题目
已知某一矩形渠道其流速分布可表示为=dfrac (0.05)(v)(Hy-dfrac (1)(2)(y)^2)-|||-__ ,其中 u 的单位为m/s; H 为总水深,y 为距河床底部的位置,单位均为 m ; v 为水的运动粘度,单位为=dfrac (0.05)(v)(Hy-dfrac (1)(2)(y)^2)-|||-__.当水温为=dfrac (0.05)(v)(Hy-dfrac (1)(2)(y)^2)-|||-__ , H = 2.0 m 时,试求河床底部与水面的切应力大小
已知某一矩形渠道其流速分布可表示为 ,其中 u 的单位为m/s; H 为总水深,y 为距河床底部的位置,单位均为 m ; v 为水的运动粘度,单位为
.当水温为
, H = 2.0 m 时,试求河床底部与水面的切应力大小
题目解答
答案
流速分布可表示为 ,
则切应力
,其中
为水单位体积的质量
故本题答案为:0.1
解析
步骤 1:确定流速分布公式
流速分布可表示为$x=\dfrac {0.05}{v}(Hy-\dfrac {1}{2}{y}^{2})$,其中 $u$ 的单位为m/s; $H$ 为总水深,$y$ 为距河床底部的位置,单位均为 m ; $v$ 为水的运动粘度,单位为${n}^{2}/s$.
步骤 2:计算切应力
切应力 $\tau$ 可以通过流速分布的导数来计算,即 $\tau = \mu \dfrac {du}{dy}$,其中 $\mu$ 是动力粘度,$u$ 是流速,$y$ 是垂直方向的位置。
对于给定的流速分布 $u=\dfrac {0.05}{v}(Hy-\dfrac {1}{2}{y}^{2})$,我们首先计算 $u$ 对 $y$ 的导数:
$\dfrac {du}{dy} = \dfrac {0.05}{v}(H - y)$
因此,切应力 $\tau$ 为:
$\tau = \mu \dfrac {du}{dy} = \mu \dfrac {0.05}{v}(H - y)$
由于 $\mu = \rho v$,其中 $\rho$ 是水的密度,$v$ 是运动粘度,我们可以将 $\tau$ 表示为:
$\tau = \rho v \dfrac {0.05}{v}(H - y) = 0.05 \rho (H - y)$
步骤 3:计算河床底部与水面的切应力
当 $y = 0$(河床底部)时,切应力为:
$\tau_{bottom} = 0.05 \rho (H - 0) = 0.05 \rho H$
当 $y = H$(水面)时,切应力为:
$\tau_{surface} = 0.05 \rho (H - H) = 0$
由于水温为15°C,水的密度 $\rho$ 约为 $1000 \, kg/m^3$,总水深 $H = 2.0 \, m$,我们可以计算河床底部的切应力:
$\tau_{bottom} = 0.05 \times 1000 \times 2.0 = 100 \, N/m^2 = 0.1 \, kPa$
流速分布可表示为$x=\dfrac {0.05}{v}(Hy-\dfrac {1}{2}{y}^{2})$,其中 $u$ 的单位为m/s; $H$ 为总水深,$y$ 为距河床底部的位置,单位均为 m ; $v$ 为水的运动粘度,单位为${n}^{2}/s$.
步骤 2:计算切应力
切应力 $\tau$ 可以通过流速分布的导数来计算,即 $\tau = \mu \dfrac {du}{dy}$,其中 $\mu$ 是动力粘度,$u$ 是流速,$y$ 是垂直方向的位置。
对于给定的流速分布 $u=\dfrac {0.05}{v}(Hy-\dfrac {1}{2}{y}^{2})$,我们首先计算 $u$ 对 $y$ 的导数:
$\dfrac {du}{dy} = \dfrac {0.05}{v}(H - y)$
因此,切应力 $\tau$ 为:
$\tau = \mu \dfrac {du}{dy} = \mu \dfrac {0.05}{v}(H - y)$
由于 $\mu = \rho v$,其中 $\rho$ 是水的密度,$v$ 是运动粘度,我们可以将 $\tau$ 表示为:
$\tau = \rho v \dfrac {0.05}{v}(H - y) = 0.05 \rho (H - y)$
步骤 3:计算河床底部与水面的切应力
当 $y = 0$(河床底部)时,切应力为:
$\tau_{bottom} = 0.05 \rho (H - 0) = 0.05 \rho H$
当 $y = H$(水面)时,切应力为:
$\tau_{surface} = 0.05 \rho (H - H) = 0$
由于水温为15°C,水的密度 $\rho$ 约为 $1000 \, kg/m^3$,总水深 $H = 2.0 \, m$,我们可以计算河床底部的切应力:
$\tau_{bottom} = 0.05 \times 1000 \times 2.0 = 100 \, N/m^2 = 0.1 \, kPa$