《液压与气压传动技术》液体动力学基础（一）（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《液压与气压传动技术》液体动力学基础（一）-讲义 知识点一 液体流动的基本概念 一、理想液体和稳定流动： （1）理想液体 理想液体是一种假想的无黏性、不可压缩的液体，现实中既有黏性又可压缩的液体称为实际液体。 （2）稳定流动 液体流动时，液体内任意点处的压力、流速和密度都不随时间变化的，称为稳定流动；反之，称为非稳定流动。 二、流量与平均流速： 流量与平均流速是描述液体流动的两个主要参数。液体在管道中流动时，通常将垂直于液体流动方向的截面称为通流截面，或称为过流截面。 （1）流量 单位时间内流过通流截面的液体的体积称为流量，用q表示。流量的法定计量单位为m³/s，工程上常用L/min。 （2）平均流速 当液流通过如图1-a所示的微小通流截面dA时，液体在该截面上各点的速度u可以认为是相等的，所以通过该微小通流截面的流量为 假设通流截面上各点的流速均匀分布，如图1-b所示，液体以此平均流速v流过通流截面的流量等于其以实际流速流过的流量，即 由此得出通流截面上的平均流速为 流速的法定计量单位为m/s。 图1 液体流量和平均流速 在实际的工程计算中，平均流速才具有应用价值。液压缸在工作时，其活塞的运动速度与缸内液体的平均流速相等。由此可见，当液压缸的有效面积A一定时，活塞的运动速度v由进入液压缸的流量q决定。 三、流动液体的压力： 静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的，但在流动液体内，由于惯性和黏性的影响，任意点处的压力在各个方向上并不相等，但其数值相差很小，所以流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。 液体流动时，液体内任意点处的压力、流速和密度都随时间变化，这种流动称为（ ） A. 稳定流动 B. 非稳定流动 C. 层流 D. 紊流 【答案】B 【解析】液体流动时，液体内任意点处的压力、流速和密度随时间变化的为非稳定流动，不随时间变化的为稳定流动。 1.稳定流动的液体，其液体内任意点处的（ ）不随时间变化 A. 压力、流速、流量 B. 压力、流速、密度 C. 压力、流量、密度 D. 流速、流量、密度 【答案】B 【解析】稳定流动的液体，液体内任意点处的压力、流速和密度都不随时间变化。 2.若通流截面上各点的流速均匀分布，液体以平均流速v流过通流截面的流量（ ）以实际流速流过的流量 A. 大于 B. 小于 C. 等于 D. 不确定 【答案】C 【解析】假设通流截面上各点的流速均匀分布，液体以平均流速v流过通流截面的流量等于其以实际流速流过的流量。 3.流动液体内，由于惯性和黏性的影响，任意点处的压力在各个方向上（ ） A. 相等 B. 不相等，但数值相差很小 C. 不相等，且数值相差很大 D. 有时相等有时不相等 【答案】B 【解析】在流动液体内，由于惯性和黏性的影响，任意点处的压力在各个方向上并不相等，但数值相差很小。 1.下列哪种情况属于非稳定流动（ ） A. 管道中液体流速恒定 B. 液压缸中液体压力不变 C. 水箱放水过程中，出水口流速逐渐减小 D. 油泵输出流量稳定 【答案】C 【解析】水箱放水过程中，出水口流速逐渐减小，说明液体内点的流速随时间变化，属于非稳定流动。 2.当液压缸的有效面积A一定时，活塞的运动速度v取决于（ ） A. 液体压力 B. 液体密度 C. 进入液压缸的流量q D. 活塞的质量 【答案】A 【解析】当液压缸的有效面积A一定时，活塞的运动速度v由进入液压缸的流量q决定。 3.流速的法定计量单位是（ ） A. m³/s B. L/min C. m²/s D. m/s 【答案】D 【解析】流速的法定计量单位为m/s。 · 液体流动分稳定流动和非稳定流动，前者各点压力、流速、密度不随时间变。 · 流量是单位时间流过通流截面液体体积，平均流速在工程计算中有重要价值。 · 流动液体因惯性和黏性各点压力方向上略不等，但可近似看作相等。 · 理想液体是无黏性、不可压缩的假想液体，实际液体有黏性、可压缩。 知识点二 液体的流动状态 1、 层流和湍流： 液体的流动有层流和湍流两种基本形态。图2所示为雷诺实验装置，图中水箱4内有一隔板1，当向水箱中连续注入清水时，隔板可保持水位不变，微微打开开关7使箱内清水缓缓流出。在水杯2中装满颜色水，然后打开开关3，此时可看到颜色水经细管5呈一直线流束流动，如图2-b所示。这表明，水管中的水流是分层流动的，而且层与层之间互不干扰，这种流动状态称为层流。逐渐开大开关7,管内液体的 流速随之增大，颜色水的流束逐渐开始振动而呈波纹状，如图2-c所示，这表明液流开始紊乱。当流速超过一定值后，颜色水流到玻璃管6中便立即与清水完全混杂，水流的质点运动呈现极其紊乱的状态，这种流动状态称为湍流，如图2-d所示。如逐渐关小开关7，就会看到相反的过程。 雷诺实验的结果表明：层流时，液体质点互不干扰，其流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；湍流时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。 图2 雷诺实验装置及液体的流动状态 层流和湍流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受黏性制约，不能随意运动，黏性力起主导作用；湍流时，液体流速较高，黏性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。 2、 雷诺数： 雷诺通过实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内平均流速有关，还与管径d及液体的黏度有关。流动状态由这三个参数所组成的雷诺数Re决定，其为无量纲数，即 这就是说，如果液体流动时的雷诺数相同，则它的流动状态也相同。 液流由层流转变为湍流时的雷诺数与由湍流转变为层流时的雷诺数是不同的，后者较前者数值小，将后者作为判别流动状态的依据，称为临界雷诺数当时，液流为层流；当时，液流为湍流。常见液流管道的临界雷诺数见表1。 表1 常见液流管道的临界雷诺数 雷诺数的物理意义：雷诺数是液流的惯性作用对黏性作用的比。当雷诺数较大时，说明惯性力起主导作用，这时液体处于湍流状态；当雷诺数较小时，说明黏性力起主导作用，这时液体处于层流状态。 对于非圆管道，液流的雷诺数可按下式计算 式中：R——通流截面的水力半径，它等于液流的有效截面面积A 和它的湿周（通流截面与液体相接触的管壁周长）x之比，即 水力半径R对通流能力影响很大，R大，意味着液流和管壁接触少，管壁对液流的阻力较小，通流能力较大，即使通流截面面积较小也不易堵塞。其中，圆形管道的水力半径是最大的。 液体的流动有两种基本形态，分别是（ ） A. 层流和紊流 B. 稳定流和非稳定流 C. 有压流和无压流 D. 均匀流和非均匀流 【答案】A 【解析】英国物理学家雷诺通过大量实验发现，液体的流动有层流和湍流（也叫紊流）两种基本形态。 1.在雷诺实验中，颜色水呈一直线流束流动，表明水管中的水流是（ ） A. 层流 B. 湍流 C. 过渡流 D. 无法确定 【答案】A 【解析】颜色水呈一直线流束流动，说明水管中的水流是分层流动的，层与层之间互不干扰，这种流动状态称为层流。 2.湍流时，起主导作用的力是（ ） A. 黏性力 B. 惯性力 C. 重力 D. 表面张力 【答案】B 【解析】湍流时，液体流速较高，黏性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。 3.层流时，液体质点的运动特点是（ ） A. 互不干扰，呈线性或层状，平行于管道轴线 B. 运动杂乱无章，除轴向运动外还有剧烈横向运动 C. 速度大小和方向都随时间变化 D. 以上都不对 【答案】A 【解析】层流时，液体质点互不干扰，其流动呈线性或层状，且平行于管道轴线。 1.判别液体流动状态的依据是（ ） A. 液流由层流转变为湍流时的雷诺数 B. 液流由湍流转变为层流时的雷诺数 C. 临界雷诺数 D. 以上都不对 【答案】C 【解析】将液流由湍流转变为层流时的雷诺数作为判别流动状态的依据，称为临界雷诺数，当雷诺数<临界雷诺数时，液流为层流；当雷诺数>临界雷诺数时，液流为湍流。 2.对于圆形管道，水力半径R等于（ ） A. d/2 B. d/4 C. d/6 D. d/8 【答案】B 【解析】水力半径R等于液流的有效截面面积A和它的湿周x之比，对于圆形管道，A =，x =，所以R = A/x = d/4。 3.水力半径R大，意味着（ ） A. 液流和管壁接触多，管壁对液流的阻力较大，通流能力较小 B. 液流和管壁接触少，管壁对液流的阻力较小，通流能力较大 C. 液流和管壁接触多，管壁对液流的阻力较小，通流能力较大 D. 液流和管壁接触少，管壁对液流的阻力较大，通流能力较小 【答案】B 【解析】水力半径R大，意味着液流和管壁接触少，管壁对液流的阻力较小，通流能力较大，即使通流截面面积较小也不易堵塞。 · 流动形态：液体流动有层流和湍流两种基本形态。 · 层流时质点分层，互不干扰；湍流时质点运动杂乱，有横向运动。 · 层流时黏性力主导，流速低；湍流时惯性力主导，流速高。 · 由管内平均流速、管径和液体黏度决定，用于判别流动状态，雷诺数小为层流，大则为湍流。 · 水力半径大，通流能力大，圆形管道水力半径最大。 知识点三 流动液体的连续性方程 流动液体的连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。如图3所示，理想液体在密封管道内做稳定流动时，由于液体不可压缩，即密度为常数，则单位时间内流过任意截1-1、截面2-2的质量相等，故有，即 式中：——截面1-1、截面2-2处的通流截面面积； ——截面1-1、截面2-2处的平均流速。 由于两通流截面是任意选取的，因此有(c为常数)。 图3 流动液体的连续性示意图 此式是流动液体的连续性方程，它说明液体在流管中做稳定流动时，对不可压缩液体，流过流管不同截面的流量是不变的。由式可知，当流量一定时，通流截面上的平均速度与其通流截面面积成反比。 流动液体的连续性方程是（ ）在流体力学中的表达形式 A.能量守恒定律 B. 质量守恒定律 C. 动量守恒定律 D. 牛顿第二定律 【答案】B 【解析】流动液体的连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。 1.理想液体在密封管道内做稳定流动且不可压缩时，单位时间内流过任意两个截面的（ ）相等 A. 体积 B. 质量 C. 速度 D. 压力 【答案】B 【解析】因为液体不可压缩，密度为常数，根据质量守恒，单位时间内流过任意截面的质量相等。 2.流动液体的连续性方程说明液体在流管中做稳定流动时，对不可压缩液体，流过流管不同截面的（ ）不变 A. 平均流速 B. 压力 C. 流量 D. 密度 【答案】C 【解析】连续性方程表明液体在流管中做稳定流动时，对不可压缩液体，流过流管不同截面的流量是不变的。 3.当流量一定时，通流截面上的平均速度与其通流截面面积（ ） A. 成反比 B. 成正比 C. 无关 D. 二次方成正比 【答案】A 【解析】由连续性方程可知，当流量一定时，通流截面上的平均速度与其通流截面面积成反比。 1.若管道某截面面积增大，在流量不变的情况下，该截面处的平均流速（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 先增大后减小 【答案】B 【解析】根据流量一定时平均速度与通流截面面积成反比，截面面积增大，平均流速减小。 2.不可压缩液体在管道中稳定流动，若管道内径逐渐变小，则流速（ ） A. 逐渐变小 B. 先变大后变小 C. 不变 D. 逐渐变大 【答案】D 【解析】管道内径变小即通流截面面积减小，根据流量一定时平均速度与通流截面面积成反比，流速逐渐变大。 3.以下关于流动液体连续性方程的说法，错误的是（ ） A. 适用于不可压缩液体 B. 适用于稳定流动 C. 流过不同截面的压力相等 D. 流过不同截面的流量相等 【答案】C 【解析】连续性方程适用于不可压缩液体的稳定流动，且流过不同截面的流量相等，但不同截面的压力不一定相等。 · 理论基础：流动液体的连续性方程基于质量守恒定律。 · 适用条件：适用于理想、不可压缩的液体在密封管道内的稳定流动。 · 核心结论：流过流管不同截面的流量不变。 · 速度关系：当流量一定时，通流截面上平均速度与通流截面面积成反比。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$