流体力学：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

静水压力

深度处的压强: p = ρgh
竖直壁面上的力: F = ρg·h_c·A
压力中心: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
矩形: I_c = bH³/12

连续性和伯努利

连续性: A₁v₁ = A₂v₂
伯努利方程: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
流量: Q = A·v
圆面积: A = πd²/4

管道摩擦与水头损失

雷诺数: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
流态: Re ≈ 2000 以下为层流，Re ≈ 4000 以上为湍流
平均流速: V = Q/A, A = π·D²/4
达西–魏斯巴赫公式: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
局部损失: h_m = ΣK·V²/(2g)
典型 K 值: 进口 0.5，出口 1.0，90° 弯头 ≈ 0.3
压降: Δp = ρ·g·h_f
两个敞口水池: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
自由出流: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

水泵与泵功率

水功率: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
轴功率: P_shaft = P_h/η_pump
电功率: P_el = P_shaft/η_motor
泵扬程: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
系统损失: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2练习题

1.静水压力中等

一扇宽 3 m 的竖直矩形闸门位于盛有水的水箱壁上，其上边缘在液面以下 1.5 m。求闸门上的静水总压力 F。

d = 1.5 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

2.静水压力困难

一扇宽 2 m 的竖直矩形闸门位于盛有甘油的水箱壁上，其上边缘在液面以下 0.5 m。求压力中心在液面以下的深度 y_cp。

d = 0.5 mH = 1.5 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.连续性和伯努利中等

水以 35 L/s 流过一根水平管道，管径从 200 mm 缩小到 100 mm。窄段的压强为 300 kPa。忽略损失，求宽段的压强 p₁。

Q = 35 L/sd₁ = 200 mmd₂ = 100 mmp₂ = 300 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

4.连续性和伯努利困难

一个水平文丘里流量计（入口 150 mm，喉部 100 mm）中流过的是水。接在入口与喉部之间的水银 U 形管压差计显示液面差为 100 mm。流量系数为 0.98。求流量 Q。水取 ρ = 1000 kg/m³，水银取 13 600 kg/m³，g = 9.81 m/s²。

d₁ = 150 mmd₂ = 100 mmΔh = 100 mmC_d = 0.98ρ_Hg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²

Q = L/s

5.管道摩擦与水头损失中等

水以 1.4 m/s 的平均流速流过一根长 50 m、内径 75 mm 的管道。取达西摩擦系数 f = 0.02，g = 9.81 m/s²。求沿程水头损失 h_f。

V = 1.4 m/sL = 50 mD = 75 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²

h_f = m

6.管道摩擦与水头损失困难

两个敞口水池由一根长 300 m、内径 250 mm、达西摩擦系数 f = 0.02 的管道连接。局部损失包括一个直角进口（K = 0.5）、4 个弯头（每个 K = 0.3）、一个阀门（K = 0.2）以及流入下游水池的出口（K = 1.0）。取 g = 9.81 m/s²。两水池水位差 Δz 为多少时流量为 120 L/s？

Q = 120 L/sL = 300 mD = 250 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 0.2K_exit = 1.0

Δz = m

7.水泵与泵功率中等

一台水泵以 34 m 的扬程输送 60 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）。水泵效率为 75%，驱动它的电动机效率为 90%。取 g = 9.81 m/s²。求电动机取用的电功率 P_el，以 kW 计。

Q = 60 L/sH = 34 mη_pump = 75%η_motor = 90%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

8.水泵与泵功率困难

一台水泵把 120 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）从敞口下游水池输送到水面高 6 m 的上游水箱。管道长 100 m，内径 250 mm，达西摩擦系数 f = 0.018；局部损失系数之和为 ΣK = 3（含进口和出口）。取 g = 9.81 m/s²。求水泵须提供的扬程 H。

Q = 120 L/sΔz = 6 mL = 100 mD = 250 mmf = 0.018ΣK = 3

H = m

3溶液

1.静水压力

答案: F = 147.2 kN

平面上的静水压力：F = ρ·g·y_c·A。合力作用在压力中心 y_cp = y_c + I_c/(y_cA)，它总在形心以下。

形心深度和面积

y_c = d + H/2 = 1.5 + 2/2 = 2.5 m

A = H·b = 2·3 = 6 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·2.5·6 = 147.2 kN

答案

F = 147.2 kN

2.静水压力

答案: y_cp = 1.4 m

平面上的静水压力：F = ρ·g·y_c·A。合力作用在压力中心 y_cp = y_c + I_c/(y_cA)，它总在形心以下。

形心深度和面积

y_c = d + H/2 = 0.5 + 1.5/2 = 1.25 m

A = H·b = 1.5·2 = 3 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9.81·1.25·3 = 46.35 kN

压力中心

压强随深度增大，因此合力作用在形心以下。

I_c = b·H³/12 = 2·1.5³/12 = 0.5625 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 1.25 + 0.5625/(1.25·3) = 1.4 m

答案

y_cp = 1.4 m

3.连续性和伯努利

答案: p₁ = 309.3 kPa

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

流速

v₁ = Q/A₁ = 0.035/0.03142 = 1.114 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0.035/0.007854 = 4.456 m/s

伯努利方程

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 300 + ½·1000·(4.456² − 1.114²)/1000 = 300 + 9.309 = 309.3 kPa

答案

p₁ = 309.3 kPa

4.连续性和伯努利

答案: Q = 42.72 L/s

由压差计求压强差

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.1 = 12361 Pa

喉部流速

连续性方程与伯努利方程联立给出理想喉部流速。

β = 100/150 = 0.6667

v₂ = √(2·12361/(1000·(1 − 0.1975))) = 5.55 m/s

实际流量

Q = C_d·A₂·v₂ = 0.98·0.007854·5.55 = 0.04272 m³/s = 42.72 L/s

答案

Q = 42.72 L/s

5.管道摩擦与水头损失

答案: h_f = 1.332 m

管流：雷诺数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ 用于区分层流（Re 约低于 2000）和湍流（约高于 4000）。沿管道的摩擦造成达西–魏斯巴赫水头损失 h_f = f·(L/D)·V²/(2g)。管件、阀门、进口和出口带来局部损失 h_m = ΣK·V²/(2g)。在两个敞口水池液面之间，能量方程给出 Δz = h_f + h_m，其中包含出口损失 K = 1。

速度水头

V²/(2g) = 1.4²/(2·9.81) = 0.0999 m

达西–魏斯巴赫公式

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(50/0.075)·1.4²/(2·9.81) = 1.332 m

答案

h_f = 1.332 m

6.管道摩擦与水头损失

答案: Δz = 8.194 m

速度

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s

V²/(2g) = 0.3046 m

损失系数

f·L/D = 0.02·300/0.25 = 24

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.9

总水头损失

h_f = 24·0.3046 = 7.31 m

h_m = 2.9·0.3046 = 0.8833 m

Δz = h_f + h_m = 8.194 m

答案

Δz = 8.194 m

7.水泵与泵功率

答案: P_el = 29.65 kW

水泵功率：传给水的功率是水功率 P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp。由于水泵有损失，轴必须输入更多功率：P_shaft = P_h/η_pump，电动机取用 P_el = P_shaft/η_motor。泵扬程 H 由能量方程求得：静扬程 + 压力水头 + 全部沿程和局部损失。

水功率

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.06·34 = 20.01 kW

轴功率

P_shaft = 20.01/0.75 = 26.68 kW

电功率

P_el = 26.68/0.9 = 29.65 kW

答案

P_el = 29.65 kW

8.水泵与泵功率

答案: H = 9.107 m

速度

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s

V²/(2g) = 0.3046 m

水头损失

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (7.2 + 3)·0.3046 = 3.107 m

泵扬程

两个水面都是敞口的且基本静止，所以压强项和速度项消去。

H = Δz + h_L = 6 + 3.107 = 9.107 m

答案

H = 9.107 m

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