工程流體力學(xué)聞德第五章實(shí)際流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)課后答案

工程流體力學(xué)聞德第五章實(shí)際流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)課后答案?一、知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

（一）實(shí)際流體的兩種流態(tài)層流和紊流1.雷諾實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)觀察到流體在管道中流動(dòng)時(shí)存在兩種截然不同的流態(tài)：層流和紊流。當(dāng)流速較小時(shí)，流體分層流動(dòng)，互不干擾，這種流態(tài)稱為層流；當(dāng)流速增大到一定程度后，流體質(zhì)點(diǎn)相互混雜，作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這種流態(tài)稱為紊流。2.雷諾數(shù)雷諾數(shù)是判別流態(tài)的重要無量綱數(shù)，其表達(dá)式為：$Re=\frac{vd}{\nu}$，其中$v$為流速，$d$為特征長度（對(duì)于圓管，$d$為管徑），$\nu$為運(yùn)動(dòng)粘度。當(dāng)$Re$小于某一臨界值$Re_c$時(shí)，流動(dòng)為層流；當(dāng)$Re$大于$Re_c$時(shí)，流動(dòng)為紊流。不同管徑和流體的臨界雷諾數(shù)不同，一般光滑圓管的臨界雷諾數(shù)約為20002300。

（二）實(shí)際流體的能量損失1.沿程損失沿程損失是指流體在沿程均勻流段上由于粘性摩擦而產(chǎn)生的能量損失，用$h_f$表示。其計(jì)算公式為：$h_f=\lambda\frac{l}nnrrbpj\frac{v^2}{2g}$，其中$\lambda$為沿程阻力系數(shù)，$l$為管道長度，$d$為管徑，$v$為流速，$g$為重力加速度。沿程阻力系數(shù)$\lambda$與流態(tài)有關(guān)，層流時(shí)$\lambda=\frac{64}{Re}$；紊流時(shí)，$\lambda$與雷諾數(shù)$Re$和管壁相對(duì)粗糙度$\frac{\Delta}lpvptnz$有關(guān)，可通過莫迪圖查得。2.局部損失局部損失是指流體在管道的管件（如彎頭、三通、閥門等）、設(shè)備進(jìn)出口處因流速大小和方向改變而引起的能量損失，用$h_j$表示。其計(jì)算公式為：$h_j=\zeta\frac{v^2}{2g}$，其中$\zeta$為局部阻力系數(shù)，$v$為局部管件處的流速。局部阻力系數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)測定或查閱相關(guān)手冊(cè)得到。

（三）邊界層理論基礎(chǔ)1.邊界層的概念當(dāng)實(shí)際流體繞固體壁面流動(dòng)時(shí)，在壁面附近存在一個(gè)流速從壁面處為零迅速增大到與主流速度相近的薄層，這一薄層稱為邊界層。邊界層內(nèi)粘性力起主要作用，流動(dòng)為有旋流動(dòng)；邊界層外粘性力可忽略不計(jì)，流動(dòng)可近似看作理想流體的無旋流動(dòng)。2.邊界層的分離當(dāng)流體繞曲面流動(dòng)時(shí)，若邊界層內(nèi)流體動(dòng)能不足以克服逆壓梯度，會(huì)導(dǎo)致邊界層內(nèi)流體速度降為零，并發(fā)生倒流，邊界層脫離壁面，形成邊界層分離現(xiàn)象。邊界層分離會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，并可能產(chǎn)生漩渦等不利流動(dòng)現(xiàn)象。

二、課后習(xí)題答案

（一）選擇題1.雷諾實(shí)驗(yàn)揭示了流體流動(dòng)存在（）兩種流態(tài)。A.穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流B.層流和紊流C.均勻流和非均勻流D.漸變流和急變流答案：B解析：雷諾實(shí)驗(yàn)是研究流體流態(tài)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，它清晰地展示了層流和紊流這兩種不同的流態(tài)。

2.判別流態(tài)的雷諾數(shù)$Re$的表達(dá)式為（）。A.$Re=\frac{v^2d}{\nu}$B.$Re=\frac{vd}{\nu}$C.$Re=\frac{v\nu}xtlhbvh$D.$Re=\frac{d\nu}{v}$答案：B解析：這是雷諾數(shù)的基本定義式，其中$v$為流速，$d$為特征長度，$\nu$為運(yùn)動(dòng)粘度。

3.對(duì)于光滑圓管，臨界雷諾數(shù)$Re_c$約為（）。A.1000B.1500C.20002300D.3000答案：C解析：光滑圓管的臨界雷諾數(shù)一般在20002300之間，這是判別圓管內(nèi)流態(tài)的重要臨界值。

4.實(shí)際流體在管道中流動(dòng)時(shí)的能量損失包括（）。A.沿程損失B.局部損失C.沿程損失和局部損失D.水頭損失答案：C解析：實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)，能量損失分為沿程損失和局部損失兩部分，水頭損失是能量損失的一種表現(xiàn)形式，不夠全面。

5.沿程阻力系數(shù)$\lambda$與雷諾數(shù)$Re$及管壁相對(duì)粗糙度$\frac{\Delta}bfntxpj$有關(guān)，在紊流粗糙區(qū)（）。A.$\lambda$只與$Re$有關(guān)B.$\lambda$只與$\frac{\Delta}5rn5pdv$有關(guān)C.$\lambda$與$Re$和$\frac{\Delta}nbdtnrl$都有關(guān)D.$\lambda$與$Re$和$\frac{\Delta}3vb3z3l$都無關(guān)答案：B解析：在紊流粗糙區(qū)，粘性底層厚度小于管壁粗糙度，管壁粗糙度對(duì)流動(dòng)影響占主導(dǎo)，沿程阻力系數(shù)$\lambda$只與管壁相對(duì)粗糙度$\frac{\Delta}53rtzbp$有關(guān)。

（二）填空題1.實(shí)際流體的兩種流態(tài)是（）和（）。答案：層流；紊流2.雷諾數(shù)$Re=\frac{vd}{\nu}$中，$v$為（），$d$為（），$\nu$為（）。答案：流速；特征長度；運(yùn)動(dòng)粘度3.沿程損失的計(jì)算公式為$h_f=\lambda\frac{l}fxnhvjd\frac{v^2}{2g}$，其中$\lambda$為（），$l$為（），$d$為（），$v$為（），$g$為（）。答案：沿程阻力系數(shù)；管道長度；管徑；流速；重力加速度4.局部損失的計(jì)算公式為$h_j=\zeta\frac{v^2}{2g}$，其中$\zeta$為（），$v$為（）。答案：局部阻力系數(shù)；局部管件處的流速5.當(dāng)實(shí)際流體繞固體壁面流動(dòng)時(shí)，在壁面附近存在一個(gè)流速從壁面處為零迅速增大到與主流速度相近的薄層，這一薄層稱為（）。答案：邊界層

（三）簡答題1.簡述雷諾實(shí)驗(yàn)的過程及結(jié)論。答：雷諾實(shí)驗(yàn)過程：在裝有溢流裝置的玻璃管中注入流體，使管內(nèi)流體保持穩(wěn)定流動(dòng)。在玻璃管的某一截面處，通過細(xì)管向管內(nèi)注入帶顏色的液體，觀察顏色液體在管內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)。逐漸增大管內(nèi)流體的流速，當(dāng)流速較小時(shí)，顏色液體呈直線狀流動(dòng)，與周圍流體互不干擾，此時(shí)流動(dòng)為層流；當(dāng)流速增大到一定程度后，顏色液體迅速擴(kuò)散，與周圍流體混合，此時(shí)流動(dòng)變?yōu)槲闪鳌＝Y(jié)論：流體在管道中流動(dòng)時(shí)存在層流和紊流兩種流態(tài)，當(dāng)流速較小時(shí)為層流，流速增大到一定程度后變?yōu)槲闪鳎⒔o出了判別流態(tài)的雷諾數(shù)$Re=\frac{vd}{\nu}$。2.說明沿程損失和局部損失產(chǎn)生的原因。答：沿程損失產(chǎn)生的原因：實(shí)際流體具有粘性，當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流體層間以及流體與管壁之間存在摩擦阻力，這種摩擦阻力沿程不斷消耗流體的機(jī)械能，從而產(chǎn)生沿程損失。局部損失產(chǎn)生的原因：流體在管道的管件（如彎頭、三通、閥門等）、設(shè)備進(jìn)出口處，由于流速大小和方向發(fā)生改變，流體質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、漩渦形成等，導(dǎo)致機(jī)械能損失，形成局部損失。3.簡述邊界層的概念及邊界層內(nèi)流動(dòng)的特點(diǎn)。答：邊界層的概念：當(dāng)實(shí)際流體繞固體壁面流動(dòng)時(shí)，在壁面附近存在一個(gè)流速從壁面處為零迅速增大到與主流速度相近的薄層，這一薄層稱為邊界層。邊界層內(nèi)流動(dòng)的特點(diǎn)：邊界層內(nèi)粘性力起主要作用，流動(dòng)為有旋流動(dòng)；邊界層內(nèi)流速梯度較大，從壁面處的零值迅速增大到接近主流速度；邊界層厚度沿流動(dòng)方向逐漸增厚。

（四）計(jì)算題1.已知某水管管徑$d=100mm$，管內(nèi)水流速度$v=2m/s$，水的運(yùn)動(dòng)粘度$\nu=1.0×10^{6}m^2/s$，試判別管內(nèi)水流的流態(tài)。解：根據(jù)雷諾數(shù)公式$Re=\frac{vd}{\nu}$，將已知數(shù)據(jù)代入可得：$Re=\frac{2×0.1}{1.0×10^{6}}=2×10^5>2300$所以管內(nèi)水流為紊流。2.某管道長度$l=50m$，管徑$d=50mm$，沿程阻力系數(shù)$\lambda=0.03$，水的流速$v=3m/s$，求沿程損失$h_f$。解：根據(jù)沿程損失計(jì)算公式$h_f=\lambda\frac{l}x3lzdpr\frac{v^2}{2g}$，將數(shù)據(jù)代入可得：$h_f=0.03×\frac{50}{0.05}×\frac{3^2}{2×9.81}\approx43.32m$3.某突然擴(kuò)大管，小管直徑$d_1=50mm$，大管直徑$d_2=100mm$，水在小管中的流速$v_1=4m/s$，求局部損失$h_j$（局部阻力系數(shù)$\zeta=0.5$）。解：首先求突然擴(kuò)大管處的流速$v_2$，根據(jù)連續(xù)性方程$v_1A_1=v_2A_2$，可得：$v_2=v_1\frac{d_1^2}{d_2^2}=4×(\frac{0.05}{0.1})^2=1m/s$再根據(jù)局部損失計(jì)算公式$h_j=\zeta\frac{v_1^2}{2g}$，將數(shù)據(jù)代入可得：$h_j=0.5×\frac{4^2}{2×9.81}\approx0.41m$

三、典型例題分析

（一）流態(tài)判別問題【例1】已知某風(fēng)道直徑$D=0.5m$，空氣溫度為$20^{\circ}C$，運(yùn)動(dòng)粘度$\nu=1.5×10^{5}m^2/s$，若測得風(fēng)道內(nèi)空氣流速$v=10m/s$，試判別空氣流動(dòng)的流態(tài)。解：計(jì)算雷諾數(shù)$Re=\frac{vd}{\nu}$，這里$d=D=0.5m$，代入數(shù)據(jù)可得：$Re=\frac{10×0.5}{1.5×10^{5}}\approx3.33×10^5>2300$所以風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)為紊流。

（二）沿程損失計(jì)算問題【例2】有一水平放置的鋼管，長度$l=100m$，管徑$d=150mm$，管壁粗糙度$\Delta=0.15mm$，水的流量$Q=0.02m^3/s$，求沿程損失$h_f$。解：首先求流速$v$，根據(jù)流量公式$Q=vA$，$A=\frac{\pid^2}{4}$，可得：$v=\frac{Q}{A}=\frac{4Q}{\pid^2}=\frac{4×0.02}{\pi×(0.15)^2}\approx1.13m/s$計(jì)算雷諾數(shù)$Re=\frac{vd}{\nu}$，水在$20^{\circ}C$時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度$\nu=1.0×10^{6}m^2/s$，則：$Re=\frac{1.13×0.15}{1.0×10^{6}}=1.695×10^5$計(jì)算管壁相對(duì)粗糙度$\frac{\Delta}tt7bt5f=\frac{0.15}{150}=0.001$查莫迪圖得沿程阻力系數(shù)$\lambda=0.025$根據(jù)沿程損失計(jì)算公式$h_f=\lambda\frac{l}ttjxjfj\frac{v^2}{2g}$，可得：$h_f=0.025×\frac{100}{0.15}×\frac{1.13^2}{2×9.81}\approx1.02m$

（三）局部損失計(jì)算問題【例3】某管道中有一突然縮小管，小管直徑$d_1=30mm$，大管直徑$d_2=60mm$，水在大管中的流速$v_2=2m/s$，求局部損失$h_j$（局部阻力系數(shù)$\zeta=0.4$）。解：首先求突然縮小管處的流速$v_1$，根據(jù)連續(xù)性方程$v_1A_1=v_2A_2$，可得：$v_1=v_2\frac{d_2^2}{d_1^2}=2×(\frac{60}{30})^2=8m/s$再根據(jù)局部損失計(jì)算公式$h_j=\zeta\frac{v_1^2}{2g}$，將數(shù)據(jù)代入可得：$h_j=0.4×\frac{8^2}{2×9.81}\approx1.29m$

四、學(xué)習(xí)方法建議

1.理解基本概念對(duì)于層流、紊流、雷諾數(shù)、沿程損失、局部損失、邊界層等概念，要深入理解其物理意義和相互關(guān)系。通過實(shí)際例子和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來輔助理解，例如雷諾實(shí)驗(yàn)中觀察到的層流和紊流的不同形態(tài)，以及它們與雷諾數(shù)的關(guān)聯(lián)。2.掌握公式推導(dǎo)與應(yīng)用熟練掌握沿程損失和局部損失的計(jì)算公式及其推導(dǎo)過程，這樣才能在不同情況下準(zhǔn)確運(yùn)用公式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于沿程阻力系數(shù)$\lambda$與雷諾數(shù)$Re$及管壁相對(duì)粗糙度$\frac{\Delta}hhnhlpf$的關(guān)系，要理解不同流態(tài)下其變化規(guī)律，并能通過查圖或相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式確定$\lambda$值。在做計(jì)算題時(shí)，要仔細(xì)分析題目條件，明確已知量和未知量，正確選擇公式進(jìn)行求解。3.多做練習(xí)題通過大量的課后習(xí)題和相關(guān)練習(xí)題來鞏固所學(xué)知識(shí)，提高解題能力。在做題過程中，要注重解題思路和步驟的規(guī)范性，養(yǎng)成良好的解題習(xí)慣。對(duì)于做錯(cuò)的題目，要認(rèn)真分析原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。4.結(jié)合實(shí)際工程工程流體力學(xué)（水力學(xué)）的知識(shí)在實(shí)際工程中有廣泛應(yīng)用，如管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水利工程建設(shè)等。將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程案例相結(jié)合，有助于更好地理解和掌握知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也能提高運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。例如分析城市供水管道系統(tǒng)中的能量損失、水流流態(tài)等問題，