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工程流体力学简答题


流动的特点:趋向最低能量状态 存在流动的条件:分子间作用力较小。剪切力的作用,可形成速度梯度。 密度:单位容积的流体所具有的质量称为密度,以符号ρ 表示。密度的大小与该种流体的 温度与压力有关,即与可压缩性与温度膨胀性有关。 流体的可压缩性:流体受压力作用时发生体积变化的性质称为可压缩性,常用体积压缩系 数β e 表示。其物理意义是单位压力变化所造成的流体体积的相对变化率。 流体的温度膨胀性:由温度膨胀系数β t 表示。β t 是指单位温度升高值(1℃)所引起的 流体体积变化率。 粘性:当流体在外力作用下,流体微元间出现相对运动时,随之产生阻碍流体层相对运动
的内摩擦力,流体产生内摩擦力的这种性质称为粘性。

流体内摩擦定理:p16 粘性力(粘性内摩擦力)产生的原因:这种阻力是由分子间的相互吸引力和分子不规则运
动的动量交换产生的阻力组合而成。 分子间吸引力产生的阻力、 分子不规则运动的动量交换 产生的阻力

液体与气体粘性力产生的主要因素:液体:低速流动时,不规则运动弱,主要取决于分子
间的吸引力;高速流动时,不规则运动增强,变为不规则运动的动量交换引起。气体:主要 取决于分子不规则运动的动量交换。

压强和温度对流体粘性的影响:压强:由于压强变化对分子动量交换影响小,所以气体的
粘度随压强变化很小。而压强加大使分子间距减小,故压强对液体粘性的影响较大。但低压 下压强对液体粘度影响很小。温度:对于液体,温度升高, 分子间距增大, 粘度将显著减小; 对于气体,温度升高,分子不规则运动加剧,粘度增大。

比热容:单位质量流体温度变化 1℃时所需交换的热量 流体:在任何微小的剪切力的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体。 层流:不同层之间的流体质点没有相互混杂,本层的流体质点总是沿着本层流动,流体质 点的运动轨迹是一条光滑的曲线,这种流动称为层流。 紊流:流体在流动过程中层与层之间的质点互相混杂,流体质点的运动轨迹杂乱无章。 湿空气:含有水蒸气的空气称为湿空气绝对湿度 绝对湿度:每立方米湿空气中所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度。 饱和绝对湿度:饱和空气(在一定的温度与压力下,所含水蒸气的量达到最大可能含量的 湿空气)的绝对湿度。 相对湿度:在某温度和总压力下,湿空气的绝对湿度与饱和绝对湿度之比称之为该温度下 的相对湿度。 质量含湿量:在含有 1kg 干空气的湿空气中所含水蒸气质量 容积含湿量:在含有 1m3 干空气的湿空气中所含水蒸气质量,称该湿空气的容积含湿量 压缩空气:气压传动中所用的压缩空气一般是由空气压缩机提供的,经压缩后的空气称为 压缩空气。未经压缩处于自由状态下(101325 Pa)的空气称为自由空气

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流体中的作用力:质量力:与流体质量有关。表面力:与流体表面积有关。质量力作用于 所研究的流体体积内的所有流体质点,流体所受的重力、惯性力均属质量力。 表面力:所 研究的流体体积之外的流体质点对研究对象存在作用力, 此类作用力仅作用于所研究对象的 外表面。 表面力的大小与作用表面的面积成正比。 按作用方向表面力分为切向力与法向力。 单位质量力:单位质量的流体所受的质量力,其数值等于加速度 流体的静压力:处于受力平衡状态的流体所受到的作用在内法向方向上的应力称为流体的 静压力。 流体静压力的特性:平衡流体中的应力总是沿作用面的内法线方向,即只能是压力。平衡 流体中某点的压力大小与作用面的方向无关。 压力有三种表达方法:按照度量压力的基准点(即零点)的不同,压力有三种表达方法: 绝对压力、相对压力、真空度。 绝对压力:以绝对真空作为零点。这是热力学中常用的压力标准,流体力学中也常用来计 算气体的压力。 相对压力: 以大气压力为零点。一般压力表所显示的压力都是相对压力,因此也有把“相 对压力”称为“表压力”或“计示压力”的。 真空度: 当绝对压力小于大气压时,其小于大气压的数值称为真空度。 等压面:流体中压力相等的各点所组成的一个平面或曲面称为等压面。仅受重力作用的静 止流体中的等压面是水平面。 等压面的三个特性:等压面就是等势面。在平衡的流体中,通过每一质点的等压面必与该
点所受质量力垂直。两互不相混的液体,当他们处于平衡状态时,其分界面必为等压面。

帕斯卡原理:密闭容器中的平衡流体,其边界上任何一点的压力变化都将等值传递到流体 内各点。 理想流体:理想流体是理论上假设的没有粘性的流体 稳定流:在流体运动的空间内,任一空间点处流体的运动要素(流体的压力、速度、密度 等说明流体运动特征的量)不随时间变化的流动。 非稳定流:空间点的运动要素中有一个或几个随时间而变化的流动。 流场:是指充满了运动着的连续流体的空间。在流场中每个流体质点均有确定的运动要素。 迹线:流体质点在一段时间内的运动轨迹线。 流线:流动空间中某一瞬间的一条空间曲线。 流线上各点对应的流体质点所具有的速度方向与流线在该点的切线方向相重合。 流线和迹线有以下性质: 1、流线是某一瞬间的一条线,而迹线则一定要在一段时间内才能产生。 2、流线上每一个空间点都有一个液体质点,因此每条流线上有无数个液体质点,而每条迹 线则只能是一个流体质点的运动轨迹。 3、在非稳定流中,由于流速是随时间而改变的,因此,流线的形状(与流速相切)也是随 时间而变化的,不同瞬间有不同的流线形状,因此流线与迹线不能重合。 4、而在稳定流中,各点速度不随时间变化,因此流线的形状也不随时间变化,所以流线与 迹线就完全重合。 5、流线是不能相交的(奇点除外)。
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流线的性质:在恒定流动中,流体与迹线是同一条曲线,彼此重合。流线不能彼此相交。 流线不能突然转折,只能平缓过渡。 流管:通过流动空间上任意一封闭周线的每一点作流线所形成的管状曲面。 流束:充满在流管内部的全部流体。 微小流束:断面为无穷小的流束 总流:在流动边界内全部微小流束的总和称为总流 有效断面:和断面上各点速度相垂直的横断面称为有效断面,常以 A 表示。 湿周:在有效断面上流体与固体边界接触的周长称为湿周,常以拉丁字χ 表示。 水力半径:有效断面与湿周之比称为水力半径,以 R 表示 平均流速:有效断面上速度的平均值 水利坡度:沿流程单位管长上的水头损失 缓变流必须满足下述两个条件: 1)流线与流线之间的夹角很小,即流线趋近于平行。 2)流线的曲率半径很大,即流线趋近于直线 动量定理:物体的动量变化等于作用在该物体上的外力的总冲量。 沿程阻力损失:在等直径直管中由于流体的粘性及管壁粗糙等原因,在流体流动的过程中 产生的能量消耗。大小与管线的长度成正比。单位重力流体的沿程损失用 hι 表示。 局部阻力损失:在局部地区流体的流动边界有急剧变化引起该区域流体的互相摩擦碰撞加 剧,从而产生的损失。 圆管紊流沿程损失:层流区、光滑管区、过渡区与 Re 有关。阻力平方区、过渡区与粗糙度 有关。经验公式 P88。 圆管紊流过水断面流速分布符合对数曲线分布规律。圆管层流过水断面速度分布符合抛物 线型分布。 实际流体总流的伯努利方程适用条件:质量力只有重力作用,稳定流,不可压缩流体,缓 变流断面,流量为常数。动能修正系数:紊流 a=1,层流 a=2 液压冲击 在液压系统中由于某些原因液体压力突然急剧上升, 形成很高的压力峰值, 这种现象称为液 压冲击 液压冲击的危害 系统中出现液压冲击时: 液体瞬时压力峰值可以比正常工作压力大好几倍。 损坏密封装置、管道或液压元件。 引起设备振动。 产生很大噪声。
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有时会使某些液压元件如压力继电器、顺序阀等产生误动作,影响系统正常工作。

液压冲击产生的原因 在液压阀突然关闭或运动部件快速制动等情况下,液体在系统中的流动会突然受阻。 这时,由于液流的惯性作用,液体就从受阻端开始,迅速将动能逐层转换为液压能,因而产 生了压力冲击波。此后,这个压力波又从该端开始反向传递,将压力能逐层转化为动能,这 使得液体又反向流动。然后,在另一端又再次将动能转化为压力能,如此反复地进行能量转 换。 由于这种压力波的迅速往复传播,便在系统内形成压力振荡。这一振荡过程,由于液体 受到摩擦力以及液体和管壁的弹性作用不断消耗能量,才使振荡过程逐渐衰减而趋向稳定, 产生液压冲击的本质是动量变化。 减小压力冲击的措施 1) 尽可能延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。如在液压传动系统中采用换向时间可 调的换向阀。 2) 正确设计阀口,限制管道流速及运动部件速度,使运动部件制动时速度变化比较均匀。 3) 在某些精度要求不高的工作机械上,使液压缸两腔油路在换向阀回到中位时瞬时互通。 4) 适当加大管道直径,尽量缩短管道长度。 5) 采用软管,增加系统的弹性,以减少压力冲击。 空穴现象:在流动的液体中,当某处的压力低于空气分离压时,原先溶解在液体中的空气 就会分离出来,从而导致液体中出现大量的气泡,这种现象称为空穴现象。
空穴现象产生的原因 空穴现象多发生在阀口和液压泵的进口处。由于阀口的通道狭窄,液流的速度增大,压力则 下降,容易产生空穴现象;当泵的安装高度过高、吸油管直径太小、吸油管阻力太大或泵的 转速过高,都会造成进口处真空度过大而产生空穴现象。空气分流压、饱和蒸汽压

空穴现象的危害 1) 液体在低压部分产生空穴后,到高压部分气泡又重新溶解于液体中,周围的高压液体迅 速填补原来的空间,形成无数微小范围内的液压冲击,这将引起噪声、振动等有害现象。 2) 液压系统受到空穴引起液压冲击而造成零件的损坏。另外由于析出空气中有游离氧,对 零件具有很强的氧化作用,引起元件的腐蚀。这些称之为气蚀作用。 3) 空穴现象使液体中带有一定量的气泡,从而引起流量的不连续及压力的波动。严重时甚 至断流,使液压系统不能正常工作。 减少空穴现象和气蚀的措施 1) 减小孔口或缝隙前后的压力降。一般希望孔口或缝隙前后的压力比 p1/p2<3.5。 2) 降低泵的吸油高度,适当加大吸油管直径,限制吸油管的流速,尽量减小吸油管路中的 压力损失(如及时清洗过滤器或更换滤芯等)。对于自吸能力差的泵要安装辅助泵供油。 3) 管路要有良好的密封,防止空气进入。 4) 提高液压零件的抗气蚀能力,采用抗腐蚀能力强的金属材料,减小零件表面粗糙度值等。

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1、“均匀流一定是恒定流”?这种说法是否正确?为什么? 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。 2、静力学基本方程的适用条件是什么? 静止,连通,连通的介质为同一均质流体,质量力仅有重力,同一水平面 3、试用能量方程解释飞机的升力是如何产生的? 飞机机翼呈上凸下凹状,当空气流经机翼时,上侧流速大,压力小;下册流速小,压力大, 从而在机翼上下产生一个压力差,即为飞机升力。 4、为什么雷诺数可以用来作为判别流态的一般准则? 层流受扰动后,当粘性的稳定作用起主导作用时,扰动就受粘性的阻滞而衰减下来,层流就 是稳定的;当扰动占上风,粘性的稳定作用无法使扰动衰减,于是层流变成紊流。因此,流 动呈现什么流态, 取决于扰动的惯性作用和粘性的稳定作用相互作用的结果, 雷诺数反映了 惯性力与粘性力的对比关系。 5、两条流线不能相交,为什么? 如果有两条流线相交, 那么流到交点的流体质点的速度就有两个方向, 这一点的流速就是不 确定的 6、粘性流体绕流物体受到哪两种阻力?如何减小这两种阻力? 阻力分别是摩擦阻力和压差阻力(流动分离阻力)。 减小摩擦阻力,需要将物体正对来流 的面积减小,或者通过加工使物体更光滑。 减小压差阻力,可以在物体正对来流面积不变 的情况下将物体设计成流线型,或者降低来流速度,或者降低来流流体的密度,也可以将物 体正对来流面积减小,或者选用粘性更大的流体(最后这一条会使摩擦阻力急剧上升)。 7、流体力学研究中为什么要引入连续介质假设? 可将流体的各物理量看做是空间坐标系和时间的连续函数, 从而可以应用连续函数的解析方 法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。 8、连续介质模型 在流体力学的研究中, 将实际由分子组成的结构用流体微元代替, 流体微元有足够数量的分 子。连续充满它所占据的空间,这就是连续介质模型。 9、什么情况下粘性应力为零? 静止流体,理想流体 10、局部阻力产生的原因? ①管断面突然扩大时,由于流体的惯性作用,流线只能如图平缓过渡。靠近主流流束表面的 流体在粘性作用下随主流前进。 又由于主流区流束断面不断扩大, 流速逐渐降低, 压强增大。 当扩大到某一距离时, 液流动能不足以克服压差和摩阻而产生逆主流运动。 这部分流体不断 作旋涡运动,即旋涡区。由于粘性作用,流体作旋涡运动时将消耗主流的能量,产生能量损 失。除此主流区流体不断流入该区也带来了撞击和摩擦损失。另外,由于流束扩大产生径向 速度分量,造成速度的重新分布,显然,也将造成能量损失。
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②管道突然收缩时,出现“颈缩”现象,并出现两个旋涡区。这是因为在收缩部分的“颈缩” 及随后出现的扩大同样造成剧烈的流体质点转向、撞击和动量交换,由此引起能量损失。 ③流体流经弯管时,流速随曲率半径的增大而降低。由于离心惯性力,管壁的粘滞作用使处 流速减小,形成二次流动造成能量损失。 11、减小局部损失的措施 在管道弯曲部分可安装适当形状的导流片, 这样既可避免较大范围的涡流区, 又可减少二次 流的产生和影响。 在管道截面突然改变的地方,尽量采用渐扩或渐缩设计。 在三通管中,适当地选装分流板或合流板。 减少局部损失措施的基本原则在于: 尽量减小漩涡区或防止漩涡区的形成及减少二次流动波 及的范围,从而减小撞击损失和减少速度重新分配时的动量交换。 12、串联管路和并联管路 串联管路的特征 (1)对于无外泄漏的串联管路,各管段流量相等。 (2)各段沿程损失之和为总作用水头。 并联管路的特征: (1)在并联的各管段中,压强损失相同,即每条管路中都有相同的压降。 (2)总流量为各分路中支管流量之和。 13、边界层的特点? (1)与绕流物体的长度比较,边界层的厚度很小。厚度?从前驻点起沿流动方向逐渐增厚, ?随 Re 增大而减小。 (2)边界层内沿厚度方向速度梯度大,边界层外为势流区。 (3)边界层内粘性力和惯性力具有相同的数量级。 (4)边界层可以全部是层流或紊流,也可一部分是层流另一部分是紊流。 (5)沿曲面边界流动时边界层易出现分离和尾涡。

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