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 1.5 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 4 m。求闸门上的静水总压力 F。

d = 4 mH = 1.5 mb = 1.5 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海水的水箱壁上，其上边缘在液面以下 3 m。求压力中心在液面以下的深度 y_cp。

d = 3 mH = 2 mb = 2 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

3.连续性和伯努利中等

水以 29 L/s 流过一根水平管道，管径从 150 mm 缩小到 75 mm。窄段的压强为 300 kPa。忽略损失，求宽段的压强 p₁。

Q = 29 L/sd₁ = 150 mmd₂ = 75 mmp₂ = 300 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

4.连续性和伯努利困难

一根内径 32 mm 的软管从敞口水箱中虹吸取水。软管的最高点 C 高出水面 0.5 m，出口（通大气）低于水面 2.5 m。忽略损失，取 g = 9.81 m/s²。求 C 点的绝对压强 p_C。大气压为 101.3 kPa。

d = 32 mmz_C = +0.5 mz₂ = −2.5 mg = 9.81 m/s²p_atm = 101.3 kPa

p_C = kPa

5.管道摩擦与水头损失中等

水以 1 m/s 的平均流速流过一根长 200 m、内径 250 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 m/sL = 200 mD = 250 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 150 m、内径 250 mm、达西摩擦系数 f = 0.018 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 = 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 50 L/s？

Q = 50 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 2K_exit = 1.0

Δz = m

7.水泵与泵功率中等

一台效率为 82% 的水泵以 28 m 的扬程输送 100 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）。取 g = 9.81 m/s²。求所需的轴功率 P_shaft，以 kW 计。

Q = 100 L/sH = 28 mη = 82%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

8.水泵与泵功率困难

一台水泵把 15 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）从敞口下游水池输送到水面高 18 m 的上游水箱。管道长 100 m，内径 100 mm，达西摩擦系数 f = 0.022；局部损失系数之和为 ΣK = 8（含进口和出口）。取 g = 9.81 m/s²。上游水箱是封闭的，水面上方空气的表压为 300 kPa。求水泵须提供的扬程 H。

Q = 15 L/sΔz = 18 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.022ΣK = 8p_tank = 300 kPa

H = m

3溶液

1.静水压力

答案: F = 104.8 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 = 4 + 1.5/2 = 4.75 m

A = H·b = 1.5·1.5 = 2.25 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4.75·2.25 = 104.8 kN

答案

F = 104.8 kN

2.静水压力

答案: y_cp = 4.083 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 = 3 + 2/2 = 4 m

A = H·b = 2·2 = 4 m²

合力

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9.81·4·4 = 160.9 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 = 2·2³/12 = 1.333 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 4 + 1.333/(4·4) = 4.083 m

答案

y_cp = 4.083 m

3.连续性和伯努利

答案: p₁ = 320.2 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 = 0.029/0.01767 = 1.641 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0.029/0.004418 = 6.564 m/s

伯努利方程

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 300 + ½·1000·(6.564² − 1.641²)/1000 = 300 + 20.2 = 320.2 kPa

答案

p₁ = 320.2 kPa

4.连续性和伯努利

答案: p_C = 71.87 kPa

软管中的流速

液面和出口都通大气，所以压强项相互抵消。

v = √(2g·2.5) = √(2·9.81·2.5) = 7.004 m/s

从液面到 C 的伯努利方程

p_atm = p_C + ½ρv² + ρgz_C

p_C = 101.3 − 1000·(7.004²/2 + 9.81·0.5)/1000 = 101.3 − 29.43 = 71.87 kPa

答案

p_C = 71.87 kPa

如果该压强降到水的饱和蒸汽压，虹吸就会停止工作。

5.管道摩擦与水头损失

答案: h_f = 0.8155 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) = 1²/(2·9.81) = 0.05097 m

达西–魏斯巴赫公式

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(200/0.25)·1²/(2·9.81) = 0.8155 m

答案

h_f = 0.8155 m

6.管道摩擦与水头损失

答案: Δz = 0.8197 m

速度

V = Q/A = 0.05/0.04909 = 1.019 m/s

V²/(2g) = 0.05288 m

损失系数

f·L/D = 0.018·150/0.25 = 10.8

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 2 + 1.0 = 4.7

总水头损失

h_f = 10.8·0.05288 = 0.5711 m

h_m = 4.7·0.05288 = 0.2485 m

Δz = h_f + h_m = 0.8197 m

答案

Δz = 0.8197 m

7.水泵与泵功率

答案: P_shaft = 33.5 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 = 1000·9.81·0.1·28 = 27.47 kW

轴功率

P_shaft = P_h/η = 27.47/0.82 = 33.5 kW

答案

P_shaft = 33.5 kW

8.水泵与泵功率

答案: H = 54.16 m

速度

V = Q/A = 0.015/0.007854 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

水头损失

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 8)·0.1859 = 5.577 m

压力水头

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9.81) = 30.58 m

泵扬程

两个水面都基本静止，所以没有速度水头项。

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 18 + 30.58 + 5.577 = 54.16 m

答案

H = 54.16 m

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