環(huán)境工程水力學考試題目及答案考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列關于理想流體的說法中，正確的是（）。A.實際流體一定是可壓縮的B.理想流體沒有粘性，且通常是不可壓縮的C.理想流體是真實流體經(jīng)過簡化得出的模型D.理想流體的伯努利方程比實際流體的適用范圍更廣2.液體密度為ρ，重力加速度為g，壓強為p，體積為V，則液體的質量為（）。A.pVB.ρgVC.p/ρgD.V/ρg3.在流體靜力學中，帕斯卡定律指出（）。A.流體內(nèi)部的壓強隨深度線性增加B.靜止液體中，任一點處的壓強大小只與該點的深度有關C.施加在密閉流體任一部分上的壓力，必按同樣大小由流體傳至其任一部分D.液體的粘性導致其內(nèi)部壓強不均勻4.伯努利方程中，z+p/ρg+v2/2g代表（）。A.流體的動能B.流體的勢能C.流體的總機械能（或總水頭）D.流體的壓力能5.以下關于伯努利方程適用條件的描述，錯誤的是（）。A.流體應為理想流體B.流體應做定常流動C.流動應沿流線進行D.流體應做非定常流動6.流體在圓管內(nèi)做層流流動時，其速度分布呈現(xiàn)（）。A.線性分布B.拋物線分布C.對數(shù)分布D.雙曲線分布7.層流流動的雷諾數(shù)Re與下列哪個因素無關？（）A.流體密度ρB.流體粘度μC.管道直徑dD.流體溫度T8.當流體流過管道彎頭時，會產(chǎn)生額外的水頭損失，這屬于（）。A.沿程水頭損失B.局部水頭損失C.形狀水頭損失D.摩擦水頭損失9.明渠均勻流發(fā)生的必要條件之一是（）。A.渠道坡度大于臨界坡度B.渠道坡度等于臨界坡度C.渠道坡度小于臨界坡度D.渠道斷面形狀為矩形10.滲流運動的基本方程是（）。A.伯努利方程B.牛頓內(nèi)摩擦定律C.達西定律D.費馬定理二、填空題（每小題2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.1標準大氣壓約等于__________米水柱（ρ水=1000kg/m3，g=9.8m/s2）。2.流體靜壓強的特性是__________和__________。3.黏性流體的總水頭線沿程__________（填“上升”、“下降”或“保持水平”）。4.漸變流過水斷面上，各點的測壓管水頭線__________（填“重合”或“不重合”）。5.雷諾數(shù)是用于判別流體流動狀態(tài)的__________數(shù)。6.圓管層流中，沿程水頭損失h_f與平均流速v的__________次方成正比。7.管路系統(tǒng)中的水頭損失分為__________水頭損失和__________水頭損失兩部分。8.明渠水流中，水流深度保持不變的水力現(xiàn)象稱為__________流。9.滲流中，水力坡度J與滲流速度v的關系為__________（達西定律表達式）。10.表示流體慣性力與黏性力之比的無量綱數(shù)是__________。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.流體密度2.測壓管水頭3.沿程水頭損失4.紊流5.明渠均勻流四、計算題（共45分）1.（8分）如圖所示（此處無圖，請自行設圖描述），水箱通過一鉛直管道與大氣相通，箱內(nèi)水面距管道出口高差為H=2m。若管道出口直徑d=0.05m，忽略管道沿程及局部水頭損失。求：（1）管道出口流速v；（2）水箱水面相對壓強p_A（以水柱高度表示）。2.（10分）水以平均流速v=1.5m/s流經(jīng)直徑d=0.1m的水平圓管。已知水的運動黏度ν=1.0×10??m2/s，密度ρ=1000kg/m3。試判別水流屬于層流還是紊流？并計算管壁處的切應力τ?。3.（12分）某水平管路，直徑由d?=0.1m突然擴大到d?=0.2m。已知管中流量Q=0.04m3/s，忽略入口損失。求：（1）大管和小管中的流速v?和v?；（2）由于管徑突然擴大引起的局部水頭損失h_ξ。4.（15分）一梯形斷面明渠，底寬b=5m，邊坡系數(shù)m=1.5，正常水深h=1.2m。已知渠道糙率n=0.025，渠道底坡i=0.0004。求：（1）該明渠的過水斷面面積A、濕周χ和水力半徑R；（2）明渠的流速v和流量Q。5.（10分）水在半徑R=0.1m的圓管中做層流流動，測得管中心處流速v_max=0.04m/s。已知水的運動黏度ν=1.0×10??m2/s。求：（1）管內(nèi)流速分布方程u(r)；（2）管內(nèi)流體的動能修正系數(shù)α。五、簡答題（共15分）1.（8分）簡述伯努利方程各項的物理意義及其在實際工程中（如測量流速、確定壓力）的應用。2.（7分）與明渠均勻流相比，明渠非均勻流有哪些主要特征？產(chǎn)生明渠非均勻流的主要原因是什么？試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.D6.B7.D8.B9.C10.C二、填空題1.10.22.各向同性；傳遞性3.下降4.重合5.雷諾6.二7.沿程；局部8.均勻9.v=KI10.雷諾數(shù)三、名詞解釋1.流體密度：單位體積流體的質量，ρ=m/V。2.測壓管水頭：某點的測壓管高度，即該點的壓強水頭，z+p/ρg。3.沿程水頭損失：流體沿流程由于內(nèi)部摩擦（粘性）產(chǎn)生的能量損失，用h_f表示。4.紊流：流體質點運動軌跡紊亂，出現(xiàn)脈動現(xiàn)象的流動狀態(tài)。5.明渠均勻流：在長直、斷面形狀及尺寸沿程不變、底坡不變的人工渠道或天然河道中，水流深度和流速沿程不變的水力現(xiàn)象。四、計算題1.解：（1）根據(jù)伯努利方程（水箱表面與管道出口），忽略損失：z_A+p_A/ρg+v_A2/2g=z_B+p_B/ρg+v_B2/2g其中z_A=H,z_B=0,p_A=0(相對壓強),v_A≈0,p_B=p_A=0(出口通大氣),v_B=v。H=v2/2gv=√(2gH)=√(2×9.8×2)=√39.2≈6.26m/s（2）計算水箱水面絕對壓強p_A。取水箱水面為基準面，對管道出口應用伯努利方程：0+p_A/ρg+0=0+0+v2/2gp_A/ρg=v2/2g=Hp_A=ρgH=1000×9.8×2=19600Pa=19.6kPa以水柱高度表示：p_A=H≈2.0m水柱2.解：（1）計算雷諾數(shù)Re：Re=vd/ν=(4Q/πd2)×d/ν=4Q/(πdν)Re=4×0.04/(π×0.1×1.0×10??)=16/(π×10??)≈5.1×10?對于圓管流，臨界雷諾數(shù)Re_cri≈2300。因為Re(5.1×10?)>>Re_cri(2300)，所以水流屬于紊流。（2）計算管壁處切應力τ?。對于圓管層流，τ?=ρνv/(R)=ρν(v/d)/2。τ?=1000×1.0×10??×1.5/(0.1/2)=1000×1.0×10??×1.5×20=0.03N/m23.解：（1）計算流速：v?=Q/A?=Q/(πd?2/4)=0.04/(π×0.12/4)=0.04/(π×0.01/4)=0.04/(0.0025π)≈5.3m/sv?=Q/A?=Q/(πd?2/4)=0.04/(π×0.22/4)=0.04/(π×0.04/4)=0.04/(0.01π)≈1.3m/s（2）計算局部水頭損失h_ξ。采用巴甫洛夫斯基公式計算沿程水頭損失系數(shù)λ：λ=0.0316/[1+0.185(d/D?)^(1.85)]（適用于d/D?≈1的突然擴大）λ=0.0316/[1+0.185(0.1/0.1)^(1.85)]=0.0316/[1+0.185]=0.0316/1.185≈0.0267（注：此處簡化處理，或查表得λ?≈0.06）也可用經(jīng)驗公式：h_ξ=(1-D?2/D?2)2/(D?2/D?2)λ?≈(1-12/0.22)2/(0.22/12)λ?≈(1-1/0.04)2/0.04λ?≈(-24)2/0.04λ?=576/0.04λ?采用λ?≈0.02（假設小管內(nèi)流動接近層流），h_ξ≈576/(0.04×0.02)=576/0.0008=72000m（此結果不合理，說明經(jīng)驗公式適用范圍有限，應直接用能量方程）采用能量方程求解更準確：z?+p?/ρg+v?2/2g=z?+p?/ρg+v?2/2g+h_ξ因管路水平，z?=z?;假設出口壓力p?接近大氣壓，p?/ρg≈0(或為已知值);v?,v?已求。h_ξ=(v?2-v?2)/2g=(1.32-5.32)/2×9.8=(1.69-28.09)/19.6=-26.4/19.6≈-1.35m負值表示能量損失計算中假設有誤。通常認為h_ξ=(v?2-v?2)/2g=(5.32-1.32)/19.6=(28.09-1.69)/19.6=26.4/19.6≈1.35m采用β=A?/A?=(d?/d?)2=(0.2/0.1)2=4h_ξ=(1-β)2(v?2-v?2)/2g=(1-4)2(5.32-1.32)/2×9.8=9×26.4/19.6=237.6/19.6≈12.1m（此結果也偏大，常用簡化公式h_ξ=(1-β)2(v?2)/2g=9×5.32/19.6=9×28.09/19.6≈12.9m）常用近似公式：h_ξ=(v?-v?)2/2g=(5.3-1.3)2/19.6=42/19.6=16/19.6≈0.82m取h_ξ≈1.0m（結合經(jīng)驗）。4.解：（1）計算水力要素：過水斷面面積A=(b+mh)h=(5+1.5×1.2)×1.2=(5+1.8)×1.2=6.8×1.2=8.16m2濕周χ=b+2h√(1+m2)=5+2×1.2√(1+1.52)=5+2.4√(1+2.25)=5+2.4√3.25≈5+2.4×1.8=5+4.32=9.32m水力半徑R=A/χ=8.16/9.32≈0.878m（2）計算流速和流量：對于梯形斷面明渠均勻流，流速v=(Q/n)/(A/R)=(Q/n)/(Aχ/R2)但更常用公式：v=(1/n)R^(2/3)i^(1/2)（曼寧公式，假設近似適用）v=(1/0.025)×(0.878)^(2/3)×(0.0004)^(1/2)v=40×(0.878)^(0.6667)×(0.02)=40×0.945×0.02=40×0.0189=0.756m/s流量Q=A×v=8.16×0.756≈6.19m3/s5.解：（1）層流速度分布u(r)=(v_max/2)×(R2-r2)/R2u(r)=(0.04/2)×(0.12-r2)/0.12=0.02×(0.01-r2)/0.01=0.02×(1-r2/0.01)=0.02×(1-100r2)u(r)=0.02-2r2m/s（2）動能修正系數(shù)α：α=(1/A)∫[??](u/υ)2dA=(1/A)∫[??](u/υ)2(2πrdr)/(πR2)α=(2/R2)∫[??](u/υ)2rdr=(2/R2)∫[??](0.02-2r2/ν)2rdrα=(2/R2)∫[??](0.0004-0.08r2/ν+8r?/ν2)rdrα=(2/R2)∫[??](0.0004r-0.08r3/ν+8r?/ν2)drα=(2/R2)[0.0004r2/2-0.08r?/4ν+8r?/6ν2]_[??]α=(2/R2)[0.0002R2-0.02R?/ν+(4/3)R?/ν2]α=(2/R2)R2[0.0002-0.02R2/ν+(4/3)R?/ν2]α=2[0.0002-0.02R2/ν+(4/3)R?/ν2]α=2[0.0002-0.02(0.1)2/1.0×10??+(4/3)(0.1)?/(1.0×10??)2]α=2[0.0002-0.02×0.01/1.0×10??+(4/3)×0.00012/(1.0×10?12)]α=2[0.0002-0.0002/1.0×10??+(4/3)×1.0×10??/1.0×10?12]α=2[0.0002-2×10?+(4/3)×10?]α=2[0.0002-200000+1