流体力学（山东联盟）第四章测试_智慧树知到答案2021年

第四章 流体阻力和水头损失：本章主要研究稳定流动时，流动阻力和水头损失的规律。讨论粘性流体运动形成阻力的原因、分类及流态的变化，进而从理论上建立实际流体运动的微分方程式——N-S方程。此外，对于复杂的实际工程问题，直接应用基本方程求解，在数学上极其困难，因此需有赖于实验研究来解决。本章还阐述了有关实验研究的基本理论和方法，包括量纲和谐原理及量纲分析方法，流动相似原理，相似准则等。进一步在实验分析的基础上，定量地确定水头损失的计算方法。4.1管路中流动阻力产生的原因及分类:分析圆管流动中流动阻力产生的外因和内因分别是什么，流动阻力分为沿程阻力和局部阻力、水头损失的分为沿程水头损失和局部水头损失。并定义了水力半径、湿周以及壁面粗糙度的概念。
4.2两种流动状态及判别标准:本节学习如何进行雷诺试验并分析观察到的现象，将流态分为层流、湍流（紊流）和过渡流。考虑到流速、管径以及流体粘度的影响，定义了雷诺数这个重要的物理量。依据雷诺数进行流态的判别，工程上常用的判别层流和湍流的标准是下临界雷诺数。根据雷诺试验，可以测量得到水平圆管的沿程水头损失与对应的断面平均流速，并发现流动状态影响了沿程水头损失与流速之间的基本规律。
4.3实际流体运动微分方程式——纳维-斯托克斯方程式:本节学习实际（粘性）流体的运动、变形与受力之间的关系，根据牛顿第二定律，得到应力表达的微元体运动方程，这里的应力包括12个切应力和6个压应力。然后化简上节的应力形式运动方程，引入了广义牛顿内摩擦定律和斯托克斯假设，且当流体不可压缩时，得到了实际流体运动微分方程的最终表达式，即著名的Navier-Stokes方程。并讨论了该方程的意义和内涵。运用不可压缩流体的连续性方程和N-S方程求解简单层流运动，用到了定常流、均匀流、二维流动以及欧拉方法描述的流体质点加速度等基本概念和基本公式，并用到了常微分方程的求通解的方法、以及确定边界条件求特解的方法。
4.4圆管层流分析:研究圆管层流运动可以用圆柱坐标系下的N-S方程直接求解速度分布，也可以通过取水平均匀圆管流动中一段微元柱受力分析的方法推导出切应力的表达式，结合层流运动的牛顿内摩擦定律，得到圆管层流流速分布、泊肃叶流量公式以及沿程水头损失公式（达西公式）。相关例题将在线下课堂上学习。
4.5因次分析和相似原理:对复杂的流动现象，直接建立数学方程变得困难起来，本节学习一种新方法，即如何根据量纲和谐原理（因次的齐次性）建立影响流动的各个物理量之间的内在关系，即量纲分析法。量纲分析方法之一叫瑞利法，适用于物理量少于等于3个的情形。根据量纲和谐原理（因次的齐次性）建立影响流动的各个物理量之间的内在关系，即函数关系式。量纲分析方法之二叫π定理分析方法，适用于物理量多于3个的情形。并举例推导了有压管流水头损失的计算通式——达西公式，并留下了沿程损失系数这个待定的物理量。发现量纲分析后的函数关系式中有一些物理量是待定的。为了将那些待定的物理量规律找到，本节学习模型试验的基本原理——流动相似原理，包括几何相似、运动相似和动力相似。针对不完全的动力相似问题，提出了几个典型的相似准数，包括重力相似准则、粘性力相似准则等等。
4.6圆管湍流分析:圆管紊流现象十分复杂，不论通过理论分析或者实验方法都难以直接得到湍流的运动规律，而需要结合理论分析与模型实验等方法。为了描述湍流的脉动性和非定常流动特点，将瞬时流速、瞬时压力等基本物理量采用时均方法，并定义了准定常流动、湍流强度等概念。湍流的运动方程是基于时均方法和实际流体N-S方程推导出来的，也称为雷诺方程。方程里的主要未知量是时均流速和时均压强。该方程引入了湍流附加切应力与脉动流速的关系式，需要更深入的学习高等流体力学、计算流体力学方法才能够求解。通过实验测得的圆管湍流切应力分布特征，包括粘性底层（层流边层）、过渡区和湍流核心区三个分区。相应地，（时均）流速的分布规律也按三个分区有明显的不同。描述流速可以近似地用流速的对数分布律或者流速的指数分布律表达。普朗特混合长假说（选学内容）将湍流的附加切应力与时均流速在湍流脉动中的关系联系起来，从而在雷诺方程里替换了脉动流速分量。本节学习普朗特混合长假设的具体内容。根据尼古拉兹试验和试验曲线，本节将沿程水头损失系数与雷诺数、壁面相对粗糙度的关系建立了实验规律。从此工程上求解圆管湍流沿程水头损失的问题得到了解决。
4.7非圆管沿程水头损失:考虑到实际工程中，有许多非圆截面的有压管流，本节学习简化方法，即引入当量直径后采用圆管流动流体判别与水头损失计算的方法。
4.8局部水头损失:本节分析实际流动在经过各种局部构件时产生的局部水头损失问题。对突然扩大管路流动的推导分析，可以近似得到局部水头损失的表达式，其中定义了局部水头损失系数，然后给出了其他的局部水头损失公式，即包达公式，通过试验确定局部水头损失系数。由此，管路流动的总水头损失可以求解，相关例题在线下课堂学习。

[单选题]变直径管流，细管段断面直径，粗管段断面直径，细管断面雷诺数，粗管断面雷诺数，二者的比例关系是（）。
Re1=2Re2
Re1=Re2
Re1=0.5Re2
Re1=1.5Re2
答案：Re1=2Re2
[单选题]针对有压管流问题，模型试验常用的相似准数是（），其物理意义是（）。
Re，惯性力与粘性力之比
Fr，重力与惯性力之比
Eu，压力与粘性力之比
Re，粘性力与重力之比[单选题]均直圆管的湍流流动，其粘性切应力随着管内半径的增长符合（）规律。
线性增大
均匀不变
对数曲线
线性减小[单选题]在圆管层流流动中，断面平均流速为最大流速的（）。
1/2
1/4
3/4
1/3[判断题]旋转角速度的量纲是[T]。
错
对[判断题]湍流的运动要素在时间和空间上都具有脉动性。
错
对[单选题]N-S方程不适用于（）。
层流流态
实际流体
不可压缩流体
可压缩流体