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《流体力学》典型例题20111120创新
《流体力学》典型例题(9大类)
例1~例3例~例
例~例1)等加速直线运动容器中液体的相对平衡(与坐标系选取有关)
(2)等角速度旋转容器中液体的平衡(与坐标系选取有关)
例例例例例例m=5 kg、底面积为S=40 cm×60 cm的矩形平板,以U=1 m/s的速度沿着与水平面成倾角=的斜面作等速下滑运动。已知平板与斜面之间的油层厚度=1 mm,假设由平板所带动的油层的运动速度呈线性分布。求油的动力粘性系数。
解:由牛顿内摩擦定律,平板所受的剪切应力
又因等速运动,惯性力为零。根据牛顿第二定律:,即:
粘性是运动状态下,有抵抗剪切变形能力的量度;是流体的固有属性;流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性2:如图所示,转轴的直径d=0.36 m,轴承的长度l=1 m,轴与轴承的缝隙宽度=0.23 mm,缝隙中充满动力粘性系数的油,若轴的转速。求克服油的粘性阻力所消耗的功率。
解:由牛顿内摩擦定律,轴与轴承之间的剪切应力
粘性阻力(摩擦力):
克服油的粘性阻力所消耗的功率:
例题3:如图所示直径为的两个圆盘相互平行,间隙中的液体动力黏度系数为,若下盘固定不动,上盘以角速度旋转,此时所需力矩为,求间隙厚度的表达式
解:由于圆盘不同半径处的线速度不同,在半径处取径向宽度的微元面积环,根据牛顿定律
例题4:如图所示的双U型管,用来测定比水小的液体的密度,试用液柱高差来确定未知液体的密度(取管中水的密度=1000 kg/m3)。
解:经分析可知图中1-1和2-2为两组等压面。
根据等压面的性质和流体静力学基本方程,采用相对压强可得:
左侧:,
右侧:
中间:
联立可得:
例题5:如图所示,U型管中水银面的高差h=0.32 m,其他流体为水。容器A和容器B中心的位置高差z=1 m。求A、B两容器中心处的压强差(取管中水的重度=9810 N/m3,水银的重度=133416 N/m3)。
解:图中1-1、2-2为2组等压面。根据等压面的性质和流体静力学基本方程,可得:
,,
例题6:如图所示,仅在重力场作用下的无盖水箱高H=1.2m,长L=3m,静止时盛水深度h=0.9m。现水箱以的加速度沿水平方向做直线运动。若取水的密度,水箱中自由水面的压强=98000Pa。试求:
(1)水箱中自由水面的方程和水箱中的压强分布。
(2)水箱中的水不致溢出时的最大加速度。
解:(1)如图所示,将固定在水箱上的运动坐标系的原点置于静止时自由水面的中点,z轴垂直向上,x轴与加速度的方向一致。则水箱运动时单位质量水受到的质量力和水的加速度分量分别为
代入非惯性坐标系中的压力全微分公式,得
①
积分得
利用边界条件确定积分常数:在坐标原点O()处,,得
由式①可得水箱内的压强分布
对于水箱中的等压面,有,所以由式①可得等压面的微分方程
积分得
上式给出了一簇斜率为的倾斜平面,就代表水箱加速运动的一簇等压面,自由水面是等压面中的一个,因自由水面通过坐标原点,可确定积分常数。因此自由水面方程为
(2)假设水箱以加速度运动时,其中的水刚好没有溢出,且此时水箱右侧水的深度为,则根据加速前后水的体积不变的性质可得
②
又根据水箱作水平等加速直线运动时,自由表面的斜率与几何长度之间的关系
③
②和③式联立求解,得:
例题7:有一盛水的旋转圆筒,直径D=1 m,高H=2 m,静止时水深为h=1.5 m。求:
(1)为使水不从筒边溢出,旋转角速度应控制在多大?
(2)当=6 rad/s时,筒底G、C点处的相对压强(相对于自由水面)分别为多少?
解:(1)若将坐标原点放在筒底的中心位置,并假设自由表面最低点的高度为,则由:
,可推出自由水面(为一等压面)的方程:
根据在水没有溢出的情况下,旋转前后水的体积不变的性质,可得:
由此可求得:,带入自由表面方程得:
若使达到某一最大值而水不溢出,则有时,,带入上式,得
(2)旋转容器中任意一点的相对压强可表达为
将G点条件:带入得:
同理,将C点条件:带入得:
例题8:如图所示为一圆柱形容器,直径为,高,容器内装水,水深为,使容器绕垂直轴做等角速旋转,试确定水正好不溢出来的转速。
解:如图所示,将坐标原点o放在筒底的中心位置,并假设自由表面最低点的高度为,则由:
,可推出自由水面(为一等压面)的方程:
根据在水没有溢出的情况下,旋转前后水的体积不变的性质,可得:
由此可求得:,带入自由表面方程得:
若使达到某一最大值而水不溢出,将时,,带入上式,得
例
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