习题二
2.1 设质量力f?(y?yz?z)i?(z?zx?x)j?(x?xy?y)k在此力场中,正压流
体和斜压流体是否可以保持静止?说明原因。
222222?????22解:???f?(2y?2z)i?(2z?2x)j?(x?xy?y)k?0 ???????3 f?(??f)?2y3?2z3?2z3?2x3?2x3?2y ?0 固正压流体不能保持静止,斜压流体可以保持静止。
2.2 在自由面以下10m深处,水的绝对压力和表压分别是多少?假定水的密度为1000kg?m,大气压为101kpa。 解: 表压为:
p1?p?p0??gh=1000*9.81=98100pa. 绝对压力为:
p?p1?p0=98100+101000=199100pa.
2.3 正立方体水箱内空间每边长0.6m,水箱上面装有一根长30m的垂直水管,内径为25mm,
水管下端与水箱内部上表面齐平,箱底是水平的。若水箱和管装满水(密度为
1000kg?m),试计算:(1)作用在箱底的静水压力;(2)作用在承箱台面上的力。 解: (1)p??gh=1000*9.8*(30+0.6)=300186pa (2) F??gv=1000*9.8*(0.216+0.015)=2264N.
2.4 如题图2.4所示,大气压力为pa=100kN?m,底部A点出绝对压力为130kN?m,问
压力计B和压力计C所显示的表压各是多少?
?2?2?3?3 解:C表显示:
pc?pA??gh1=130-9.81*1=120.43kN?m?2
B表显示:
pB?pA??gh2=100+9.81*1*3=139.43kN?m?2
2.5 倾斜式微压计由贮液杯和倾斜管组成,如题图2.5所示,贮液杯内自由面上的压力为大气压力pa,斜管接待测压力p( s0sin?s为斜管的横截面积;s0为贮液杯的横截面积;?为斜管的倾斜角。 证:由公式(2.4.1)得: pa?p??g(h1?h2) …………………..(1) 又h1=(a?a0)sin? h2s0=s(a?a0) 带入(1)式中得: pa?p??g(a?a0)(1?s)sin? s0sin?2.7 潜艇内气压计读数为p1=800mmHg,汞测压计测到的水压读数为p2=400mmHg,若海平面上汞测压计的大气压力为760mmHg,海水平均密度1026kg?m 2.8 用题图2.8所示装置测量贮水旗A的中心C点处的压力,测得?h=60cm,经查发现管路中的空气没有排除,空气所占的位置如题图2.8所示,水的密度为1000kg?m,水银的密度为13600kg?m,试问这会带来多大的误差。 ?3?3?3 解:C点实际压强: pc?pa??1g?h?0.8?g??g?1.5?g?pa?0.6?1g?1.7?g 测量值:pc?pa?0.6?g 实际值:?h??, 0.6?1g?1.7?g?1 压力误差: ??pcpc?100%??8.6% pc ?h相对误差为: ?h??h??100%??17.6% ?h??32.10 如题图2.10所示,圆柱容器内装水,高度为600mm,再装密度为800kg?m油,油层高度为900mm,油面以上的压力为20kpa的空气,求作用于圆柱容器侧面上的压力中心的位置。 解:取如图坐标系: 上半圆面形心深度为: hc1?0.9?4r=0.6452m 3?下半圆面形心深度为: hc2?0.9?4r=1.1548m 3?hc1处的压强为:p1?0.2?105??油ghcr=25065.1pa hc2处的压强为:p2?0.2?105??油g?0.9??g作用于侧面上的力为: F=(p1?p2)s=30.88kN 上半圆面,求压力中心:hcp1?0.6452?4r?29562.6pa 3?0.11?0.640.6452??2=0.6843m r2=1.1766m hcp2?1.1548?0.11?r41.1548??2r2?R1h?1?R2h?2?Rh? ?hcp?p1sh?1?p2sh?2 ?0.950m(p1?p2)s2.11 船闸宽6m,关上两扇闸门正好形成120°角的人字形(见题图2.11),闸门高6m,下铰装在门底以上0.6m处,上铰装在底面以上5.4m处。当闸门一侧挡水深度在底部以上4.5m,另一侧为1.5m时,求水的压力引起的闸门之间的作用力,以及两铰上的约束反力。 解:分析其中的一扇门,一侧压力 R1??ghc1s1=344kN 压力中心(1.73,1.5) m 另一侧 R2??ghc2s2=38.2kN 压力中心 (1.73,0.5) m (1) 以过铰接处垂线为轴 lM?xl?(N?N)=0 ?212 X=152.94kN Y= 3x=264.9kN X2?Y2=305.86kN 闸门之间的相互作用力N= tg??(2) Y?1.732 ?=60°。 X?Fx?x1?x2?x?N2?N1?05.4x1?x2?152.86kN.........................................(1) ?My?N1d1?N2d2?x2d??由(1),(2)得:x1=-11.12kN x2=164.0kN 0.6xrdr..........(2)6?Fy?Y1?Y2?Y?0 Y1?Y2 得Y1?Y2=132.45kN 习题三 3.1 已知二维速度场??3yi?2xj求(x,y)=(2,1)点的:(1)速度;(2)当地加速度;(3)迁移加速度;(4)与速度矢量平行的加速度分量;(5)与速度方向垂直的加速度分量。 解:??3yi?2xj (1)?(2,1)?3i?4j (2)a当地?22???0 ?t??y??x??y?3y2?0?x2y6??x?yi2 4(3)x方向 a迁??x Y方向 a迁??x??y??x??y?3y2?2?x2??0j6 ?x?y??3?4?(4)?方向角 et?i?j 55i?6j a?a迁?a当地?24 ?????|a?en|=96/25 96/25et?11.52i?15.36j ?????(5)a?en=0 en?4/5i?3/5j ?????|a?en|=78/25 78/25en?12.48i?9.36j 323.2 已知二维速度场?x?x?y?x,?y??2xy?y,压力场为p?4x?2y,求 22(x,y)=(2,1)点的:(1)加速度分量ax,ay;(2)压力变化解:ax?Dp. Dt??yD?x???(V??)?x??xx??y?35 Dt?x?yD?y??y??xay??(V??)?y??x??y?15 Dt?x?y??y??Dp?p???xx??y?260 Dt?t?x?y3.3 对下列速度场,式中a为常数,求流线簇,并画出流谱。 (1)?x?ay,?y?0; (2)?x?axay,??; yx2?y2x2?y2ayax,??; y2222x?yx?y (3)?x?? (4)?r?解:(1) cos?sin?,??. ?22rrdxdy? dy=0 ayVy(2) dxdydxdy ??axayxy2222x?yx?yLnx=lny+c x=cy (3) dxdy xdx=-ydy ?ayax?2x?y2x2?y2x2?y2?c drrd?drcos?d? ???????????cos?sin?rsin?r2r2Ln r=ln sin?+c r =csin? (4) 3.4 已知?x?ax?t,?y??ay?t,?z?0,a为常数,求流线和迹线。 解:流线 22dxdydz ??22ax?t?ay?t022 ln ax?t=-lnay?t (ax?t)(ay?t)=c1 z =c2 22dx?dt2ax?tx??at?2tdy迹线 ??ay?t2 y??ay??2t dtdz?0dz?0dt解非线性方程, 形如y??p(x)y(x)?Q(x) dyQ(x)?dx?p(x)dxy(x)y(x)ln(y)?V(x)??p(x)dx?p(x)dxy?eV(x)?e??p(x)dx?p(x)dx?p(x)dxy?ce??e???Qe?dx 齐次方程解 非齐次方程的解 t22t2x?c1e??2?3aaat22t2?at所得迹线方程y?c2e??2?3 aaaz?c3at3.5 试推导圆柱坐标系的质量守恒方程: ???(r??x)?(r??r)?(r???)????0 圆柱坐标系中的微元控制体如图3.5所示。 ?tr?xr?rr?? 解: ?(r??x)?(r???)?(r??r)??dr?rd??dx?dr?rd??dx?dr?rd??dx??dr?rd??dx?0?tr?xr?rr?? ?(r??x)dr?d??(r???)drdx?(r??r)d??dx??dr?rd??dx?dx?dr?d??0?t?x?r??微元内的质量变化 沿x方向流出的质量 3.6 设空间不可压流的两个分速为 ?x?ax?by?cz,?y??dxy?eyz?fzx 式中,a、b、c、d、e、f为常数,求第三个分速?z。 解:质量守恒: 222??x??y??z???0?x?y?z??2ax?(?dx?ez)??z ?zez2??z??(d?2a)xz?H(x,y)23.7 如题图3.7所示,气体以速度u(x)在多孔壁圆管中流动,管径为d0,气体从壁面细孔被吸出的平均速度为v,试证明下列式成立: 解:质量守恒: ???(?u)4????? ?t?xd0???c??td???cs???nds?0d??d02?(?u)[()?]dx?dx?(0)2??d0?dx?d??0?t2?x2d???(?u)?????/0?t?x42 3.8 已知理想不可压流场??2xyi?yj,试求x方向的压力梯度及(1,2)点的压力梯度的大小,不计重力影响。 解:动量守恒: ?D?i?p??fi? Dt?ix2已知不可压 ??2xyi?yj, 定常 ??1?2xy???????2??y2 ?V1?V1?V?V?p?V1?1V2?1V3???t?x1?x2?x3?x12y(2xy)?2x(?y2)???2xy2??p?x?V2?V?pV1?2V2???x1?x2?x2?p?y?p?x ?2y3??p?p?p????2xy2?2y3 ?x?y?z3.9 证明柱点附近的流场?x?U0U式中,x,?y??0y,?z?0为N-S方程的一个精确解, LLU0,L为常数,并计算压力场p(x,y). ??x??y??z???0 证明:连续方程?x?y?zN-S方程 (U02?p11U)x???????????????p???(0x)2?f(y)L?x?2LU02?p11U)y???????????????p???(0y)2?f(x)L?y?2L (所以 p?12???c 2习题四 4.1 如题图4.1所示,海平面上空气通过管道被吸进真空箱,管道内的流动不考虑粘性和压缩性影响,现测出管道A-A截面上的静压力为9.6?10Pa,求该截面气流的速度。 4 解: ?22?p???022?p0? ??2(p0?p)?4.2 如题图4.2所示,用皮托管测量水的流速时,它的低端开口面向来流,其轴线与来流平性,管内水位高出水面5cm,求水流速度。 解:??2(p0?p)?= 2gh=0.99m/s 4.3 鱼雷在5m深的水下以50kn的速度运动,根据相对性原理,这种运动可视为无穷远处来流以流速50kn绕鱼雷流动。 解:(1)由伯努力方程: ?A22?pA???B22?2pB??A22pA?pB??(?B2 ?)?43821Pa(2)由伯努力方程: ?A22?pA??pB?B22??pB?)??B2?30m/s?A?2(pA ??开始出现空泡的航速为30m/s 4.4 如题图4.4所示,只要给虹吸管以足够的吸力,吸取容器中的流体形成连续的流动,这一流动将一直持续下去直到吸干容器中的流体为止,不考虑损耗,求:(1)出口速度(2)虹吸管中的最低压力。 解:(1)由伯努力方程: ?122??pa??Hg??2Hg?222?pa??0 ?12?2222又??1s1??2s2??2?2Hg(2)由 ?322?2?p3?pa??(H?L)g?p3?(H?L)g??12?pa??Hg 4.5 在文特利管中有空气流动。在其最窄截面1-1处开一孔截小竖管(见题图4.5),小管插在水中,水面在管轴线以下0.2m处,截面2-2通大气。以知管径d1=20mm,d2=40mm,问流量多大时才能将水吸入气流中。 解:(1)由伯努利方程 ?122?2? 又??1s1??2s2要将水吸入水流中,则有 ?p1??22?p2p1?p2??水gh?1.96?103pa?2?14.75m/s3 流量为Q??2s2=0.02035m/s 4.6两块二维平行平板各长2L,相距b(见题图406),且b< ???c??td???cs??nds???不可压?0?t?dz?zx?z?xdz?b解:??x??x/b ?l??l/b?x22?px???022?p0?px??/2(?l2??x2)4.7一水槽在同一侧面有大小相同的两小孔,两孔在同一铅垂线上相距h,下孔离水面距离为H(见题图4.7),求两孔射流交点的位置。 解: ?1?2g(H?h)?2?2gHx??1t1??2t2?t2?H?h/H?t1y?1/2gt?1/2gt2?ht1?2H/gx?4H(H?h)4.8一大贮水箱底部开有一面积为s0的小圆孔(见题图4.8),水在定常出流时孔口处的速度为v0,试证明距离孔口下面z处水流截面积为s?证: 212 s0v0v0?2gz2 s0v0?sv1s0处s处都是p0v02v12?gz?22v02?v1?(?gz)?22s0v0?s?v02(?gz)?22所以 s? s0v0v0?2gz22 4.9水槽截面积为1m,直桶形,贮水4m深。打开底部直径为60mm的圆孔,试求两分钟后的水深是多少? 解: s1v1?s2v2v12pav22pa??gh??2?2??v2?2gh1?(s2/s1)2 s2v2t?s1(4?h)?当t?120s时h?1.5608m4.10 水平放置的u型弯管如题图4.10所示,弯管两平行轴线相距为l,管截面积由s1=50变到s2=10,s2截面通大气。水流体积流量q=0.01,求水流对弯管的作用力及做用点的位置。 解:由伯努力方程: ?122?p1???222?p2? 又因为s1v1?s2v2 v1=2m/s v2=10m/s Rx?[(p1?pa)???12]s1?[(p2?pa)???22]s2cos?Ry?[(p2?pa)???22]s2sin?代入Rx?360,Ry?0对1-1截面 由动量距方程 l??R2s2l/Rx?0.28l 4.11如图4.11所示,弯嘴管头 解: Rx?[(p1?pa)???12]s1?[(p2?pa)???22]s2cos?Ry?[(p2?pa)???22]s2sin? ???90 r2?16m/sp1?pa?12.8?104pa?v1s1?v2s2v1?4/9m/sM?0.1Rx?0.2Ry?32Nm4.12如题图4.12所示,一平板垂直插入水柱内,水柱速度为30m/s,总流量为30kg/s,分流量为12kg/s,试求水柱作用在平板上的力和水流偏转角。 解:由连续方程 ?0??1??2??2??0??1?18kg/s设平板水流合力为F,方向向左则:?2v2sin???1v1?0F??0v0??2v2cos?且v1?v2?v0则sin??2/3F?497.5N习题5 5.1 已知vx?y?2z,vy?z?2x,vz?x?2y,求: (1)涡量及涡线方程;(2)在z=0平面的面积dS=0.0001上的涡通量。 解:(1) ??y??x??x??z??z??y??(?)i?(?)j?(?)k?y?z?z?x?x?y?(2?1)i?(2?1)j?(2?1)k ?i?j?k所以 流线方程为 y=x+c1,z=y+c2 (2) J?wnds?2*0.5*0.0001?0.0001m/s 5.4设在(1,0)点上有???0的旋涡,在(-1,0)点上有????0的旋涡,求下列路线的速度环流。 ?2(1)x2?y2?4;(2)(x?1)2?y2?1;(3)x??2,y??2的方框。 (4)x??0.5,y??0.5的方框。解:(1)由斯托克斯定理可知:因为涡通量为0,所以(4)由斯托克斯定理可知:因为涡通量为0,所以???vdl?2?wnds?0 cs??vdl?0 c5.6如题图5.6所示,初始在(0,1)、(-1,0)、(0,1)和(0,-1)四点上有环量?等于常值的点涡,求其运动轨迹。 解:取其中一点(-1,0)作为研究对象。 vCA?vBA?vBA?3?4??4??22??22?vA?vCA?vBAcos45?vBAcos45? 由于四个涡相对位置将不会改变,转动角速度为: v3??ar4? 3?v?wt?t4?w?用极坐标表示为r=1, ??3?t 4?同理,其他点的轨迹与之相同。 5.10如题图5.10所示有一形涡,强度为,两平行线段延伸至无穷远,求x轴上各点的诱导速度。 解:令(0,a)点为A点,(0.-a)为B点 在OA段与OB段 ?a(cos90?)224?xa?x?av2?(cos0?)224?xaa?x??vx?2(v1?v2)?(x?a2?x2)2?xav1?习题六 6.1平面不可压缩流动的速度场为 (1)vx?y,vy??x; (2) vx?x?y,vy?x?y; (3) vx?x?y,vy??2xy?y; 判断以上流场是否满足速度势和流函数存在条件,进而求出。 解: 22 ?存在??V?0?存在?vx?(?vy)??x?y(1)?存在 ?vy?x??(vx)??2??x ?y?(?vy)?vx?0......?0??v ?x?yx2?y2????vydx?vxdy?+c 2?(vx)?2????x?y(2) ?(?vy)?(?x?y)?vx?1....???1????x?y?y?(3) ?vy?vy?x??(vx)?0??? ?y3222 ??vxdx?vydy?x/3+x/2-xy-y/2+c (4) ??(?vy)?vx?2x?1....?2x?1 ??? ?x?y ??-vydx?vxdy??y/3+xy+yx+c 6.2证明函数f=xyzt是速度势函数,而且流场不随时间变化。 证:f=xyzt ?321)?2??02)?(??)?0?f是速度势函数流线方程dxdydzdxdydz?????yztxztyxtyzxzyx ?流场不随时间变化6.3有一种二维不可压缩无旋流动,已知vx?kxy,k为常数,求vy。 解: ?无旋???vy?x?vy?x??(vx)?0?y?kx?vy?kx2?cy?vx?(vy)??0 ?x?y?不可压???vy?y??ky?vy?ky2?cx?vy?k(x2?y2)?c6.4已知速度势,求复势和流函数: (1)??Ux?x; 22x?yy; x2?y2(2)??Ux?(x?a)2?y2(3)??ln; (x?a)2?y2解: 按题意,应有??w???i?x为均匀流动,叠加一偶极子x2?y2?w?Uz?1/z1)??Ux?i??U(iy)?Im(2)??Ux?z?yiy)?Uyi?2???Uy?z?zx?y2x2?y2y为均匀流动,叠加一偶极子旋转90 x2?y2?w?Uz?i/zi??U(iy)?Im(izxix)?Uyi?2???Uy?z?zx?y2x2?y2(x?a)2?y2223)??ln?lnRe(z?a)?lnRe(z?a)(x?a)2?y2z?a?w?2lnz?ax?a??lnIm(z?a)2?lnIm(z?a)2?lnx?a6.5分析如下流动是由那些基本流动组成: 解:(1)匀直流 点涡 偶极子 (2) 点源 点汇 两点涡 (3)两源一汇