 2.验证不可压缩流体静力学基本方程； 3、测定另一种液体的重率；

4、要求掌握U形管和连通管的测压原理以及运用等压面概念分析问题的能力。 （二）实验设备 实验设备如下图所示。 （三）实验步骤及原理 通气孔静水压强测试仪1234567Pa开口筒P0密封A箱γ油γ水 1、打开通气孔，使密封水箱与大气相通，则密封箱中表面压强p0等于大气压强pa。那么开口筒水面、密封箱水面及连通管水面均应齐平。 2、关闭通气孔，将开口筒向上提升到一定高度。水由开口筒流向密封箱，并影响其它测压管。密封箱中空气的体积减小而压强增大。待稳定后，开口筒与密封箱两液面的高差即为压强差

p0?pa??h，这个水

232，而U形管两液面的压差也应等于0a。 柱高度h也等于13、如果将开口筒向下降到一定高度，使其水面低于密封箱中的水面，则密封箱中的水流向开口筒。因此，密封箱中的空气的体积增大而压强减小，此时p0

???及???p?p'pA4、按照以上原理，可以求得密封箱液体中任一点A的绝对压强。

pa?p0??2??1??2??3?

设A点在密封箱水面以下的深度为h0A，在1号管和3号管水面以下的深度为h1A 和h3A，则：

'pa?p0??h0A?pa??(?1??2)??h0A

a1Aa

5、由于连通管和U形管反映着同一的压差，故有： '?由此可以求得另一种液体的容重：

?p??h?p??h3A

p0?pa??(?3??2)??'(?5??4)??(?7??6)

?'???3??2???6??7?5??4?5??4。

（四）注意事项

1、首先检查密封箱是否漏气（检查方法自己考虑）。

2、开口筒向上提升时不宜过高，在升降开口筒后，一定要用手拧紧左边的固定螺丝，以免开口筒向下滑动。

（五）量测与计算

静水压强仪编号 ；

实测数据与计算（表1.1、表1.2）。

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表1.1 观测数据 名 称 液 面 高 程 单 位 p0?pa1 测压管液面高程读数 厘米 ?1 厘米 ?2 厘米 ?3 厘米 ?4 厘米 ?5 厘米 ?6 厘米 ?7 p0?pa 表1.2 计算 算序 1 2 3 4 5 6 2 1 2 项 目 ?1??2??3??2??7??6 p0?pa??(?7??6) PA???(?1??2)?h0A? 1 p0?pa 2 1 p0?pa 2 单位 厘米 P0?Pa??(?7??6)??'(?5??4) ?' 'PA?Pa?PA 注：设A点在水箱水面下的深度h0A 厘米。 （六）回答问题

1、第1、2、3号管和4、6号管，可否取等压面？为什么？ 2、第1、4、6号管和1、3号管中的液面，是不是等压面？为什么？

二、动量方程验证实验

（一）实验目的

1、测定管嘴喷射水流对平板或曲面板所施加的冲击力。

2、将测出的冲击力与用动量方程计算出的冲击力进行比较，加深对动量方程的理解。 （二）实验原理

应用力矩平衡原理如图2.1所示：求射流对平板和曲面板的冲击力。

GL1FL?GL1，L 力矩平衡方程：

式中：F?射流作用力；L?作用力力臂； G?砝码重量；L1?砝码力臂。

F?

图2.1 力矩平衡原理示意图

,22

??,?F??Q(?V??1V1) 恒定总流的动量方程为

,,????1，且只考虑其中水平方向作用力，则可求得射流对平板和曲面的作用力公式为：21若令

F??QV(1?cos?)

Q?管嘴的流量；V?管嘴流速；??射流射向平板或曲面板后的偏转角度。

式中：

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F??QV。F平：??90。时，平水流对平板的冲击力

。??135。时，F??QV(1?cos135)?1.707?QV?1.707F平

??180。时，F??QV(1?cos180)?2?QV?2F平

（三）实验设备

实验设备及各部分名称见图2.2，实验中配有??90平面板和??135及??180的曲面板，另备大小量筒及秒表各一只。 （四）实验步骤

1、记录管嘴直径和作用力力臂。

2、安装平面板，调节平衡锤位置，使杠杆处于水平状态(杠杆支点上的气泡居中) 3、启动抽水机，使水箱充水并保持溢流。此时水流从管嘴射出，冲击平

。。。

图2.2 动量原理实验仪

L

板中心，标尺倾斜。加砝码并调节砝码位置，使杠杆处于水平状态，达到力矩平衡。记录砝码质量和力臂1。

4、用体积法测量流量

Q用以计算F理。

。(??135及??180。)5、将平面板更换为曲面板，测量水流对曲面板的冲击力并重新用体积法测量流

量。

6、 关闭抽水机，将水箱中水排空，砝码从杠杆上取下，结束实验。 （五）注意事项

1、量测流量后，量筒内的水必须倒进接水器，以保证水箱循环水充足。 2、测流量时，计时与量筒接水一定要同步进行，以减小流量的量测误差。 3、测流量一般测两次取平均值，以消除误差。

（六）实验成果及要求

1、 有关常数。

喷管直径d= cm， 作用力力臂L= 7 cm， 实验装置台号：

2、 记录及计算（见表2.1）。 表2.1：计录及计算表 实测冲理论计算冲测体积 时间 流量 平均流量 流速 冲击板砝码重量 力臂L1 击力 F实 击力F理 s cm3/s cm3/s cm/s cm 次 cm3 角度α N×10-5 N×10-5 N×10-5 3、 成果分析：将实测的水流对板的冲击力与由动量方程计算出的水流对板 的冲击力进行比较，计算出其相对误差，并分析产生误差的原因。

理有差异，除实验误差外还有什么原因？ （七）思考题 1、实2、实验中，平衡锤产生的力矩没有加以考虑，为什么？

F与F第3页 共 20 页

三、孔口与管嘴流量系数验证实验

（一）实验目的

?和流量系数?。

?2、了解管嘴内部压强分布特征，测定管嘴流量系数。

1、了解孔口流动特征，测定孔口流速系数（二）实验原理

当水流从孔口出流时，由于惯性的作用，水流在出孔口后有收缩现象，约在0.5d处形成收缩断面c-c。收缩断面c-c的面积

Ac与孔口的面积A的比值?称为收缩系数。应用能量方程可推得孔口流量计算公式如下

?为流速系数，?为流量系数，H为孔口中心点以上的作用水头。已知收缩系数?和流速系数?或流量系

???数可求得孔口流量。本实验将根据实测的流量等数据测定流速系数或流量系数。

式中，

当水流经管嘴出流时，由于管嘴内部的收缩断面处产生真空，等于增加了作用水头，使得管嘴的出流大于孔口出流。应用能量方程可推得管嘴流量计算公式如下

Q???A2gH 或 Q??A2gH

Q??nA2gH 或 Q??nA2gH

?n为流速系数，?n为流量系数，?n??n，H为管嘴中心点以上的作用水头。已知流速系数?n或流量???系数n可求得管嘴流量。本实验将根据实测的流量等数据测定流速系数n或流量系数n。

式中，

根据系统理论和实验研究各系数有下列数值

??0.63~0.64 ??0.97~0.98 ??0.60~0.62

???n?0.82

管嘴 n孔口

由于收缩断面位置不易确定，以及观测误差等原因，本实验设备所测的数据只能逼近上述数据。 （三）实验设备

实验设备与各部分名称如图3.1所示。

图3.1 孔口管嘴实验仪 （四）实验步骤

1、熟悉仪器，记录孔口直径孔口和管嘴直径管嘴，记录孔口中心位置高程孔口和水箱液面高程液面。 2、启动抽水机，打开进水开关，使水进入水箱，并使水箱保持溢流，使水位恒定。

3、关闭孔口和管嘴，观测与管嘴相连的压差计液面是否与水箱水面齐平。若不平，则需排气调平。

4、打开管嘴，使其出流，压差计液面将改变，当流动稳定后，记录压差计各测压管液面，用体积法或电子流量计测量流量。

5、关闭管嘴，打开孔口，使其出流，当流动稳定后，用游标卡尺测量孔口收缩断面直径，用体积法或电子流量计测量流量。

6、关闭水泵，排空水箱，结束实验。 （五）注意事项

1、量测流量后，量筒内的水必须倒进接水器，以保证水箱循环水充足。 2、测流量时，计时与量筒接水一定要同步进行，以减小流量的量测误差。 3、测流量一般测两次取平均值，以消除误差。

4、少数测压管内水面会有波动现象。应读取波动水面的最高与最低读数的平均值。 （六）实验成果及要求 1、有关常数。

dd??第4页 共 20 页

dd?孔口直径孔口 cm、管嘴直径管嘴??? cm、 孔口中心位置高程

?孔口? cm、水箱液

面高程液面 cm，实验装置台号： 2、记录及计算（见表3.1、表3.2）。 表3.1 孔口实验记录及计数表 测次 体积 W 时间 T 流量 Q 注：水头H为孔口中心到水箱液面的垂直高度。 表3.2 管嘴实验记录及计数表 体积 W 时间 T 流量 Q 平均流量 Q平均 水头 H 流量 系数 各测压管液面读数 0.5d d 1.5d 2.5d 平均流量 Q平均 水头H 收缩断面dc 收缩 系数 流速 系数 ? ? 流量 系数 ? 测次 ?n 注：水头H为管嘴中心到水箱液面的垂直高度。 各测压管液面读数以水箱液面为基准。

3、成果分析：根据实测的值，计算孔口流速系数或流量系数、管嘴流量系数，分析误差的原因。 （七）思考题

1、流速系数是否可能大于1.0？

2、为什么同样直径与同样水头条件下，管嘴的流量系数 值比孔口的大？

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