流體力學(xué)模擬練習(xí)題含答案一、選擇題（每題3分，共30分）1.理想流體是指（）A.忽略黏性效應(yīng)的流體B.密度不變的流體C.不可壓縮的流體D.符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體答案：A解析：理想流體是一種理想化的模型，它忽略了流體的黏性效應(yīng)。黏性是流體抵抗相對運(yùn)動的能力，在很多實(shí)際問題中，當(dāng)黏性的影響較小時，可以將流體近似看作理想流體來簡化分析。而密度不變的流體是不可壓縮流體；不可壓縮流體是指流體的密度不隨壓力變化；符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體是牛頓流體。2.流體在管內(nèi)作層流流動時，其沿程損失與平均流速的（）次方成正比。A.1B.1.75C.2D.2.5答案：A解析：根據(jù)層流沿程損失的計(jì)算公式$h_f=\frac{64}{Re}\frac{l}1t1thfz\frac{v^2}{2g}$，其中雷諾數(shù)$Re=\frac{vd}{\nu}$，對于層流，沿程阻力系數(shù)$\lambda=\frac{64}{Re}$，將其代入沿程損失公式可得$h_f$與$v$的一次方成正比。3.當(dāng)雷諾數(shù)$Re$較小時，表明（）A.黏性力起主導(dǎo)作用B.慣性力起主導(dǎo)作用C.重力起主導(dǎo)作用D.壓力起主導(dǎo)作用答案：A解析：雷諾數(shù)$Re=\frac{\rhovL}{\mu}=\frac{vL}{\nu}$，它反映了慣性力與黏性力的比值。當(dāng)$Re$較小時，說明黏性力相對慣性力較大，黏性力起主導(dǎo)作用；當(dāng)$Re$較大時，慣性力起主導(dǎo)作用。4.流體的連續(xù)性方程是（）在流體力學(xué)中的表達(dá)形式。A.能量守恒定律B.動量定理C.質(zhì)量守恒定律D.牛頓第二定律答案：C解析：流體的連續(xù)性方程$\rho_1A_1v_1=\rho_2A_2v_2$（對于不可壓縮流體$\rho$為常數(shù)，方程簡化為$A_1v_1=A_2v_2$），它是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)，即單位時間內(nèi)流入某一控制體的流體質(zhì)量等于流出該控制體的流體質(zhì)量。5.伯努利方程$z_1+\frac{p_1}{\rhog}+\frac{v_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\rhog}+\frac{v_2^2}{2g}+h_{w1-2}$的適用條件不包括（）A.理想流體B.恒定流C.不可壓縮流體D.質(zhì)量力只有重力答案：A解析：伯努利方程的推導(dǎo)基于恒定流、不可壓縮流體、質(zhì)量力只有重力以及所選取的兩個斷面之間沒有能量的輸入和輸出等條件。雖然伯努利方程最初是在理想流體的假設(shè)下推導(dǎo)出來的，但實(shí)際應(yīng)用中通過引入水頭損失$h_{w1-2}$來考慮黏性的影響，所以不一定要求是理想流體。6.已知流體運(yùn)動的流速場$u_x=2x$，$u_y=-2y$，$u_z=0$，該流動是（）A.恒定流B.非恒定流C.有旋流D.無旋流答案：D解析：判斷流動是否恒定流要看流速是否隨時間變化，本題中流速場表達(dá)式與時間無關(guān)，是恒定流，但這不是本題重點(diǎn)。判斷有旋流和無旋流需要計(jì)算旋轉(zhuǎn)角速度分量。對于二維流動（$u_z=0$），旋轉(zhuǎn)角速度$\omega_z=\frac{1}{2}(\frac{\partialu_y}{\partialx}-\frac{\partialu_x}{\partialy})$，$\frac{\partialu_x}{\partialy}=0$，$\frac{\partialu_y}{\partialx}=0$，則$\omega_z=0$，所以該流動是無旋流。7.圓管層流中，過流斷面上的平均流速是最大流速的（）A.0.5倍B.0.75倍C.0.8倍D.1倍答案：A解析：圓管層流中，速度分布為拋物線分布，最大流速$u_{max}$在管軸處，平均流速$v=\frac{Q}{A}$，通過積分計(jì)算可得$v=\frac{1}{2}u_{max}$。8.對于并聯(lián)管路，下列說法錯誤的是（）A.各支管的水頭損失相等B.總流量等于各支管流量之和C.各支管的流量相等D.并聯(lián)的支管越多，總阻抗越小答案：C解析：并聯(lián)管路的特點(diǎn)是各支管的水頭損失相等，即$h_{f1}=h_{f2}=\cdots=h_{fn}$；總流量等于各支管流量之和，即$Q=Q_1+Q_2+\cdots+Q_n$。各支管的流量并不一定相等，流量分配與各支管的阻抗有關(guān)。根據(jù)并聯(lián)管路總阻抗的計(jì)算公式，并聯(lián)的支管越多，總阻抗越小。9.水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是（）A.流體的可壓縮性和管道的彈性B.流體的黏性C.管道的粗糙度D.流體的重力答案：A解析：水擊現(xiàn)象是指在有壓管道中，由于某種原因（如閥門突然關(guān)閉等）使水流速度突然變化，引起壓強(qiáng)急劇升高或降低的現(xiàn)象。其產(chǎn)生的主要原因是流體的可壓縮性和管道的彈性，當(dāng)流速突然變化時，流體的壓縮和膨脹以及管道的彈性變形會導(dǎo)致壓強(qiáng)的劇烈變化。10.紊流附加切應(yīng)力是由于（）產(chǎn)生的。A.分子的內(nèi)聚力B.分子的熱運(yùn)動C.流體質(zhì)點(diǎn)的脈動D.流體的黏性答案：C解析：在紊流中，流體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的脈動，這種脈動使得相鄰流層之間發(fā)生質(zhì)量和動量的交換，從而產(chǎn)生了附加切應(yīng)力，即紊流附加切應(yīng)力。而分子的內(nèi)聚力和熱運(yùn)動與黏性切應(yīng)力有關(guān)，流體的黏性是產(chǎn)生層流切應(yīng)力的原因。二、填空題（每題3分，共30分）1.流體的黏性用______來度量，對于液體，黏性隨溫度的升高而______。答案：動力黏度（或運(yùn)動黏度）；減小解析：流體的黏性可以用動力黏度$\mu$或運(yùn)動黏度$\nu=\frac{\mu}{\rho}$來度量。對于液體，溫度升高時，分子間的內(nèi)聚力減小，黏性隨溫度升高而減??；對于氣體，黏性隨溫度升高而增大，這是因?yàn)闅怏w的黏性主要是由分子的熱運(yùn)動引起的。2.雷諾數(shù)$Re$的物理意義是______與______的比值。答案：慣性力；黏性力解析：如前面選擇題所述，雷諾數(shù)$Re=\frac{\rhovL}{\mu}=\frac{vL}{\nu}$，它反映了慣性力與黏性力的相對大小。3.流體靜壓強(qiáng)的兩個重要特性是：（1）______；（2）______。答案：流體靜壓強(qiáng)的方向垂直并指向作用面；任意點(diǎn)處各方向的流體靜壓強(qiáng)大小相等解析：這是流體靜壓強(qiáng)的基本特性。由于流體不能承受拉力和抵抗剪切力，所以靜壓強(qiáng)方向垂直并指向作用面；在靜止流體中，任意一點(diǎn)處各個方向的靜壓強(qiáng)大小相等，與作用面的方位無關(guān)。4.恒定總流的伯努利方程$z_1+\frac{p_1}{\rhog}+\frac{v_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\rhog}+\frac{v_2^2}{2g}+h_{w1-2}$中，$z+\frac{p}{\rhog}$表示______，$\frac{v^2}{2g}$表示______。答案：測壓管水頭；流速水頭解析：$z$是位置水頭，表示單位重量流體的位置勢能；$\frac{p}{\rhog}$是壓強(qiáng)水頭，表示單位重量流體的壓強(qiáng)勢能，兩者之和$z+\frac{p}{\rhog}$為測壓管水頭。$\frac{v^2}{2g}$是流速水頭，表示單位重量流體的動能。5.圓管層流的沿程阻力系數(shù)$\lambda$只與______有關(guān)，其表達(dá)式為$\lambda=$______。答案：雷諾數(shù)；$\frac{64}{Re}$解析：在圓管層流中，沿程阻力系數(shù)$\lambda$僅與雷諾數(shù)$Re$有關(guān)，通過理論推導(dǎo)可得$\lambda=\frac{64}{Re}$。6.有壓管流中，當(dāng)管長$l$、管徑$d$、流量$Q$一定時，沿程水頭損失$h_f$與管壁粗糙度$\Delta$的關(guān)系是：當(dāng)為層流時，$h_f$______管壁粗糙度$\Delta$；當(dāng)為紊流光滑區(qū)時，$h_f$______管壁粗糙度$\Delta$。答案：無關(guān)；無關(guān)解析：在層流中，沿程阻力系數(shù)$\lambda=\frac{64}{Re}$，只與雷諾數(shù)有關(guān)，與管壁粗糙度無關(guān)，所以沿程水頭損失$h_f$也與管壁粗糙度無關(guān)。在紊流光滑區(qū)，黏性底層厚度$\delta$大于管壁絕對粗糙度$\Delta$，管壁粗糙度對紊流核心區(qū)的流動影響很小，沿程阻力系數(shù)$\lambda$只與雷諾數(shù)有關(guān)，$h_f$也與管壁粗糙度無關(guān)。7.并聯(lián)管路的總流量等于______，各支管的______相等。答案：各支管流量之和；水頭損失解析：這是并聯(lián)管路的基本特性，總流量$Q=Q_1+Q_2+\cdots+Q_n$，且$h_{f1}=h_{f2}=\cdots=h_{fn}$。8.水擊波的傳播速度$c$與流體的______和管道的______有關(guān)。答案：彈性模量；彈性解析：水擊波的傳播速度$c=\frac{c_0}{\sqrt{1+\frac{Kd}{E\delta}}}$，其中$c_0=\sqrt{\frac{K}{\rho}}$是水中的音速，$K$是流體的彈性模量，$E$是管道材料的彈性模量，$d$是管徑，$\delta$是管壁厚度，所以水擊波的傳播速度與流體的彈性模量和管道的彈性有關(guān)。9.紊流的流速分布在層流底層內(nèi)按______分布，在紊流核心區(qū)按______分布。答案：線性；對數(shù)解析：在層流底層內(nèi)，流速較低，黏性起主導(dǎo)作用，流速按線性分布。在紊流核心區(qū)，流體質(zhì)點(diǎn)的脈動較為劇烈，流速按對數(shù)分布。10.流體的運(yùn)動要素包括______、______和______。答案：流速；壓強(qiáng)；密度解析：流速、壓強(qiáng)和密度是描述流體運(yùn)動狀態(tài)的基本物理量，稱為流體的運(yùn)動要素。三、計(jì)算題（每題20分，共40分）1.有一水平放置的突然擴(kuò)大圓管，已知$d_1=100mm$，$d_2=200mm$，管中通過的流量$Q=0.05m^3/s$，試求突然擴(kuò)大的局部水頭損失$h_j$。解：（1）首先計(jì)算兩管段的流速根據(jù)流量公式$Q=Av$，對于小管段1，$A_1=\frac{\pi}{4}d_1^2=\frac{\pi}{4}\times(0.1)^2=0.00785m^2$，則$v_1=\frac{Q}{A_1}=\frac{0.05}{0.00785}\approx6.37m/s$。對于大管段2，$A_2=\frac{\pi}{4}d_2^2=\frac{\pi}{4}\times(0.2)^2=0.0314m^2$，則$v_2=\frac{Q}{A_2}=\frac{0.05}{0.0314}\approx1.59m/s$。（2）然后根據(jù)突然擴(kuò)大局部水頭損失公式$h_j=\frac{(v_1-v_2)^2}{2g}$將$v_1=6.37m/s$，$v_2=1.59m/s$，$g=9.8m/s^2$代入公式可得：$h_j=\frac{(6.37-1.59)^2}{2\times9.8}=\frac{4.78^2}{19.6}=\frac{22.85}{19.6}\approx1.17m$2.如圖所示，水從水箱通過直徑$d_1=100mm$，長度$l_1=25m$，沿程阻力系數(shù)$\lambda_1=0.02$的管道流入直徑$d_2=50mm$，長度$l_2=15m$，沿程阻力系數(shù)$\lambda_2=0.03$的管道，然后流入大氣。已知$H=10m$，局部水頭損失系數(shù)：進(jìn)口$\zeta_{e}=0.5$，突然縮小$\zeta_{s}=0.3$，出口$\zeta_{o}=1.0$。試求管道的流量$Q$。解：（1）以水箱水面為1-1斷面，管道出口為2-2斷面，列伯努利方程$z_1+\frac{p_1}{\rhog}+\frac{v_1^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\rhog}+\frac{v_2^2}{2g}+h_{w1-2}$因?yàn)樗渌婷娣e遠(yuǎn)大于管道面積，所以$v_1\approx0$，$p_1=p_2=p_{atm}$，$z_1-z_2=H$，則方程簡化為$H=\frac{v_2^2}{2g}+h_{w1-2}$。（2）計(jì)算總水頭損失$h_{w1-2}$總水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，$h_{w1-2}=h_{f1}+h_{f2}+h_{j1}+h_{j2}+h_{j3}$。沿程水頭損失：$h_{f1}=\lambda_1\frac{l_1}{d_1}\frac{v_1^2}{2g}$，$h_{f2}=\lambda_2\frac{l_2}{d_2}\frac{v_2^2}{2g}$。根據(jù)連續(xù)性方程$A_1v_1=A_2v_2$，即$\frac{\pi}{4}d_1^2v_1=\frac{\pi}{4}d_2^2v_2$，可得$v_1=(\frac{d_2}{d_1})^2v_2=(\frac{0.05}{0.1})^2v_2=0.25v_2$。局部水頭損失：$h_{j1}=\zeta_{e}\frac{v_1^2}{2g}=0.5\times\frac{(0.25v_2)^2}{2g}$，$h_{j2}=\zeta_{s}\frac{v_2^2}{2g}=0.3\times\frac{v_2^2}{2g}$，$h_{j3}=\zeta_{o}\frac{v_2^2}{2g}=1.0\times\frac{v_2^2}{2g}$。$h_{f1}=\lambda_1\frac{l_1}{d_1}\frac{(0.25v_2)^2}{2g}=0.02\times\frac{25}{0.1}\times\frac{(0.25v_2)^2}{2g}=0.3125\frac{v_2^2}{2g}$。$h_{f2}=\lambda_2\frac{l_2}{d_2}\frac{v_2^2}{2g}=0.03\time