工程流體力學(xué)課后思考題-杜廣生-

1-1:流體有哪些特性？論述液體與氣體特征的異同。1）流動性、壓縮、膨脹性、粘性抵抗微小剪力抵抗微小剪力否否無無抵抗力壓壓物態(tài)液體氣體1）將流體作為由無窮多稠密、沒有間隙的流體質(zhì)點構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)，于是可將流體視為在時間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。2）①可以不考慮流體復(fù)雜的微觀粒子運動，只考慮在外力作用下的微觀運動；②可以用連續(xù)函數(shù)的解析方法等數(shù)學(xué)工具去研究流體的平衡和運動規(guī)律。1）密度：單位體內(nèi)流體所具有的質(zhì)量，表征流體的質(zhì)量在空間的密集程度。相對密度：在標(biāo)準大氣壓下流體的密度與4℃時純水的密度的比值。1）壓縮性：在一定的溫度下，單位壓強增量引起的體積變化率定義為流體的壓縮性系數(shù)，其值越大，流體越容易壓縮，反之，不容易壓縮。2）膨脹性：當(dāng)壓強一定時，流體溫度變化體積改變的性質(zhì)稱為流體的膨脹性氣體和液體都是可壓縮的，通常將氣體時為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體。水下爆炸：水也要時為可壓縮流體；當(dāng)氣體流速比較低時也可以視為不可壓縮流體。1）流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)程為流體的黏性2）黏性是流體的本身屬性，永遠存在。表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力1）特性一：流體靜壓強的作用方向沿作用面的內(nèi)法線方向特性二：靜壓強與作用面在空間的方位無關(guān)，只是坐標(biāo)點的連續(xù)可微函數(shù)在靜止流體內(nèi)的任一點上，作用在單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力與靜壓強的合力相平衡2-3：什么是等壓面？等壓面的方程是什么？有什么重要性質(zhì)？1）在流體中壓強相等的點組成的面。3）性質(zhì)：在靜止流體中，作用于任意點的質(zhì)量力垂直于經(jīng)過該點的等壓面。2-4：寫出流體靜力學(xué)基本方程的幾種表達式。說明流體靜力學(xué)基本方程的適用范圍以及物--2適用于不可壓縮重力流體的平衡狀態(tài)；量流體的總勢能為常數(shù)。2-5：什么是絕對壓強、計時壓強和真空？它們之間有什么關(guān)系？1）絕對壓強：以完全真空為基準計量的壓強。p=pa+pg?2）計示壓強：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭姙榛鶞视嬃康膲簭?。pe=p?pa=pg?3）真空：當(dāng)被測流體的絕對壓強低于大氣壓強時，測得的計示壓強為負值，此時，流pv=?pe=pa?p2-6：不同形狀的儲液容器，若深度相同，容器底面積相同，試問液體作用在底面的總壓力2-7什么是壓力中心？什么是壓力體？它有何用途？什么是實壓力體和虛壓力體？1）總壓力的作用線和平面的交點稱壓力中心。2）曲面和自由液面或者自由液面的延長面包容的體積。虛壓力體：壓力體中沒有液體2-8：有一傾斜平板浸沒在靜止液體中，當(dāng)此平板繞其形心轉(zhuǎn)動時，其作用于此傾斜平板上3-1：拉格朗日法和歐拉法在分析流體運動上有什么區(qū)別？為什么常用歐拉法？3-2：在歐拉法中加速度的表達式是怎樣的？什么是當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度？3-3：流線和跡線有何區(qū)別？在什么條件下流場中的流線和跡線相重合？1）跡線是同一流體質(zhì)點在不同時刻的位移曲線，與Lagrange觀點對應(yīng)；流線是同一時刻、不同流體質(zhì)點速度向量的包絡(luò)線，與Euler觀點對應(yīng)。3-4：什么是定常流動？什么是非定常流動？舉例說明不同之處。3）當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速不變時，進水管和出水管中的流動就是定常的。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速變化時，進水管和出水管中的流動就是非定常的。1）把水力半徑相等的圓管直徑定義為非圓管的當(dāng)量直徑。3-6：什么是系統(tǒng)？什么是控制體？說明輸運公式的意義。3）任一瞬時系統(tǒng)內(nèi)物理量N（如質(zhì)量、動量和能量等）隨時間的變化率等于該瞬時其控制體內(nèi)物理量的變化率與通過控制體表面的凈通量之和。單位時間內(nèi)控制體內(nèi)流體質(zhì)量的增量，等于通過控制體表面的質(zhì)量的凈通量。①動量方程是一個矢量方程，每一個量均具有方向性，必須根據(jù)建立的坐標(biāo)系判斷各個量在坐標(biāo)系中的正負號。②根據(jù)問題的要求正確地選擇控制體，選擇的控制體必須包含對所求作用力有影響③方程左端的作用力項包括作用于控制體內(nèi)流體上的所有外力，但不包括慣性力。④方程只涉及到兩個流入、流出截面上的流動參數(shù)，而不必顧及控制體內(nèi)是否有間3-9：論述理想流體微元流束伯努利方程中各項的物理意義和幾何意義，并說明方程適用范1）2＋z+p=H式中左邊各項的物理意義分別為單位重量流體的動能、位置勢能和壓強勢能，幾何意義分別為單位重量流體的速度水頭、位置水頭、壓強水頭。3）理想不可壓縮的重力流體作一維定常流動時的一條流線或者一個微元流管上。1）幾何相似：模型和原型的全部對應(yīng)線形長度的比值為一定常數(shù)。2）運動相似：滿足幾何相似的流場中，對應(yīng)時刻、對應(yīng)點流速（加速度）的方向一致，大小的比例相等，即它們的速度場（加速度場）相似。3）動力相似：兩個運動相似的流場中，對應(yīng)空間點上、對應(yīng)瞬時作用在兩相似幾何微團上的力，作用方向一致、大小互成比例，即它們的動力場相似。4-2：常用的相似準則數(shù)有哪些？分別闡述每個準則數(shù)的物理意義。1）牛頓數(shù)Ne：作用力與慣性力的比值2）弗勞德數(shù)Fr：慣性力與重力的比值3）雷諾數(shù)Re：慣性力與粘性力的比值4）歐拉數(shù)Eu：總壓力與慣性力的比值5）柯西數(shù)Ca：慣性力與彈性力的比值6）馬赫數(shù)Ma：慣性力與彈性力的比值7）韋伯?dāng)?shù)We：慣性力與表面張力的比值8）斯特勞哈爾數(shù)Sr：當(dāng)?shù)貞T性力與遷移慣性力的比值4-3：應(yīng)用動力相似進行模擬實驗時，如何決定模型尺寸？如何安排實驗條件？1）根據(jù)定性準則的需要決定。__???2）①任何相似的流動都是屬于同一類的流動，相似流場對應(yīng)點上的各種物理量，都應(yīng)②相似流場對應(yīng)點上的各種物理量都有唯一確定的解，即流動滿足單值條件；③由單值條件中的物理量所確定的相似準則數(shù)相等是流動相似也必須滿足的條件。1）物理方程中要求每一項量綱都相同。2）通過量綱分析，能將影響物理現(xiàn)象的各種變量合理組合，使問題大大簡化。5-1：黏性流體總流的伯努利方程和理想流體微元流束的伯努利方程有何不同？應(yīng)用條件是②流體為黏性不可壓縮的重力流體；③方程的兩過流斷面必須是緩變流截面，而不必顧及兩截面間是否有急變流。5-2：什么是層流？什么是紊流？圓管中，怎樣判別流層或紊流狀態(tài)?1）流體在管內(nèi)流動時，其質(zhì)點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動，這種流動狀態(tài)2）當(dāng)流速超過臨界流速時，流線不再清楚可辨，稱為紊流。3）實際工程中，當(dāng)Re≤2000時，流動為層流；當(dāng)Re＞2000時，即認為流動是紊流。5-3試從流動特征、流速分布、切應(yīng)力分布以及水頭損失等方面來比較圓管中的層流和紊流①圓管中的層流：平穩(wěn)有規(guī)律的流動狀態(tài)；流速分布規(guī)律為旋轉(zhuǎn)拋物面；同一截面上的切向應(yīng)力的大小與半徑成正比；沿程損失與平均流速的一次方成正比。②圓管中的紊流：極不規(guī)則的流動狀態(tài)；層流底層內(nèi)的速度分布呈線性分布，湍流核心區(qū)速度分布呈對數(shù)分布規(guī)律；表征流體運動狀態(tài)的各種物理量也表現(xiàn)出不同程度的躍變和隨機性。5-4：輸水管道的流量一定時，隨著管徑增加，雷諾系數(shù)是增加還是減??？雷諾數(shù)是衡量慣性力與粘性力相對強弱的一個無量綱數(shù)。雷諾數(shù)較小時，黏滯力對流體的影響大于慣性力，流體表現(xiàn)為層流。若雷諾數(shù)較大時，慣性力對流場的影響大于黏滯力，流體表現(xiàn)為紊流。5-6：何為普朗特混合長理論？根據(jù)這一理論紊流中的切應(yīng)力如何計算?1)在紊流中在每一點引入一個垂直方向上的長度ι,用和時均速度差值表示該點在流動2)紊流附加切應(yīng)力與混合長度和時均速度梯度乘積的平方成正比。①水力光滑管：黏性底層完全淹沒了管壁的粗糙凸出部分，對流體沒有阻力。與雷諾數(shù)②水力粗糙管：管壁的粗糙度對紊流有影響。與雷諾數(shù)和粗糙度有關(guān)。5-8：按照尼古拉茲實驗曲線習(xí)慣將流體分為幾個區(qū)域?各區(qū)域有什么特點？如何判別？沿程Re過度區(qū)：情況復(fù)雜，無一定規(guī)律。紊流光滑管區(qū)：該區(qū)沿程損失系數(shù)與相對粗糙度無關(guān)，只與雷諾數(shù)有關(guān)；Re0.25=—Re0.25-2-2λ1/22ε5-9：如何使用莫迪圖求圓管內(nèi)程阻力系數(shù)流動的沿程阻力系數(shù)？如果是非圓管道，則除以當(dāng)量直徑D，這個值對應(yīng)著莫迪圖的右邊縱坐標(biāo)和對應(yīng)的λ異：串聯(lián)管路中各管段的流量相同，分支管路則不一定相同。5-11：管道系統(tǒng)是怎樣分類的？管道水力計算的任務(wù)是什1）串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分支管道、管網(wǎng)2）①根據(jù)給定的流量和允許的壓強損失確定管道直徑和管道布置。②根據(jù)給定的管徑和流量，計算壓強損失及管道中各點的壓力。③根據(jù)給定的管徑、管道布置和允許的壓強損失，校核流量。5-12：為什么說要盡量避免發(fā)生直接水擊？怎樣減小水擊壓強？1）直接水擊產(chǎn)生最大的水擊壓強，危害最大?？栈阂后w內(nèi)局部壓強降低到液體的飽和蒸氣壓時，液體內(nèi)部或液固交界面上出現(xiàn)的蒸氣或氣體空泡的形成、發(fā)展和潰滅的過程?？瘴g：液體中運動物體受空化沖擊后，表面出現(xiàn)的變形和材料剝蝕現(xiàn)象。1）聲速是微弱擾動波在彈性介質(zhì)中的傳播速度。2）與流動介質(zhì)的壓縮性大小有關(guān)。由c=√，得K=c2p.氣體中聲速越小，越容易壓縮，反之就越不易壓縮。1）流體流動速度和當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎怠?）物理上，馬赫數(shù)表征了慣性力與彈性力之比。