水力学形成性考核册及参考答案教学内容.docx

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水力学形成性考核册及参考答案教学内容

水力学

一、单项选择题（每小题3分，共计12分）

1.静止液体中同一点各方向的静水压强（a）

a、大小相等b、大小不等

c、仅水平方向数值相等;d、铅直方向数值为最大

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

5.过水断面是指（b）

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。

6、紊流粗糙区的水头损失与流速成（b）

a、一次方关系；b、二次方关系；c、1.75～2.0次方关系；d、不能确定

7、已知液体流动的沿程水头损失系数λ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

8、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、1

9、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、0.25

10、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

11.根据管道水头损失计算方法的不同，管道可以分为（a）

a、长管，短管；b、复杂管道，简单管道；

c、并联管道，串联管道；

12、矩形水力最佳断面的宽深比β=（b）

a、1；b、2；c、3；d、4

13、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。

14、长管的总水头线与测压管水头线（b）

b、重合；b、相平行的直线；c、相平行呈阶梯状。

15、水流在明渠中的流态为缓流时，其水深hhk，弗汝德数Fr⎽⎽⎽⎽⎽1。

（c）

a、<，<；b、<，>；c、>，<；d、>，>。

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

16、溢流堰的过堰流量与堰顶水头的（c）次方成正比。

a、1次方b、2次方c、3/2次方d、1/2次方

17、底流式消能池中产生的水跃应该是（a）

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

18、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

19、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。

20、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。

21、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

22、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’’⎽⎽⎽⎽下游河道的水深ht。

（c）

a、<，b、=，c、>。

二、填空题

三、1.牛顿内摩擦定律适用的条件是层流运动和牛顿流体。

2.液体中某点的相对压强值为20kN/m2，则该点的绝对压强值为118kN/m2，真空度为不存在。

3.当压力体与受压面位于同一侧，则铅垂方向作用力的方向是向下。

4、恒定流时流线与迹线重合。

5、实际液体在流动时产生水头损失的内因是液体的粘滞性，

外因是边界条件的影响。

6、雷诺试验揭示了液体存在_____层流___和____紊流_两种流态，并可用临界雷诺数来判别液流的流态。

7、在等直径长直管道中，液体的温度不变，当流量逐渐增大，管道内的雷诺数Re将逐渐增大。

8、在水击计算中阀门关闭的时间TsTr的水击称为间接水击。

9、a2型水面曲线是发生在陡坡上的急流（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）

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。

10．溢流堰的过堰流量与堰顶水头的⎽⎽⎽次方成正比。

3/2

11．当堰顶厚度δ=5m，堰为宽顶堰的堰上水头范围是。

0.5m＜H＜2m

12．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）。

13．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

1.理想液体是不考虑液体粘滞性的理想化的液体。

（√）

2.图中矩形面板上的静水总压力作用点D与受压面的形心点C重合。

（×）

3.静止液体内任何一点的测压管水头等于常数。

（×）

4、根据连续性方程，流速与过流断面面积成正比。

（×）

5、水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。

（×）

6、只有过水断面上各点流速相等的流动才是均匀流（×）

7、均匀流与渐变流一定是恒定流，急变流一定是非恒定流。

（×）

8、判别圆管水流是层流或紊流流态的临界雷诺数Re为2000。

（√）

9、层流一定是均匀流，紊流一定是非均匀流。

（×）

10、根据达西公式hf=λ

，层流沿程水头损失与流速平方成正比。

（×）

11、紊流粗糙区的沿程水头损失系数只与雷诺数有关。

（×）

12、水泵的扬程就是指提水的高程。

（×）

13、同样条件下直接水击比间接水击更不安全。

（√）

14、在正坡非棱柱渠道内可以形成均匀流。

（×）

15、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。

（×）

16、断面比能沿流程总是减小的。

（×）

17、陡坡渠道中产生均匀流必定是急流，缓坡上出现均匀流必为缓流。

（√）

18、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。

（√）

19、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。

（√）

20、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。

（×）

21、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。

（√）

22、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。

（√）

23、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

1.液体的基本特征是什么？

答：

液体的基本特征是易流动、不易被压缩、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：

对于流动的液体，如果液体内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，我们把液体的这种特性称为粘滞性；由于粘滞性的存在，液体在运动过程中要克服粘滞助力作功而消耗能量，所以粘滞性是液体在流动过程中产生能量损失的根源。

3.有人说“均匀流一定是恒定流”，这种说法是否正确？

为什么？

答：

这种说法是错误的，均匀流不一定是恒定流。

因均匀流是相对于空间而言，即运动要素沿流程不变，而恒定流是相对于时间而言，即运动要素不随时间而变。

两者判别标准不同。

4.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：

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，△/d）；粗糙区λ=f3（△/d），紊流粗糙区又称为阻力平方区。

5.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。

6.简述明渠均匀流的特征。

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。

7.渠水流的流态有哪几种方法？

答：

有四种方法：

（1）用弗德德数判别

（2）用微波波速判别（3）用临界水深判别（4）用临界流速判别

8.简述堰的分类和相应的水流运动特征。

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）。

9、简述泄水建筑物下游有哪几种消能形式和它们的特点。

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

10、建立渗流模型应遵循哪些原则？

（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。

五、作图题

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

题5–1题5-2

六、

计算题

1.如图所示，平板在水面上作水平运动，速度为u=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。

（12分）

解:

因为水流运动速度呈直线分布，则流速梯度为常数，即：

du/dy=0.1/0.001=100

查表1-1，温度为20℃时水的动力粘滞系数为：

μ=1.002×10-3N·s/m2

根据牛顿内摩擦定律，平板单位面积上的摩擦力为：

τ=μ×（du/dy）=1.002×10-3×100=0.1002N

C

D

E

C

D

E

2.图示为复式比压计，各点的高度如图所示，已知油的密度为ρ油=800kg/m3，水银的密度为水的密度13.6倍，求A，B两点的压强差。

（12分）

解:

图中等压面为C-C，D-D，E-E。

计算如下：

PC=PA+ρ水g×0.5

PD=PC–ρ汞g×0.2

PE=PD+ρ油g×0.3

PB=PE–ρ水g×0.6–ρ汞g×0.4

PB=PA+ρ水g×0.5–ρ汞g×0.2+ρ油g×0.3–ρ水g×0.6–ρ汞g×0.4

PA–PB=ρ水g×0.1+ρ汞g×0.6–ρ油g×0.3

=1×9.8×0.1+13.6×1×9.8×0.6–0.8×9.8×0.3

=78.596KN/m2

3.如图所示矩形挡水闸AB，已知水深h=3m，板的宽b＝2.5m，求作用在矩形平板AB上的静水总压力大小以及作用点处的水深。

（12分）

解:

依题意作用在闸门AB上的静水总压力P应为：

P=pcA=ρghcA=pg（h/2）×hb=1/2×pgh2b

=1/2×1×9.8×32×2.5=110.25KN

静水总压力P的作用点为：

即总压力的作用点位于水面下2米处。

4.图示为溢流坝上的弧型闸门。

已知R=6m，弧门宽B=5m，α=60°，试求：

（1）作用在弧型闸门上的静水总压力。

（10分）

（2）静水总压力作用点hD的位置。

（4分）

解：

（1）计算水平分力：

计算垂直分力：

垂直分力等于压力体eabB的水重。

长方形abce面积=ae×ec=4×（6-6×cos60o）=12m2

扇形eoB的面积=（60/360）×π×R2=（1/6）×3.14×62=18.84m2

三角形coB的面积=（1/2）×Bc×co=（1/2）×6sin60o×6cos60o=7.79m2

压力体eabB的体积=（12+18.84-7.79）×5=115.25m3

所以，垂直分力Fpz=ρgv=1×9.8×115.25=1129.5KN（反向向上）

闸门上的静水总压力

（2）Fp和水平线的夹角为β，

∴β=33.90o

因为曲面是圆柱面的一部分，各点压强都垂直于圆柱面，且同通过圆心O点，所以总压力Fp的作用线必通过O点，Fp的作用点距水平面的距离：

hD=4+Rsinβ=4+6sin33.90o=7.35

一、计算题

1、管道直径d=10mm，通过流量Q=20cm3/s，运动粘度ν=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？

（8分）

解：

（1）∵运动粘度ν=0.0101cm2/s，而管道截面积A=πd2/4，

=Q/A，

则管道流动的雷诺数：

∴管道水流为紊流。

（2）∵管道流动的雷诺数

，故可知水温、流量不变，管径扩大3倍后的雷诺数

∴将直径改为d=30mm，水温、流量不变，管中水流是层流。

2、图示水箱一侧有一向上开口的短管，箱内水位恒定，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ζ=0.2，取动能校正系数α=1。

求管嘴的出流速度v及此射流达到的高度z。

（12分）

1

2

3

解：

（1）以管嘴出口为基准面，对水面1和管嘴出口2列能量方程，得：

由h=5m，ζ=0.2，α=1得

=9.04m/s

（2）以管嘴出口为基准面，管嘴出口2和水面3列能量方程，得：

由

=9.04m/s，α=1得

3、已知如图所示的文丘里管流量计，管的直径d1=5cm，d2=2cm，1断面与喉管断面的测压管水头差为Δh=5cm，如果文丘里管流量计流量修正系数μ=0.98，求管路中通过流量Q为多少？

（不计水头损失）（12分）

解：

计算文丘里管常数：

管路中通过的流量：

4、某水平管路的直径d1=7.5cm，管内流速v1=0.70m/s，管路末端接一渐缩喷嘴通入大气（如图）。

喷嘴出口直径d2=2.0cm，用压力表测得管路与喷嘴接头处压强p=49kN/m2，求水流对喷嘴的水平作用力F（取动量校正系数为1）　　　　

解：

取管路1-1断面和管嘴2-2断面为计算断面，根据连续方程得：

对喷嘴建立x方向的动量方程，β=1得：

pA1–F′=βρQ（v2x–v1x）

F′=pA1–βρQ（v2–v1）=49×（1/4）×3.14×0.0752-1×1×0.0031×（2.625-0.7）

=0.21KN

水流对喷嘴的水平作用力F与F′大小相等，方向相反。

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：

计算渠道断面水力要素：

过流断面面积A=bh=6×2=12m2

湿周χ=b+2h=6+2×2=10m

水力半径

根据舍齐公式，沿程水头损失：

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。

2、定性绘出图示棱柱形明渠内的水面曲线，并注明曲线名称及流态。

（各渠段均充分长，各段糙率相同）

（a）（b）

七、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）当虹吸管内最大允许真空值hv=7.0m时，虹吸管的最大安装高度。

解：

（1）虹吸管的出口淹没在水面以下，当不计行近流速时，可按照淹没出流公式来计算流量。

先计算管道流量系数：

虹吸管的流量：

（2）虹吸管的最大真空发生在管道的最高位置。

即B—B断面。

以上游河面为基准面，对断面0—0和断面B—B建立能量方程：

其中，

，v=Q/A=0.35/（3.14×0.22）=2.79m/s，取α=1.0，v0≈0，代入得则：

式中

是断面B—B的真空值，它满足

故虹吸管的最大安装高度：

2、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，则判断该处水流的流态。

（7分）

解：

求临界水深hk：

q=Q/b=1.5/1.5m3（s·m）=1m3（s·m）

用临界水深判别：

ho

3、已知底宽为b=6m的矩形渠道中，临界水深为hk=1.37m，求渠道内通过的流量Q。

解：

根据矩形断面明渠临界水深公式，求矩形断面的单宽流量：

q=5.021m3（s·m）

所以，Q=qb=5.02×6=30.12m3/s

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和均匀流的Q流量。

解：

计算梯形断面的水力要素：

A=（b+mh）h=（10+1×3）×3=39m2

R=A/χ=2.11m

故，

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？

解：

计算矩形断面的水力要素：

渡槽断面面积：

A=bh0=1.5×1.7=2.55m2

湿周：

x=b+2h0=1.5+2×1.7=4.9m

水力半径：

R=A/x=0.52

舍弃系数：

根据明渠均匀流公式，计算i

i=Q2/A2C2R=7.652/

2×2.552×0.52=0.0042

=52.06—0.0042×116.5=51.57m

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：

（1）跃前水深

求临界水深hk

因为ht>hk，所以下游水流是缓流。

根据能量方程，以渠道底为基准面，对断面1–1和t–t建立能量方程。

忽略行进水头，则

=0，取

，不计水头损失。

求得H=1.6m.

（2）判别水跃发生的位置

先求收缩断面水深hc的共轭水深hc’’

因为

ht

四、计算题

1、有一5孔WES型实用堰。

每孔净宽b＝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，

（1）求实用堰的设计流量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：

（1）P/H=50/3.2=15.6＞1.33是高堰，且溢流堰下接远离式水跃，为非淹没，实用堰的流量，σs=1，得：

Qd＝σsεmdnb

＝1×0.96×0.502×5×8×

=488.52m3/s

（2）当H＝4.0m，Q=500m3/s时，P/H=50/4=15.6＞1.33是高堰，为非淹没，实用堰σs=1，得：

Q＝σsεmnb

500＝1×0.96×m×5×8×

求得：

m=0.368

2、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？

（8分）

解：

忽略行进水头，先假设闸孔为自由出流，

，Q=470m3/s，代入闸孔出流基本计算公式

求得H

3、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Δz，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。

（12分）

解：

（1）判别闸下水跃形式

∵

∴产生远驱式水跃

所以下游需要建消力池

（2）设计池深

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？

（10分）

解：

解：

（1）判别陡槽水跃衔接形式

求单宽流量

q=Q/b=20/5=4m3/s·m

∵

∴产生远驱式水跃

（2）如果水跃从1一1断面开始发生，这种衔接为临界水跃衔接，所需下游水深

5、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。

（10分）

解：

水力坡度J=hw/L=0.6/1.5=0.4

6、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，坝高PP=50m，则确定模型中相应收缩断面处的平均流速和vm和坝高Pm。

如果原型中过闸流量Qp=3000m3/s，则模型中相应的流量为Qm为多少？

解：

（1）确定模型中相应收缩断面处的平均流速vm

（2）确定模型坝高Pm。

采用正态模型，坝高比尺

（3）确定模型中相应的流量为Qm