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第一章 流体及其主要物理性质例1:已知油品的相对密度为0.85,求其重度。解:例2:当压强增加5104Pa时,某种液体的密度增长0.02%,求该液体的弹性系数。解:例3:已知:A1200cm2,V0.5m/s 10.142Pa.s,h11.0mm 20.235Pa.s,h21.4mm 求:平板上所受的内摩擦力F绘制:平板间流体的流速分布图及应力分布图解:(前提条件:牛顿流体、层流运动) 因为 12所以 第二章 流体静力学例1:如图,汽车上有一长方形水箱,高H1.2m,长L4m,水箱顶盖中心有一供加水用的通大气压孔,试计算当汽车以加速度为3m/s2向前行驶时,水箱底面上前后两点A、B的静压强(装满水)。解:分析:水箱处于顶盖封闭状态,当加速时,液面不变化,但由于惯性力而引起的液体内部压力分布规律不变,等压面仍为一倾斜平面,符合等压面与x轴方向之间的夹角 例2:(1)装满液体容器在顶盖中心处开口的相对平衡分析:容器内液体虽然借离心惯性力向外甩,但由于受容器顶限制,液面并不能形成旋转抛物面,但内部压强分布规律不变:利用边界条件:r0,z0时,p0作用于顶盖上的压强:(表压)(2)装满液体容器在顶盖边缘处开口的相对平衡压强分布规律: 边缘A、B处:rR,z0,p0 作用于顶盖上的压强:例3:已知:r1,r2,h求:0解: (1) (2)因为 所以 例4已知:一圆柱形容器,直径D1.2m,完全充满水,顶盖上在r00.43m处开一小孔,敞开测压管中的水位a0.5m,问此容器绕其立轴旋转的转速n多大时,顶盖所受的静水总压力为零?已知:D1.2m,r00.43m,a0.5m求:n解:据公式 坐标如图,则 ,代入上式积分: (*)由题意条件,在A点处:rr0,z0,pa则 所以 所以 当z0时: 它是一旋转抛物方程:盖板上静压强沿径向按半径的二次方增长。而 所以 即 则 所以 代入数据得:n7.118转/秒例5:闸门宽1.2m,铰在A点,压力表G的读数为14700Pa,在右侧箱中装有油,其重度08.33KN/m3,问在B点加多大的水平力才能使闸门AB平衡?解:把p0折算成水柱高: 相当于液面下移1.5m,如图示虚构液面则左侧:压力中心距A点:3.1121.11m右侧: 设在B点加水平力F使闸门AB平衡,对A点取矩 MA0即 例6:一示压水箱的横剖面如图所示,压力表的读数为0.14个大气压,圆柱体长L1.2m,半径R0.6m求:使圆柱体保持如图所示位置所需的各分力(圆柱体重量不计)。解:水平分力: 垂直分力: 第三章 流体运动学与动力学基础例1:已知: 求:t0 时,A(1,1)点流线的方程。解: 积分:ln(x+t)=-ln(-y+t)+C (x+t) (-y+t)=C当t0时,x1,y1,代入上式得: C1所以,过A(1,1)点流线的方程为:xy1例2、伯努利方程式的应用实例例21 : 一般水力计算问题有一喷水装置如图示。已知h10.3m,h21.0m,h32.5m,求喷水出口流速,及水流喷射高度h(不计水头损失)。解: 以33断面为基准面,列11、33两断面的能量方程:以22断面为基准面,列22、44两断面的能量方程:所以, 例22: 节流式流量计 已知:U形水银压差计连接于直角弯管,d1300mm,d2100mm,管中流量Q100L/s试问:压差计读数h等于多少? (不计水头损失)解:以00断面为基准面,列11、22两断面的能量方程:又 , 由等压面aa得压强关系:则 所以 例2-3: 毕托管原理3水从立管下端泄出,立管直径为d50mm,射流冲击一水平放置的半径R150mm的圆盘,若水层离开盘边的厚度1mm求:流量Q及汞比压计的读数h。水头损失不计。分析: 11: p1(0), V1(?), z1() 22: p2(0), V2(?), z2() 33: p3( ?), V3(0), z3()(驻点)每点都有一个未知数,可对任何两点列方程。解: 以圆盘为基准面,列11、22两断面的能量方程: 列11、3点的能量方程: 据连续性方程: 代入式: (忽略/2)V28.74m/s, V1=4.196m/sV1代入式: 所以: 例24: 流动吸力图示为一抽水装置,利用喷射水流在吼道断面上造成的负压,可将M容器中的积水抽出。已知:H、b、h(不计损失),求:吼道有效断面面积A1与喷嘴出口断面面积A2之间应满足什么样的条件能使抽水装置开始工作?解:以11为基准面,列00、11断面的能量方程: 以00为基准面,列11、22断面的能量方程: 要使抽水机工作:则:又因为:所以:例3:水头线(局部损失不计)例4: 已知:Q0.001m3/s,D0.01m Hw吸1m,hw排25m求:H?pB?N泵?解:取11、22断面列伯努利方程:取11、B断面列伯努利方程:例5:动量方程 已知:一个水平放置的90弯管输送水 d1150mm,d275mm p12.06105Pa,Q0.02m3/s求:水流对弯管的作用力大小和方向(不计水头损失)分析: 11: p1(), V1(可求), z1() 22: p2(?), V2(可求), z2()解:取1-1、2-2两断面列伯努利方程所以,对选取的控制体列动量方程:x方向:y方向:所以,所以,水流对弯管壁的作用力为F的反作用力F,大小相等,方向相反。第四章 流动阻力和水头损失例1:在圆管层流中,沿壁面的切应力0与管径 d、流速 V 及粘性系数 有关,用量纲分析法导出此关系的一般表达式。解:n4,应用雷利法,假设变量之间可能的关系为一简单的指数方程: (k为实验系数)按MLT写出因次式为:对因次式的指数求解对于M: 1z L:1xyz T:2yz所以 x1,y1,z1代入函数式得: (实验已证实:)例2:已知液体在管路中流动,压力坡度,与下列因素有关:,V,D,。试用因次分析方法确定变量间的函数关系式,并得出计算hf的公式解:(1);(2)选, V, D为基本的物理量(3)建立3个无因次项对于1项:对于 M: 01+a1 L: 013a1+b1+c1 T: 01b1所以 a11, b1 1, c1 1对于2项:对于 M:0a2 L: 013a2+b2+c2 T: 0b2所以 a20, b2 0, c2 1对于3项:对于 M:01+a3 L: 023a3+b3+c3 T: 02b3所以 a31, b3 2, c31(4)所以,令,则达西公式沿程阻力系数例3油泵抽贮油池中的石油,为保证不发生漩涡及吸入空气,必须用实验方法确定最小油位h,已知原型设备中吸入管直径dn=250mm,n=0.7510-4m2/s,Qn=140L/s,实验在1:5的模型中进行,试确定(1) 模型中m=?, Qm=?,Vm=?(2) 若模型中出现漩涡的最小液柱高度hm=60mm,求hn=?分析:重力、惯性力、粘性力,特征长度为d解:Ren = Rem ,gn=gm,Vm1.27m/s,代入(1)得m=0.06810-4m2/shn= hm5300mm例4流速由V1变为V3的突然扩大管,为了减小阻力,可分两次扩大,问中间级V2取多大时,所产生的局部阻力最小?比一次扩大的阻力小多少?解: 求V2一次扩大的:两次扩大的:当V1、V3确定时,产生的最小阻力的值V2由下式求出:所以, 即分两次扩大最多可减少一半损失。例5如图所示,水在压强作用下从密封的下水箱沿竖直管道流入上水箱中,已知h50cm,H3m,管道直径D25mm,0.02,各局部阻力系数分别为10.5,25.0,31.0,管中流速V1m/s,求:下水箱的液面压强。(设稳定流动)解:以下水箱液面为基准面,列两液面的伯努利方程:沿程水头损失:局部水头损失:总水头损失:hwhf+hj0.475m所以,例6 水箱中的水通过直径为d,长度为l,沿程阻力系数为的立管向大气中泄水,问h多大时,流量Q的计算式与h无关?解:取11、22断面列伯努利方程:所以,当时,Q与h、l无关。第五章 压力管路的水力计算例1某水罐1液面高度位于地平面以上z160m,通过分支管把水引向高于地平面z230m和z315m的水罐2和水罐3,假设l1=l2=l3=2500m, d1=d2=d3=0.5m, 各管的沿程阻力系数均为0.04。试求引入每一水罐的流量。解:取1-1、2-2两液面列伯努利方程:所以, (1)取1-1、3-3两液面列伯努利方程:所以, (2)又 (3)得 例2水从封闭水箱上部直径d1=30mm的孔口流至下部,然后经d2=20mm的圆柱行管嘴排向大气中,流动恒定后,水深h1=2m,h2=3m,水箱上的压力计读数为4.9MPa,求流量Q和下水箱水面上的压强p2,设为稳定流。,。解:经过孔口的流量Q1经过管嘴的流量Q2因为稳定流,所以Q1Q2整理得:第六章 一元不稳定流例1所以:例2
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