2025年水利工程師水力學(xué)模擬試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.關(guān)于靜止流體中壓強的特性，下列說法正確的是（）。A.靜壓強的方向與受壓面平行B.靜壓強的大小與作用面方位無關(guān)C.同一水平面上各點壓強一定相等D.靜壓強隨深度線性減小2.雷諾數(shù)Re的物理意義是（）。A.慣性力與黏滯力的比值B.重力與黏滯力的比值C.慣性力與重力的比值D.壓力與黏滯力的比值3.水平放置的等直徑圓管中流動的水流，其總水頭線與測壓管水頭線的關(guān)系為（）。A.總水頭線高于測壓管水頭線，兩者平行B.總水頭線低于測壓管水頭線，兩者平行C.總水頭線與測壓管水頭線重合D.總水頭線與測壓管水頭線相交4.圓管層流流動中，斷面平均流速是最大流速的（）。A.1/2B.1/3C.2/3D.3/45.明渠均勻流的必要條件不包括（）。A.流量恒定B.渠道底坡為正坡C.渠道斷面形狀、尺寸沿程不變D.水流為急流6.達(dá)西定律（v=kJ）適用于（）。A.所有滲流B.層流滲流C.湍流滲流D.高速滲流7.薄壁堰流量公式Q=m?εσb√(2g)H^(3/2)中，ε表示（）。A.淹沒系數(shù)B.側(cè)收縮系數(shù)C.流量系數(shù)D.動能修正系數(shù)8.串聯(lián)管路的總水頭損失等于（）。A.各管段水頭損失的最大值B.各管段水頭損失的最小值C.各管段水頭損失之和D.各管段水頭損失的平均值9.弗勞德數(shù)Fr=1時，明渠水流處于（）。A.層流狀態(tài)B.湍流狀態(tài)C.急流狀態(tài)D.臨界流狀態(tài)10.關(guān)于水躍的描述，錯誤的是（）。A.水躍是明渠中急流過渡到緩流的局部水力現(xiàn)象B.水躍區(qū)包括表面旋滾區(qū)和主流區(qū)C.水躍長度與躍前水深無關(guān)D.水躍會造成較大的能量損失二、填空題（每空2分，共20分）1.流體的黏性用__________或__________表示，其中不隨溫度變化的是__________。2.恒定流中，流線與跡線__________（填“重合”或“不重合”）。3.圓管湍流的流速分布在管壁附近符合__________規(guī)律，核心區(qū)符合__________規(guī)律。4.明渠均勻流的基本公式為__________，其中謝才系數(shù)C可通過__________公式計算（寫出表達(dá)式）。5.滲流模型中，滲流流速v與實際流速u的關(guān)系為__________（用孔隙率n表示）。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述尼古拉茲實驗的主要結(jié)論及其對水力學(xué)的意義。2.比較薄壁堰、實用堰和寬頂堰的水流特征及工程應(yīng)用場景。3.說明伯努利方程的物理意義和應(yīng)用條件。4.為什么并聯(lián)管路中各支管的水頭損失相等？若某支管堵塞，總流量和其他支管流量如何變化？5.分析明渠水流中臨界水深、正常水深和共軛水深的區(qū)別與聯(lián)系。四、計算題（每題15分，共60分）1.（流體靜力學(xué)）如圖1所示，矩形平板閘門AB垂直放置，寬度b=2m，A點位于水面下h?=1m，B點位于水面下h?=3m。求閘門所受靜水總壓力的大小及作用點位置（相對于A點的垂直距離）。（圖1：矩形閘門AB，高度H=h?-h?=2m，寬度b=2m，A點水深1m，B點水深3m）2.（動力學(xué)基本方程）如圖2所示，水平放置的文丘里管，主管直徑d?=100mm，喉管直徑d?=50mm，水銀壓差計讀數(shù)Δh=20cm。已知水銀密度ρ_Hg=13600kg/m3，水的密度ρ=1000kg/m3，忽略水頭損失，求管道流量Q（動能修正系數(shù)取1）。（圖2：文丘里管水平放置，壓差計連接主管和喉管，Δh=20cm）3.（水頭損失計算）某輸水管路為鍍鋅鋼管（糙率k=0.3mm），長度L=500m，直徑d=200mm，流量Q=0.05m3/s。水溫20℃（ν=1.007×10^-6m2/s）。計算管路的沿程水頭損失h_f（提示：需判斷流區(qū)，使用莫迪圖或公式計算λ）。4.（明渠均勻流計算）某梯形斷面渠道，底寬b=5m，邊坡系數(shù)m=1.5，底坡i=0.0004，糙率n=0.025，設(shè)計流量Q=15m3/s。求渠道的正常水深h?（提示：采用試算法，取初始值h=1.5m）。五、綜合分析題（20分）某山區(qū)河道因彎道過急常發(fā)生洪水漫堤，擬對一段長1km的彎道進(jìn)行裁彎取直。原河道彎道段斷面為梯形（底寬b?=30m，邊坡m=1.5，正常水深h?=2.5m，糙率n?=0.030，底坡i?=0.001），裁彎后新河槽為矩形斷面（底寬b?=25m，糙率n?=0.025，底坡i?=0.0015）。（1）計算原彎道段的過流能力Q?；（2）計算裁彎后新河槽的正常水深h?；（3）分析裁彎取直對河道流速、水頭損失及沖淤特性的影響。參考答案一、單項選擇題1.B（靜壓強方向垂直指向作用面，大小與作用面方位無關(guān)；同一水平面上壓強相等需滿足連續(xù)均質(zhì)流體條件；靜壓強隨深度增加而增大）2.A（雷諾數(shù)定義為慣性力與黏滯力的比值，Re=vd/ν）3.A（水平等直徑圓管中，流速不變，動能不變，總水頭線下降值等于沿程水頭損失，測壓管水頭線與總水頭線平行且差值為流速水頭）4.A（層流流速分布為拋物線型，最大流速在管軸，平均流速為最大流速的1/2）5.D（明渠均勻流要求流量恒定、底坡正坡、斷面及糙率沿程不變，水流可為緩流或急流）6.B（達(dá)西定律適用于層流滲流，Re<1~10）7.B（ε為側(cè)收縮系數(shù)，σ為淹沒系數(shù)，m?為基本流量系數(shù)）8.C（串聯(lián)管路流量相等，總水頭損失為各段損失之和）9.D（Fr=1為臨界流，F(xiàn)r<1為緩流，F(xiàn)r>1為急流）10.C（水躍長度與躍前水深、躍后水深相關(guān)，經(jīng)驗公式如L_j=6.9(h?-h?)）二、填空題1.動力黏度μ；運動黏度ν；動力黏度μ（ν=μ/ρ，隨溫度變化）2.重合（恒定流中流線不隨時間變化，跡線與流線重合）3.對數(shù)；指數(shù)（或“對數(shù)律”“指數(shù)律”）4.Q=AC√(Ri)；曼寧公式C=(1/n)R^(1/6)（或巴甫洛夫斯基公式）5.v=nu（滲流模型將孔隙中的實際流速平均到整個斷面，v=Q/A，u=Q/(nA)）三、簡答題1.尼古拉茲實驗的主要結(jié)論：（1）通過人工粗糙管實驗，揭示了沿程阻力系數(shù)λ與Re及相對粗糙度k/d的關(guān)系；（2）劃分了五個流區(qū)：層流區(qū)（Re<2300，λ=64/Re）、層流到湍流的過渡區(qū)（2300<Re<4000，λ變化無明確規(guī)律）、湍流光滑區(qū)（Re較大但k/d較小，λ=f(Re)）、湍流過渡區(qū)（λ=f(Re,k/d)）、湍流粗糙區(qū)（λ=f(k/d)，與Re無關(guān)）；意義：為計算沿程水頭損失提供了理論依據(jù)，明確了不同流動狀態(tài)下λ的取值方法，是管道水力計算的基礎(chǔ)。2.三類堰的水流特征及應(yīng)用：（1）薄壁堰：堰頂厚度δ<0.67H（H為堰上水頭），水流呈自由跌落，水面曲線為單一降落曲線，流量與H^(3/2)成正比；常用于實驗室測流（如三角堰、矩形堰）。（2）實用堰：0.67H<δ<2.5H，堰頂加厚，水流在堰頂形成一定的壓力分布，流量系數(shù)大于薄壁堰；工程中用于水庫溢洪道（如混凝土實用堰）。（3）寬頂堰：2.5H<δ<10H，水流進(jìn)入堰頂后先收縮，再擴(kuò)散，堰頂水面近似水平，流量與H^(3/2)成正比但受側(cè)收縮和淹沒影響；常見于橋孔、水閘下游連接段。3.伯努利方程的物理意義：理想流體恒定元流中，單位重量流體的機械能（位能、壓能、動能）守恒，即z+p/γ+v2/(2g)=常數(shù)。應(yīng)用條件：①恒定流；②不可壓縮流體；③質(zhì)量力僅受重力；④所取過流斷面為漸變流斷面（同一斷面上z+p/γ=常數(shù)）；⑤兩斷面間無能量輸入或輸出（若有泵或水輪機需修正）。4.并聯(lián)管路各支管水頭損失相等的原因：各支管起點和終點為同一節(jié)點，節(jié)點間的總水頭差相同，故各支管水頭損失等于節(jié)點間的水頭差。若某支管堵塞，總流量減?。傋杩乖龃螅?，未堵塞支管的水頭損失增大（因總水頭差可能不變或增大），根據(jù)Q=√(h_f/S)（S為支管阻抗），其他支管流量會增大（因h_f增大，S不變時Q增大）。5.臨界水深h_c：對應(yīng)斷面單位能量最小時的水深，與流量和斷面形狀有關(guān)，是急流與緩流的分界；正常水深h?：明渠均勻流時的水深，由流量、底坡、糙率和斷面形狀共同決定；共軛水深h?、h?：水躍前后的水深，滿足動量守恒方程，h?為躍前（急流）水深，h?為躍后（緩流）水深。聯(lián)系：三者均與斷面形狀和流量相關(guān)；臨界水深是流動狀態(tài)的判據(jù)，正常水深是均勻流的特征水深，共軛水深是水躍的特征參數(shù)。四、計算題1.解：閘門高度H=h?-h?=2m，形心水深h_c=h?+H/2=1+1=2m。靜水總壓力P=γAh_c=9800×(2×2)×2=78400N=78.4kN。作用點距離水面的深度y_D=h_c+I_c/(Ah_c)，其中I_c為對形心軸的慣性矩，矩形I_c=bH3/12=2×23/12=1.333m?。A=2×2=4m2，故y_D=2+1.333/(4×2)=2+0.1667=2.1667m。相對于A點的垂直距離為y_D-h?=2.1667-1=1.1667m≈1.17m。2.解：文丘里管水平放置，z?=z?，伯努利方程為p?/γ+v?2/(2g)=p?/γ+v?2/(2g)。由連續(xù)性方程v?A?=v?A?，得v?=v?(d?/d?)2=v?×(0.1/0.05)2=4v?。壓差計水銀面高差Δh=0.2m，壓強差p?-p?=γ_HgΔh-γΔh=Δh(γ_Hg-γ)=0.2×(13600×9800-1000×9800)=0.2×12600×9800=2469600Pa。代入伯努利方程：(p?-p?)/γ=(v?2-v?2)/(2g)→2469600/9800=(16v?2-v?2)/(2×9.8)→252=15v?2/(19.6)→v?2=252×19.6/15≈329.28→v?≈18.15m/s（此處計算錯誤，正確應(yīng)為：(p?-p?)/γ=(13.6-1)×0.2=2.52m水柱，故2.52=(v?2-v?2)/(2g)，v?=4v?，代入得2.52=(16v?2-v?2)/(2×9.8)=15v?2/19.6→v?2=2.52×19.6/15≈3.2928→v?≈1.815m/s）。流量Q=v?A?=1.815×π×(0.1/2)2≈0.01425m3/s≈14.25L/s。3.解：流速v=Q/A=0.05/(π×0.12)=1.592m/s。雷諾數(shù)Re=vd/ν=1.592×0.2/(1.007×10^-6)=316,385>4000，為湍流。相對粗糙度k/d=0.3/200=0.0015。查莫迪圖，當(dāng)Re=3.16×10^5，k/d=0.0015時，λ≈0.021。沿程水頭損失h_f=λ(L/d)(v2/(2g))=0.021×(500/0.2)×(1.5922/(2×9.8))=0.021×2500×(2.534/19.6)=0.021×2500×0.1293≈68.1m（注：實際工程中鍍鋅鋼管的k值通常取0.15mm，此處按題目給定k=0.3mm計算）。4.解：梯形斷面面積A=(b+mh)h=(5+1.5h)h，濕周χ=b+2h√(1+m2)=5+2h√(1+2.25)=5+2h×1.802=5+3.604h，水力半徑R=A/χ。曼寧公式Q=AC√(Ri)，C=(1/n)R^(1/6)，故Q=(1/n)AR^(2/3)√i。代入數(shù)據(jù)：15=(1/0.025)×(5+1.5h)h×[((5+1.5h)h)/(5+3.604h)]^(2/3)×√0.0004?；啠?5=40×(5h+1.5h2)×[(5h+1.5h2)/(5+3.604h)]^(2/3)×0.02→15=0.8×(5h+1.5h2)×[(5h+1.5h2)/(5+3.604h)]^(2/3)。試算h=1.5m：A=(5+1.5×1.5)×1.5=6.25×1.5=9.375m2，χ=5+3.604×1.5=10.406m，R=9.375/10.406≈0.901m，右側(cè)=0.8×9.375×(9.375/10.406)^(2/3)=7.5×(0.901)^(0.667)≈7.5×0.933≈7.0<15（偏?。?。試算h=2.0m：A=(5+3)×2=16m2，χ=5+3.604×2=12.208m，R=16/12.208≈1.311m，右側(cè)=0.8×16×(16/12.208)^(2/3)=12.8×(1.311)^(0.667)≈12.8×1.21≈15.5>15（接近）。用線性插值：h=1.95m時，A=(5+1.5×1.95)×1.95=7.925×1.95≈15.45m2，χ=5+3.604×1.95≈12.03m，R=15.45/12.03≈1.284m，右側(cè)=0.8×15.45×(15.45/12.03)^(2/3)=12.36×(1.284)^(0.667)≈12.36×1.19≈14.7m3/s（略?。?；h=1.98m時，A=(5+1.5×1.98)×1.98=7.97×1.98≈15.78m2，χ=5+3.604×1.98≈12.14m，R=15.78/12.14≈1.300m，右側(cè)=0.8×15.78×(15.78/12.14)^(2/3)=12.62×(1.300)^(0.667)≈12.62×1.20≈15.14m3/s（接近15）。故正常水深h?≈1.98m。五、綜合分析題（1）原彎道段過流能力Q?：梯形斷面A=(b?+mh?)h?=(30+1.5×2.5)×2.5=33.75×2.5=84.375m2，濕周χ=b?+2h?√(1+m2)=30+2×2.5×1.802=30+9.01=39.01m，水力半徑R=A/χ=84.375/39.01≈2.163m，曼寧公式Q=AC√(Ri)，C=(1/n?)R^(1/6)=(1/0.030)×2.163^(1/6)≈33.33×1.13≈37.66m^(1/2)/s，Q?=84.375×37.66×√(0.001×1)=84.375×37.66×0.0316≈84.375×1.19≈100.4m3/s。（2）新河槽正常水深h?（矩形斷面，m=0）：A=b?h?=25h?，χ=b?+2h?=25+2h?，R=25h?/(25+2h?)，Q=100.4=(1/n?)AR^(2/3)√i?=(1/0.025)×25h?×[25h?/(25+2h?)]^(2/3)×√0.