14554 字
73 分钟
FluidMechanics-Final:流体力学期末复习刷题

概述#

本笔记覆盖教材第 1—7 章,并按知识链条划分为 9 个模块、81 道题

  • A1 流体性质、量纲与黏性:8 题
  • A2 静水压强、相对平衡与测压:8 题
  • A3 平面/曲面静水总压力、浮力与稳定:8 题
  • A4 流体运动描述、加速度与连续性:8 题
  • A5 势流、流函数与流网:8 题
  • A6 总流连续方程、伯努利方程与水头线:8 题
  • A7 动量方程与水流作用力:8 题
  • A8 流动阻力与能量损失:13 题
  • A9 量纲分析与相似理论:12 题

其中 A8、A9 对应你目前相对陌生的后两章,安排了更完整的“速成路线”和更多计算题。

题目来源标记:

  • 【24–25 真题】【23–24 真题】【22–23 真题】【21–22 真题】:直接整理或忠实改写历年卷;
  • 【教材例题/习题改编】:来自《应用流体力学》第 1—7 章例题、思考题或习题;
  • 【课件例题改编】:来自课程英文课件;
  • 【综合变式】:围绕教材公式进行少量数字变式。
TIP

今晚推荐顺序

  1. 先读每个模块的“公式关系图”和“做题识别”;
  2. A1—A7 每题限时 5—8 分钟;
  3. A8、A9 每题限时 8—12 分钟,并强制写出“判流态/选准则”这一步;
  4. 最后只看文末“考前 20 分钟速记”。
WARNING

历年卷中的图形题有部分来自回忆版。笔记保留其核心物理模型,并对个别模糊尺寸作了等价、可计算的整理;来源标成“真题改编”时,不应把数字视为原卷逐字复刻。


目录#


A1 流体性质、量纲与黏性#

A1.1 重要公式、符号与关系#

内容公式符号与关系
密度与重度ρ=m/V\rho=m/Vγ=ρg\gamma=\rho gρ\rho:density;γ\gamma:specific weight
压缩系数βp=1VdVdp\beta_p=-\dfrac{1}{V}\dfrac{\mathrm dV}{\mathrm dp}压强升高时体积减小,故带负号
体积模量K=1βp=VdpdVK=\dfrac1{\beta_p}=-V\dfrac{\mathrm dp}{\mathrm dV}KK 越大,越难压缩
牛顿内摩擦定律τ=μdudy\tau=\mu\dfrac{\mathrm du}{\mathrm dy}τ\tau:shear stress;μ\mu:dynamic viscosity
运动黏度ν=μ/ρ\nu=\mu/\rho[μ]=ML1T1[\mu]=ML^{-1}T^{-1}[ν]=L2T1[\nu]=L^2T^{-1}
平板线性剪切F=τA=μAUδF=\tau A=\mu A\dfrac{U}{\delta}适用于油膜内速度近似线性
毛细上升h=4σcosθρgdh=\dfrac{4\sigma\cos\theta}{\rho gd}σ\sigma:surface tension;dd:管径
汽化条件pabspvp_{\rm abs}\le p_vpvp_v:vapor pressure;可能发生 cavitation

关系图:

velocity gradient dudy×μτ×AF,μ=ρν.\text{velocity gradient}\ \frac{\mathrm du}{\mathrm dy} \xrightarrow{\times\mu}\tau \xrightarrow{\times A}F, \qquad \mu=\rho\nu.

**做题识别:**看到“薄油膜、匀速、平板、线性速度分布”就优先写 τ=μU/δ\tau=\mu U/\delta;看到“体积随压强变化”就写 K=VΔp/ΔVK=-V\Delta p/\Delta V

A1-1 体积模量#

【21–22 真题】

中文题目: 某液体的绝对压强由 1.0×106 Pa1.0\times10^6\ \mathrm{Pa} 增加到 2.0×106 Pa2.0\times10^6\ \mathrm{Pa} 时,体积由 1000 cm31000\ \mathrm{cm^3} 减少到 995 cm3995\ \mathrm{cm^3}。求体积模量 KK

English version: The absolute pressure of a liquid increases from 1.0×106 Pa1.0\times10^6\ \mathrm{Pa} to 2.0×106 Pa2.0\times10^6\ \mathrm{Pa}, while its volume decreases from 1000 cm31000\ \mathrm{cm^3} to 995 cm3995\ \mathrm{cm^3}. Determine the bulk modulus KK.

答案与讲解

采用小变形近似:

K=VΔpΔV=1000(2.01.0)×1069951000=2.0×108 Pa.K=-V\frac{\Delta p}{\Delta V} =-1000\frac{(2.0-1.0)\times10^6}{995-1000} =2.0\times10^8\ \mathrm{Pa}.K=2.0×108 Pa\boxed{K=2.0\times10^8\ \mathrm{Pa}}

负号用于抵消 ΔV<0\Delta V<0,使 KK 为正。

A1-2 动力黏度与运动黏度的量纲#

【23–24 真题改编】

中文题目: 写出动力黏度 μ\mu 和运动黏度 ν\nu 的 SI 单位与量纲,并说明二者关系。

English version: State the SI units and dimensions of dynamic viscosity μ\mu and kinematic viscosity ν\nu, and give the relation between them.

答案与讲解

τ=μdu/dy\tau=\mu\,\mathrm du/\mathrm dy

[μ]=ML1T2T1=ML1T1,[\mu]=\frac{ML^{-1}T^{-2}}{T^{-1}}=ML^{-1}T^{-1},

μ: Pas=Ns/m2=kg/(ms).\boxed{\mu:\ \mathrm{Pa\cdot s}=\mathrm{N\cdot s/m^2}=\mathrm{kg/(m\cdot s)}}.

ν=μ/ρ\nu=\mu/\rho

[ν]=ML1T1ML3=L2T1,[\nu]=\frac{ML^{-1}T^{-1}}{ML^{-3}}=L^2T^{-1},ν: m2/s,μ=ρν.\boxed{\nu:\ \mathrm{m^2/s}},\qquad \boxed{\mu=\rho\nu}.

A1-3 斜面油膜上的匀速木块#

【课件例题改编】

中文题目: 一木块质量 m=5 kgm=5\ \mathrm{kg},底面积 A=0.40×0.45 m2A=0.40\times0.45\ \mathrm{m^2},沿倾角满足 tanθ=5/12\tan\theta=5/12 的斜面以 U=1.0 m/sU=1.0\ \mathrm{m/s} 匀速下滑。油膜厚度 δ=0.10 mm\delta=0.10\ \mathrm{mm},速度分布线性。求油的动力黏度。

English version: A wooden block of mass 5 kg5\ \mathrm{kg} and base area 0.40×0.45 m20.40\times0.45\ \mathrm{m^2} slides steadily down an inclined plane for which tanθ=5/12\tan\theta=5/12. The block speed is 1.0 m/s1.0\ \mathrm{m/s}, and the oil-film thickness is 0.10 mm0.10\ \mathrm{mm}. Assuming a linear velocity profile, determine the dynamic viscosity of the oil.

答案与讲解

匀速说明沿斜面合力为零:

mgsinθ=τA=μUδA.mg\sin\theta=\tau A=\mu\frac{U}{\delta}A.

tanθ=5/12\tan\theta=5/12sinθ=5/13\sin\theta=5/13,故

μ=mgsinθδAU=5×9.81×(5/13)×1040.40×0.45×1=1.05×102 Pas.\mu=\frac{mg\sin\theta\,\delta}{AU} =\frac{5\times9.81\times(5/13)\times10^{-4}}{0.40\times0.45\times1} =1.05\times10^{-2}\ \mathrm{Pa\cdot s}.μ0.0105 Pas\boxed{\mu\approx0.0105\ \mathrm{Pa\cdot s}}

A1-4 两层液体中的剪应力平衡#

【23–24 真题改编】

中文题目: 一薄板以速度 UU 水平运动,上、下两侧分别为动力黏度 μ1=0.12 Pas\mu_1=0.12\ \mathrm{Pa\cdot s}μ2=0.04 Pas\mu_2=0.04\ \mathrm{Pa\cdot s} 的液体,两固定壁面间总距离为 H=8 mmH=8\ \mathrm{mm}。薄板位于何处时,上、下表面剪应力大小相等?

English version: A thin plate moves horizontally at speed UU between two fixed walls. The fluids above and below the plate have dynamic viscosities μ1=0.12 Pas\mu_1=0.12\ \mathrm{Pa\cdot s} and μ2=0.04 Pas\mu_2=0.04\ \mathrm{Pa\cdot s}, respectively. The total gap is 8 mm8\ \mathrm{mm}. Where should the plate be located so that the shear stresses on its two faces are equal in magnitude?

答案与讲解

设上、下油膜厚度分别为 h1,h2h_1,h_2

τ1=μ1Uh1,τ2=μ2Uh2.\tau_1=\mu_1\frac{U}{h_1},\qquad \tau_2=\mu_2\frac{U}{h_2}.

τ1=τ2\tau_1=\tau_2

h1h2=μ1μ2=3,h1+h2=8 mm.\frac{h_1}{h_2}=\frac{\mu_1}{\mu_2}=3, \qquad h_1+h_2=8\ \mathrm{mm}.

因此

h1=6 mm,h2=2 mm.\boxed{h_1=6\ \mathrm{mm},\quad h_2=2\ \mathrm{mm}}.

黏度较大的液层需要更厚,才能使速度梯度较小并保持剪应力相等。

A1-5 旋转圆盘的黏性转矩#

【教材例题改编】

中文题目: 直径 D=0.10 mD=0.10\ \mathrm m 的圆盘与固定平面之间有厚度 δ=1.0 mm\delta=1.0\ \mathrm{mm} 的油膜,μ=0.10 Pas\mu=0.10\ \mathrm{Pa\cdot s}。圆盘以 600 r/min600\ \mathrm{r/min} 转动,求单侧油膜产生的阻力矩和所需功率。

English version: A disk of diameter 0.10 m0.10\ \mathrm m rotates at 600 rpm600\ \mathrm{rpm} above a fixed surface. The oil-film thickness is 1.0 mm1.0\ \mathrm{mm} and the dynamic viscosity is 0.10 Pas0.10\ \mathrm{Pa\cdot s}. Determine the resisting torque exerted by the oil film on one face and the required power.

答案与讲解

半径 rr 处速度为 u=ωru=\omega r,剪应力为 τ=μωr/δ\tau=\mu\omega r/\delta。环带面积 dA=2πrdr\mathrm dA=2\pi r\,\mathrm dr,微元转矩

dT=τdAr=2πμωδr3dr.\mathrm dT=\tau\,\mathrm dA\,r =\frac{2\pi\mu\omega}{\delta}r^3\,\mathrm dr.

积分得

T=πμωR42δ.T=\frac{\pi\mu\omega R^4}{2\delta}.

R=0.05 mR=0.05\ \mathrm mω=2π(600/60)=62.83 rad/s\omega=2\pi(600/60)=62.83\ \mathrm{rad/s}

T=0.0617 Nm,P=Tω=3.88 W.\boxed{T=0.0617\ \mathrm{N\cdot m}}, \qquad \boxed{P=T\omega=3.88\ \mathrm W}.

A1-6 温度对黏性的影响#

【24–25 真题】

中文题目: 温度升高时,液体和气体的动力黏度分别如何变化?解释其微观原因。

English version: How does dynamic viscosity change with increasing temperature for liquids and gases? Explain the microscopic reasons.

答案与讲解liquid viscosity decreases; gas viscosity increases.\boxed{\text{liquid viscosity decreases; gas viscosity increases}.}

液体黏性主要来自分子间吸引力;升温后分子间距增大,吸引作用减弱。气体黏性主要来自分子动量交换;升温后分子运动更剧烈,跨层动量交换增强。

A1-7 毛细上升#

【教材习题改编】

中文题目: 内径 d=1.0 mmd=1.0\ \mathrm{mm} 的洁净玻璃毛细管插入水中,取 σ=0.0728 N/m\sigma=0.0728\ \mathrm{N/m}θ=0\theta=0^\circρ=1000 kg/m3\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}。求毛细上升高度。

English version: A clean glass capillary tube of internal diameter 1.0 mm1.0\ \mathrm{mm} is inserted into water. Take σ=0.0728 N/m\sigma=0.0728\ \mathrm{N/m}, θ=0\theta=0^\circ, and ρ=1000 kg/m3\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}. Determine the capillary rise.

答案与讲解

竖直方向表面张力与液柱重量平衡:

πdσcosθ=ρgπd24h.\pi d\sigma\cos\theta=\rho g\frac{\pi d^2}{4}h.

所以

h=4σcosθρgd=4×0.07281000×9.81×103=2.97×102 m.h=\frac{4\sigma\cos\theta}{\rho gd} =\frac{4\times0.0728}{1000\times9.81\times10^{-3}} =2.97\times10^{-2}\ \mathrm m.h=29.7 mm\boxed{h=29.7\ \mathrm{mm}}

A1-8 汽化压强与空化#

【教材概念题改编】

中文题目: 某处水流绝对压强为 2.0 kPa2.0\ \mathrm{kPa},同温度下水的汽化压强为 2.34 kPa2.34\ \mathrm{kPa}。判断是否存在空化风险,并说明为什么不能用表压直接与汽化压强比较。

English version: At a point in a water flow, the absolute pressure is 2.0 kPa2.0\ \mathrm{kPa}, while the vapor pressure at the same temperature is 2.34 kPa2.34\ \mathrm{kPa}. Determine whether cavitation is likely and explain why gauge pressure cannot be compared directly with vapor pressure.

答案与讲解

由于

pabs=2.0 kPa<pv=2.34 kPa,p_{\rm abs}=2.0\ \mathrm{kPa}<p_v=2.34\ \mathrm{kPa},

液体可能局部汽化,存在空化风险。

汽化压强以绝对真空为零点,因此必须与绝对压强比较。表压采用当地大气压为零点,零点不同,不能直接比较。


A2 静水压强、相对平衡与测压#

A2.1 重要公式、符号与关系#

内容公式说明
静止流体平衡p=ρf\nabla p=\rho\mathbf f重力场中 dp/dz=ρg\mathrm dp/\mathrm dz=-\rho g
静水基本式p+ρgz=Cp+\rho gz=C同一种、静止、不可压缩液体内成立
深度式p=p0+ρghp=p_0+\rho ghhh 从自由液面向下量
表压pg=pabspap_g=p_{\rm abs}-p_agauge pressure
真空度pv=papabs=pgp_v^{*}=p_a-p_{\rm abs}=-p_gvacuum pressure
测压管水头z+p/(ρg)z+p/(\rho g)piezometric head
匀加速容器dp=ρ(axdxgdz)\mathrm dp=\rho(-a_x\mathrm dx-g\mathrm dz)自由面满足 dp=0\mathrm dp=0
绕竖轴匀速转动p=p0+ρg(z0z)+12ρω2(r2r02)p=p_0+\rho g(z_0-z)+\frac12\rho\omega^2(r^2-r_0^2)自由面为旋转抛物面
差压计(zA+pAρg)(zB+pBρg)=(ρmρ1)Δh\left(z_A+\frac{p_A}{\rho g}\right)-\left(z_B+\frac{p_B}{\rho g}\right)=\left(\frac{\rho_m}{\rho}-1\right)\Delta h两侧管内为同一被测液体

压强换算链:

pabs=pa+pg,pg<0pv=pg.p_{\rm abs}=p_a+p_g, \qquad p_g<0\Rightarrow p_v^{*}=-p_g.

**测压计通用走法:**沿液柱从 A 走到 B,向下加 ρgΔh\rho g\Delta h,向上减 ρgΔh\rho g\Delta h;同一水平面且同一连通静止液体压强相等。

A2-1 自由落体容器#

【24–25 真题】

中文题目: 一个盛水的敞口容器作自由落体。忽略表面张力,求容器内部各点的表压及壁面压强分布。

English version: An open container filled with water is in free fall. Neglect surface tension. Determine the gauge pressure and the pressure distribution on the walls.

答案与讲解

随容器一起运动的参考系中,有效重力

geff=ga=gg=0.g_{\rm eff}=g-a=g-g=0.

因此 p=0\nabla p=0,液体内部压强处处相等。自由液面与大气相通,所以

pabs=pa,pg=0everywhere.\boxed{p_{\rm abs}=p_a,\qquad p_g=0\quad\text{everywhere}.}

壁面表压也为零。

A2-2 绝对压强、表压与真空度#

【教材概念题改编】

中文题目: 当地大气压为 98 kPa98\ \mathrm{kPa},某管内压力表读数为 25 kPa-25\ \mathrm{kPa}。求绝对压强和真空度。

English version: The local atmospheric pressure is 98 kPa98\ \mathrm{kPa}, and a pressure gauge connected to a pipe reads 25 kPa-25\ \mathrm{kPa}. Determine the absolute pressure and the vacuum pressure.

答案与讲解pabs=pa+pg=9825=73 kPa.p_{\rm abs}=p_a+p_g=98-25=73\ \mathrm{kPa}.

真空度

pv=papabs=25 kPa.p_v^{*}=p_a-p_{\rm abs}=25\ \mathrm{kPa}.pabs=73 kPa,pv=25 kPa\boxed{p_{\rm abs}=73\ \mathrm{kPa},\quad p_v^{*}=25\ \mathrm{kPa}}

A2-3 静水压强分布#

【教材例题改编】

中文题目: 密闭水箱自由液面上的表压为 40 kPa40\ \mathrm{kPa}。求自由液面下 3.0 m3.0\ \mathrm m 处的表压和压力水头。

English version: The gauge pressure above the free surface in a closed water tank is 40 kPa40\ \mathrm{kPa}. Determine the gauge pressure and pressure head at a point 3.0 m3.0\ \mathrm m below the free surface.

答案与讲解p=p0+ρgh=40×103+1000×9.81×3=69.43 kPa.p=p_0+\rho gh =40\times10^3+1000\times9.81\times3 =69.43\ \mathrm{kPa}.pρg=69.43×1031000×9.81=7.08 m.\frac{p}{\rho g}=\frac{69.43\times10^3}{1000\times9.81}=7.08\ \mathrm m.p=69.4 kPa,p/(ρg)=7.08 mH2O\boxed{p=69.4\ \mathrm{kPa},\quad p/(\rho g)=7.08\ \mathrm{mH_2O}}

A2-4 水平匀加速容器的自由液面#

【教材例题改编】

中文题目: 一敞口矩形水箱沿 xx 正方向以 a=3.0 m/s2a=3.0\ \mathrm{m/s^2} 匀加速运动。求自由液面的斜率 dz/dx\mathrm dz/\mathrm dx,并判断哪一侧液面较高。

English version: An open rectangular tank accelerates uniformly in the positive xx direction at 3.0 m/s23.0\ \mathrm{m/s^2}. Determine the slope dz/dx\mathrm dz/\mathrm dx of the free surface and indicate which side is higher.

答案与讲解

在随箱参考系中:

dp=ρadxρgdz.\mathrm dp=-\rho a\,\mathrm dx-\rho g\,\mathrm dz.

自由面上 dp=0\mathrm dp=0,故

dzdx=ag=3.09.81=0.306.\frac{\mathrm dz}{\mathrm dx}=-\frac{a}{g} =-\frac{3.0}{9.81}=-0.306.dz/dx=0.306\boxed{\mathrm dz/\mathrm dx=-0.306}

沿加速度方向液面下降,后侧液面升高。

A2-5 匀速旋转容器#

【21–22 真题改编】

中文题目: 一敞口圆筒绕竖直轴以角速度 ω=6 rad/s\omega=6\ \mathrm{rad/s} 匀速转动。求半径 r=0.30 mr=0.30\ \mathrm m 处自由液面相对轴心的升高量。

English version: An open cylindrical container rotates steadily about its vertical axis at ω=6 rad/s\omega=6\ \mathrm{rad/s}. Determine the rise of the free surface at r=0.30 mr=0.30\ \mathrm m relative to the axis.

答案与讲解

自由面满足

zz0=ω2r22g.z-z_0=\frac{\omega^2r^2}{2g}.

代入:

Δz=62×0.3022×9.81=0.165 m.\Delta z=\frac{6^2\times0.30^2}{2\times9.81}=0.165\ \mathrm m.Δz=0.165 m\boxed{\Delta z=0.165\ \mathrm m}

自由面为旋转抛物面;同一水平面上,压强随 rr 增大而增大。

A2-6 U 形水银压力计#

【教材习题改编】

中文题目: 水管中 A 点连接开口水银压力计。A 点比水—汞界面高 0.20 m0.20\ \mathrm m,另一支汞面比该界面高 0.35 m0.35\ \mathrm m。取 ρHg=13600 kg/m3\rho_{Hg}=13600\ \mathrm{kg/m^3},求 A 点表压。

English version: Point A in a water pipe is connected to an open mercury manometer. Point A is 0.20 m0.20\ \mathrm m above the water–mercury interface, while the mercury free surface in the open limb is 0.35 m0.35\ \mathrm m above that interface. Determine the gauge pressure at A. Take ρHg=13600 kg/m3\rho_{Hg}=13600\ \mathrm{kg/m^3}.

答案与讲解

从开口汞面向下到界面:压强增加 ρHgg(0.35)\rho_{Hg}g(0.35);再向上到 A:压强减少 ρwg(0.20)\rho_wg(0.20)

pA=ρHgg(0.35)ρwg(0.20).p_A=\rho_{Hg}g(0.35)-\rho_wg(0.20).pA=13600×9.81×0.351000×9.81×0.20=44.73 kPa.p_A=13600\times9.81\times0.35-1000\times9.81\times0.20 =44.73\ \mathrm{kPa}.pA=44.7 kPa (gauge)\boxed{p_A=44.7\ \mathrm{kPa\ (gauge)}}

A2-7 水银差压计与测压管水头差#

【课件例题改编】

中文题目: 水管两断面 A、B 用水银差压计连接,水银液面差为 Δh=40 mm\Delta h=40\ \mathrm{mm}。求两断面测压管水头差 HpAHpBH_{pA}-H_{pB}。取水银相对密度 13.613.6

English version: Two sections A and B of a water pipe are connected by a mercury differential manometer. The mercury-level difference is 40 mm40\ \mathrm{mm}. Determine the difference in piezometric head HpAHpBH_{pA}-H_{pB}. Take the specific gravity of mercury as 13.613.6.

答案与讲解

对同一种被测液体:

HpAHpB=(ρHgρw1)Δh=(13.61)×0.040.H_{pA}-H_{pB} =\left(\frac{\rho_{Hg}}{\rho_w}-1\right)\Delta h =(13.6-1)\times0.040.HpAHpB=0.504 m\boxed{H_{pA}-H_{pB}=0.504\ \mathrm m}

注意这里求的是 z+p/(ρg)z+p/(\rho g) 的差,因此 A、B 的高程已经包含在公式中。

A2-8 静水压强悖论#

【24–25 真题】

中文题目: 四个敞口容器底面积均为 AA,装有同种液体且液深均为 hh,但容器形状不同。比较液体对各容器底部的总压力;再判断桌面对整个容器的支持力是否总等于底部液体压力。

English version: Four open vessels have the same bottom area AA and contain the same liquid to the same depth hh, but their shapes are different. Compare the total hydrostatic force on their bottoms. Is the supporting force from the table always equal to the hydrostatic force on the bottom?

答案与讲解

底部处表压均为 p=ρghp=\rho gh,故四个容器底部受力均为

Fb=ρghA.\boxed{F_b=\rho ghA}.

桌面对“容器 + 液体”整体的支持力等于总重量,通常不等于 FbF_b。两者差异由液体对倾斜侧壁产生的竖直分力补偿:

  • 上宽下窄:侧壁对液体有向下分力,FbF_b 可大于液体重力;
  • 上窄下宽:侧壁对液体有向上分力,FbF_b 可小于液体重力。

A3 静水总压力、浮力与稳定#

A3.1 重要公式、符号与关系#

内容公式说明
平面总压力F=ρghcAF=\rho gh_cAhch_c 为面积形心的竖直水深
压力中心yD=yc+IcAycy_D=y_c+\dfrac{I_c}{Ay_c}yy 沿斜面从自由面交线量起
竖直深度hD=yDsinθh_D=y_D\sin\thetaθ\theta 为平面与水平面的夹角
曲面水平分力FH=ρghcAvF_H=\rho gh_cA_v等于曲面竖直投影所受静水力
曲面竖直分力FV=ρgVpF_V=\rho gV_p等于压力体内液体重量,方向由压力体判定
合力F=FH2+FV2F=\sqrt{F_H^2+F_V^2}作用线由两分力交点确定
浮力FB=ρgVdispF_B=\rho gV_{disp}作用于排水体积形心,即浮心 B
漂浮平衡G=FBG=F_BρbVg=ρfVdispg\rho_bVg=\rho_fV_{disp}g
稳心半径BM=Iw/VdispBM=I_w/V_{disp}IwI_w 为水线面对倾斜轴的二次矩
初稳性GM=KB+BMKGGM=KB+BM-KGGM>0GM>0 稳定,GM<0GM<0 不稳定

做题主线:

  • 平面:找 A,hc,IcA,h_c,I_c → 算 FF → 算压力中心;
  • 曲面:拆成 FH,FVF_H,F_V,绝对不要直接套 ρghcA\rho gh_cA
  • 漂浮:先用重量=浮力求排水体积,再做 GMGM

A3-1 竖直矩形闸门#

【教材例题改编】

中文题目: 一竖直矩形闸门宽 b=2.0 mb=2.0\ \mathrm m、高 H=3.0 mH=3.0\ \mathrm m,上边缘与水面齐平。求静水总压力及压力中心距水面的深度。

English version: A vertical rectangular gate is 2.0 m2.0\ \mathrm m wide and 3.0 m3.0\ \mathrm m high, with its top edge at the free surface. Determine the resultant hydrostatic force and the depth of the center of pressure.

答案与讲解

形心水深 hc=H/2=1.5 mh_c=H/2=1.5\ \mathrm m,面积 A=bH=6 m2A=bH=6\ \mathrm{m^2}

F=ρghcA=1000×9.81×1.5×6=88.29 kN.F=\rho gh_cA=1000\times9.81\times1.5\times6 =88.29\ \mathrm{kN}.

矩形上缘在自由面时,三角形压强分布的合力作用点在 2H/32H/3

F=88.3 kN,hD=2.0 m.\boxed{F=88.3\ \mathrm{kN},\qquad h_D=2.0\ \mathrm m}.

A3-2 倾斜矩形平板#

【教材习题改编】

中文题目: 一矩形平板宽 1.5 m1.5\ \mathrm m、沿板长 2.0 m2.0\ \mathrm m,与水平面夹角 3030^\circ。上边缘位于自由面下 1.0 m1.0\ \mathrm m。求静水总压力和压力中心的竖直深度。

English version: A rectangular plate is 1.5 m1.5\ \mathrm m wide and 2.0 m2.0\ \mathrm m long along the plate. It is inclined at 3030^\circ to the horizontal, and its upper edge is 1.0 m1.0\ \mathrm m below the free surface. Determine the resultant hydrostatic force and the vertical depth of the center of pressure.

答案与讲解

形心水深

hc=1.0+2.02sin30=1.5 m.h_c=1.0+\frac{2.0}{2}\sin30^\circ=1.5\ \mathrm m.F=ρghcA=1000×9.81×1.5×(1.5×2)=44.15 kN.F=\rho gh_cA=1000\times9.81\times1.5\times(1.5\times2) =44.15\ \mathrm{kN}.

从自由面与板延长线交点沿板量,yc=1/sin30+1=3 my_c=1/\sin30^\circ+1=3\ \mathrm m

Ic=bL312=1.0 m4,I_c=\frac{bL^3}{12}=1.0\ \mathrm{m^4},yD=yc+IcAyc=3+13×3=3.111 m.y_D=y_c+\frac{I_c}{Ay_c}=3+\frac{1}{3\times3}=3.111\ \mathrm m.

竖直深度

hD=yDsin30=1.556 m.h_D=y_D\sin30^\circ=1.556\ \mathrm m.F=44.1 kN,hD=1.56 m\boxed{F=44.1\ \mathrm{kN},\quad h_D=1.56\ \mathrm m}

A3-3 圆形闸门的压力中心#

【23–24 真题改编】

中文题目: 直径 d=2.0 md=2.0\ \mathrm m 的竖直圆形闸门,其圆心位于自由面下 hc=2.0 mh_c=2.0\ \mathrm m。求静水总压力及压力中心深度。

English version: A vertical circular gate of diameter 2.0 m2.0\ \mathrm m has its center 2.0 m2.0\ \mathrm m below the free surface. Determine the resultant hydrostatic force and the depth of the center of pressure.

答案与讲解A=πd24=π m2,Ic=πd464=π4 m4.A=\frac{\pi d^2}{4}=\pi\ \mathrm{m^2}, \qquad I_c=\frac{\pi d^4}{64}=\frac{\pi}{4}\ \mathrm{m^4}.F=ρghcA=1000×9.81×2π=61.64 kN.F=\rho gh_cA=1000\times9.81\times2\pi=61.64\ \mathrm{kN}.hD=hc+IcAhc=2+π/4π×2=2.125 m.h_D=h_c+\frac{I_c}{Ah_c} =2+\frac{\pi/4}{\pi\times2}=2.125\ \mathrm m.F=61.6 kN,hD=2.125 m\boxed{F=61.6\ \mathrm{kN},\quad h_D=2.125\ \mathrm m}

A3-4 圆弧闸门的水平、竖直分力#

【21–22 真题改编】

中文题目: 一圆弧闸门半径 r=4 mr=4\ \mathrm m、轴向长度 L=5 mL=5\ \mathrm m,圆弧对应中心角 3030^\circ,其顶点位于自由面下 1 m1\ \mathrm m。按图示压力体计算,已知竖直投影高度为 2 m2\ \mathrm m。求水平分力、竖直分力及合力。

English version: A cylindrical curved gate has radius 4 m4\ \mathrm m and axial length 5 m5\ \mathrm m. The arc subtends 3030^\circ, its upper end is 1 m1\ \mathrm m below the free surface, and the height of its vertical projection is 2 m2\ \mathrm m. Using the pressure-body method, determine the horizontal component, vertical component, and resultant hydrostatic force.

答案与讲解

竖直投影面积 Av=5×2=10 m2A_v=5\times2=10\ \mathrm{m^2},投影形心水深 hc=1+1=2 mh_c=1+1=2\ \mathrm m

FH=ρghcAv=1000×9.8×2×10=196 kN.F_H=\rho gh_cA_v=1000\times9.8\times2\times10=196\ \mathrm{kN}.

由圆弧上方压力体体积求得(对应原题几何)

FV=ρgVp=61.8 kN.F_V=\rho gV_p=61.8\ \mathrm{kN}.F=1962+61.82=205.5 kN.F=\sqrt{196^2+61.8^2}=205.5\ \mathrm{kN}.FH=196 kN,FV=61.8 kN,F=205.5 kN\boxed{F_H=196\ \mathrm{kN},\quad F_V=61.8\ \mathrm{kN},\quad F=205.5\ \mathrm{kN}}

曲面题的关键是:FHF_H 看竖直投影,FVF_V 看压力体。

A3-5 铰接闸门的启门力矩#

【教材习题改编】

中文题目: 一竖直矩形闸门宽 b=1.0 mb=1.0\ \mathrm m、高 H=2.0 mH=2.0\ \mathrm m,上缘与水面齐平,并绕上缘水平铰轴转动。忽略闸门自重,求保持闸门关闭所需的力矩。

English version: A vertical rectangular gate is 1.0 m1.0\ \mathrm m wide and 2.0 m2.0\ \mathrm m high. Its top edge is at the free surface and is hinged about a horizontal axis. Neglect the gate weight. Determine the moment required to keep the gate closed.

答案与讲解

总压力

F=ρgH2(bH)=12ρgbH2=19.62 kN.F=\rho g\frac{H}{2}(bH)=\frac12\rho gbH^2 =19.62\ \mathrm{kN}.

压力中心距自由面 2H/3=4/3 m2H/3=4/3\ \mathrm m,也就是距铰轴的力臂。

M=F2H3=19.62×43=26.16 kNm.M=F\frac{2H}{3}=19.62\times\frac43=26.16\ \mathrm{kN\cdot m}.M=26.2 kNm\boxed{M=26.2\ \mathrm{kN\cdot m}}

A3-6 漂浮体浸没比例#

【教材概念题改编】

中文题目: 密度为 750 kg/m3750\ \mathrm{kg/m^3} 的均质木块漂浮在水面上。求浸没体积占总体积的比例。

English version: A homogeneous wooden block of density 750 kg/m3750\ \mathrm{kg/m^3} floats in water. Determine the fraction of its volume that is submerged.

答案与讲解

漂浮平衡:

ρbVg=ρwVdispg.\rho_bVg=\rho_wV_{disp}g.

因此

VdispV=ρbρw=7501000=0.75.\frac{V_{disp}}{V}=\frac{\rho_b}{\rho_w}=\frac{750}{1000}=0.75.75% of the volume is submerged.\boxed{75\%\text{ of the volume is submerged}.}

A3-7 完全浸没物体的稳定性#

【教材概念题改编】

中文题目: 一个完全浸没且处于平衡的物体,重心 G 位于浮心 B 的上方。判断其平衡稳定性,并解释受小扰动后的力矩方向。

English version: A fully submerged body is in equilibrium, with its center of gravity G above its center of buoyancy B. Determine the stability of the equilibrium and explain the moment produced after a small angular disturbance.

答案与讲解

完全浸没时,浮心相对物体固定。小角度转动后,重力仍通过 G 向下,浮力通过 B 向上。若 G 在 B 上方,两力形成使偏转进一步增大的力偶。

The equilibrium is unstable.\boxed{\text{The equilibrium is unstable}.}

若 G 在 B 下方则稳定;G 与 B 重合则为随遇平衡。

A3-8 漂浮驳船的初稳性#

【教材习题改编】

中文题目: 一矩形驳船长 L=6 mL=6\ \mathrm m、宽 B=2 mB=2\ \mathrm m、吃水 T=0.8 mT=0.8\ \mathrm m,重心距船底 KG=0.90 mKG=0.90\ \mathrm m。判断其横向初稳性。

English version: A rectangular barge is 6 m6\ \mathrm m long, 2 m2\ \mathrm m wide, and has a draft of 0.8 m0.8\ \mathrm m. Its center of gravity is 0.90 m0.90\ \mathrm m above the bottom. Determine its initial transverse stability.

答案与讲解

排水体积

V=LBT=6×2×0.8=9.6 m3.V= LBT=6\times2\times0.8=9.6\ \mathrm{m^3}.

矩形水线面对纵轴的二次矩

Iw=LB312=6×2312=4.0 m4.I_w=\frac{LB^3}{12}=\frac{6\times2^3}{12}=4.0\ \mathrm{m^4}.BM=IwV=0.4167 m,KB=T2=0.40 m.BM=\frac{I_w}{V}=0.4167\ \mathrm m, \qquad KB=\frac{T}{2}=0.40\ \mathrm m.GM=KB+BMKG=0.40+0.41670.90=0.0833 m.GM=KB+BM-KG=0.40+0.4167-0.90=-0.0833\ \mathrm m.GM<0, unstable\boxed{GM<0,\ \text{unstable}}

需要降低重心或增大水线面惯性矩(如增宽)。


A4 流体运动描述、加速度与连续性#

A4.1 重要公式、符号与关系#

内容公式说明
欧拉描述u=u(x,y,z,t)\mathbf u=\mathbf u(x,y,z,t)Eulerian description:观察空间固定点
拉格朗日描述r=r(a,b,c,t)\mathbf r=\mathbf r(a,b,c,t)Lagrangian description:跟踪流体质点
质点加速度DuDt=ut+(u)u\dfrac{D\mathbf u}{Dt}=\dfrac{\partial\mathbf u}{\partial t}+(\mathbf u\cdot\nabla)\mathbf ulocal + convective acceleration
流线方程dxu=dyv=dzw\dfrac{\mathrm dx}{u}=\dfrac{\mathrm dy}{v}=\dfrac{\mathrm dz}{w}固定时刻的速度切线
迹线方程dxdt=u\dfrac{\mathrm dx}{\mathrm dt}=udydt=v\dfrac{\mathrm dy}{\mathrm dt}=vdzdt=w\dfrac{\mathrm dz}{\mathrm dt}=w同一流体质点的运动轨迹
一般连续方程ρt+(ρu)=0\dfrac{\partial\rho}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\mathbf u)=0质量守恒
不可压缩连续方程u=0\nabla\cdot\mathbf u=0u/x+v/y+w/z=0\partial u/\partial x+\partial v/\partial y+\partial w/\partial z=0
恒定总流连续方程ρ1v1A1=ρ2v2A2\rho_1v_1A_1=\rho_2v_2A_2不可压缩时 Q=vA=Q=vA= 常数

四个高频判断:

  • 恒定流动:()/t=0\partial()/\partial t=0,所以当地加速度为零;
  • 均匀流动:沿流向速度不变,所以迁移加速度为零;
  • 恒定流中仍可能有迁移加速度;
  • 流线与迹线只在恒定流中重合。

A4-1 当地加速度与迁移加速度#

【24–25 真题】

中文题目: 填空:恒定流动的 ______ 加速度为零;均匀流动的 ______ 加速度为零。

English version: Fill in the blanks: In steady flow, the ______ acceleration is zero; in uniform flow, the ______ acceleration is zero.

答案与讲解local acceleration; convective acceleration\boxed{\text{local acceleration; convective acceleration}}

恒定流只排除了时间变化,空间变化仍可存在;均匀流排除了沿程空间变化。

A4-2 恒定流中的流线与迹线#

【教材概念题改编】

中文题目: 说明流线和迹线的定义,并判断二者在非恒定流中是否一定重合。

English version: Define a streamline and a pathline, and state whether they necessarily coincide in unsteady flow.

答案与讲解
  • **Streamline:**某一时刻处处与当地速度矢量相切的曲线;
  • **Pathline:**某一指定流体质点随时间运动形成的轨迹。

在非恒定流中,速度场随时间变化,同一质点经过的位置与同一时刻不同质点的速度切线一般不同,因此

streamlines and pathlines do not generally coincide in unsteady flow.\boxed{\text{streamlines and pathlines do not generally coincide in unsteady flow}.}

恒定流中二者重合。

A4-3 求流线#

【教材例题改编】

中文题目: 二维恒定速度场为 u=xu=xv=yv=-y。求流线方程。

English version: For the two-dimensional steady velocity field u=xu=x and v=yv=-y, determine the streamlines.

答案与讲解

流线方程

dydx=vu=yx.\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=\frac{v}{u}=-\frac{y}{x}.

分离变量:

dyy=dxxlny=lnx+C.\frac{\mathrm dy}{y}=-\frac{\mathrm dx}{x} \Rightarrow \ln|y|=-\ln|x|+C.

因此

xy=C.\boxed{xy=C}.

流线是一族矩形双曲线。

A4-4 求迹线#

【教材例题改编】

中文题目: 对 A4-3 的速度场,某质点在 t=0t=0 时位于 (x0,y0)(x_0,y_0)。求其迹线参数方程,并验证恒定流中迹线位于一条流线上。

English version: For the velocity field in A4-3, a fluid particle is at (x0,y0)(x_0,y_0) at t=0t=0. Determine its pathline in parametric form and verify that it lies on a streamline.

答案与讲解dxdt=xx=x0et,\frac{\mathrm dx}{\mathrm dt}=x \Rightarrow x=x_0e^t,dydt=yy=y0et.\frac{\mathrm dy}{\mathrm dt}=-y \Rightarrow y=y_0e^{-t}.

所以

x=x0et,y=y0et.\boxed{x=x_0e^t,\qquad y=y_0e^{-t}}.

消去 tt

xy=x0y0=C,xy=x_0y_0=C,

与流线方程一致。

A4-5 判断速度场是否满足不可压缩连续方程#

【24–25 真题】

中文题目: 对空间不可压缩流体,给定

u=x2+xyy2,v=x2+y2,w=0.u=x^2+xy-y^2,\qquad v=x^2+y^2,\qquad w=0.

判断该速度场是否可能存在。

English version: For an incompressible fluid, the velocity field is

u=x2+xyy2,v=x2+y2,w=0.u=x^2+xy-y^2,\qquad v=x^2+y^2,\qquad w=0.

Determine whether this velocity field is physically admissible.

答案与讲解

不可压缩流必须满足

ux+vy+wz=0.\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}+\frac{\partial w}{\partial z}=0.

这里

ux=2x+y,vy=2y.\frac{\partial u}{\partial x}=2x+y, \qquad \frac{\partial v}{\partial y}=2y.

因此

u=2x+3y0\nabla\cdot\mathbf u=2x+3y\ne0

(不可能在整个流场恒为零),故

the flow field is not admissible for an incompressible fluid.\boxed{\text{the flow field is not admissible for an incompressible fluid}.}

A4-6 由连续方程补出第三个速度分量#

【课件例题改编】

中文题目: 不可压缩三维流动中,u=2xu=2xv=yv=-y。若 w=0w=0z=0z=0,求 w(x,y,z)w(x,y,z)

English version: In a three-dimensional incompressible flow, u=2xu=2x and v=yv=-y. If w=0w=0 at z=0z=0, determine w(x,y,z)w(x,y,z).

答案与讲解

连续方程:

21+wz=0wz=1.2-1+\frac{\partial w}{\partial z}=0 \Rightarrow \frac{\partial w}{\partial z}=-1.

积分:

w=z+C(x,y).w=-z+C(x,y).

w(x,y,0)=0w(x,y,0)=0C=0C=0,所以

w=z.\boxed{w=-z}.

A4-7 矩形明渠连续方程#

【24–25 真题】

中文题目: 矩形人工渠道宽 B=2.1 mB=2.1\ \mathrm m,断面 1、2 的水深分别为 h1=0.5 mh_1=0.5\ \mathrm mh2=0.3 mh_2=0.3\ \mathrm m,断面 1 的平均流速为 v1=3.0 m/sv_1=3.0\ \mathrm{m/s}。求流量 QQv2v_2

English version: A rectangular artificial channel is 2.1 m2.1\ \mathrm m wide. The flow depths at Sections 1 and 2 are 0.5 m0.5\ \mathrm m and 0.3 m0.3\ \mathrm m, respectively. The mean velocity at Section 1 is 3.0 m/s3.0\ \mathrm{m/s}. Determine the discharge QQ and the mean velocity v2v_2.

答案与讲解Q=v1A1=v1Bh1=3.0×2.1×0.5=3.15 m3/s.Q=v_1A_1=v_1Bh_1 =3.0\times2.1\times0.5=3.15\ \mathrm{m^3/s}.v2=QBh2=3.152.1×0.3=5.0 m/s.v_2=\frac{Q}{Bh_2} =\frac{3.15}{2.1\times0.3}=5.0\ \mathrm{m/s}.Q=3.15 m3/s,v2=5.0 m/s\boxed{Q=3.15\ \mathrm{m^3/s},\qquad v_2=5.0\ \mathrm{m/s}}

A4-8 计算欧拉加速度#

【教材例题改编】

中文题目: 二维恒定流动速度场为 u=axu=axv=ayv=-ay,其中 aa 为常数。求加速度分量。

English version: For the two-dimensional steady velocity field u=axu=ax and v=ayv=-ay, where aa is a constant, determine the acceleration components.

答案与讲解

当地加速度为零。迁移加速度:

ax=uux+vuy=(ax)(a)+(ay)(0)=a2x,a_x=u\frac{\partial u}{\partial x}+v\frac{\partial u}{\partial y} =(ax)(a)+(-ay)(0)=a^2x,ay=uvx+vvy=(ax)(0)+(ay)(a)=a2y.a_y=u\frac{\partial v}{\partial x}+v\frac{\partial v}{\partial y} =(ax)(0)+(-ay)(-a)=a^2y.ax=a2x,ay=a2y\boxed{a_x=a^2x,\qquad a_y=a^2y}

这说明“恒定”不等于“无加速度”。


A5 势流、流函数与流网#

A5.1 重要公式、符号与关系#

内容直角坐标极坐标
无旋条件v/xu/y=0\partial v/\partial x-\partial u/\partial y=01r(ruθ)r1rurθ=0\dfrac1r\dfrac{\partial(ru_\theta)}{\partial r}-\dfrac1r\dfrac{\partial u_r}{\partial\theta}=0
速度势u=ϕ/xu=\partial\phi/\partial xv=ϕ/yv=\partial\phi/\partial yur=ϕ/ru_r=\partial\phi/\partial ruθ=(1/r)ϕ/θu_\theta=(1/r)\partial\phi/\partial\theta
流函数u=ψ/yu=\partial\psi/\partial yv=ψ/xv=-\partial\psi/\partial xur=(1/r)ψ/θu_r=(1/r)\partial\psi/\partial\thetauθ=ψ/ru_\theta=-\partial\psi/\partial r
拉普拉斯方程2ϕ=0\nabla^2\phi=02ψ=0\nabla^2\psi=0对二维不可压缩势流成立
Cauchy–Riemannϕx=ψy\phi_x=\psi_yϕy=ψx\phi_y=-\psi_x势线与流线正交
两流线间流量q=Δψq'=\Delta\psi二维流量,单位为 m2/s\mathrm{m^2/s}
流网测速uΔψ/Δnu\approx\Delta\psi/\Delta n相邻流线间距越小,速度越大

典型基本流:

uniform flow: ϕ=U(xcosα+ysinα),ψ=U(ycosαxsinα),source: ϕ=Q2πlnr,ψ=Q2πθ,free vortex: ϕ=Γ2πθ,ψ=Γ2πlnr.\begin{aligned} &\text{uniform flow: } \phi=U(x\cos\alpha+y\sin\alpha),\quad \psi=U(y\cos\alpha-x\sin\alpha),\\ &\text{source: } \phi=\frac{Q}{2\pi}\ln r,\quad \psi=\frac{Q}{2\pi}\theta,\\ &\text{free vortex: } \phi=\frac{\Gamma}{2\pi}\theta,\quad \psi=-\frac{\Gamma}{2\pi}\ln r. \end{aligned}

A5-1 判断是否为势流#

【教材例题改编】

中文题目: 二维速度场 u=2x+yu=2x+yv=x2yv=x-2y 是否为势流?

English version: Determine whether the two-dimensional velocity field u=2x+yu=2x+y and v=x2yv=x-2y is a potential flow.

答案与讲解

二维无旋条件为

vx=uy.\frac{\partial v}{\partial x}=\frac{\partial u}{\partial y}.

这里

vx=1,uy=1.\frac{\partial v}{\partial x}=1, \qquad \frac{\partial u}{\partial y}=1.

ωz=0, the flow is irrotational and a velocity potential exists.\boxed{\omega_z=0,\ \text{the flow is irrotational and a velocity potential exists}.}

同时 u/x+v/y=22=0\partial u/\partial x+\partial v/\partial y=2-2=0,所以还是不可压缩流。

A5-2 由速度求势函数#

【教材例题改编】

中文题目: 对 A5-1 的速度场,求速度势 ϕ(x,y)\phi(x,y)

English version: For the velocity field in A5-1, determine the velocity potential ϕ(x,y)\phi(x,y).

答案与讲解

u=ϕx=2x+yu=\phi_x=2x+y,先对 xx 积分:

ϕ=x2+xy+f(y).\phi=x^2+xy+f(y).

再利用 v=ϕy=x+f(y)=x2yv=\phi_y=x+f'(y)=x-2y

f(y)=2yf(y)=y2+C.f'(y)=-2y\Rightarrow f(y)=-y^2+C.ϕ=x2+xyy2+C\boxed{\phi=x^2+xy-y^2+C}

只对一个变量积分时,积分“常数”应写成另一个变量的函数。

A5-3 由速度求流函数#

【教材例题改编】

中文题目: 对 A5-1 的速度场,求流函数 ψ(x,y)\psi(x,y)

English version: For the velocity field in A5-1, determine the stream function ψ(x,y)\psi(x,y).

答案与讲解

u=ψy=2x+y,u=\frac{\partial\psi}{\partial y}=2x+y,

yy 积分:

ψ=2xy+12y2+f(x).\psi=2xy+\frac12y^2+f(x).

再由

v=ψx=x2y,v=-\frac{\partial\psi}{\partial x}=x-2y,

得到

(2y+f(x))=x2yf(x)=x.-(2y+f'(x))=x-2y\Rightarrow f'(x)=-x.

所以

ψ=2xy+12y212x2+C.\boxed{\psi=2xy+\frac12y^2-\frac12x^2+C}.

A5-4 任意方向均匀流#

【21–22 真题】

中文题目: 平面均匀流速度大小为 UU,与 xx 轴夹角为 α\alpha。写出速度势与流函数。

English version: A two-dimensional uniform flow of speed UU makes an angle α\alpha with the positive xx axis. Write the velocity potential and the stream function.

答案与讲解

速度分量

u=Ucosα,v=Usinα.u=U\cos\alpha,\qquad v=U\sin\alpha.

积分得

ϕ=U(xcosα+ysinα)+C1,\boxed{\phi=U(x\cos\alpha+y\sin\alpha)+C_1},ψ=U(ycosαxsinα)+C2.\boxed{\psi=U(y\cos\alpha-x\sin\alpha)+C_2}.

ϕ=\phi= 常数为等势线,ψ=\psi= 常数为流线,两族直线正交。

A5-5 极坐标中的点源#

【教材例题改编】

中文题目: 平面点源强度为 Q=0.020 m2/sQ=0.020\ \mathrm{m^2/s}。求 r=0.10 mr=0.10\ \mathrm m 处的径向速度,并写出 ϕ\phiψ\psi

English version: A two-dimensional source has strength Q=0.020 m2/sQ=0.020\ \mathrm{m^2/s}. Determine the radial velocity at r=0.10 mr=0.10\ \mathrm m, and write the velocity potential and stream function.

答案与讲解

圆周上单位宽流量守恒:

2πrur=Q.2\pi r u_r=Q.

所以

ur=Q2πr=0.0202π×0.10=0.0318 m/s.u_r=\frac{Q}{2\pi r} =\frac{0.020}{2\pi\times0.10}=0.0318\ \mathrm{m/s}.ϕ=Q2πlnr+C,ψ=Q2πθ+C.\boxed{\phi=\frac{Q}{2\pi}\ln r+C}, \qquad \boxed{\psi=\frac{Q}{2\pi}\theta+C}.

A5-6 两条流线之间的流量与平均流速#

【24–25 真题】

中文题目: 两条相邻流线的流函数差为 Δψ\Delta\psi,两流线间法向距离为 Δn\Delta n。写出单位宽度流量和近似平均流速。

English version: The difference in stream-function values between two adjacent streamlines is Δψ\Delta\psi, and their normal spacing is Δn\Delta n. State the discharge per unit width and the approximate mean velocity between them.

答案与讲解

二维不可压缩流中:

q=Δψ.\boxed{q'=\Delta\psi}.

单位宽度过流面积近似为 Δn×1\Delta n\times1,所以

uˉΔψΔn.\boxed{\bar u\approx\frac{\Delta\psi}{\Delta n}}.

流线越密集,Δn\Delta n 越小,流速越大。

A5-7 均匀流与点源叠加的驻点#

【教材例题改编】

中文题目: 沿 +x+x 方向的均匀流速度为 UU,原点处有强度为 QQ 的二维点源。求驻点位置。

English version: A uniform flow of speed UU in the positive xx direction is superposed with a two-dimensional source of strength QQ at the origin. Determine the stagnation point.

答案与讲解

极坐标速度:

ur=Ucosθ+Q2πr,uθ=Usinθ.u_r=U\cos\theta+\frac{Q}{2\pi r}, \qquad u_\theta=-U\sin\theta.

驻点要求两分量均为零。由 uθ=0u_\theta=0θ=0\theta=0π\pi。点源径向速度向外,只有在上游 θ=π\theta=\pi 才能与均匀流抵消:

U+Q2πrs=0.-U+\frac{Q}{2\pi r_s}=0.

因此

rs=Q2πU,θ=π,\boxed{r_s=\frac{Q}{2\pi U},\quad \theta=\pi},

xs=Q2πU,ys=0.\boxed{x_s=-\frac{Q}{2\pi U},\quad y_s=0}.

A5-8 流网性质#

【23–24 真题改编】

中文题目: 简述二维不可压缩势流流网的三个主要性质,并说明如何由流网判断高速区。

English version: State three principal properties of a flow net for a two-dimensional incompressible potential flow, and explain how a high-speed region can be identified from the flow net.

答案与讲解
  1. 流线 ψ=\psi= 常数与等势线 ϕ=\phi= 常数正交;
  2. 两族曲线组成近似曲线正方形网格;
  3. 相邻流线之间的流量 Δψ\Delta\psi 相等时,流线间距反映速度大小。

uΔψΔn,u\approx\frac{\Delta\psi}{\Delta n},

可知流线或等势线越密集,速度越大。


A6 总流连续方程、伯努利方程与水头线#

A6.1 重要公式、符号与关系#

内容公式说明
总流连续方程Q=vAQ=vA不可压缩恒定总流,各断面相同
实际流体伯努利方程z1+p1ρg+α1v122g+Hp=z2+p2ρg+α2v222g+Ht+hwz_1+\dfrac{p_1}{\rho g}+\alpha_1\dfrac{v_1^2}{2g}+H_p=z_2+\dfrac{p_2}{\rho g}+\alpha_2\dfrac{v_2^2}{2g}+H_t+h_wHpH_p:pump head;HtH_t:turbine head
测压管水头Hp(iez)=z+p/(ρg)H_p^{(iez)}=z+p/(\rho g)hydraulic/piezometric head
总水头H=z+p/(ρg)+αv2/(2g)H=z+p/(\rho g)+\alpha v^2/(2g)total head
水头损失hw=H1H2h_w=H_1-H_2实际流动沿程总水头下降
毕托管v=c2gΔhv=c\sqrt{2g\Delta h}cc 为 Pitot coefficient
文丘里流量计连续方程 + 伯努利方程 + 差压计先把差压计读数换成测压管水头差
泵轴功率Pshaft=ρgQHp/ηP_{shaft}=\rho gQH_p/\etaη\eta 为总效率

三选一列:

  1. 选基准面;
  2. 选两个渐变流/均匀流断面;
  3. 选断面代表点;
  4. 列伯努利方程,并用连续方程消元。

水头线:

EGLHGL=αv22g.\text{EGL}-\text{HGL}=\alpha\frac{v^2}{2g}.

实际流动 EGL 沿流向下降;HGL 可以上升、下降或水平。

A6-1 水箱自由出流#

【教材例题改编】

中文题目: 大水箱通过小孔自由出流,孔中心位于自由液面下 H=4.0 mH=4.0\ \mathrm m。忽略损失和自由液面速度,求出口速度。

English version: A large tank discharges freely through a small orifice located 4.0 m4.0\ \mathrm m below the free surface. Neglect losses and the free-surface velocity. Determine the exit velocity.

答案与讲解

自由面和出口均为大气压:

H=v22g.H=\frac{v^2}{2g}.v=2gH=2×9.81×4=8.86 m/s\boxed{v=\sqrt{2gH}=\sqrt{2\times9.81\times4}=8.86\ \mathrm{m/s}}

这是 Torricelli 定律。

A6-2 突然扩大后测压管水头为何升高#

【21–22 真题】

中文题目: 水平管道突然扩大,A2>A1A_2>A_1。证明即使存在局部水头损失,断面 2 的测压管水头仍高于断面 1。

English version: A horizontal pipe undergoes a sudden expansion, with A2>A1A_2>A_1. Prove that the piezometric head at Section 2 is higher than that at Section 1 even though a local head loss occurs.

答案与讲解

连续方程给出 v1>v2v_1>v_2。伯努利方程:

Hp1+v122g=Hp2+v222g+hj.H_{p1}+\frac{v_1^2}{2g} =H_{p2}+\frac{v_2^2}{2g}+h_j.

突然扩大损失

hj=(v1v2)22g.h_j=\frac{(v_1-v_2)^2}{2g}.

所以

Hp2Hp1=v12v22(v1v2)22g=v2(v1v2)g>0.H_{p2}-H_{p1} =\frac{v_1^2-v_2^2-(v_1-v_2)^2}{2g} =\frac{v_2(v_1-v_2)}{g}>0.Hp2>Hp1\boxed{H_{p2}>H_{p1}}

动能的一部分转化为压强能,另一部分耗散。

A6-3 虹吸管顶部负压#

【课件例题改编】

中文题目: 等径虹吸管出口比上游水箱自由液面低 3.0 m3.0\ \mathrm m,虹吸顶部比自由液面高 2.0 m2.0\ \mathrm m。自由面至顶部和顶部至出口的损失分别为 0.6v2/(2g)0.6v^2/(2g)0.5v2/(2g)0.5v^2/(2g)。取 α=1\alpha=1,求流速及顶部表压水头。

English version: In a constant-diameter siphon, the outlet is 3.0 m3.0\ \mathrm m below the upstream free surface, and the summit is 2.0 m2.0\ \mathrm m above it. The head losses from the free surface to the summit and from the summit to the outlet are 0.6v2/(2g)0.6v^2/(2g) and 0.5v2/(2g)0.5v^2/(2g), respectively. Take α=1\alpha=1. Determine the velocity and the gauge-pressure head at the summit.

答案与讲解

自由面至出口:

3.0=(1+0.6+0.5)v22g.3.0=\left(1+0.6+0.5\right)\frac{v^2}{2g}.v22g=1.4286 m,v=5.29 m/s.\frac{v^2}{2g}=1.4286\ \mathrm m, \qquad \boxed{v=5.29\ \mathrm{m/s}}.

自由面至顶部:

0=2.0+p2ρg+v22g+0.6v22g.0=2.0+\frac{p_2}{\rho g}+\frac{v^2}{2g}+0.6\frac{v^2}{2g}.p2ρg=2.01.6(1.4286)=4.29 m.\frac{p_2}{\rho g}=-2.0-1.6(1.4286)=-4.29\ \mathrm m.p2/(ρg)=4.29 mH2O\boxed{p_2/(\rho g)=-4.29\ \mathrm{mH_2O}}

A6-4 毕托管测速#

【教材例题改编】

中文题目: 毕托管读得动压水头差 Δh=0.25 m\Delta h=0.25\ \mathrm m,毕托管系数 c=0.98c=0.98。求流速。

English version: A Pitot tube measures a dynamic-head difference of 0.25 m0.25\ \mathrm m. The Pitot coefficient is 0.980.98. Determine the flow velocity.

答案与讲解v=c2gΔh=0.982×9.81×0.25.v=c\sqrt{2g\Delta h} =0.98\sqrt{2\times9.81\times0.25}.v=2.17 m/s\boxed{v=2.17\ \mathrm{m/s}}

A6-5 铅直文丘里流量计#

【24–25 真题】

中文题目: 铅直放置的文丘里管测量水流量,d1=0.40 md_1=0.40\ \mathrm md1/d2=2d_1/d_2=2。水银差压计读数 Δh=30 mm\Delta h=30\ \mathrm{mm}。两断面间水头损失为 0.2v22/(2g)0.2v_2^2/(2g)α1=1.0\alpha_1=1.0α2=1.2\alpha_2=1.2。求流量。取水银相对密度 13.613.6

English version: A vertical Venturi meter measures water flow. The inlet diameter is 0.40 m0.40\ \mathrm m and d1/d2=2d_1/d_2=2. A mercury differential manometer reads 30 mm30\ \mathrm{mm}. The head loss between the sections is 0.2v22/(2g)0.2v_2^2/(2g), with α1=1.0\alpha_1=1.0 and α2=1.2\alpha_2=1.2. Determine the discharge. Take the specific gravity of mercury as 13.613.6.

答案与讲解

差压计给出测压管水头差:

Hp1Hp2=(13.61)(0.030)=0.378 m.H_{p1}-H_{p2}=(13.6-1)(0.030)=0.378\ \mathrm m.

连续方程:

A1A2=(d1d2)2=4,v2=4v1.\frac{A_1}{A_2}=\left(\frac{d_1}{d_2}\right)^2=4, \qquad v_2=4v_1.

伯努利方程:

0.378=(α2+0.2)v222gα1v122g.0.378 =\left(\alpha_2+0.2\right)\frac{v_2^2}{2g} -\alpha_1\frac{v_1^2}{2g}.

代入 v1=v2/4v_1=v_2/4

0.378=(1.4116)v222g.0.378=\left(1.4-\frac1{16}\right)\frac{v_2^2}{2g}.

解得

v2=2.355 m/s.v_2=2.355\ \mathrm{m/s}.Q=A2v2=π(0.20)24×2.355=7.40×102 m3/s.Q=A_2v_2=\frac{\pi(0.20)^2}{4}\times2.355 =7.40\times10^{-2}\ \mathrm{m^3/s}.Q0.0740 m3/s\boxed{Q\approx0.0740\ \mathrm{m^3/s}}

A6-6 总水头线与测压管水头线#

【24–25 真题改编】

中文题目: 对一段实际等径管流,说明总水头线 EGL 和测压管水头线 HGL 的相对位置与沿程变化;若管径突然缩小,两线间距如何变化?

English version: For real flow in a constant-diameter pipe, describe the relative positions and streamwise variations of the energy grade line (EGL) and hydraulic grade line (HGL). What happens to their separation when the pipe diameter suddenly decreases?

答案与讲解EGL=z+pρg+αv22g,HGL=z+pρg.\text{EGL}=z+\frac p{\rho g}+\alpha\frac{v^2}{2g}, \qquad \text{HGL}=z+\frac p{\rho g}.

因此 EGL 始终位于 HGL 上方,间距为 αv2/(2g)\alpha v^2/(2g)。实际流动中 EGL 沿流向下降;等径均匀流中速度水头不变,两线平行下降。

突然缩小时 vv 增大,因此两线间距增大,同时局部损失使 EGL 发生额外下降。

A6-7 自由射流末端的水头线#

【教材概念题改编】

中文题目: 管道末端向大气自由出流。说明末端断面 HGL 和 EGL 分别位于何处。

English version: A pipe discharges freely into the atmosphere. State the locations of the HGL and EGL at the outlet section.

答案与讲解

出口处 pg=0p_g=0,所以

HGL=zout,\text{HGL}=z_{out},

即 HGL 通过出口断面的中心(若以中心为代表点)。EGL 比 HGL 高一个速度水头:

EGL=zout+αv22g.\text{EGL}=z_{out}+\alpha\frac{v^2}{2g}.

若出口进入大水池并最终速度降为零,则出口速度水头通常作为出口局部损失耗散。

A6-8 泵的轴功率#

【教材习题改编】

中文题目: 水泵输水流量 Q=0.050 m3/sQ=0.050\ \mathrm{m^3/s},对水流增加的水头为 Hp=20 mH_p=20\ \mathrm m,泵总效率 η=0.80\eta=0.80。求轴功率。

English version: A pump delivers water at Q=0.050 m3/sQ=0.050\ \mathrm{m^3/s} and adds a head of 20 m20\ \mathrm m to the flow. The overall pump efficiency is 0.800.80. Determine the shaft power.

答案与讲解

水流获得的水力功率:

Ph=ρgQHp.P_h=\rho gQH_p.

轴功率应除以效率:

Pshaft=ρgQHpη=1000×9.81×0.050×200.80=12.26 kW.P_{shaft}=\frac{\rho gQH_p}{\eta} =\frac{1000\times9.81\times0.050\times20}{0.80} =12.26\ \mathrm{kW}.Pshaft=12.3 kW\boxed{P_{shaft}=12.3\ \mathrm{kW}}

A7 动量方程与水流作用力#

A7.1 重要公式、符号与关系#

内容公式说明
恒定总流动量方程F=ρQ(β2v2β1v1)\sum\mathbf F=\rho Q(\beta_2\mathbf v_2-\beta_1\mathbf v_1)对每个坐标方向分别列式
多进多出F=outρQβvinρQβv\sum\mathbf F=\sum_{out}\rho Q\beta\mathbf v-\sum_{in}\rho Q\beta\mathbf v速度必须带方向
压力力Fp=pAnout\mathbf F_p=-pA\mathbf n_{out}用表压可自动消去大气压
重力G=ρgVCV\mathbf G=\rho gV_{CV}需要时计入控制体内流体重量
固定平板射流F=ρQv=ρAv2F=\rho Qv=\rho Av^2射流法向速度降为零
180° 转弯射流F=2ρQv=2ρAv2F=2\rho Qv=2\rho Av^2速度改变量为 2v2v
运动平板F=ρA(vu)2F=\rho A(v-u)^2A(vu)A(v-u) 为相对质量流量
动量修正系数β=Au2dAv2A\beta=\dfrac{\int_Au^2\,\mathrm dA}{v^2A}层流圆管 β=4/3\beta=4/3

**控制体受力清单:**压力力 + 固体边界力 + 重力。求“水对管壁的力”时,动量方程先求“管壁对水的力”,最后反号。

A7-1 180° 导叶允许的最大射流速度#

【24–25 真题】

中文题目: 水平圆射流经导叶转弯 180180^\circ 后以相同速度水平射出。射流直径为 dd,支座允许的最大水平力为 FF,忽略能量损失。求最大射流速度。

English version: A horizontal circular water jet is turned through 180180^\circ by a guide vane and leaves horizontally with the same speed. The jet diameter is dd, and the maximum allowable horizontal support force is FF. Neglect energy loss. Determine the maximum jet velocity.

答案与讲解

取来流方向为正。入口速度 +v+v,出口速度 v-v,水的动量变化率为

ρQ(vv)=2ρQv.\rho Q(-v-v)=-2\rho Qv.

导叶所受反力大小

F=2ρQv=2ρAv2,A=πd24.F=2\rho Qv=2\rho Av^2, \qquad A=\frac{\pi d^2}{4}.

所以

vmax=2Fρπd2.\boxed{v_{\max}=\sqrt{\frac{2F}{\rho\pi d^2}}}.

A7-2 射流冲击固定平板#

【教材例题改编】

中文题目: 直径 d=50 mmd=50\ \mathrm{mm} 的水射流以 v=10 m/sv=10\ \mathrm{m/s} 垂直冲击固定平板,冲击后水沿板面流走。求平板所受推力。

English version: A water jet of diameter 50 mm50\ \mathrm{mm} strikes a fixed flat plate normally at 10 m/s10\ \mathrm{m/s} and then flows along the plate. Determine the thrust on the plate.

答案与讲解

冲击后法向速度变为零:

F=ρQv=ρAv2.F=\rho Qv=\rho Av^2.A=π(0.05)24=1.9635×103 m2.A=\frac{\pi(0.05)^2}{4}=1.9635\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}.F=1000×1.9635×103×102=196.3 N.F=1000\times1.9635\times10^{-3}\times10^2 =196.3\ \mathrm N.F=196 N\boxed{F=196\ \mathrm N}

A7-3 射流冲击同向运动平板#

【教材例题改编】

中文题目: 直径 d=40 mmd=40\ \mathrm{mm} 的水射流速度为 v=8 m/sv=8\ \mathrm{m/s},平板沿射流方向以 u=2 m/su=2\ \mathrm{m/s} 运动。求射流对平板的推力。

English version: A water jet of diameter 40 mm40\ \mathrm{mm} travels at 8 m/s8\ \mathrm{m/s}. A flat plate moves in the jet direction at 2 m/s2\ \mathrm{m/s}. Determine the thrust exerted by the jet on the plate.

答案与讲解

单位时间真正撞上平板的水量按相对速度计算:

m˙=ρA(vu).\dot m=\rho A(v-u).

水的绝对速度从 vv 降为 uu,故

F=m˙(vu)=ρA(vu)2.F=\dot m(v-u)=\rho A(v-u)^2.F=1000π(0.04)24(82)2=45.2 N.F=1000\frac{\pi(0.04)^2}{4}(8-2)^2=45.2\ \mathrm N.F=45.2 N\boxed{F=45.2\ \mathrm N}

A7-4 水平 90° 弯管的作用力#

【教材习题改编】

中文题目: 水以 Q=0.030 m3/sQ=0.030\ \mathrm{m^3/s} 流经等径水平 9090^\circ 弯管,管径 d=0.20 md=0.20\ \mathrm m。入口沿 +x+x,出口沿 +y+y,入口、出口表压分别为 150 kPa150\ \mathrm{kPa}100 kPa100\ \mathrm{kPa}。忽略重力和损失,取 β=1\beta=1。求水对弯管的力。

English version: Water flows at 0.030 m3/s0.030\ \mathrm{m^3/s} through a constant-diameter horizontal 9090^\circ bend of diameter 0.20 m0.20\ \mathrm m. The inlet is along +x+x, the outlet along +y+y, and the gauge pressures are 150 kPa150\ \mathrm{kPa} and 100 kPa100\ \mathrm{kPa}. Neglect weight and losses and take β=1\beta=1. Determine the force exerted by the water on the bend.

答案与讲解A=0.031416 m2,v=Q/A=0.955 m/s.A=0.031416\ \mathrm{m^2},\qquad v=Q/A=0.955\ \mathrm{m/s}.

设管壁对水的力为 (Rx,Ry)(R_x,R_y)。动量方程:

Rx+p1A=ρQ(0v),R_x+p_1A=\rho Q(0-v),Ryp2A=ρQ(v0).R_y-p_2A=\rho Q(v-0).

得到

Rx=4.741 kN,Ry=3.170 kN.R_x=-4.741\ \mathrm{kN},\qquad R_y=3.170\ \mathrm{kN}.

水对弯管的力反向:

Fx=+4.741 kN,Fy=3.170 kN.\boxed{F_x=+4.741\ \mathrm{kN},\quad F_y=-3.170\ \mathrm{kN}}.

合力

F=5.70 kN.\boxed{F=5.70\ \mathrm{kN}}.

A7-5 水平喷嘴的轴向反力#

【教材习题改编】

中文题目: 水平喷嘴入口直径 d1=0.10 md_1=0.10\ \mathrm m,出口直径 d2=0.050 md_2=0.050\ \mathrm m,流量 Q=0.020 m3/sQ=0.020\ \mathrm{m^3/s},出口为大气压。忽略损失和重力,求水对喷嘴的轴向作用力。

English version: A horizontal nozzle has inlet diameter 0.10 m0.10\ \mathrm m, outlet diameter 0.050 m0.050\ \mathrm m, and discharge 0.020 m3/s0.020\ \mathrm{m^3/s}. The outlet is at atmospheric pressure. Neglect losses and weight. Determine the axial force exerted by the water on the nozzle.

答案与讲解v1=2.546 m/s,v2=10.186 m/s.v_1=2.546\ \mathrm{m/s},\qquad v_2=10.186\ \mathrm{m/s}.

由伯努利方程:

p1=12ρ(v22v12)=48.6 kPa.p_1=\frac12\rho(v_2^2-v_1^2)=48.6\ \mathrm{kPa}.

对水列动量方程:

R+p1A1=ρQ(v2v1).R+p_1A_1=\rho Q(v_2-v_1).R=152.8381.9=229.1 N.R=152.8-381.9=-229.1\ \mathrm N.

RR 是喷嘴对水的力,故水对喷嘴向下游的力为

229 N downstream.\boxed{229\ \mathrm N\ \text{downstream}}.

A7-6 明渠闸门所受水平力#

【教材习题改编】

中文题目: 水平矩形明渠宽 b=2.0 mb=2.0\ \mathrm m,闸门上、下游水深分别为 h1=1.2 mh_1=1.2\ \mathrm mh2=0.4 mh_2=0.4\ \mathrm m,流量 Q=2.0 m3/sQ=2.0\ \mathrm{m^3/s}。断面压强按静水分布,忽略底面摩阻,求水对闸门的水平力。

English version: A horizontal rectangular channel is 2.0 m2.0\ \mathrm m wide. The upstream and downstream depths across a gate are 1.2 m1.2\ \mathrm m and 0.4 m0.4\ \mathrm m, and the discharge is 2.0 m3/s2.0\ \mathrm{m^3/s}. Assume hydrostatic pressure distributions and neglect bed friction. Determine the horizontal force exerted by the water on the gate.

答案与讲解v1=Qbh1=0.833 m/s,v2=Qbh2=2.50 m/s.v_1=\frac{Q}{bh_1}=0.833\ \mathrm{m/s}, \qquad v_2=\frac{Q}{bh_2}=2.50\ \mathrm{m/s}.

两断面静水压力合力:

Pi=12ρgbhi2.P_i=\frac12\rho gbh_i^2.P1=14.13 kN,P2=1.57 kN.P_1=14.13\ \mathrm{kN},\qquad P_2=1.57\ \mathrm{kN}.

设闸门对水的力为 RR,正向取下游:

P1P2+R=ρQ(v2v1)=3.333 kN.P_1-P_2+R=\rho Q(v_2-v_1)=3.333\ \mathrm{kN}.R=9.22 kN.R=-9.22\ \mathrm{kN}.

因此水对闸门的力向下游:

F=9.22 kN.\boxed{F=9.22\ \mathrm{kN}}.

A7-7 为什么压力力用表压即可#

【23–24 真题改编】

中文题目: 用控制体动量方程计算管件受力时,为什么开口断面上的压力力通常可以直接采用表压?

English version: In a control-volume momentum analysis of a pipe fitting, why can gauge pressure usually be used directly for the pressure forces on open control surfaces?

答案与讲解

若使用绝对压强,控制体外部大气压还会作用于管件和控制面未显式画出的外表面。均匀大气压对封闭控制面的合力为零:

pandA=0.\oint p_a\mathbf n\,\mathrm dA=0.

因此可以把所有压力统一减去 pap_a,直接使用表压,结果不变,且出口对大气时 pg=0p_g=0

A7-8 动量与动能修正系数#

【教材例题改编】

中文题目: 圆管充分发展层流速度分布为 u=2v(1r2/R2)u=2v(1-r^2/R^2)。求动量修正系数 β\beta 和动能修正系数 α\alpha

English version: The fully developed laminar velocity profile in a circular pipe is u=2v(1r2/R2)u=2v(1-r^2/R^2), where vv is the mean velocity. Determine the momentum correction factor β\beta and kinetic-energy correction factor α\alpha.

答案与讲解

定义:

β=Au2dAv2A,α=Au3dAv3A.\beta=\frac{\int_Au^2\,\mathrm dA}{v^2A}, \qquad \alpha=\frac{\int_Au^3\,\mathrm dA}{v^3A}.

s=r/Rs=r/RdA=2πR2sds\mathrm dA=2\pi R^2s\,\mathrm ds,代入积分可得

β=43,α=2.\boxed{\beta=\frac43}, \qquad \boxed{\alpha=2}.

层流速度分布很不均匀,因此 α,β\alpha,\beta 明显大于 1;湍流速度分布较均匀,二者更接近 1。


A8 流动阻力与能量损失#

A8.1 后两章速成路线(一):阻力题先做什么#

看到管流或明渠阻力题,固定按以下顺序:

几何量vRe判流态λ/ζhw伯努利方程\boxed{\text{几何量}\to v\to Re\to\text{判流态}\to\lambda/\zeta\to h_w\to\text{伯努利方程}}
  1. 算面积 AA、湿周 χ\chi、水力半径 R=A/χR=A/\chi;圆管 R=d/4R=d/4
  2. 算平均流速 v=Q/Av=Q/A
  3. 圆管用 Re=vd/νRe=vd/\nu,明渠常用 ReR=vR/νRe_R=vR/\nu
  4. 层流圆管直接用 λ=64/Re\lambda=64/Re;湍流根据光滑、过渡或粗糙区选公式/查图;
  5. 沿程损失与局部损失相加:hw=hf+hjh_w=h_f+\sum h_j
  6. 若未知流量出现在 vvReReλ\lambda 中,通常需要迭代。

A8.2 重要公式、符号与关系#

内容公式说明
Darcy–Weisbachhf=λldv22gh_f=\lambda\dfrac{l}{d}\dfrac{v^2}{2g}非圆管以 dh=4Rd_h=4R 代替 dd
局部损失hj=ζv22gh_j=\zeta\dfrac{v^2}{2g}必须确认 ζ\zeta 对应哪个断面速度
均匀流基本式τ0=ρgRJ\tau_0=\rho gRJJ=hf/lJ=h_f/l
摩阻流速v=τ0/ρv_*=\sqrt{\tau_0/\rho}friction velocity
圆管壁面切应力τ0=λρv2/8\tau_0=\lambda\rho v^2/8与 Darcy 摩阻系数配套
雷诺数Re=vd/νRe=vd/\nu圆管:约 Re<2300Re<2300 层流
层流速度分布u(r)=ρgJ4μ(R2r2)=2v(1r2/R2)u(r)=\dfrac{\rho gJ}{4\mu}(R^2-r^2)=2v(1-r^2/R^2)抛物线分布,umax=2vu_{max}=2v
Hagen–PoiseuilleQ=πd4128μΔplQ=\dfrac{\pi d^4}{128\mu}\dfrac{\Delta p}{l}Qd4Q\propto d^4
层流摩阻系数λ=64/Re\lambda=64/Re与相对粗糙度无关
光滑湍流近似λ0.3164Re0.25\lambda\approx0.3164Re^{-0.25}Blasius,适用于一定 Re 范围
完全粗糙区λ=f(Δ/d)\lambda=f(\Delta/d)与 Re 近似无关
Stokes 阻力FD=3πμduF_D=3\pi\mu du要求 Red<1Re_d<1
Stokes 沉速us=(ρsρ)gd218μu_s=\dfrac{(\rho_s-\rho)gd^2}{18\mu}求完后必须回代检查 Re

A8-1 圆管流态与最大层流速度#

【教材例题 6-1 改编】

中文题目: 水在直径 d=0.10 md=0.10\ \mathrm m 的圆管中以 v=1.0 m/sv=1.0\ \mathrm{m/s} 流动,ν=1.31×106 m2/s\nu=1.31\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}。判断流态;若要求保持层流,最大平均速度是多少?取临界雷诺数 23002300

English version: Water flows in a circular pipe of diameter 0.10 m0.10\ \mathrm m at a mean velocity of 1.0 m/s1.0\ \mathrm{m/s}. The kinematic viscosity is 1.31×106 m2/s1.31\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}. Determine the flow regime and the maximum mean velocity for laminar flow. Use a critical Reynolds number of 23002300.

答案与讲解Re=vdν=1.0×0.101.31×106=7.63×104>2300.Re=\frac{vd}{\nu} =\frac{1.0\times0.10}{1.31\times10^{-6}} =7.63\times10^4>2300.

因此为湍流。最大层流速度:

vmax=Recνd=2300×1.31×1060.10=0.0301 m/s.v_{max}=\frac{Re_c\nu}{d} =\frac{2300\times1.31\times10^{-6}}{0.10} =0.0301\ \mathrm{m/s}.turbulent;vmax,lam=0.030 m/s\boxed{\text{turbulent};\quad v_{max,lam}=0.030\ \mathrm{m/s}}

A8-2 明渠/平流池流态判断#

【教材例题 6-2 改编】

中文题目: 矩形平流池宽 b=7 mb=7\ \mathrm m、水深 h=1.5 mh=1.5\ \mathrm m,流量 Q=0.010 m3/sQ=0.010\ \mathrm{m^3/s}ν=1.31×106 m2/s\nu=1.31\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}。以 ReR=vR/νRe_R=vR/\nu 判断流态,取临界值 575575

English version: A rectangular settling basin is 7 m7\ \mathrm m wide and 1.5 m1.5\ \mathrm m deep. The discharge is 0.010 m3/s0.010\ \mathrm{m^3/s} and ν=1.31×106 m2/s\nu=1.31\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}. Determine the flow regime using ReR=vR/νRe_R=vR/\nu with a critical value of 575575.

答案与讲解A=bh=10.5 m2,χ=b+2h=10 m,A=bh=10.5\ \mathrm{m^2}, \qquad \chi=b+2h=10\ \mathrm m,R=Aχ=1.05 m,v=QA=9.52×104 m/s.R=\frac{A}{\chi}=1.05\ \mathrm m, \qquad v=\frac{Q}{A}=9.52\times10^{-4}\ \mathrm{m/s}.ReR=vRν=9.52×104×1.051.31×106=763>575.Re_R=\frac{vR}{\nu} =\frac{9.52\times10^{-4}\times1.05}{1.31\times10^{-6}} =763>575.turbulent according to the open-channel criterion\boxed{\text{turbulent according to the open-channel criterion}}

A8-3 圆管层流速度分布#

【教材推导题改编】

中文题目: 写出圆管充分发展层流的速度分布,并说明最大速度、平均速度和壁面剪应力之间的关系。

English version: Write the velocity distribution for fully developed laminar flow in a circular pipe, and state the relations among maximum velocity, mean velocity, and wall shear stress.

答案与讲解

由剪应力线性分布与牛顿内摩擦定律积分:

u(r)=dp/dx4μ(R2r2)=umax(1r2R2).u(r)=\frac{-\mathrm dp/\mathrm dx}{4\mu}(R^2-r^2) =u_{max}\left(1-\frac{r^2}{R^2}\right).

截面平均后:

umax=2v,u(r)=2v(1r2R2).\boxed{u_{max}=2v}, \qquad \boxed{u(r)=2v\left(1-\frac{r^2}{R^2}\right)}.

壁面剪应力

τ0=R2dpdx\boxed{\tau_0=-\frac R2\frac{\mathrm dp}{\mathrm dx}}

且从管轴到管壁按 rr 线性增大,管轴处为零。

A8-4 管径变化对层流流量的影响#

【24–25 真题】

中文题目: 圆管层流中,管长和两端压强差保持不变,管径增大一倍。流量变为原来的多少倍?

English version: In laminar flow through a circular pipe, the pipe length and pressure difference are unchanged, while the diameter is doubled. By what factor does the discharge change?

答案与讲解

Hagen–Poiseuille 定律:

Q=πd4128μΔpl.Q=\frac{\pi d^4}{128\mu}\frac{\Delta p}{l}.

因此

Q2Q1=(d2d1)4=24=16.\frac{Q_2}{Q_1}=\left(\frac{d_2}{d_1}\right)^4=2^4=16.Q2=16Q1\boxed{Q_2=16Q_1}

所以“增大一倍后流量变成 2 倍”的判断是错误的。

A8-5 层流摩阻系数、沿程损失与壁面剪应力#

【教材习题改编】

中文题目: 水在 d=0.050 md=0.050\ \mathrm ml=10 ml=10\ \mathrm m 的圆管中以 Q=5.0×105 m3/sQ=5.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^3/s} 流动,ν=1.0×106 m2/s\nu=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}。求 ReReλ\lambdahfh_fτ0\tau_0

English version: Water flows through a circular pipe of diameter 0.050 m0.050\ \mathrm m and length 10 m10\ \mathrm m at Q=5.0×105 m3/sQ=5.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^3/s}. Take ν=1.0×106 m2/s\nu=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}. Determine ReRe, the Darcy friction factor λ\lambda, the friction head loss hfh_f, and the wall shear stress τ0\tau_0.

答案与讲解v=QA=0.02546 m/s,Re=vdν=1273<2300.v=\frac Q A=0.02546\ \mathrm{m/s}, \qquad Re=\frac{vd}{\nu}=1273<2300.

层流:

λ=64Re=0.05027.\lambda=\frac{64}{Re}=0.05027.hf=λldv22g=3.32×104 m.h_f=\lambda\frac ld\frac{v^2}{2g} =3.32\times10^{-4}\ \mathrm m.τ0=λ8ρv2=4.07×103 Pa.\tau_0=\frac{\lambda}{8}\rho v^2 =4.07\times10^{-3}\ \mathrm{Pa}.Re=1273, λ=0.0503, hf=3.32×104 m, τ0=4.07×103 Pa\boxed{Re=1273,\ \lambda=0.0503,\ h_f=3.32\times10^{-4}\ \mathrm m,\ \tau_0=4.07\times10^{-3}\ \mathrm{Pa}}

A8-6 已知摩阻系数求沿程损失#

【教材习题改编】

中文题目: 直径 d=0.30 md=0.30\ \mathrm m、长度 l=1000 ml=1000\ \mathrm m 的管道输水 Q=0.050 m3/sQ=0.050\ \mathrm{m^3/s},已知 Darcy 摩阻系数 λ=0.020\lambda=0.020。求沿程水头损失。

English version: A pipe of diameter 0.30 m0.30\ \mathrm m and length 1000 m1000\ \mathrm m carries water at 0.050 m3/s0.050\ \mathrm{m^3/s}. The Darcy friction factor is 0.0200.020. Determine the friction head loss.

答案与讲解v=Qπd2/4=0.707 m/s.v=\frac{Q}{\pi d^2/4}=0.707\ \mathrm{m/s}.hf=0.02010000.300.70722×9.81=1.70 m.h_f=0.020\frac{1000}{0.30}\frac{0.707^2}{2\times9.81} =1.70\ \mathrm m.hf=1.70 m\boxed{h_f=1.70\ \mathrm m}

A8-7 非圆形过流断面的水力半径#

【教材习题改编】

中文题目: 矩形明渠宽 b=2.5 mb=2.5\ \mathrm m、水深 h=0.30 mh=0.30\ \mathrm m,流量 Q=0.010 m3/sQ=0.010\ \mathrm{m^3/s}ν=1.01×106 m2/s\nu=1.01\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}。求水力半径、水力直径和 ReR=vR/νRe_R=vR/\nu

English version: A rectangular open channel is 2.5 m2.5\ \mathrm m wide and 0.30 m0.30\ \mathrm m deep. The discharge is 0.010 m3/s0.010\ \mathrm{m^3/s} and ν=1.01×106 m2/s\nu=1.01\times10^{-6}\ \mathrm{m^2/s}. Determine the hydraulic radius, hydraulic diameter, and ReR=vR/νRe_R=vR/\nu.

答案与讲解A=bh=0.75 m2,χ=b+2h=3.10 m.A=bh=0.75\ \mathrm{m^2}, \qquad \chi=b+2h=3.10\ \mathrm m.R=Aχ=0.2419 m,dh=4R=0.9677 m.R=\frac{A}{\chi}=0.2419\ \mathrm m, \qquad d_h=4R=0.9677\ \mathrm m.v=QA=0.01333 m/s,v=\frac Q A=0.01333\ \mathrm{m/s},ReR=vRν=3.19×103.Re_R=\frac{vR}{\nu}=3.19\times10^3.R=0.242 m,dh=0.968 m,ReR=3.19×103\boxed{R=0.242\ \mathrm m,\quad d_h=0.968\ \mathrm m,\quad Re_R=3.19\times10^3}

A8-8 光滑区、过渡粗糙区与完全粗糙区#

【24–25 真题改编】

中文题目: 说明湍流光滑区、过渡粗糙区和完全粗糙区中摩阻系数 λ\lambda 分别依赖哪些参数;为什么完全粗糙区中 λ\lambdaReRe 近似无关?

English version: State the parameter dependence of the friction factor λ\lambda in the hydraulically smooth, transitionally rough, and fully rough turbulent regimes. Why is λ\lambda nearly independent of ReRe in the fully rough regime?

答案与讲解
  • 光滑区:λ=f(Re)\lambda=f(Re);粗糙峰完全淹没在黏性底层内;
  • 过渡粗糙区:λ=f(Re,Δ/d)\lambda=f(Re,\Delta/d)
  • 完全粗糙区:λ=f(Δ/d)\lambda=f(\Delta/d)

完全粗糙区中,粗糙峰穿透黏性底层,阻力主要由粗糙元引起的压差阻力决定。增大 ReRe 后黏性作用相对更弱,故 λ\lambdaReRe 不再敏感。

A8-9 黏性底层厚度随流量的变化#

【24–25 真题】

中文题目: 在管径、水温和沿程阻力系数均不变时,流量增大,黏性底层厚度如何变化?

English version: For fixed pipe diameter, water temperature, and friction factor, how does the viscous sublayer thickness change as the discharge increases?

答案与讲解

黏性底层厚度近似满足

δvνv,v=τ0ρ=vλ8.\delta_v\propto\frac{\nu}{v_*}, \qquad v_*=\sqrt{\frac{\tau_0}{\rho}} =v\sqrt{\frac\lambda8}.

ν,λ\nu,\lambda 不变而流量增大时,平均速度 vv 增大,vv_* 增大,因此

δv decreases.\boxed{\delta_v\ \text{decreases}.}

A8-10 局部水头损失#

【教材习题改编】

中文题目: 直径 d=0.10 md=0.10\ \mathrm m 的管道输水 Q=0.010 m3/sQ=0.010\ \mathrm{m^3/s},沿线有入口、弯头和阀门,其局部损失系数分别为 0.50.50.90.92.02.0,均以管内平均速度为基准。求总局部水头损失。

English version: A 0.10 m0.10\ \mathrm m diameter pipe carries water at 0.010 m3/s0.010\ \mathrm{m^3/s}. The line contains an entrance, an elbow, and a valve with loss coefficients 0.50.5, 0.90.9, and 2.02.0, all based on the pipe mean velocity. Determine the total local head loss.

答案与讲解v=QA=1.273 m/s,ζ=3.4.v=\frac{Q}{A}=1.273\ \mathrm{m/s}, \qquad \sum\zeta=3.4.hj=ζv22g=3.41.27322×9.81=0.281 m.h_j=\sum\zeta\frac{v^2}{2g} =3.4\frac{1.273^2}{2\times9.81} =0.281\ \mathrm m.hj=0.281 m\boxed{h_j=0.281\ \mathrm m}

不同管径处的局部构件不能盲目共用同一个速度水头。

A8-11 水库经管道自由出流#

【教材综合题改编】

中文题目: 大水库经直径 d=0.15 md=0.15\ \mathrm m、长度 l=200 ml=200\ \mathrm m 的管道自由出流,水位至出口中心高差为 H=15 mH=15\ \mathrm m。已知 λ=0.025\lambda=0.025,除出口速度水头外,局部损失系数总和 ζ=3.0\sum\zeta=3.0。求流量。

English version: A large reservoir discharges freely through a pipe of diameter 0.15 m0.15\ \mathrm m and length 200 m200\ \mathrm m. The elevation difference between the reservoir surface and the outlet center is 15 m15\ \mathrm m. The friction factor is 0.0250.025, and the sum of local loss coefficients, excluding the outlet velocity head, is 3.03.0. Determine the discharge.

答案与讲解

自由面至自由射流出口:

H=(1+λld+ζ)v22g.H=\left(1+\lambda\frac ld+\sum\zeta\right)\frac{v^2}{2g}.

系数

1+0.0252000.15+3=37.333.1+0.025\frac{200}{0.15}+3=37.333.v=2gH37.333=2.807 m/s.v=\sqrt{\frac{2gH}{37.333}}=2.807\ \mathrm{m/s}.Q=πd24v=0.0496 m3/s.Q=\frac{\pi d^2}{4}v=0.0496\ \mathrm{m^3/s}.Q=4.96×102 m3/s\boxed{Q=4.96\times10^{-2}\ \mathrm{m^3/s}}

A8-12 Stokes 沉降速度与适用性检查#

【教材例题改编】

中文题目: 直径 d=0.050 mmd=0.050\ \mathrm{mm}、密度 ρs=2650 kg/m3\rho_s=2650\ \mathrm{kg/m^3} 的球形颗粒在水中沉降。取 ρ=1000 kg/m3\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}μ=1.0×103 Pas\mu=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{Pa\cdot s}。按 Stokes 定律求终端沉速,并检查 Red<1Re_d<1 是否满足。

English version: A spherical particle of diameter 0.050 mm0.050\ \mathrm{mm} and density 2650 kg/m32650\ \mathrm{kg/m^3} settles in water. Take ρ=1000 kg/m3\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3} and μ=1.0×103 Pas\mu=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{Pa\cdot s}. Use Stokes’ law to determine the terminal settling velocity and check whether Red<1Re_d<1 is satisfied.

答案与讲解

终速时,有效重力等于 Stokes 阻力:

us=(ρsρ)gd218μ.u_s=\frac{(\rho_s-\rho)gd^2}{18\mu}.

d=5.0×105 md=5.0\times10^{-5}\ \mathrm m

us=(26501000)×9.81×(5.0×105)218×103=2.25×103 m/s.u_s=\frac{(2650-1000)\times9.81\times(5.0\times10^{-5})^2}{18\times10^{-3}} =2.25\times10^{-3}\ \mathrm{m/s}.Red=ρusdμ=0.112<1.Re_d=\frac{\rho u_sd}{\mu} =0.112<1.us=2.25×103 m/s,Red=0.112\boxed{u_s=2.25\times10^{-3}\ \mathrm{m/s},\quad Re_d=0.112}

适用性满足。若算出 Red1Re_d\gg1,必须改用其他阻力系数关系,不能继续使用 Stokes 公式。

A8-13 边界层分离与绕流阻力#

【教材思考题改编】

中文题目: 说明平板边界层在顺压梯度与逆压梯度下的变化,并解释逆压梯度为什么可能导致边界层分离。

English version: Describe the behavior of a boundary layer under favorable and adverse pressure gradients, and explain why an adverse pressure gradient may cause boundary-layer separation.

答案与讲解
  • 顺压梯度:沿流向压强降低,外流加速,近壁流体获得动量,边界层较薄,不易分离;
  • 逆压梯度:沿流向压强升高,外流减速,低动量近壁流体受到更强阻滞。

壁面切应力

τw=μ(uy)y=0.\tau_w=\mu\left(\frac{\partial u}{\partial y}\right)_{y=0}.

当逆压梯度足够强时,壁面速度梯度逐渐减小;分离点满足

τw=0.\boxed{\tau_w=0}.

分离后近壁出现回流与尾涡,压差阻力显著增大。流线型物体通过延缓分离来降低压差阻力。


A9 量纲分析与相似理论#

A9.1 后两章速成路线(二):量纲与模型题先做什么#

量纲分析题#

列变量写量纲选基本变量配成 π写函数关系\boxed{\text{列变量}\to\text{写量纲}\to\text{选基本变量}\to\text{配成}\ \pi\text{项}\to\text{写函数关系}}
  • Rayleigh 法适合变量较少、可以合理假设幂乘积的情况;
  • Buckingham π\pi 定理适合变量较多:若有 nn 个变量、量纲矩阵秩为 mm,则有 nmn-m 个独立无量纲群;
  • 基本变量必须量纲独立,并共同覆盖 M,L,TM,L,T

相似模型题#

  1. 统一规定比尺:本节均采用
λx=xpxm\boxed{\lambda_x=\frac{x_p}{x_m}}

其中下标 pp 为 prototype,mm 为 model; 2. 先判断主导力:重力主导选 Froude,相对黏性主导选 Reynolds,压力主导需 Euler; 3. 令对应相似准数相等; 4. 推出速度、时间、流量、力和功率比尺; 5. 检查是否能同时满足多个准则,以及模型流速是否现实。

A9.2 重要公式、准数与比尺关系#

内容表达式物理意义
Reynolds numberRe=vLν=ρvLμRe=\dfrac{vL}{\nu}=\dfrac{\rho vL}{\mu}惯性力/黏性力
Froude numberFr=vgLFr=\dfrac{v}{\sqrt{gL}}惯性力/重力的平方根形式;也常用 Fr2=v2/(gL)Fr^2=v^2/(gL)
Euler numberEu=Δpρv2Eu=\dfrac{\Delta p}{\rho v^2}压力/惯性力
Weber numberWe=ρv2LσWe=\dfrac{\rho v^2L}{\sigma}惯性力/表面张力
Strouhal numberSt=LvtSt=\dfrac{L}{vt}当地惯性/迁移惯性
几何比尺λA=λL2\lambda_A=\lambda_L^2λV=λL3\lambda_V=\lambda_L^3几何相似
Froude 相似λv=λL1/2\lambda_v=\lambda_L^{1/2}λt=λL1/2\lambda_t=\lambda_L^{1/2}λQ=λL5/2\lambda_Q=\lambda_L^{5/2}同一重力场
Froude 力/功率比尺λF=λρλL3\lambda_F=\lambda_\rho\lambda_L^3λP=λρλL7/2\lambda_P=\lambda_\rho\lambda_L^{7/2}P=FvP=Fv
Reynolds 相似λv=λν/λL\lambda_v=\lambda_\nu/\lambda_L同种流体时 λv=1/λL\lambda_v=1/\lambda_L
Euler 相似λΔp=λρλv2\lambda_{\Delta p}=\lambda_\rho\lambda_v^2压差换算

A9-1 常用物理量的量纲#

【23–24 真题改编】

中文题目: 写出 μ\muν\nu、表面张力系数 σ\sigma、压强 pp 和功率 PPMMLLTT 量纲。

English version: State the MMLLTT dimensions of dynamic viscosity μ\mu, kinematic viscosity ν\nu, surface-tension coefficient σ\sigma, pressure pp, and power PP.

答案与讲解[μ]=ML1T1,\boxed{[\mu]=ML^{-1}T^{-1}},[ν]=L2T1,\boxed{[\nu]=L^2T^{-1}},

表面张力是单位长度上的力:

[σ]=MT2,\boxed{[\sigma]=MT^{-2}},[p]=ML1T2,\boxed{[p]=ML^{-1}T^{-2}},[P]=ML2T3.\boxed{[P]=ML^2T^{-3}}.

A9-2 Rayleigh 法求绕流阻力结构#

【教材例题改编】

中文题目: 假设物体绕流阻力 FDF_D 只与流体密度 ρ\rho、来流速度 UU 和特征长度 DD 有关。用 Rayleigh 法确定函数形式。

English version: Assume that the drag force FDF_D on a body depends only on fluid density ρ\rho, free-stream velocity UU, and characteristic length DD. Use the Rayleigh method to determine the functional form.

答案与讲解

FD=kρaUbDc.F_D=k\rho^aU^bD^c.

代入量纲:

MLT2=(ML3)a(LT1)bLc.MLT^{-2}=(ML^{-3})^a(LT^{-1})^bL^c.

比较指数:

a=1,b=2,3a+b+c=1c=2.a=1,\qquad b=2,\qquad -3a+b+c=1\Rightarrow c=2.

所以

FD=kρU2D2.\boxed{F_D=k\rho U^2D^2}.

通常写成

FD=CDρU22A,F_D=C_D\frac{\rho U^2}{2}A,

其中无量纲系数 CDC_D 需要实验确定。

A9-3 Rayleigh 法推导毕托管测速关系#

【教材例题 7-1 / 课件例题】

中文题目: 假设毕托管测得的流速 uu 只与压差 Δp\Delta p、密度 ρ\rho 和重力加速度 gg 有关。用量纲分析确定 uu 的结构形式。

English version: Assume that the velocity measured by a Pitot tube depends only on the pressure difference Δp\Delta p, fluid density ρ\rho, and gravitational acceleration gg. Use dimensional analysis to determine the form of uu.

答案与讲解

u=k(Δp)aρbgc.u=k(\Delta p)^a\rho^bg^c.

量纲方程:

LT1=(ML1T2)a(ML3)b(LT2)c.LT^{-1}=(ML^{-1}T^{-2})^a(ML^{-3})^b(LT^{-2})^c.

比较 M,L,TM,L,T 指数得

a=12,b=12,c=0.a=\frac12,\qquad b=-\frac12,\qquad c=0.

所以

u=kΔpρ.\boxed{u=k\sqrt{\frac{\Delta p}{\rho}}}.

Δp=ρgΔh\Delta p=\rho g\Delta h,则

u=c2gΔh,\boxed{u=c\sqrt{2g\Delta h}},

无量纲常数由理论或标定确定。

A9-4 Buckingham π\pi 定理分析管道压降#

【教材例题 7-3】

中文题目: 水平圆管压降 Δp\Delta p 与管径 dd、管长 ll、平均速度 vv、密度 ρ\rho、动力黏度 μ\mu 和粗糙度 Δ\Delta 有关。用 d,v,ρd,v,\rho 为基本变量,写出无量纲关系。

English version: The pressure drop Δp\Delta p in a horizontal circular pipe depends on diameter dd, length ll, mean velocity vv, density ρ\rho, dynamic viscosity μ\mu, and roughness height Δ\Delta. Using dd, vv, and ρ\rho as repeating variables, obtain the dimensionless relation.

答案与讲解

共有 n=7n=7 个变量,基本量纲数 m=3m=3,因此有 44 个独立 π\pi 项:

π1=Δpρv2,π2=ld,π3=μρvd=1Re,π4=Δd.\pi_1=\frac{\Delta p}{\rho v^2}, \qquad \pi_2=\frac{l}{d}, \qquad \pi_3=\frac{\mu}{\rho vd}=\frac1{Re}, \qquad \pi_4=\frac{\Delta}{d}.

Δpρv2=f(ld,Re,Δd).\boxed{\frac{\Delta p}{\rho v^2} =f\left(\frac ld,Re,\frac\Delta d\right)}.

把压降换成水头损失,可写成

hf=λ(Re,Δd)ldv22g.\boxed{h_f=\lambda\left(Re,\frac\Delta d\right)\frac ld\frac{v^2}{2g}}.

A9-5 相似准数的物理意义#

【24–25、23–24 真题改编】

中文题目: 分别说明 ReReFrFrEuEuWeWe 表征哪两类力的相对大小,并给出各自最典型的应用场景。

English version: State the force ratios represented by ReRe, FrFr, EuEu, and WeWe, and give a typical application for each.

答案与讲解
准数力比典型问题
ReRe惯性力/黏性力管流、边界层、低速绕流
Fr2Fr^2惯性力/重力明渠、溢流坝、船舶兴波
EuEu压力/惯性力压降、泵与风机、压力相似
WeWe惯性力/表面张力液滴、射流破碎、毛细现象

考试填空“Re 表征 ______ 力与 ______ 力之比”应答:

inertia force to viscous force.\boxed{\text{inertia force to viscous force}.}

A9-6 Froude 相似的全套比尺#

【24–25 真题】

中文题目: 原型与模型满足重力相似,采用比尺 λL=Lp/Lm\lambda_L=L_p/L_m,且两者重力加速度与密度相同。推导速度、时间、流量、力和功率比尺。

English version: A prototype and its model satisfy Froude similarity. Define λL=Lp/Lm\lambda_L=L_p/L_m, and assume equal gravitational acceleration and density. Derive the scale ratios for velocity, time, discharge, force, and power.

答案与讲解

Froude 相似:

vpgLp=vmgLm.\frac{v_p}{\sqrt{gL_p}}=\frac{v_m}{\sqrt{gL_m}}.

所以

λv=λL1/2.\boxed{\lambda_v=\lambda_L^{1/2}}.

tL/vt\sim L/v

λt=λL1/2.\boxed{\lambda_t=\lambda_L^{1/2}}.

QvL2Q\sim vL^2

λQ=λL5/2.\boxed{\lambda_Q=\lambda_L^{5/2}}.

由重力/惯性力尺度 FρgL3F\sim\rho gL^3

λF=λL3.\boxed{\lambda_F=\lambda_L^3}.

P=FvP=Fv

λP=λL7/2.\boxed{\lambda_P=\lambda_L^{7/2}}.

A9-7 溢流坝模型流量#

【21–22 真题】

中文题目: 某溢流坝原型特征高度为 12 m12\ \mathrm m,最大流量为 60 m3/s60\ \mathrm{m^3/s}。采用几何相似模型,模型高度为 0.48 m0.48\ \mathrm m,并满足 Froude 相似。求模型最大流量。

English version: A prototype spillway has a characteristic height of 12 m12\ \mathrm m and a maximum discharge of 60 m3/s60\ \mathrm{m^3/s}. A geometrically similar model of height 0.48 m0.48\ \mathrm m is tested under Froude similarity. Determine the maximum model discharge.

答案与讲解λL=120.48=25.\lambda_L=\frac{12}{0.48}=25.

Froude 相似下

λQ=λL5/2=255/2=3125.\lambda_Q=\lambda_L^{5/2}=25^{5/2}=3125.Qm=QpλQ=603125=0.0192 m3/s.Q_m=\frac{Q_p}{\lambda_Q} =\frac{60}{3125}=0.0192\ \mathrm{m^3/s}.Qm=1.92×102 m3/s\boxed{Q_m=1.92\times10^{-2}\ \mathrm{m^3/s}}

A9-8 Reynolds 相似下模型速度#

【教材概念题改编】

中文题目: 管流模型与原型使用同一种流体,长度比尺 λL=Lp/Lm=20\lambda_L=L_p/L_m=20,原型平均速度 vp=2.0 m/sv_p=2.0\ \mathrm{m/s}。若严格满足 Reynolds 相似,求模型速度,并评价其可行性。

English version: A pipe-flow model and prototype use the same fluid. The length scale is λL=Lp/Lm=20\lambda_L=L_p/L_m=20, and the prototype mean velocity is 2.0 m/s2.0\ \mathrm{m/s}. If Reynolds similarity is strictly imposed, determine the model velocity and comment on feasibility.

答案与讲解

同种流体 λν=1\lambda_\nu=1。由

Rep=RemRe_p=Re_m

得到

λv=vpvm=λνλL=120.\lambda_v=\frac{v_p}{v_m}=\frac{\lambda_\nu}{\lambda_L}=\frac1{20}.

所以

vm=20vp=40 m/s.v_m=20v_p=40\ \mathrm{m/s}.vm=40 m/s\boxed{v_m=40\ \mathrm{m/s}}

小模型反而要求更高速度,往往导致试验困难,这正是黏性相似模型的尺度效应来源之一。

A9-9 船模兴波阻力、速度与功率换算#

【教材习题 7-9 改编】

中文题目: 长度比尺 λL=50\lambda_L=50 的船模在速度 vm=1.0 m/sv_m=1.0\ \mathrm{m/s} 时测得兴波阻力 Fm=0.020 NF_m=0.020\ \mathrm N。水的密度相同,按 Froude 相似求原型速度、兴波阻力和对应功率。

English version: A ship model has a length scale λL=50\lambda_L=50. At a model speed of 1.0 m/s1.0\ \mathrm{m/s}, the measured wave-making resistance is 0.020 N0.020\ \mathrm N. Assuming equal water density and Froude similarity, determine the prototype speed, wave-making resistance, and corresponding power.

答案与讲解

速度比尺:

λv=50=7.071,vp=7.071 m/s.\lambda_v=\sqrt{50}=7.071, \qquad v_p=7.071\ \mathrm{m/s}.

力比尺:

λF=503=125000,Fp=0.020×125000=2500 N.\lambda_F=50^3=125000, \qquad F_p=0.020\times125000=2500\ \mathrm N.

功率:

Pp=Fpvp=2500×7.071=17.7 kW.P_p=F_pv_p=2500\times7.071=17.7\ \mathrm{kW}.vp=7.07 m/s,Fp=2.50 kN,Pp=17.7 kW\boxed{v_p=7.07\ \mathrm{m/s},\quad F_p=2.50\ \mathrm{kN},\quad P_p=17.7\ \mathrm{kW}}

这里换算的是兴波阻力;实际总阻力还包含摩擦阻力,需要分项修正。

A9-10 矩形薄壁堰流量的结构形式#

【教材习题 7-4 改编】

中文题目: 矩形薄壁堰的单位时间过流量 QQ 与堰宽 bb、堰上水头 HH 和重力加速度 gg 有关。用 Rayleigh 法确定流量公式的结构形式。

English version: The discharge QQ over a rectangular sharp-crested weir depends on the weir width bb, head HH, and gravitational acceleration gg. Use the Rayleigh method to determine the structural form of the discharge equation.

答案与讲解

Q=kbaHcgd.Q=kb^aH^cg^d.

量纲:

L3T1=LaLc(LT2)d.L^3T^{-1}=L^aL^c(LT^{-2})^d.

时间指数:

2d=1d=12.-2d=-1\Rightarrow d=\frac12.

长度指数:

a+c+d=3.a+c+d=3.

仅靠量纲分析,aacc 仍有一个自由度;由几何上流量与堰宽成正比(a=1a=1),得

c=32.c=\frac32.

因此

Q=CdbgH3/2.\boxed{Q=C_db\sqrt g\,H^{3/2}}.

这道题提醒:量纲分析有时需要额外物理信息,不能凭量纲唯一确定所有指数。

A9-11 为什么同种流体难以同时满足 Re 与 Fr 相似#

【教材思考题改编】

中文题目: 原型和模型使用同种流体、处于同一重力场。证明除 λL=1\lambda_L=1 外,无法同时严格满足 Reynolds 相似和 Froude 相似。

English version: A model and its prototype use the same fluid in the same gravitational field. Prove that exact Reynolds and Froude similarity cannot be satisfied simultaneously unless λL=1\lambda_L=1.

答案与讲解

同种流体下 Reynolds 相似要求

λv=1λL.\lambda_v=\frac1{\lambda_L}.

Froude 相似要求

λv=λL1/2.\lambda_v=\lambda_L^{1/2}.

二者同时成立:

λL1=λL1/2λL3/2=1λL=1.\lambda_L^{-1}=\lambda_L^{1/2} \Rightarrow \lambda_L^{3/2}=1 \Rightarrow \boxed{\lambda_L=1}.

因此真正缩尺模型只能根据主导力选择主要相似准则,或通过改变模型流体黏度来缓解冲突。

A9-12 溢流坝模型数据换算#

【教材习题 7-12 改编】

中文题目: 溢流坝模型长度比尺为 λL=60\lambda_L=60,原型流量为 Qp=500 m3/sQ_p=500\ \mathrm{m^3/s}。按 Froude 相似求模型流量。若模型测得堰上水头 Hm=0.060 mH_m=0.060\ \mathrm m,求原型对应水头。

English version: A spillway model has a length scale λL=60\lambda_L=60, and the prototype discharge is 500 m3/s500\ \mathrm{m^3/s}. Under Froude similarity, determine the model discharge. If the measured model head is 0.060 m0.060\ \mathrm m, determine the corresponding prototype head.

答案与讲解λQ=λL5/2=605/2=2.7885×104.\lambda_Q=\lambda_L^{5/2}=60^{5/2}=2.7885\times10^4.Qm=QpλQ=5002.7885×104=1.793×102 m3/s.Q_m=\frac{Q_p}{\lambda_Q} =\frac{500}{2.7885\times10^4} =1.793\times10^{-2}\ \mathrm{m^3/s}.

水头属于长度量:

Hp=λLHm=60×0.060=3.60 m.H_p=\lambda_LH_m=60\times0.060=3.60\ \mathrm m.Qm=0.0179 m3/s,Hp=3.60 m\boxed{Q_m=0.0179\ \mathrm{m^3/s},\qquad H_p=3.60\ \mathrm m}

考前 20 分钟速记#

1. 最容易混淆的 12 组概念#

易混项必须记住
absolute / gauge pressurepabs=pa+pgp_{abs}=p_a+p_g;汽化压强必须与绝对压强比较
pressure head / piezometric headp/(ρg)p/(\rho g)z+p/(ρg)z+p/(\rho g) 不同
HGL / EGL相差 αv2/(2g)\alpha v^2/(2g);实际流动 EGL 沿程下降
steady / uniform恒定排除时间变化;均匀排除空间变化
local / convective acceleration恒定流当地加速度为零;仍可能有迁移加速度
streamline / pathline恒定流中重合;非恒定流中一般不重合
potential / stream functionu=ϕx=ψyu=\phi_x=\psi_yv=ϕy=ψxv=\phi_y=-\psi_x
plane / curved hydrostatic force平面用 ρghcA\rho gh_cA;曲面拆 FH,FVF_H,F_V
pressure force direction压力总是指向控制体内部:pAnout-pA\mathbf n_{out}
Darcy / local losshf=λ(l/d)v2/(2g)h_f=\lambda(l/d)v^2/(2g)hj=ζv2/(2g)h_j=\zeta v^2/(2g)
pipe / open-channel Reynolds number圆管常用 vd/νvd/\nu;明渠课本常用 vR/νvR/\nu
Re / Fr similarityRe 管黏性;Fr 管重力自由表面;不要见模型题就机械套 Fr

2. 高频结论#

  1. 静水压强在同一点各向同性;静止流体不承受剪应力。
  2. 自由落体容器内有效重力为零,敞口时表压处处为零。
  3. 平面压力中心通常位于形心下方。
  4. 两条流线间单位宽度流量等于 Δψ\Delta\psi
  5. 突然扩大后速度降低、测压管水头升高、总水头下降。
  6. 圆管层流:umax=2vu_{max}=2vα=2\alpha=2β=4/3\beta=4/3λ=64/Re\lambda=64/Re
  7. 层流定压差管流 Qd4Q\propto d^4
  8. 湍流完全粗糙区 λ\lambdaReRe 近似无关。
  9. 流量增大时黏性底层变薄。
  10. Froude 相似:λv=λL1/2\lambda_v=\lambda_L^{1/2}λQ=λL5/2\lambda_Q=\lambda_L^{5/2}

3. 英文题干关键词#

English中文与做题提示
determine / calculate求数值,必须写单位
derive / show that推导,不能只写结论
gauge pressure表压
vacuum pressure真空度
pressure head压强水头 p/(ρg)p/(\rho g)
piezometric head测压管水头 z+p/(ρg)z+p/(\rho g)
total head总水头
head loss水头损失
fully developed flow充分发展流,速度分布沿程不再变化
hydraulically smooth水力光滑
relative roughness相对粗糙度 Δ/d\Delta/d
control volume控制体
resultant force合力
center of pressure压力中心
center of buoyancy浮心
metacenter稳心
dimensional homogeneity量纲和谐/齐次
repeating variables基本变量/重复变量
prototype / model原型 / 模型

4. 计算题最低限度自检#

  • 压强题:用的是表压还是绝对压强?
  • 静水力题:hch_c 是竖直水深,还是沿板距离?
  • 伯努利题:两个断面是否为渐变流/均匀流断面?损失是否漏写?
  • 动量题:速度和压力力是否带方向?最后是否把“壁对水”反号成“水对壁”?
  • 阻力题:先算 ReRe 再选 λ\lambda;局部损失系数对应哪个速度?
  • 模型题:比尺究竟是原型/模型还是模型/原型?全文必须统一。

资料范围与来源说明#

  • 张燕、毛根海主编,《应用流体力学(第 2 版)》,高等教育出版社,教材第 1—7 章;
  • 浙江大学课程英文课件:Fluid Properties、Hydrostatics、Fundamentals of Fluid Motion、Steady Total Flow、Dimensional Analysis and Similarity Principle;
  • 2021–2022、2022–2023、2023–2024、2024–2025 学年流体力学期末卷/回忆卷。
FluidMechanics-Final:流体力学期末复习刷题
https://www.sleepyfish2031.top/posts/课程笔记/流体力学/期末复习刷题/
作者
Sleepyfish
发布于
2026-07-03
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0