第一部分　章節(jié)習(xí)題及詳解

第一章　工程流體力學(xué)與流體機(jī)械

第一節(jié)　流體動(dòng)力學(xué)

單項(xiàng)選擇題（下列選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)符合題意）

1．水從水箱中流經(jīng)等徑直管，并經(jīng)過收縮管道泄出（如圖1），若水箱中的水位保持不變，則AB段內(nèi)的流動(dòng)為（　　）。[2008年真題]

圖1

A．恒定流

B．非恒定流

C．非均勻流

D．急變流

【答案】A

【解析】如圖2所示，分別取A，A′，B，B′四點(diǎn)；水箱水面保持不變，水質(zhì)點(diǎn)作恒定流動(dòng)。恒定流是指在流場(chǎng)中任何空間點(diǎn)上所有的運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間改變，并不是說流體質(zhì)點(diǎn)的所有的運(yùn)動(dòng)要素不變，圖2中從B到B′點(diǎn)管道斷面面積逐漸變小，雖然管中流速是變化的（），但該系統(tǒng)水流是恒定流。

圖2

2．圖3所示管道為輸水管道，若不考慮水頭損失，且水箱的水位保持不變，正確的壓強(qiáng)關(guān)系式是（　　）。[2012年真題]

圖3

A．A點(diǎn)的壓強(qiáng)小于B點(diǎn)的壓強(qiáng)

B．C點(diǎn)的壓強(qiáng)小于D點(diǎn)的壓強(qiáng)

C．E點(diǎn)的壓強(qiáng)小于F點(diǎn)的壓強(qiáng)

D．B點(diǎn)的壓強(qiáng)小于C點(diǎn)的壓強(qiáng)

【答案】C

【解析】根據(jù)圖3可知，A、B、C處于同一水平位置，三者的壓強(qiáng)相等，即：，DE段可近似認(rèn)為是虹吸管，則DE段將產(chǎn)生負(fù)壓，即，而F點(diǎn)，所以，所以各點(diǎn)壓強(qiáng)關(guān)系為：。

3．圖4為一管徑不同的有壓彎管，細(xì)管直徑為0.2m，粗管直徑為0.4m，1-1斷面壓強(qiáng)水頭7.0m水柱，2-2斷面壓強(qiáng)水頭為4.0m水柱，已知為1m/s，2-2斷面軸心點(diǎn)比1-1斷面軸心點(diǎn)高1m，判斷水流流向并計(jì)算1、2兩斷面間的水頭損失（　　）。[2008年真題]

圖4

A．水流由1-1流向2-2處，=2.0m

B．水流由2-2流向1-1處，=2.0m

C．水流由1-1流向2-2處，=2.8m

D．水流由2-2流向1-1處，=2.8m

【答案】C

【解析】1-1斷面與2-2斷面壓強(qiáng)差為：，所以水流由1-1流向2-2處。對(duì)1-1斷面和2-2斷面列能量方程：，則得水頭損失為：。由連續(xù)性方程，式中，截面面積。因此，連續(xù)性方程可以變?yōu)椋?img alt="" height="24" src="https://epubservercos.yuewen.com/C15B3B/15436575304236506/epubprivate/OEBPS/Images/image022.png?sign=1756776346-wGuGAYy99tVII8BhyBNbtVDVmAE2fLsC-0-beb72441052ecf5f8f26a0b6d5eff4f1" width="83">，即；則，故水頭損失為：。

4．等直徑圓管中的層流，其過流斷面平均流速是圓管中最大流速的（　  ）。[2007年真題]

A．1.0倍

B．1/3倍

C．1/4倍

D．1/2倍

【答案】D

【解析】當(dāng)圓管中的流態(tài)為層流時(shí)，斷面上各點(diǎn)的流速可用公式計(jì)算：。最大流速u_max發(fā)生在r=0的管軸心處，則；斷面平均流速經(jīng)積分計(jì)算后可得，所以，即平均流速是最大流速的一半。

5．如圖5，下列相互之間可以適用于總流能量方程的斷面是（　  ）。[2011年真題]

圖5

A．1-1斷面和2-2斷面

B．2-2斷面和3-3斷面

C．1-1斷面和3-3斷面

D．3-3斷面和4-4斷面

【答案】C

【解析】由能量方程推導(dǎo)過程可知，能量方程的應(yīng)用必須滿足以下條件：即恒定流、不可壓縮流體、僅受重力作用、所取斷面必須是漸變流（兩斷面可有急變流段）、兩斷面間無機(jī)械能的輸入或輸出、也無流量的匯入或分出。選取的斷面為均勻流斷面或漸變流斷面，符合要求的只有1-1斷面和3-3斷面。因?yàn)橹挥芯鶆蛄骰驖u變流斷面上壓強(qiáng)分布符合靜壓分布規(guī)律，這樣才適用于恒定總流能量方程。

6．從物理意義上看，能量方程表示的是（　  ）。[2010年真題]

A．單位重量液體的位能守恒

B．單位重量液體的動(dòng)能守恒

C．單位重量液體的壓能守恒

D．單位重量液體的機(jī)械能守恒

【答案】D

【解析】已知能量方程為：H=，H為總水頭，表示單位重量流體的總能量或總機(jī)械能。理想流體伯努利方程式表明，單位重量流體所具有的位能、壓能和動(dòng)能之和沿同一流線保持不變；或者說，總水頭沿流程保持不變，即理想流體在流動(dòng)時(shí)無能量損失，但是，位能、壓能、動(dòng)能之間可以相互轉(zhuǎn)化。

7．下列說法，（　　）項(xiàng)是正確的。[2009年真題]

A．實(shí)際液體恒定元流的總水頭線是水平線，測(cè)壓管水頭線可能下降，也可能上升

B．理想流體在漸擴(kuò)管道中恒定運(yùn)動(dòng)，測(cè)壓管水頭線是沿程上升的；在漸縮管道中恒定運(yùn)動(dòng)，測(cè)壓管水頭線是沿程下降的

C．實(shí)際流體的位置水頭、壓強(qiáng)水頭、流速水頭和水頭損失之和成為總水頭

D．理想流體在管道進(jìn)口、閥門等處，由于存在局部水頭損失，總水頭先突然下降

【答案】B

【解析】實(shí)際流體的伯努利方程各項(xiàng)及總水頭、測(cè)壓管水頭的沿程變化可用幾何曲線表示（如圖6所示）。水經(jīng)過流斷面（流通截面）的測(cè)壓管水頭連線稱為測(cè)壓管水頭線，而總水頭的連線則稱為總水頭線。對(duì)于實(shí)際流體，由于流體在流動(dòng)過程中總是有壓頭損失，故其總水頭線總是沿程下降的。測(cè)壓管水頭線沿流動(dòng)方向可以上升也可以下降，這是因?yàn)檠亓鲃?dòng)方向，流速可能因?yàn)楣軓降淖兇螅ɑ蜃冃。┒冃。ɑ蜃兇螅磩?dòng)能水頭變化可影響測(cè)壓管水頭的變化。

圖6  測(cè)壓管水頭線和總水頭線

8．設(shè)水流由水塔經(jīng)鉛垂圓管噴流入大氣，如圖7所示。己知水箱水面距出口斷面間H=7m，，出口噴嘴直徑，若不計(jì)能量損失，試求管內(nèi)離出口斷面4m處斷面A的壓強(qiáng)（動(dòng)能修正系數(shù)取1.0，且水塔水面面積很大）（　  ）。[2009年真題]

圖7

A．

B．

C．

D．

【答案】C

【解析】若忽略水頭損失，則的值保持為常數(shù)。而在自由液面（水塔水面）和出口B處的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)（p=0）。故若對(duì)水塔水面、A、B列伯努利方程，則有：

，所以，水塔水面面積很大，可認(rèn)為V=0。A、B兩處通過的流量相等，則有：，

所以=H--=H--=7-4-0.1296×7=2.0929m，A的壓強(qiáng)，代入數(shù)值得：

=1000×9.8×2.0929=。

9．應(yīng)用恒定總流伯諾利方程進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，一般要取兩個(gè)過流斷面，這兩個(gè)過流斷面可以是（　　）。[2007年真題]

A．一個(gè)為急變流斷面，另一個(gè)為均勻流斷面

B．一個(gè)為急變流斷面，另一個(gè)為漸變流斷面

C．兩個(gè)都是漸變流斷面

D．兩個(gè)都是急變流斷面

【答案】C

【解析】不可壓縮實(shí)際流體（按1kg流體計(jì)）的伯努利方程式為：

（1）

若將式（1）兩邊同除以重力加速度g，又令，，則可得到以單位重量（1N）流體為基準(zhǔn)的伯努利方程式：

（2）

實(shí)際流體的伯努利方程式的適用條件包括：①適用于不可壓縮流體、穩(wěn)定流動(dòng)；②適用于兩過流斷面之間沒有分流或合流的情況，若有分流或合流，只要沿著流股，取1kg流體，式（1）照樣可用；③式（1）的計(jì)算基準(zhǔn)是單位質(zhì)量流體，式（2）的計(jì)算基準(zhǔn)是單位重量流體，不能取全部流體來計(jì)算；④兩個(gè)過流斷面必須是均勻流動(dòng)或漸變流斷面。

10．如圖8所示，從水面保持恒定不變的水池中引出一管路，管路由三段管道組成，在管路末端設(shè)有閥門，當(dāng)閥門開度一定，水流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，試問管段Ⅱ的水流為何種流動(dòng)？（　　）

圖8

A．非恒定均勻流

B．恒定均勻流

C．恒定漸變流

D．非恒定漸變流

【答案】C

【解析】水面保持恒定不變的情況下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ管段的流動(dòng)屬于恒定流，其中Ⅰ、Ⅲ管段屬于均勻流，Ⅱ管段屬于漸縮管段，因此水流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Ⅱ管段屬于漸變流。漸變流是指流動(dòng)速度大小和方向隨流向變化，但變化很小，流線近乎為平行直線，過流斷面可近似認(rèn)為是平面，在過流斷面上，壓力分布服從靜力學(xué)方程。常見的漸變流是管件（如彎頭、突然擴(kuò)大、突然縮小、三通等）或閥門后面的等徑直管內(nèi)的流動(dòng)。

11．恒定流是指流場(chǎng)內(nèi)任意兩點(diǎn)間的流速矢量相等，該描述（　　）。

A．正確

B．錯(cuò)誤

C．不確定

D．不完全

【答案】B

【解析】恒定流是指流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)處的流速、壓力、密度等與流動(dòng)有關(guān)的物理參數(shù)都不隨時(shí)間而變化，其運(yùn)動(dòng)要素僅僅是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，而與時(shí)間無關(guān)，但速度矢量包括大小與方向，故在不同的空間點(diǎn)，其速度矢量不相等。

12．在水箱上接出一條長(zhǎng)直的漸變錐管管段，末端設(shè)有閥門以便控制流量。若水箱內(nèi)水面不隨時(shí)間變化、閥門的開度固定，此時(shí)，管中水流為（　　）。

A．恒定均勻流

B．恒定非均勻流

C．非恒定均勻流

D．非恒定非均勻流

【答案】B

【解析】若水箱內(nèi)水面不隨時(shí)間變化、閥門的開度固定，即管內(nèi)水流流速不隨時(shí)間變化，為恒定流；因?yàn)槭菨u變錐管，在管內(nèi)不同位置，隨著管徑不同，管內(nèi)質(zhì)點(diǎn)速度不同，即管內(nèi)水流流速隨位置變化，存在遷移加速度，為非均勻流。

13．流體在直管內(nèi)流動(dòng)造成阻力損失的根本原因是（　　）。

A．層流

B．湍流

C．有旋渦

D．流體有黏性

【答案】D

【解析】由牛頓黏性定律可知，在水中或空氣中運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)受到來自于它們的阻力，這些阻力產(chǎn)生的根本原因就是流體的黏性。對(duì)于液體，由于液體分子間平均距離比氣體要小得多，黏性力主要由分子間的吸引力所產(chǎn)生。

14．理想流體中沒有（　  ）。

A．壓力

B．質(zhì)量力

C．重力

D．黏性應(yīng)力

【答案】D

【解析】在水中或空氣中運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)受到來自于它們的阻力，這些阻力產(chǎn)生的根本原因就是流體的黏性。是衡量流體黏性大小的一個(gè)物理量，稱為黏滯系數(shù)或黏度。黏度為零的流體稱為理想流體。

15．如圖9所示，從水面保持恒定不變的水池中引出一管路，管路由兩段管道組成，在管路末端設(shè)有一閥門，當(dāng)閥門開度一定時(shí)，試問左邊管段的水流為何種流動(dòng)?（　　）

圖9

A．急變流

B．非均勻流

C．恒定流

D．非恒定流

【答案】C

【解析】如圖10分別取A，A′，B，B′四點(diǎn)，水箱水面保持不變，水質(zhì)點(diǎn)作恒定流動(dòng)。恒定流是指在流場(chǎng)中任何空間點(diǎn)上所有的運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間改變，并不是說流體質(zhì)點(diǎn)的所有的運(yùn)動(dòng)要素不變，圖10中從B到B'點(diǎn)管道斷面面積逐漸變小，雖然管中流速是變化的（），但該系統(tǒng)水流是恒定流。

圖10

16．連續(xù)性方程表示（　　）守恒。

A．質(zhì)量

B．動(dòng)量

C．能量

D．熱量

【答案】A

【解析】連續(xù)性方程是根據(jù)質(zhì)量守恒，即單位時(shí)間內(nèi)控制體內(nèi)部的流體質(zhì)量的增加等于通過控制體面凈流入的質(zhì)量可推導(dǎo)得出連續(xù)性方程。

17．伯努利方程式如以單位體積流體為基準(zhǔn)，則可表示為（　　）。

A．

B．

C．

D．

【答案】C

【解析】以單位重量（1N）流體為基準(zhǔn)的伯努利方程式為：

，又因?yàn)?img alt="" height="41" src="https://epubservercos.yuewen.com/C15B3B/15436575304236506/epubprivate/OEBPS/Images/image064.png?sign=1756776346-zOBrQXwkfhF6sFHUJaDdy7cj4L7lPIxy-0-3783f202526fcc36c83bf81b16096869" width="91">，故以單位體積流體為基準(zhǔn)的伯努利方程式為：

。

18．應(yīng)用恒定總流伯努利方程進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，一般要取兩個(gè)過流斷面，這兩個(gè)過流斷面可以是（　　）。

A．一個(gè)是急變流斷面，另一個(gè)為均勻流斷面

B．一個(gè)是急變流斷面，另一個(gè)為漸變流斷面

C．兩個(gè)都是漸變流斷面

D．兩個(gè)都是急變流斷面

【答案】C

【解析】實(shí)際流體伯努利方程的適用條件是：恒定流動(dòng)，質(zhì)量力只有重力，不可壓縮流體，過流斷面為漸變流斷面，兩斷面間無分流和匯流。

19．如圖11所示，有一個(gè)平板閘門寬B為2m，當(dāng)通過一定流量時(shí)，閘前水深h為4m，閘孔后收縮斷面水深h_C為0.5m。不計(jì)水頭損失，則此時(shí)的通過流量Q為（　　）m³/s。

圖11

A．7.65

B．8.35

C．9.25

D．10.0

【答案】B

【解析】以閘后水面為基準(zhǔn)面，以閘前水面和閘后水面為分析斷面，列伯努利方程可得到：

，其中，水面和出口面處均為大氣壓強(qiáng)，即P₁=P₂=0，閘前水面足夠大，流速近似為零，即u₁=0；則z₁=z₂+，故可得閘后流速為==8.35m/s，流量

Q=Bh_Cv₂=2×0.5×8.35=8.35m³/s。

20．下面不屬于恒定總流伯努利方程應(yīng)用條件的是（　　）。

A．基準(zhǔn)面可隨意選取，以方便為原則

B．選擇控制面（脫離體），注意全面分析外力

C．過流斷面必須是均勻流或漸變流斷面

D．流動(dòng)必須是恒定流，且流體是不可壓縮的

【答案】B

【解析】由能量方程推導(dǎo)過程可知，能量方程必須滿足以下條件方可應(yīng)用，即恒定流、不可壓縮流體、僅受重力作用、所取斷面必須是漸變流（兩斷面可有急變流段）、兩斷面間無機(jī)械能的輸入或輸出、也無流量的匯入或分出。

21．總壓線和勢(shì)壓線之間的鉛直距離代表（　　）。

A．位能

B．靜壓能

C．動(dòng)能

D．摩擦阻力

【答案】C

【解析】單位體積流體為基準(zhǔn)的機(jī)械能衡算方程為：

△△

式中各項(xiàng)的單位均為，即Pa（=N·）。△為以單位體積流體計(jì)的外加能量，△稱為壓力損失。將位能ρgz和靜壓p之和稱為勢(shì)壓，將各過流斷面上的勢(shì)壓連成線則稱為勢(shì)壓線。靜壓p和動(dòng)壓ρ/2之和稱為全壓。位壓ρgz、靜壓p和動(dòng)壓ρ/2之和稱為總壓，用P表示，即P=ρgz+p+ρ/2，將各過流斷面上的總壓連成線則稱為總壓線。顯然，總壓線和勢(shì)壓線之間的鉛直距離代表動(dòng)能。

22．（　  ）的總水頭線是水平線。

A．黏性不可壓縮流

B．理想不可壓縮流

C．恒定流

D．非恒定流

【答案】B

【解析】若流體為理想流體，由伯努利方程可知，沿流動(dòng)方向各過流斷面的總水頭相等，即總水頭線為一條水平直線。總水頭與測(cè)壓管水頭相差一個(gè)動(dòng)壓頭，因此，將總水頭減去動(dòng)壓頭就可繪出測(cè)壓管水頭線。而動(dòng)壓頭與管徑的四次方成反比，故沿流動(dòng)方向測(cè)壓管水頭線隨管徑變大（或變小）而上升（或下降）。

23．在圖12中，3個(gè)垂直細(xì)直管的液面高度從左到右依次（　　）。（忽略阻力損失）

圖12

A．降低

B．升高

C．相同

D．左右兩根的液面高度相同，中間的最低

【答案】D

【解析】由進(jìn)口液位到出口液位，因無阻力損失，故由總流能量方程知：總水頭（位頭+靜壓頭+動(dòng)壓頭）不變，因左右兩根小管處于等管徑處，動(dòng)壓頭不變，故靜壓頭與位頭之和不變，所以，左右兩根小管內(nèi)的液面（代表位頭+靜壓頭）相平；中間小管由于管道收縮，流速增大，動(dòng)壓頭增大，（位頭+靜壓頭）減小，故管內(nèi)液位低于左右兩根。

24．對(duì)于實(shí)際流體，在繪制管路系統(tǒng)的總水頭線與測(cè)壓管水頭線時(shí)，其基本規(guī)律之一是（　　）。

A．總水頭線總是沿程上升的

B．測(cè)壓管水頭線總是沿程下降的

C．測(cè)壓管水頭線一定在總水頭線的上方

D．測(cè)壓管水頭線一定在總水頭線的下方

【答案】D

【解析】A項(xiàng)，對(duì)于實(shí)際流體，由于流體在流動(dòng)過程中總有壓頭損失，所以其總水頭線總是沿程下降的，對(duì)于理想流體，其總水頭線是一條水平直線。B項(xiàng)，由于沿流動(dòng)方向，流速可能因?yàn)楣軓降淖兇螅ɑ蜃冃。┒冃。ɑ蜃兇螅詼y(cè)壓管水頭線沿流動(dòng)方向可以上升也可以下降。CD兩項(xiàng)，總水頭為：；測(cè)壓管水頭為：。可見，各斷面的單位重量流體總水頭（總的機(jī)械能）為測(cè)壓管水頭與流速水頭之和。總水頭線總是在測(cè)壓管水頭線的上方。

25．流量一定，管徑沿程減小時(shí)，測(cè)壓管水頭線（　　）。

A．可能沿程上升也可能沿程下降

B．總是與總水頭線平行

C．只能沿程下降

D．不可能低于管軸線

【答案】C

【解析】位頭z、靜壓頭P/（ρg）和動(dòng)壓頭u²/（2g）之和在水力學(xué)中稱為總水頭，用H表示，即H=z+P/（ρg）+u²/（2g），其中位頭z和靜壓頭P/（ρg）之和在水力學(xué)中稱為測(cè)壓管水頭。由于實(shí)際流體的粘滯性造成的流動(dòng)阻力，總水頭H沿程總是下降的；流量一定時(shí)，管徑減小，流速u增大，動(dòng)壓頭u²/（2g）增大，從而測(cè)壓管水頭線下降。

26．對(duì)于氣體流動(dòng)，若不考慮氣體的重度和高程差，要繪制全壓線，下列說法正確的是（　　）。

A．全壓線與液流的測(cè)壓管水頭線相對(duì)應(yīng)

B．全壓線與液流的總水頭線相對(duì)應(yīng)

C．全壓線與管道軸線相對(duì)應(yīng)

D．以上三種說法都不對(duì)

【答案】B

【解析】全壓線是在流體力學(xué)中，為了反映氣流沿程的能量變化，而與總水頭線相對(duì)應(yīng)的圖形，將各流通斷面上的總壓連成線就是全壓線。

27．對(duì)于氣體流動(dòng)，若需要考慮氣體的容重γ和高程差z，要繪制總壓線與勢(shì)壓線和位壓線。下列正確的說法是（　　）。

A．總壓線與液流的測(cè)壓管水頭線相對(duì)應(yīng)　 

B．位壓線與液流的總水頭線相對(duì)應(yīng)

C．勢(shì)壓線與液流的測(cè)壓管水頭線相對(duì)應(yīng)　 

D．總壓線與管道軸線相對(duì)應(yīng)

【答案】C

【解析】對(duì)于氣體流動(dòng)的伯努利方程有：，式中p₁，p₂為靜壓；，稱為動(dòng)壓；（γ_a-γ）（z₂-z₁）為位壓，與流體流動(dòng)的水流位置水頭相對(duì)應(yīng)；勢(shì)壓=靜壓+位壓=p₁+（γ_a-γ）（z₂-z₁），與流體流通的測(cè)壓管水頭相對(duì)應(yīng)。