2025年大學(xué)流體力學(xué)知識考試試題及答案一、選擇題（每題3分，共15分）1.關(guān)于流體粘性的描述，正確的是（）A.粘性是流體抵抗剪切變形的能力，僅與溫度有關(guān)B.液體的粘性隨溫度升高而減小，氣體的粘性隨溫度升高而增大C.理想流體的粘性系數(shù)為零，因此流動中無能量損失D.牛頓內(nèi)摩擦定律適用于所有粘性流體答案：B解析：液體粘性主要由分子間內(nèi)聚力決定，溫度升高內(nèi)聚力減弱，粘性減??；氣體粘性主要由分子熱運(yùn)動動量交換決定，溫度升高動量交換加劇，粘性增大。理想流體忽略粘性，但可能存在其他能量損失（如可壓縮流動的激波損失）；牛頓內(nèi)摩擦定律僅適用于牛頓流體。2.靜止流體中某點(diǎn)的靜壓強(qiáng)（）A.方向與作用面垂直并指向作用面B.大小與作用面的方位有關(guān)C.隨該點(diǎn)在流體中的深度線性增加，與流體密度無關(guān)D.在連通的同種流體中，同一水平面上各點(diǎn)壓強(qiáng)一定相等答案：A解析：靜壓強(qiáng)的方向必然垂直并指向作用面（特性一）；大小僅與點(diǎn)的位置有關(guān)（特性二），與作用面方位無關(guān)；靜壓強(qiáng)公式為p=p?+ρgh，與密度ρ和深度h相關(guān)；連通同種流體中，同一水平面壓強(qiáng)相等的前提是無相對運(yùn)動（如靜止或等加速直線運(yùn)動），若存在旋轉(zhuǎn)則不成立。3.伯努利方程z+p/(ρg)+v2/(2g)=常數(shù)的適用條件不包括（）A.不可壓縮流體B.定常流動C.沿流線積分D.無粘性流體答案：D解析：伯努利方程的推導(dǎo)假設(shè)包括：理想流體（無粘性）、定常流動、不可壓縮、沿同一流線。但實(shí)際工程中，若粘性損失可忽略（如短管、高速流動），也可近似使用修正后的方程（如引入水頭損失項(xiàng)）。4.雷諾數(shù)Re的物理意義是（）A.慣性力與粘性力的比值B.粘性力與慣性力的比值C.壓力與粘性力的比值D.慣性力與重力的比值答案：A解析：雷諾數(shù)定義為Re=vd/ν，其中vd表征慣性力量級（ρv2d2），ν表征粘性力量級（μvd），因此Re反映慣性力與粘性力的相對大小。5.馬赫數(shù)Ma>1的流動屬于（）A.不可壓縮流動B.亞聲速流動C.超聲速流動D.跨聲速流動答案：C解析：Ma<1為亞聲速，Ma=1為聲速，1<Ma<5為超聲速，Ma≥5為高超聲速。不可壓縮流動通常指Ma<0.3的情況。二、填空題（每空2分，共10分）1.流體靜壓強(qiáng)的基本方程為__________，其物理意義是靜止流體中各點(diǎn)的__________守恒。答案：p=p?+ρgh；單位重量流體的總勢能（或測壓管水頭）2.不可壓縮流體定常流動的連續(xù)性方程在直角坐標(biāo)系中的微分形式為__________，其物理意義是__________。答案：?u/?x+?v/?y+?w/?z=0；單位時間內(nèi)流入與流出微元體的流體質(zhì)量相等（質(zhì)量守恒）3.雷諾數(shù)的計(jì)算公式為Re=__________，當(dāng)圓管流動Re<2300時為__________流態(tài)。答案：vd/ν（或ρvd/μ）；層流4.普朗特提出的邊界層理論假設(shè)，粘性影響僅局限于__________，邊界層外的流動可視為__________。答案：緊貼壁面的薄層內(nèi)；無粘性的勢流5.可壓縮流動中，臨界馬赫數(shù)是指__________時的來流馬赫數(shù)。答案：物體表面某點(diǎn)流速達(dá)到聲速三、簡答題（每題10分，共40分）1.簡述流體靜壓強(qiáng)的兩個基本特性。答案：（1）靜壓強(qiáng)的方向總是垂直并指向作用面。流體不能承受拉力，且靜止時無切應(yīng)力，因此壓強(qiáng)方向必與作用面垂直并指向內(nèi)部。（2）靜壓強(qiáng)的大小僅與該點(diǎn)的位置有關(guān)，與作用面的方位無關(guān)。在靜止流體中取微元四面體，通過力平衡分析可得任意方向的壓強(qiáng)相等，即p_x=p_y=p_z=p。2.說明伯努利方程的物理意義及其應(yīng)用時需滿足的條件。答案：物理意義：在理想、不可壓縮、定常流動中，沿同一流線單位重量流體的機(jī)械能（位置勢能、壓強(qiáng)勢能、動能）之和守恒。應(yīng)用條件：（1）理想流體（忽略粘性損失）；（2）不可壓縮流體（ρ=常數(shù)）；（3）定常流動（各參數(shù)不隨時間變化）；（4）沿同一流線（或同一緩變流截面，此時可用總水頭線表示）。3.雷諾實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)論是什么？如何利用雷諾數(shù)判斷圓管流動的流態(tài)？答案：雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（1）流體存在兩種流態(tài)——層流和湍流。層流時流體質(zhì)點(diǎn)分層流動，無橫向摻混；湍流時質(zhì)點(diǎn)劇烈摻混，存在脈動。（2）流態(tài)轉(zhuǎn)變與流速v、管徑d、流體粘性ν有關(guān)，可用雷諾數(shù)Re=vd/ν判斷。對于圓管流動，臨界雷諾數(shù)Rec≈2300：當(dāng)Re<2300時為層流，Re>2300時為湍流（工程中常取Rec=2000作為判斷依據(jù)）。4.簡述邊界層分離的原因及影響分離的主要因素。答案：分離原因：當(dāng)流體流經(jīng)曲面（如機(jī)翼、擴(kuò)壓管）時，邊界層內(nèi)流體因粘性作用動能減小，若逆壓梯度（dp/dx>0）過大，近壁流體動能無法克服壓力差，導(dǎo)致速度梯度反向，質(zhì)點(diǎn)堆積并脫離壁面，形成分離區(qū)。影響因素：（1）物面形狀（曲率越大，逆壓梯度越強(qiáng)，越易分離）；（2）雷諾數(shù)（Re越小，邊界層越厚，抗分離能力越弱）；（3）壁面粗糙度（粗糙壁面可提前轉(zhuǎn)捩為湍流，增加近壁動能，延緩分離）。四、計(jì)算題（共45分）1.（15分）如圖所示（注：此處假設(shè)為弧形閘門，圓心O在水面上，半徑R=3m，閘門寬度b=5m，圓心角θ=60°，水深h=R(1-cosθ)），求作用在弧形閘門上的靜水總壓力的大小及方向。（ρ=1000kg/m3，g=9.8m/s2）解：（1）水平分力：等于該曲面在垂直方向的投影面上的靜水壓力。投影面為矩形，高度h=R(1-cos60°)=3×(1-0.5)=1.5m，寬度b=5m。水平分力F_x=ρgh_cA，其中h_c為投影面形心水深，h_c=h/2=0.75m，A=bh=5×1.5=7.5m2。F_x=1000×9.8×0.75×7.5=55125N=55.125kN。（2）垂直分力：等于曲面上方壓力體的液體重量。壓力體為扇形OAB與三角形OAC圍成的體積（注：實(shí)際為曲面AB與自由液面、鉛垂面AC圍成的體積）。扇形面積S_扇=(θ/2π)πR2=(60°/360°)×π×32=4.712m2，三角形OAC面積S_△=0.5×R×Rsinθ=0.5×3×3×sin60°=3.897m2，壓力體面積S=S_扇-S_△=4.712-3.897=0.815m2（注：若曲面為凸面，壓力體為實(shí)壓力體，垂直分力向下；此處需根據(jù)圖形判斷，假設(shè)為凸面迎水，則垂直分力向上）。垂直分力F_z=ρgSb=1000×9.8×0.815×5=39935N≈39.94kN。（3）總壓力F=√(F_x2+F_z2)=√(55.1252+39.942)≈68.0kN。方向與水平方向夾角α=arctan(F_z/F_x)=arctan(39.94/55.125)≈36°（指向曲面內(nèi)）。2.（15分）水平放置的漸縮管道，進(jìn)口直徑d1=100mm，出口直徑d2=50mm，進(jìn)口斷面壓強(qiáng)p1=150kPa，出口斷面壓強(qiáng)p2=50kPa，流體為水（ρ=1000kg/m3），忽略水頭損失，求管道內(nèi)的流量Q。解：由連續(xù)性方程，v1A1=v2A2，A1/A2=(d1/d2)2=(100/50)2=4，故v2=4v1。由伯努利方程（水平管道z1=z2）：p1/(ρg)+v12/(2g)=p2/(ρg)+v22/(2g)代入v2=4v1，整理得：(p1-p2)/(ρg)=(16v12-v12)/(2g)=15v12/(2g)解得v1=√[2g(p1-p2)/(15ρ)]代入數(shù)據(jù)：p1-p2=100kPa=10^5Pa，g=9.8m/s2，ρ=1000kg/m3，v1=√[2×9.8×10^5/(15×1000)]=√(196000/15000)=√13.067≈3.615m/s流量Q=v1A1=3.615×(π×0.12/4)=3.615×0.00785≈0.0284m3/s=28.4L/s。3.（15分）某輸油管道直徑d=80mm，長度L=500m，輸送密度ρ=850kg/m3、動力粘度μ=0.12Pa·s的原油，流量Q=2.5L/s，判斷流態(tài)并計(jì)算沿程水頭損失hf。解：（1）判斷流態(tài)：平均流速v=Q/A=0.0025/[π×(0.08/2)2]=0.0025/(0.005027)≈0.497m/s雷諾數(shù)Re=ρvd/μ=850×0.497×0.08/0.12≈(850×0.0398)/0.12≈33.83/0.12≈281.9<2300，為層流。（2）層流沿程水頭損失：層流時沿程阻力系數(shù)λ=64/