考題全由大型幾何模型與複數代數推導計算題主導,一題配分常高達 20~25 分,極度考驗計算精準度與守恆定律的代入邏輯:
●流體動量守恆與噴嘴受力綜合題(兩科交會必考大題,分值極高):
○案例:一個水平放置的漸縮彎管(如圖所示),轉折角度為 \(60^{\circ }\)。入口直徑 \(D_1 = 300\ text{ mm}\),內部水流壓力 \(P_1 = 200\ text{ kPa}\);出口直徑 \(D_2 = 150\text{ mm}\),直接排入大氣(\(P_2 = 0\text{ 錶壓力}\))。已知管內水的體積流量 \(Q = 0.2 \text{ m}^3\ text{/s}\),水的密度 \(\rho = 1000\text{ kg/m}^3\)。
1. 試利用連續方程式,計算入口流速 \(v_{1}\) 與出口流速 \(v_{2}\)。
2. 試利用柏努利方程式(忽略摩擦損失),求出出口處的動壓變換。
3. 試繪出該控制體積的受力與動量流自由體圖(FBD)。
4. 試利用控制體積動量方程式,推導並計算出流體施加於該彎管接頭上的 \(X\) 軸與 \(Y\) 軸方向之總水平固定力。
●樑之 SFD/BMD 繪製與強度設計題(工力必考):
○案例:一個外伸樑承受一一個 \(10\text{ kN}\) 的集中外力與 \(3\text{ kN/m}\) 的均佈載重(如圖所示)。若該樑的截面為中空 \(\text{I}\) 型鋼,要求考生:(1) 繪製出完整的剪力圖(SFD)與彎矩圖(BMD);(2) 計算該剖面對形心軸的轉動慣性矩 \(I_{x}\);(3) 求解該樑所承受的最大彎曲正應力。
●流體靜力學曲面閘門受力題(流力大題):
○案例:一個半圓柱形的自動水閘門,半徑 \(R = 2\text{ m}\),寬度(垂直紙面)為 \(3\text{ m}\),左側阻擋密度為 \(\rho \) 的水(水面恰好與半圓柱頂端齊平)。試求:(1) 水施加於該曲面閘門上的水平總作用力 \(F_{x}\);(2) 垂直總作用力 \(F_{y}\)(由排開水重求得);(3) 合力大小及合力作用線穿過圓心的幾何證明。
●黏性管流主要與次要損失計算題:
○案例:利用一台效率為 \(80\%\) 的抽水機,將水從低處水池抽送至高差 \(H = 30\text{ m}\) 的高處水塔。管線總長 \(L = 100\text{ m}\),管徑 \(D = 0.1\text{ m}\),摩擦因子 \(f = 0.02\)。若管線上設有 2 個彎頭(每個次要損失係數 \(K_L = 0.5\)),要求設計流量 \(Q = 0.04\text{ m}^3\text{/s}\),試計算抽水機所需的實際輸入功率(瓦特或馬力)。