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工程流体水力学第四章习题答案

第四章理想流体动力学和平面势流答案4-1 设有一理想流体的恒定有压管流,如图所示。

已知管径1212d d=,212d D=,过流断面1-1处压强p1>大气压强p a。

试按大致比例定性绘出过流断面1-1、2-2间的总水头线和测压管水头线。

解:总水头线、测压管水头线,分别如图中实线、虚线所示。

4-2 设用一附有液体压差计的皮托管测定某风管中的空气流速,如图所示。

已知压差计的读数h=150mmH2O,空气的密度ρa =1.20kg/m3,水的密度ρ =1000kg/m3。

若不计能量损失,即皮托管校正系数c=1,试求空气流速u0。

解:由伯努利方程得2002sa ap u pg g gρρ+=a2()sp pu ggρ-=(1)式中sp为驻点压强。

由压差计得0sp gh pρ+=sp p ghρ-=(2)联立解(1)(2)两式得a a10002229.80.15m/s49.5m/s1.2gh hu g ggρρρρ===⨯⨯⨯=4-3 设用一装有液体(密度ρs=820kg/m3)的压差计测定宽渠道水流中A点和B点的流速,如图所示。

已知h1 =1m,h2 =0.6m,不计能量损失,试求A点流速u A和B点流速u B。

水的密度ρ=1000kg/m3。

解:(1)1229.81m/s 4.427m/s A u gh ==⨯⨯= (2)由伯努利方程可得22A AA u p h g gρ+= (1)22B BB u p h g gρ+= (2)式中A h 、A p 和B h 、B p 分别为A 点和B 点处的水深和驻点压强。

由(1)、(2)式可得2222A B A BA B p p u u h h g g gρ-=+-- (3) 由压差计得,22ρρρρ--++=A A s B B p gh gh gh gh p ,所以220.82A BA B p p h h h h gρ-=+-- (4) 由(3)式、(4)式得2222 4.427(10.82)0.6(10.82)0.8922229.8B A u u h g g =--=--=⨯ 29.80.892m/s 4.18m/s B u =⨯⨯=。

4-4 设有一附有空气-水倒U 形压差计装置的皮托管,来测定管流过流断面上若干点的流速,如图所示,已知管径d =0.2m ,各测点距管壁的距离y 及其相应的压差计读数h 分别为:y =0.025m ,h =0.05m ;y =0.05m ,h =0.08m ;y =0.10m ,h =0.10m 。

皮托管校正系数c =1.0,试求各测点流速,并绘出过流断面上流速分布图。

解:因2u c gh =,所以112129.80.05m/s 0.99m/s u c gh ==⨯⨯⨯= 222129.80.08m/s 1.25m/s u c gh ==⨯⨯⨯= 332129.80.10m/s 1.40m/s u c gh ==⨯⨯⨯=过流断面上的流速分布如图所示。

4-5 已知2222,,0,x yz y xu u u x y x y -===++试求该流动的速度势函数,并检查速度势函数是否满足拉普拉斯方程。

解:(1)在习题3-19中,已判别该流动为有势流,所以存在速度势函数Φ。

2222d d d d d x y y x u x u y x y x y x y -Φ=+=+++222d d 1d()1()y x x y yy x y x x-+==++积分上式可得arctanΦ=y x(2)22222222(),()Φ∂∂-==∂∂++y xyx x x y x y 2222222222(),0()ΦΦ∂∂-∂===∂∂++∂x xy y y x y x y z 2222222200()()xy xyx y x y -+=++满足拉普拉斯方程。

4-6 已知22x y u x y -=+,22y xu x y=+,0z u =,试求该流动的流函数ψ和流线方程、迹线方程。

解:(1)在习题3-8中,已判别该流动满足连续性方程,所以存在流函数ψ。

等流函数线方程即为流线方程。

d d d 0x y u y u x ψ=-=,2222d d 0y xy x x y x y --=++2222d d 0y xy x x y x y +=++,2222d()0x y x y +=+ 积分上式可得22ln()x y C ψ=+=(2)迹线方程d d x yx yu u =, 2222d d x yy x x y x y =-++ 2222()d ()d x y x x x y y y -+=+2222d d 0y y x xx y x y +=++,2222d()0x y x y +=+ 积分上式可得22ln()x y C +=4-7 已知u x =-ky ,u y =kx ,u z =0,试求该流动的流函数ψ和流线方程、迹线方程及其形状(k 是不为零的常数)。

解:流函数和流线方程:22d d d d d [d()]2x y ku y u x ky y kx x x y ψ=-=--=-+ 积分上式可得22x y ψ=+迹线方程:d d d -0x y z ky kx == 222x y r +=,z C =由上式可知,流线为平行于Oxy 平面的同心圆族,由于恒定流的流线与流线上液体质点的迹线相重合,所以迹线亦是同心圆族,液体质点作圆周运动。

4-8 已知u x =4x ,u y =-4y ,试求该流动的速度势函数和流函数,并绘出流动图形。

解:由习题3-8和3-19,可知该流动存在流函数ψ和速度势函数Φ。

4Φ∂==∂x u x x,4Φ∂==-∂y u y y 22d d d 4d 4d 2d()Φ=+=-=-x y u x u y x x y y x y积分上式可得:222()Φ=-x y4x u x y ψ∂==∂,4y u y xψ∂=-=∂ d d d 4d 4d 4d()x y u y u x x y y x xy ψ=-=+=积分上式可得 4xy ψ= 流动图形如题4-16图所示。

4-9 已知Φ=a (x 2-y 2),式中a 为实数且大于零。

试求该流动的流函数ψ。

解:2Φ∂==∂x u ax x,2Φ∂==-∂y u ay y d d d 2d 2d 2d()x y u y u x ax y ay x a xy ψ=-=+=积分上式可得 2axy ψ=4-10 已知速度势函数cos 2πΦϕρ=M,式中M 是不为零的常数。

试求该流动的流函数,并绘出流动图形。

解:21cos 2ρΦψϕρπρρϕ∂∂==-=∂∂M u ,cos 2Mψϕϕπρ∂=-∂ 对ϕ积分可得d ()cos d ()sin ()2π2πM Mf f f ψψϕρϕϕρϕρϕρρ∂=+=-+=-+∂⎰⎰ 上式对ρ取偏导数,则'2sin ()2πM f u ϕψϕρρρ∂=+=-∂ 又 2sin 2πϕΦϕρϕρ∂-=-=∂Mu 由上两式可得 '()0f ρ=,即()f ρ=常数。

因此可得sin 2πM ψϕρ=-上述流动即为偶极流。

流动图形可参照题4—10图。

4-11 已知流函数ψ =3x 2y -y 3,试判别是有势流还是有涡流。

证明任一点的流速大小仅取决于它与坐标原点的距离ρ。

解:2233,6x y u x y u xy y xψψ∂∂==-=-=-∂∂ 6,6y xu u y y y x∂∂=-=-∂∂,所以是有势流。

2222222222249()369()9x y u u u x y x y x y ρ=+=-+=+=23u ρ=,所以任一点的流速大小仅取决于它与坐标原点的距离。

题4-10图4-12 设水平面流场中的速度分布为ku uϕρ==,0uρ=,k是不为零的常数,如图所示。

试求流场中压强p的分布。

设ρ=∞,u=0处的压强为p∞;水的密度为ρF。

解:由例3-6(如题4-12图所示)知,该流体运动除原点(ρ=0)外,是有势流。

因是有势流,理想流体恒定流伯努利方程式适用于整个有势流;又因在同一水平面内,所以流场中除原点(ρ=0,u=∞)外,2F F2u ppg g gϕρρ∞+=,因此22F F222u kp p pϕρρρ∞∞=-=-。

由上式可知,压强p随半径ρ的减小而降低。

4-13 水桶中的水从桶底中心小孔流出时,常在孔口上面形成旋转流动,水面成一漏斗形,如图a所示。

流速场在平面内,如图b所示,可表示为ku uϕρ==,uρ=0,k是不为零的常数。

试求自由水面曲线的方程式。

解:该流体流动除原点(ρ=0)外,是有势流。

因是有势流,理想流体恒定流伯努利方程式适用于整个有势流,流动剖面如图所示。

当ρ∞→时,水面高程为h;另取自由表面上任意点M,对上述两点写伯努利方程,可得2222222Muu kh z z zg g gϕρ=+=+=+,222kz hgρ=-, 该式即为自由表面方程式。

4-14 直角(90)弯头中的流动,设为平面势流,如图所示。

已知弯头内、外侧壁的曲率半径r1、r2分别为0.4m和1.4m,直段中均匀来流的流速为10m/s,流体密度为1.2kg/m3。

试求弯头内外侧壁处的流速和内外侧壁的压强差。

解:由例4-6(如题4-14图所示)知弯段内的流速分布为kuϕρ=,式中k是不为零的常数。

k值可由连续性方程决定,即221121d d lnr rr rrkvb u krϕρρρ===⎰⎰10(1.40.4)7.991.4ln0.4k⨯-==外壁处流速227.99m/s 5.71m/s1.4kuϕρ===,内壁处流速117.99m/s19.98m/s0.4kuϕρ===内外壁处的压强差题4-12图题4-14图12222222F21 1.2()(19.98 5.71)N/m 219.96N/m 22p p p u u ϕϕρ∆=-=-=-= (注:外侧压强大)4-15 已知(1)0u ρ=,ku ϕρ=,k 是不为零的常数;(2)0u ρ=,2u ϕωρ=,ω为常数。

试求上述两流场中半径为ρ1和ρ2的两条流线间流量的表示式。

解:(1)ku ϕψρρ∂=-=-∂,ln ()k f ψρϕ=-+ '1()0u f ρψϕρϕρ∂===∂,1()f C ϕ= 1ln k C ψρ=-+,1212lnq k ρψψρ=-= (2)2u ϕψωρρ∂=-=-∂,221()2f ψωρϕ=-+ '1()0u f ρψϕρϕρ∂===∂,2()f C ϕ= 22212C ψωρ=-+,22221121()2q ψψωρρ=-=-4-16 直角内流动。

已知平面流动的速度势Ф=a (x 2-y 2),流函数ψ=2axy ,式中a 为实数且大于零。

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