水力学：作业及问题详解.doc

'一、单项选择题（每小题3分，共计12分）1．在水力学中，单位质量力是指（c）a、单位面积液体受到的质量力；b、单位体积液体受到的质量力；c、单位质量液体受到的质量力；d、单位重量液体受到的质量力。2．在平衡液体中，质量力与等压面（d）a、重合；b、平行c、相交；d、正交。3．液体只受重力作用，则静止液体中的等压面是（b）a、任意曲面；b、水平面c、斜平面；d、旋转抛物面。4．液体中某点的绝对压强为88kN/m2，则该点的相对压强为（b）a、10kN/m2b、-10kN/m2c、12kN/m2d、-12kN/m2二、填空题（每小题3分，共计12分）1．牛顿摩擦定律适用的条件是层流运动和牛顿液体。2．理想液体的概念是指__________________________________。没有粘滞性的液体3．液体中某点的相对压强值为20kN/m2，则该点的绝对压强值为kN/m2，真空度为。118、04．当压力体与受压面在同一侧，铅垂方向的作用力的方向是向。下三、判断题（每小题3分，共计6分）1．作用任意平面上静水总压力的作用点与平面的形心点重合。（×）2．均质连续静止液体任何一点的测压管水头等于常数。（√）四、问答题（每小题4分，共计8分）1．液体的基本特征是什么？答案：易流动的、不意被压缩的、均匀等向的连续介质。2．什么是液体的粘滞性？它对液体运动有什么影响？答案：对于流动的液体，如果液体部的质点之间存在相对运动，那么液体质点之间也要产生摩擦力来反抗这种相对运动的发生，我们把液体这种相对运动的发生，我们把液体的这种特性称为粘滞性；黏滞性是液体在流动中产生能量损失的根源五、作图题（每小题4分，共计12分）1．试绘制图中AB面上的静水压强分布图2．试绘制图中曲面ABC上的水平方向静水压强分布图及压力体图3．容器充满了液体，测压管液面如图所示，试绘制图中曲面ABC上的压力体图题5–1题5-2六、计算题（共4题，计50分）1.如图所示，平板在水面上作水平运动，速度为v=10cm/s，平板与下部固定底板的距离为δ=1mm，平板带动水流运动速度呈直线分布，水温为20C，试求：作用平板单位面积上的摩擦力。（10分）解:2.图示为复式比压计，已知油的比重为0.8，水银的比重为13.6，求A，B两点的压强差。（12分） 解:3.如图所示矩形平板闸门AB宽b=3m，门重G=9800N，α=60，h1=1m，h2=1。73m。试求：（1）下游无水时启门力T，（2）下游有水时启门力T4.图示为溢流坝上的弧型闸门。已知R=10m，b=8m，α=30°，试求：（1）作用在弧型闸门上的静水总压力。（2）静水总压力作用点的位置。（4分）一、单项选择题（每小题2分，共计10分）1．过水断面是指（b）a、与流线平行的断面；b、与流线正交的横断面c、与流线斜交的横断面；d、与迹线正交的横断面。2．已知液体流动的沿程水力摩擦系数l与边壁粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于（c）a、层流区；b、紊流光滑区；c、紊流过渡粗糙区；d、紊流粗糙区3．有压管道的管径d与管流水力半径的比值d/R=（b）a、8b、4c、2d、14．已知突扩前后有压管道的直径之比d1/d2=1：2，则突扩前后断面的雷诺数之比为（a）a、2b、1c、0.5d、0.255．层流断面流速分布规律符合(c)a、对数分布；b直线分布；c、抛物线分布；d、椭圆分布。二、填空题（每小题2分，共计12分）1．恒定流时流线与迹线_______________。重合2．恒定渐变流过水断面动水压强的分布特性为__其过水断面上各点的测压管水头近似相等_。3．实际液体在流动时产生水头损失的因是_液体具有粘滞性_，外因是_边界条件的影响。4．某种液体流经两根长度相等但粗糙度不同的等直径长直管道，当雷诺数相等时，它们的水头损失在___________和________________流态与流区相等。层流、紊流光滑区5．等直径长直管道中，液体的温度不变，当流量逐渐增大，管道的雷诺数Re将逐渐_增大_。6．判断明渠水流层流或紊流的临界雷诺数Re的数值是_500_。三、判断题（每小题2分，共计12分）1．水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。（×） 2．只有过水断面上各点流速相等的流动才是均匀流（×）3．均匀流与渐变流一定是恒定流，急变流一定是非恒定流。（×）4．根据达西公式hf=λ，层流沿程水头损失与流速平方成正比。（×）5．紊流粗糙区的沿程水头损失系数只与雷诺数有关。（×）6．园管中层流的雷诺数必然大于3000。(×)四、问答题（每小题5分，共计10分）1．总水头线、测压管水头线的关系和沿程变化的特点是什么？答案：均匀的总水头线和测压管水头线是相互平行的直线。2．根据尼古拉兹实验，简单叙述沿程水头损失系数λ在不同流态的变化规律。答案：通过尼古拉兹实验可以发现：在层流中λ仅是雷诺数Re的函数并与Re成反比；在层流到紊流过渡区，λ仅是Re的函数；在紊流光滑区λ=f1（Re）；过渡区λ=f2（Re，）；粗糙区λ=f3（），紊流粗糙区又称为阻力平方区。五、计算题（共5题，计56分）1．管道直径d=10mm，通过流量Q=20cm3/s，运动粘度n=0.0101cm2/s。问管中水流流态属层流还是紊流？若将直径改为d=30mm，水温、流量不变，问管中水流属何种流态？2．图示水箱一侧有一向上开口的短管，箱水位恒定，水通过管嘴向上喷射。若管嘴出口至水箱水面的高度h=5m，管嘴局部水头损失系数z=0.2，取动能校正系数a=1。求管嘴的出流速度v及此射流达到的高度z。（12分）解：3．已知如图所示的文丘里管，管路过流量Q=10l/s，d1=5cm，p1=78.4Pa，如果使断面产生真空压强为6.37kPa，问d2应为多少？（不计水头损失）（12分）解：4．矩形断面渠道中有一平板闸门，渠宽b＝3m。闸前水深H＝4m，闸下收缩断面水深hc=0.8m，已知渠道流量Q=18m3/s。取动能和动量校正系数均为1。求水流作用于闸门上的作用力，并与按静水压强分布计算作用于闸门上的作用力相比较。（12分） 解：5．有一浆砌块石的矩形断面渠道，宽b=6m，当Q=14.0m3/s时，渠中均匀水深h=2m,糙率n=0.025，试求500m长渠道中的沿程水头损失。（12分）解：一、单项选择题（每小题2分，共计6分）1．矩形水力最佳断面的宽深比β=（b）a、1；b、2；c、3；d、42．在缓坡明渠中不可以发生的流动是（b）a、均匀缓流；b、均匀急流；c、非均匀缓流；d、非均匀急流。3．长管的总水头线与测压管水头线（a）a、重合；b、相平行的直线；c、相平行呈阶梯状。二、填空题（每小题2分，共计10分）1．根据管道水头损失计算方法的不同，管道可以分为_______和________。长管、短管2．在水击计算中阀门关闭的时间Ts<水击相长Tr的水击，称为__________水击，把Ts>Tr的水击称为__________水击。直接、间接3．水流在明渠中的流态为缓流时，其水深h_＞_hk，弗汝德数Fr_＜_1。（填写<、=、>符号）4．a2型水面曲线是发生在__陡_坡上的___缓___流（指急流或缓流）的水面线，这时弗汝德数Fr沿程__减小_（指增大、减小或不变）5．已知底宽为b=6m的矩形渠道中，临界水深为hk=1.37m，则渠道通过的流量Q=_5.02_m3/s。三、判断题（每小题2分，共计10分）1．水泵的扬程就是指提水的高程。（×）2．在正坡非棱柱渠道可以形成均匀流。（×）3．在流量和渠道断面形状一定的条件下，水跃的跃后水深随跃前水深的增大而增大。（×）4．断面比能沿流程总是减小的。（×）5．陡坡渠道中产生均匀流必定是急流。（√）四、问答题（每小题4分，共计8分）1．简述明渠均匀流的特征。答案：①过流断面的形状、尺寸和水深沿流程不变；②过流断面上的流速和流速分布沿流程不变，所以流速水头沿程不变；③总水头线、测压管水头线（既水面线）和渠底线三者互相平行。2．判别明渠水流的流态有哪几种方法？答案：①用弗汝德数判别砂；②用微波波速判别；③用临界水深判别；④用临界流速判别。五、作图题（共2题，计8分）1．定性绘出图示管道（短管）的总水头线和测压管水头线。 v0=02．定性绘出图示棱柱形明渠的水面曲线，并注明曲线名称及流态。(各渠段均充分长，各段糙率相同)六、计算题（共6题，计58分）1．图示用直径d=0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道水位为120m，灌溉渠道水位118m，虹吸管各段长度为l1=10m，l2=5m，l3=12m，虹吸管进口安装无底阀的滤网（ζ=2.5）,管道有两个60o的折角弯管（ζ=0.55）。（12分）求：（1）通过虹吸管的流量。（2）当虹吸管最大允许真空值hv=7.0m时，虹吸管最大安装高度。解：2．突然完全关闭管道末端的阀门，产生直接水击。已知水击波速c=1000m/s，水击压强水头H=250m，则管道中原来的流速v0为多少？（7分）3．底宽b=1.5m的矩形明渠，通过的流量为Q=1.5m3/s，已知渠中的水深h=0.4m，则该处水流的流态为解：4．有一混凝土护面的梯形渠道，底宽b=10m，正常水深h=3m，边坡为1:1，底坡i=0.001，糙率n=0.014。如流动在紊流粗糙区，求谢才系数C和均匀流流量。解：5．有一矩形断面混凝土渡槽(n=0.014)，底宽b＝1.5m,槽长L＝116.5m。进口处槽底高程▽=52.06m，当通过设计流量Q＝7.65m3/s时，槽中均匀流水深h0=1.7m，试求渡槽出口的底高程▽2？（10分） 解：6．在矩形断面水平渠道中设一平板闸门，如图所示，闸门与渠道同为宽度b=4m，闸孔出流量Q=12m3/s，闸下收缩断面水深hc=0.4m，产生水跃与下游水流衔接，下游水深ht=1.4m，求跃前水深并判别水跃发生的位置。（12分）解：一、单项选择题（每小题2分，共计6分）1．闸孔出流的流量与闸前水头的（d）成正比。a、1次方b、2次方c、3/2次方d、1/2次方2．底流式消能池中产生的水跃应该是(d) a、远离式水跃，b、临界水跃，c、强淹没水跃，d、淹没系数为1.05～1.1的弱淹没水跃3．对于底坎为平顶堰的闸孔，相对开度e/H＞（a）时的水流运动为堰流。a、0.65b、0.67c、0.75d、2.5二、填空题（每小题3分，共计15分）1．堰、闸出流都属于急变流流，它们的主要区别在于流堰上部没有受到闸门控制，水面是连续的，而闸孔出流受到闸门控制，水面是不连续的，因而过流能力不同。2．溢流堰的过堰流量与堰顶水头的___次方成正比。3/23．当堰顶厚度δ=5m，堰为宽顶堰的堰上水头围是。0.5m＜H＜2m4．泄水建筑物下游发生远驱水跃，下游收缩断面水深hc的共轭水深hc’’_＞__ht。(ht为下游河道的水深，填写<、=、>符号)。5．工程中应用WES实用堰与其它实用堰型相比具有下列优点便于施工控制，节省工程量。三、判断题（每小题3分，共计12分）1．其它条件相同时，实用堰的流量系数大于宽顶堰的流量系数。（×）2．影响WES实用堰流量系数的两个因素是：实际水头H与设计水头Hd之比，上游堰高P与设计水头Hd之比。（×）3．底流消能消力池深度是以通过的最大流量作为设计流量的。（×）4．在无坎宽顶堰的计算中没有侧收缩系数，是因为没有侧收缩影响。（×）四、问答题（每小题4分，共计8分）1．简述堰的分类和相应的水流运动特征。答案：①薄壁堰流。当δ/H＜0.67时，过堰的水舌形状受堰顶厚度δ的影响，水舌下缘与堰顶呈线接触，而且堰顶常做成锐缘形，水面为单一的降落曲线；②实用堰流。当0.67＜δ/H＜2.5时，过堰水流受到堰顶的约束和顶托，水舌与堰顶呈面接触，但水面仍有单一的降落曲线；③宽顶堰流。当2.5＜δ/H＜10时，堰顶厚度对水流的顶托作用更为明显，水流在堰顶进口处出现第一次跌落后，形成与堰顶近乎平行的渐变流段，然后出现第二次跌落（下游水位较低时）。2．简述泄水建筑物下游有哪几种消能形式和它们的特点。答案：①底流消能与衔接。底能消能多用于中、低水头及地质条件较差的泄水建筑物下游；②挑能消能与衔接。多用于高水头、下游河床地质条件好的建筑物末端的消能；③面流消能与衔接。在底部旋滚和表层主流扩散的过程中实现的。五、计算题（共5题，计61分） 1．如图所示，在溢流坝下游收缩断面hc＝0.315m，溢流坝单宽流量q＝2.45m2/s。已知下游水深ht＝1.5m。（1）试判别是否需要修建消力池？(2)如需修建消力池，不考虑挖深影响（hc不变）和出池水面跌落ΔΖ，试设计挖深式消能池的池深d，消力池水跃淹没系数取σ’=1.1。(14分)2．有一5孔WES型实用堰。每孔净宽＝8.0m，堰高P=50m，堰顶设计水头H＝3.2m，溢流堰下接远离式水跃。已知WES型实用堰的设计流量系数md＝0.502，侧收缩系数ε＝0.96，（14分）（1）用堰的设计流量Qd，（2）如果实测堰顶设计水头H＝4.0m，过堰流量Q为500m3/s，试求流量系数解：3．某平底坎水闸，共有10孔，采用平板闸门，每孔宽度为b=4m，闸门开度e=2m，下游水深ht=3m，当通过闸孔的流量Q=470m3/s时，求闸前水头为多少？（10分）解：4．一矩形断面陡槽，如图所示，槽宽b=5m，下接一个宽度相同的缓坡明槽，当通过的流量Q=20m3/s时，陡槽末端水深h1=0.5m，下游水深ht=1.80m，试判别水跃的衔接形式。如果水跃从1一1断面开始发生，所需下游水深应为多少？（12分）解：5．某拦河闸共9孔，每孔宽为14m；闸墩厚为d=3.5m，闸墩头部为半圆形，边墩迎水面为圆弧型，圆弧半径r=5m，计算厚度；闸前水位高程为18m；闸底板高程为6m；闸前行近流速为=3m/s；下游水位不影响出流。试确定闸门全开时的过闸流量。一、单项选择题（每小题3分，共计12分）1.渗流研究的对象是（a）的运动规律。a、重力水；b、毛细水；c、气态水；d、薄膜水。2.水力学模型与原型满足流动相似的充分必要条件是两者的（a）相等。a、弗汝德数Fr；b、雷诺数Re；c、糙率n；d、牛顿数Ne。3.按重力相似准则设计的水力学模型，长度比尺λL=100，模型中水深为0.1米，则原型中对应点水深为和流量比尺为（d） a、1米，λQ=1000；b、10米，λQ=100；c、1米，λQ=100000；d、10米，λQ=100000。4.测量水槽中某点水流流速的仪器有（b）a、文丘里计b、毕托管c、测压管d、薄壁堰二、填空题（每小题3分，共计12分）1.建立渗流模型必须满足渗流流量相等，渗流压力相等，渗流阻力（水头损失）相等。2.渗流达西定律适用的条件是_恒定均匀层流渗流，无渗透变形_。3.渗流系数k与流量Q和相应的水头损失hw有关。4.按重力相似准则设计的溢流坝水力模型，长度比尺λL=25，当模型中某点的流速为vm=o.8m/s，则原型中对应点的流速为vp=__4__m/s。三、判断题（每小题3分，共计15分）1．渗流达西定律适用的条件是恒定均匀层流渗流，并且无渗透变形。（√）2．渗流模型流速与真实渗流流速数值相等。（×）3．两个液流只要在相应点的速度和加速度的大小成比例，则两个液流就是运动相似的。（√）4．进行水力学模型设计，要根据试验场地的大小和供水能力来确定模型的几何比尺。（√）5．棱柱体明渠恒定渐变流的水面曲线有12条，而地下河槽无压渗流的浸润曲线只有4条（×）四、问答题（每小题5分，共计15分）1．建立渗流模型应遵循哪些原则？答案：①通过渗流模型的流量必须和实际渗流的流量相等；②对同一作用面，从渗流模型得出的动水压力应当和真实渗流动水压力相等；③渗流模型的阻力和实际渗流应相等，也就是说水头损失应该相等。2．要实现流动相似三个基本条件以及它们间的关系似什么？答案：几何相似中的长度比尺是设计水力模型的重要参数；运动相似中的流速比尺是检验模型相似性和把模型成果换算到原型的重要依据；动力相似则是模型设计的主要出发点。水力模型相似的三个特征关系：几何相似是基础，动力相似是主导，运动相似是目的。3．简述渗流达西公式与杜皮幼公式有什么不同？答案：达西定律适用于任一点的渗流流速u=kJ，其适用于恒定均匀层流渗流；而杜比公式是适用于恒定非均匀渐变层流渗流，同一过水断面上各点的渗流流速都相等且等于v=kJ。五、计算题（共4题，计46分）1．在实验室中根据达西定律测定某种土壤的渗透系数，将土装入直径d=20cm的达西实验装置的圆筒，在40cm水头的作用下，经过1昼夜测得渗透的水量为15升，两测压管之间的距离为30cm，试求该种土壤的渗透系数。解：2．直径的圆柱形滤水器，滤水层由均匀砂组成，厚1.5m，渗透系数=0.013cm/s，求在H=0.6m的恒定流情况下，滤水器的渗流流量Q。3．某水库进行放空水库的模型试验，模型的几何比尺λL=100，今在模型中测得放空水库所需时间为12小时，试求原型上放空水库所需的时间。解：4．以重力相似原则设计的某水工模型，长度比尺λl=25；若原型中闸孔收缩断面处的平均流速vp=7.5m/s，则确定模型中相应收缩断面处的平均流速vm。如果原型中过闸流量Qp=3000m3/s，则原型中相应的流量为Qm为多少？ （11分）解：'