2015年秋季水力学中期试题(带答案)讲解

四 川 大 学 期 中 考 试 试 题

（2015 ——2016 年第 一 学期）

课程号： 课序号： 课程名称：水力学 任课教师： 成绩： 适用专业年级： 学生人数： 印题份数： 学号： 姓名： 考试须知 四川大学学生参加由学校或由学校承办的各级各类考试，必须严格执行《四川大学考试工作管理办法》和《四川大学考场规则》。有考试违纪作弊行为的，一律按照《四川大学学生考试违纪作弊处罚条例》进行处理。 四川大学各级各类考试的监考人员，必须严格执行《四川大学考试工作管理办法》、《四川大学考场规则》和《四川大学监考人员职责》。有违反学校有关规定的，严格按照《四川大学教学事故认定及处理办法》进行处理。 一、是非题（正确的划“√”，错误的划“×”） （本大题分15小题，每小题1分，共15分） 1、在水力学中，把液体视为连续介质，在液流中的一切物理量相对于空间坐标或时间的变化都是连续的。 （ √ ） 2、液体作层流运动时,流层之间的内摩擦力与液体所承受的压力有关。 （ × ） 3、质量力除用总作用力来度量外，也常用单位质量力来度量。单位质量力和加速度一样的量纲一样。 （ √ ） 4、绕中心轴作等角速度旋转的平衡液体，等压面为抛物面。 （ √ ） 5、液体中静水压强沿某一方向的变化率与该方向单位体积上的质量力相等。 （ × ） 6、倾斜置于静水水面下的平板，其压力中心在平板形心点之下。 （ √ ） 7、根据定义，迹线源自描述液体运动的拉格朗日法，流线多用于描述液体运动的欧拉法。 （ √ ） 8、均匀流过水断面上的动能修正系数和动量修正系数都是1。 （ √ ） 9、文丘里流量计测流量原理是一维恒定总流的动量方程。 （ × ） 10、液体的粘性和液体内部质点间的相对运动是引起液流水头损失的根源。 （ √ ）

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11、根据雷诺试验的结果，液流型态不同，沿程水头损失的规律不同。但水流的阻力与液流型态无关。 （ × ） 12、湍流中，紧靠固体边界表明有一层极薄的粘性底层存在，粘性底层内为层流。

（ √ ） 13、谢齐公式是基于明渠均匀流的实测资料，因此不能用于不同的流态或流区。（ × ） 14、串联管道可以按长管计算，也可能按短管计算。 （ √ ） 15、明渠均匀流的过水断面应与底坡线相垂直，同时也与水面线相垂直。 （ √ ） 二、选择题（本大题分10小题，每小题2分，共20分） 1、静止液体中同一点各方向的压强（ A ）。 A 数值相等 B 大小不等 C 水平方向分量数值相等 D 垂直方向分量数值相等 2、图示为两种液体盛于容器中，处于静止状态，且密度?2??1，则A、B两测压管中的液面相对位置关系为（ B ）。 A B管高于A管 B A管高于B管 C A、B两管同高 D 与A、B测压管管径有关 3、关于水流流向问题的正确说法为（ D ）。 A 水流一定从高处向低处流 B 水流一定从压强大处向压强小处流 C 水流一定从流速大处向流速小处流 D 水流一定从机械能大处向机械能小处流 4、下列各组物理量中，属于同一量纲的是（ C ）。 A 长度、宽度、动力粘度 B 速度、密度、运动粘度

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C 水深、管径、测压管水头 D 密度、重量、加速度 5、从作用力角度分析，在下列渠道中能产生均匀流的渠道为（ B ）。 A 平坡渠道 B 正坡渠道 C 逆坡渠道 D 非棱柱形正坡渠道 6、矩形断面渠道最小断面比能Esmin与相应的临界水深hk之比Esminhk的值为（ B ）。 A 2.0 B 3/2 C 2/3 D 1/3 7、矩形断面渠道中，水深为1.0m，单宽流量为1m3/(s·m)，则该水流为（ A ）。 A 缓流 B 急流 C 临界流 D 层流 8、谢齐系数C与沿程阻力系数?的关系，下列正确的为（ C ）。 A ??8g/C B ??8gC 2C ??8gC2 D ??8g/C 9、已知水流的沿程阻力系数?与雷诺数Re无关，可判断该水流属于（ D ）。 A 层流区 B 湍流光滑区 C 湍流过渡粗糙区 D 湍流粗糙区 10、公式v?。 RJ不能用于（ C ）A 均匀流 B 急流 C 管流 D 明渠流 三、简答题（本大题共1小题，共18分） 1、图示A、B、C为三条高程不同的坝身泄水管，其管径d，长度L，沿程阻力系数λ均相同，试问它们的泄流量是否相同，为什么？（6分） 答：三条泄水管的泄流量相同。 (2 分) 三条泄水管都是淹没出流，根据简单管道的流量公式: 淹没出流：Q??A2gH，因为A、B、C三条泄水管的作用水头H都是上下水

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位之差，且它们的管径d，长度L，沿程阻力系数λ均相同，因此流量系数μ和断面面积A也相同，所以三条泄水管的泄流量QA?QB?QC。 (4 分) 2、简述尼古拉兹实验中沿程水力损失系数λ的变化规律。（6分） （1）当Re<2000时，沿程阻力系数?与雷诺数Re的关系为直线I，与相对光滑度无关，直线代表层流时沿程阻力系数的规律，其方程式为?=64/Re （2）当20004000时，液流形态已进入湍流，沿程阻力系数决定于粘性底层厚度?0与绝对粗糙度?的关系： ①当Re较小时，粘性底层较厚，可以淹没?，管壁就是水力光滑管，其沿程阻力系数?=f(Re)，而与?无关（直线II代表光滑管沿程阻力系数的规律） ②直线II与直线III之间的区域为光滑管过渡到粗糙管的过渡区，因雷诺数的增大，粘性底层相对减薄，以致不能完全淹没?，而管壁粗糙度已对沿程阻力发生影响，所以沿程阻力系数?=f(r0/?，Re) ③直线III以右的区域，?与r0/?有关，而与Re无关，属于粗糙管区，此时管壁粗糙度对沿程阻力系数已经起主要作用，该区域水头损失与平均流速的平方成比例，粗糙管区常叫阻力平方区。 3、什么叫正常水深？什么叫临界水深，如何用流速、Fr数、水深判断水流形态？（6分） 答：正常水深：明渠中水流作均匀流动时所对应的水深，以h0表示；(1 分) 临界水深：指当流量一定时，断面比能最小值所对应的水深，以hK表示。(1 分) 判断水流形态的方法：用微波速度vw，当v＜vw时，水流为缓流；当v＝vw时，水流为临界流；当v＞vw时，水流为急流。 (1.5 分) 用弗劳徳数Fr判断，当Fr＜1时，水流为缓流；当Fr＝1时，水流为临界流；当Fr＞1时，水流为急流。 (1.5 分) 用临界水深hK判断，当h＞hK时，水流为缓流；当h＝hK时，水流为临界流；当h＜hK时，水流为急流。 (1 分) 4

四、作图题（本大题分3小题，共11分） ?上的水?的半径为R，绘出BA1、如下图所示的容器，装有密度为?的水，半圆弧BAC平压强分布图（给出A、B点的大小）及压力体。（6分） ARB hOC 2、定性绘出图示短管的总水头线和测压管水头线。(5分) 五、计算题（本大题共4小题，总计36分） 1、图示一贮水设备，在C点测得绝对压强p=29430 Pa，h=2m，R=0.5m。求半球曲面

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AB所受到液体的作用力。（球体积公式V球?4?R3）。（9分） 3B0.5hpARhC 解：质量力只有重力，等压面仍为水平面 将C点的压强作用等效于高为H的水柱，利用AB的压力体即可求解。C位于0.5h处。 等效水柱高度H=p29430??3m ?g1000?9.81半球AB的压力体如上图，所以压力Fp??gVp??g(V圆柱?V半球) V圆柱??R2?（H-0.5h）=3.14?0.52?(3?0.5?2)?1.57m2 V半球?22?R3??3.14?0.53?0.262m2 33所以Fp=1000×9.81×（1.57-0.262）=12831.48N=12.83kN(方向向上) 2、有一倾斜放置的管道，管径由d1=10cm，突然扩大至d2=20cm。试验时测得测压管1

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和2中的水位分别为0.5m和0.8m，如图所示。求管道流量Q。（建议取动能修正系数为1，突然扩大局部水头损失系数???A2/A1?1?，A1、A2分别为小管和大管的断面面积，?对应于大管的流速。）(9分) 2 解： A1?（?d12）/4?0.00785m2 （1） A1?（?d22）/4?0.03142m2 （2） 突然扩大局部水头损失系数???A2/A1?1??9.015 （3） 2对测压管1和测压管2应用伯努利方程有： p1v12p2v22Z1???Z2???hw （4） ?g2g?g2gv22其中：hw?? （5） 2g由连续性方程V1A1?V2A2有：V1?4V2 （6） 由已知条件测压管1和2中的水位分别为0.5m和0.8m知：Z2?p2p?(Z1?1)?0.3 （7） ?g?g（5）（6）（7）代入（4）得 V2=0.99m/s Q=A2V2=0.0311m3/s 7

3、有一沿铅垂直立墙壁铺设的弯管，如图。弯头转角为900，起始断面1-1与终止断面2-2间的轴线长度L为3.14m，两断面中心高差Z为2m，已知1-1断面中心处动水压强p1为117.6KN/m2，两断面之间的水头损失hw为0.1m，管径为0.2m，求当管中通过流量Q=0.06m3/s时，水流对弯管的作用力。(9分) 1122 解： 如上图所示，取渐变流断面1-1和2-2，以2-2断面为基准面，建立如图坐标系，写1-1和2-2断面间水流的能量方程： p1p2v2v2?Z???0???hw （1） ?g2g?g2gp2p1化简有：??Z??hw （2） ?g?g将hw=0.1m,p1=117.6kN/m2代入（2）有： p2??g(?Z?p1117600?hw)?1000?9.8(2??0.1)?136.2kN/m2?g9.8?10008

弯头内的水重为：

G??gV??gL??d2?9.8?3.14?1-1断面的动水总压力： 143.14?0.22?0.98kN 413.14?0.222P1?p1??d?117.6??3.7kN 442-2断面的动水总压力： 13.14?0.222P2?p2??d?136.2??4.28kN 44X方向的动量方程： ?Q(0??v)?P1?Fx （3） Fx??P1??Q?v??3.7?1?1?0.06?1.91??3.815kN Y方向的动量方程： ?Q(??v?0)?P2?G?Fy （4） Fy?G?P2??Q?v?0.98?4.28?1?1?0.06?1.91??3.415kN 管壁对水流的总作用力： F?Fx2?Fy2?3.8152?3.4152?5.12kN 令作用力F与水平轴x的夹角为θ，则： tanθ=Fy/Fx=0.895, θ=41°81′ 水流对管壁的作用力与F大小相等，方向相反。 4、某渠道长而顺直，渠道用浆砌条石筑成（糙率n=0.028），断面为矩形，渠道按水力最佳断面设计，底宽b为8m，底坡i=1/8000，试求通过的流量。(9分) 解：矩形为最佳水力断面时，h=0.5b=4 m，各水力要素依次为 A=bh=32 m2，湿周?=b+2h=16 m, 水力半径R=A/?=2 m 11?26= 40.09 m1/2/s 谢才系数C=R6?n0.028

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11流量Q?ACRi?20.28 m3/s

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