1、流体力学讲义1 罗晓丹 11级自考5 班 2 流体力学串讲 课程介绍 一、课程的设置、性质及特点 流体力学课程是研究流体机械运动规律及其应用的科学 是力学的分支学科 是全国高等教育自学考试建筑工程专业必考的一门专业基础课。本课程的学习目的在于使学生掌握流体运动的基本概念、基本理论和基本计算方法。促使学生在掌握物理概念的基础上注重理论联系实际 具备对简单系统进行定性分析的能力 学以致用 为认识建筑工程与大气和水环境的关系 从事技术工作的适应能力和创新能力打下基础。 考试中的题型规范有序 试题难度降低 三大守恒定律贯穿考题学员在学习的过程中要熟练掌握教材中典型的例题。 本课程的性质及特点 1 建筑
2、工程专业的一门专业基础课 为后续专业课学习及实际应用打下了必要的基础 2 本课程的理论基础部分是前四章 分别是绪论、流体静力学、流体动力学基础、流动阻力和水头损失 其余各章是基础理论在各典型流动条件下的应用 分别是孔口、管嘴出流和有压管流、明渠流、堰流、渗流等 三大守恒定律贯穿整个教材。 二、教材的选用 本课程所选用教材是全国高等教育自学考试指定教材 该书由刘鹤年教授主编 武汉大学出版社出版2006 版 。 三、章节体系 1 本书可以从基础理论知识和各种典型流动条件的实际应用两方面来讲解 1 基础理论知识介绍 第一章 绪论 流体力学概述、作用在流体上的力及流体的主要物理性质 第二章 流体静力学
3、 静压强的特性、静压强的分布规律以及作用在平面上和作用曲面上的静水总压力的计算 第三章 流体动力学基础 流体运动的描述、欧拉法的概念以及应用连续性方程、能量方程和动量方程分析计算总流运动 第四章 流动阻力和水头损失 粘性流体的两种流态 及各自在管道或渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法 2 典型流动条件的实际应用 第五章 孔口、管嘴出流和有压管流 孔口、管嘴出流和有压管流的水力特点 基本公式及水力计算有压管流中的水击现象 第六章 明渠流动 明渠流动的特点 明渠均匀流的水力计算和棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线分析 第七章 堰流 堰流的水力特征 各种堰型的特点及水力计算 第八章 渗流 渗流的基
4、本概念及普通井和自流井的水力计算 最后一章是量纲分析和相似原理 要点是量纲和谐原理和量纲分析方法、相似准则及模型试验。 考情分析 一、历年真题的分布情况 一 知识点分布 从近几年真题试卷来看 考试内容覆盖了教材九章的全部内容。单选题和填空题覆盖面最广 基本上每章都能涉及 主要依据知识点的可考性而定。名词解释题主要是考查学生掌握基本概念的能力。名词解释意在掌握教材中的典型概念。简单应用题是对教材中简单的流动条件下的实际应用的计算和作图。计算题每年出题的章节不一样 占有30%的分量 但主要是连续性方程、能量方程及动量方程解决典型流动条件下的实际应用。从整体来看 教材9章内容知识点分布不均匀 重点章
5、节也是考点最多的主要分布在第2章 第3章 第4章 第5章 第6章第1章、第7章、第8章及第9章相对来说是知识点考查较少 计算大题不常见 但往年也涉及到。 结论 在全面阅读教材的基础上 掌握重点章节内容 着重掌握连续性方程、能量方程及动量方程解决典型流动条件下的实际应用。 二 试题难度 从试题难度来看 可以分为易、较易、较难和难四个等级。试卷中不同难度试题的分数比例一般为2:3:3:2。对于重点知识每年都会重复出现 只是以不同的形式 或者考查不同的内容。虽然每年均有偏题出现 一般是属于课程涉及的较细的内容 但所占比例较低 属于正常情况。总体而言 试题难度中等。 3 二、历年真题结构分析及答题技巧
6、 一 单选题10 题32分=20分 基础理论知识20111-4 例4 输油管道直径为0.1m 流动为层流状态 实测管轴流速0.8m/s 通过的流量为 A0.314L/s B0.628L/s C3.14L/s D6.28L/s 【答案】C 【解析】知道圆管中的层流运动 过流断面上流速呈抛物线分布所以平均流速是最大流速的一半 公式AvQ 答案是C。 典型流动条件的实际应用 例5 从水管末端突然关阀开始 水击波传播过程中 四个阶段的传播波依次是 A 增压、减压、减压、增压 B 减压、增压、减压、增压 C 增压、减压、增压、减压 D 减压、增压、增压、减压 【答案】A 【解析】有压管道中水击波的传播过
7、程。 第一阶段 增压波从阀门向管道进口传播 处于增压状态 第二阶段 减压波从管道进口向阀门传播 处于减压状态 第三阶段 减压波从阀门向管道进口传播 处于减压状态 第四阶段 增压波从管道进口向阀门传播 处于增压状态。 例9 当堰上水头H=0.050.25m 时 顶角为90的三角形薄壁堰的流量Q与H的关系是 A.Q H1.0 B.Q H1.5 C.Q H2.0 D.Q H2.5 【答案】D 【解析】当用矩形薄壁堰量测流量时 为小流量时 堰上水头很小 不宜准确测量 需要采用三角形堰。 顶角90 三角薄壁堰的流量可以按下式计算 当25.005.0H 时5.24.1HQ 当55.005.0H 时47.2
8、343.1HQ 计算公式和宽顶堰一样。 单选题的解题技巧 要求考生能够对教材中的重要知识点诸如定义、基本概念、性质、主要公式、重要结论等有清晰准确的认识 并能做出正确的选择来解决此部分考题的问题。 二 填空题10 题32分=20分 更多的是性质、主要公式、重要结论的分析和简单计算的考核。 14 流体由直管流入断面很大的容器时 其局部水头损失系数=_。 【答案】1 【解析】突然扩大管的局部水头损失系数)1(211AA 或)1(122AA 流体由管道流入很大的容器时 作为突然扩大管的特例1 17 水力最优梯形断面的水力半径Rh与水深h的比值为_。 【答案】1/2 【解析】明渠均匀流中 在任何边坡系
9、数m的情况下 水力最优梯形断面的水力半径Rh为水深h的一半。 填空题的解题技巧 结论 答题能否正确 关键还是对课程内容和基本概念的把握程度。对教材中基本知识点把握 将教师提示的易考点掌握即可解决此难点。 三 名词解释5 题 计15分 分布于大纲中需要领会、识记、简单应用和综合应用的内容 24.简单管道 【答案】沿程直径不变、流量也不变的管道称为简单管道。 【解析】P128,不仅要知道长管的定义 还要知道长管的水力计算知道哪种现象属于长管。 四 简答题3 题 计15分 简答题 更多的是来自于大纲第3章、第7章、第8章、第9章中的领会、识记、简单计算求流量和流速的题。 26 如图所示输水管经三通管
10、分流。已知管径分别为d1=200mm、d2=100mm和d3=150mm,断面平均流速分别是v1=2m/s和v2=1.5m/s 试求断面平均流速v3. 【答案】926 m/s 4 【解析】该题考查的是流量的概念和连续性方程。利用连续性方程AvQ 又知并联管路中321QQQ 即332211AvAvAv 圆管的面积42dA 把已知条件带入上式得出926v3 m/s。 简单题的解题技巧 不要止步于听明白的阶段 还要善于理解情况下的归纳。 五 计算题3 题310分=30分 30.图示为压力输水管道的渐变段。已知管道直径分别为d1=1.5md2=1.0m 压力表读数pM=300kPa 流量Q=2.5m3
11、/s 若不计水头损失 试求渐变段支座受到的轴向力。 解 根据已知条件 应用连续性方程AvQ 可以得出两个断面的流速为 42.111AQvm/s2.322AQvm/s。 取1-12-2 断面列伯努利方程为 gvgpzgvgpz222222221111 其中021zz121 得到akpp89.2952 应用动量方程 )(4412222211vvQRdpdpx 解出kNRx15.293 计算题的解题技巧 熟练掌握连续性方程、能量方程及动量方程。每年的试卷都有此类计算大题 而且三大守恒方程贯穿整个教材和大纲 要明确透彻而且会分析应用。要求多练习。 三、学习方法 1.对这门课程学习之前要对教材浏览一遍
12、了解学习的大致内容及结构 以便在今后的学习工程中相互联系。在学习时要做好笔记来加强记忆还要积极思考 同时结合相关辅导书的练习题 做完题要注意分析总结 巩固所学的知识 考生一定要以考试大纲和教材作为学习的依据 掌握教材的知识点 从历年命题特点看 抓住教材是根本。 2. 合理安排复习时间“ 趁热打铁” 当天学习的功课当天必须复习 要巩固复习 一定要克服不看书复习就做作业 把书当成工具书查阅的不良习惯。广泛采用综合复习方法 即通过找出知识的左右关系和纵横之间的内在联系。综合复习具体可分“三步走” 首先是统观全局 浏览全部内容 通过唤起回忆 初步形成完整的知识体系印象 其次是加深理解 对所学内容进行综
13、合分析 最后是整理巩固。 3.最后把课本从头到尾精读三遍 遍布教材的每一个角落 甚至是认为不太重要的细节问题都是考点 进行识记 然后把重要的知识点在脑海中过滤一遍 争取做到“张口就来” 达到把书学薄 在学厚的境界。 内容串讲 第一部分 理论基础知识Ch14 第一章 绪论 常见考点 1.流体的基本特征 2.流体的连续介质假设 3.作用在流体上的力 4.流体的主要物理性质 第一节 流体力学及其任务 1.流体的基本特性具有流动性 是流体区别固体的特征。 2.连续介质假设 考点1 连续介质假设 把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体来研究 这里所说的质点是指大小同所有流动空间的相比微不足道又
14、含有大量分子 具有一定质量的流体微元。 【例题2填空题】连续介质假设是 5 【答案】连续介质假设 把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体来研究。 【解析】按照连续介质假设 流体中的物理量都可以视为空间坐标和时间变量的函数。 第二节 作用在流体上的力 1.作用在流体上的力 考点2 1 表面力 分别是剪应力和压应力 2 质量力 重力是常见的质量力 惯性力也归为质量力。 单位质量力mFfBB 如作用在流体上的质量力只有重力 此时单位质量力为g 方向向下。 【例题2单选题】下列属于质量力的是 A.剪切力 B.压力 C.重力 D.表面张力 【答案】C 【解析】该题考查质量力包含的内容。质量力
15、重力是常见的质量力 惯性力也归为质量力。 如作用在流体上的质量力只有重力 此时单位质量力为g 方向向下。 第三节 流体的主要物理性质 流体的主要物理性质包括 惯性 粘性及压缩性和膨胀性。 1.惯性 水的密度为1000 kg/m3 水银的密度为13600kg/m30 空气的密度为1.29 kg/m3。 2.牛顿内摩擦定律 粘性定律 考点3 流体内部相邻流层间存在着剪切力 即内摩擦力这就是粘性的表象。粘性是流体的内摩擦特性。 动力粘性系数 是反映流体粘滞性大小的系数。单位 Pa2s 运动粘性系数/ 物理单位 m2/s 牛顿内摩擦定律 粘性定律 流体的内摩擦力T 与流速梯度dyduhU 成比例 与流
16、层的接触面积A成比例 与流体的性质有关 与接触面上的压力无关。即以应力表示为dydu 液体运动时 流体因粘性产生的内摩擦力与微团的剪切变形速度成正比。 【例题2单选题】如下图所示 一平板在油面上作水平运动。已知平板运动速度=lms 平板与固定边界的距离为=5mm 油的动力粘度=0.1Pa2s 则作用在平板单位面积上的粘滞阻力为 A.10pa B.15Pa C.20Pa D.25Pa 【答案】C 【解析】该题考查的是牛顿内摩擦定律的内容。牛顿内摩擦定律dydu 因为油层内流速分布按直线分布vdydu 故20005.011.0dydu Pa正确答案是C选项。 【例题2填空题】粘性是 【答案】粘性是
17、流体在运动过程中出现阻力 产生机械能损失的根源 粘性是流体的内摩擦特性。 粘性是对流体运动有重要影响的固有属性。 【解析】该题考查的是粘性的定义。粘性是流体的内摩擦特性。粘性是对流体运动有重要影响的固有属性。 粘度的影响因素 1 液体 内聚力是产生粘度的主要因素 当温度升高 分子间距离增大 吸引力减小 因而使剪切变形速度所产生的切应力减小所以 值减小。 2 气体 气体分子间距离大 内聚力很小 所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高 分子运动加快动量交换频繁 所以 值增加。 3.压缩性和膨胀性 1 液体的压缩性和膨胀性 dyy u du 6 压缩系数 dpdVV1 m2/N
18、 体积V的变化可用密度的变化代换dpd1 体积模量K 体积压缩系数 的倒数 膨胀性 液体体积随温度升高而增大的性质 膨胀系数 dtddtdVVv11 1/ 水的压缩性和膨胀性都很小 压强增加一个大气压 体积压缩率约为1/20000 在常温10-20 下 温度升高1 体积膨胀率约为1.5/10000。 2 气体的压缩性 完全气体状态方程 pvRT R=8314/M(J/kgK),空气的气体常数287J/kg2K。 【例题2单选题】不可压缩流体的特征是 A.温度不变 B.密度不变 C.压强不变 D.粘度不变 【答案】B 【解析】该题考查的是不可压缩流体。不可压缩流体 是指流体的每个质点在运动全过程中 密度不变化的流体。对于均质的不可压缩流体
