水力學實驗報告思考題答案

1、水力學實驗報告實驗一 流體靜力學實驗實驗二 不可壓縮流體恒定流能量方程(伯諾利方程)實驗實驗三 不可壓縮流體恒定流動量定律實驗實驗四 畢托管測速實驗實驗五 雷諾實驗實驗六 文丘里流量計實驗實驗七 沿 程 水 頭 損 失 實 驗實驗八 局部阻力實驗實驗一 流體靜力學實驗實驗原理在重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程或 (1.1) 式中： z 被測點在基準面的相對位置高度；p 被測點的靜水壓強，用相對壓強表示，以下同； p0水箱中液面的表面壓強；液體容重；h 被測點的液體深度。另對裝有水油(圖 1.2及圖 1.3)U 型測管，應用等壓面可得油的比重 S0有下列關(guān)系：(1.2)據(jù)此可用儀器(不用另外

2、尺)直接測得 S0。實驗分析與討論1. 同一靜止液體內(nèi)的測管水頭線是根什么線？測壓管水頭指 ，即靜水力學實驗儀顯示的測管液面至基準面的垂直高度。測壓 管水頭線指測壓管液面的連線。實驗直接觀察可知，同一靜止液面的測壓管水頭線是一根 水平線。2. 當 PB<0 時，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定水箱內(nèi)的真空區(qū)域。，相應容器的真空區(qū)域包括以下三部分：(1) 過測壓管 2液面作一水平面，由等壓面原理知，相對測壓管 2 及水箱內(nèi)的水體而言，該 水平面為等壓面，均為大氣壓強，故該平面以上由密封的水、氣所占的空間區(qū)域，均為真 空區(qū)域。(2) 同理，過箱頂小水杯的液面作一水平面， 測壓管 4 中，該平面以上的水體

3、亦為真空區(qū)域。(3) 在測壓管 5 中，自水面向下深度某一段水柱亦為真空區(qū)。這段高度與測壓管2 液面低于水箱液面的高度相等，亦與測壓管 4 液面高于小水杯液面高度相等。3. 若再備一根直尺，試采用另外最簡便的方法測定 0。 最簡單的方法，是用直尺分別測量水箱內(nèi)通大氣情況下，管5 油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度 h 和 h0，由式，從而求得 0。4. 如測壓管太細，對測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？設被測液體為水，測壓管太細，測壓管液面因毛細現(xiàn)象而升高，造成測量誤差，毛細 高度由下式計算式中，為表面張力系數(shù)；為液體的容量； d 為測壓管的內(nèi)徑； h 為毛細升高。常溫 （t=20 ） 的水，

4、 =7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。水與玻璃的浸潤角很小，可認為 cos=1.0。于是有（h、d 單 位 為 mm）一般來說，當玻璃測壓管的內(nèi)徑大于 10mm 時，毛細影響可略而不計。另外，當水質(zhì) 不潔時，減小，毛細高度亦較凈水小；當采用有機玻璃作測壓管時，浸潤角較大，其 h 較 普通玻璃管小。如果用同一根測壓管測量液體相對壓差值，則毛細現(xiàn)象無任何影響。因為測量高、低 壓強時均有毛細現(xiàn)象，但在計算壓差時，互相抵消了。5. 過 C點作一水平面，相對管 1、2、5及水箱中液體而言，這個水平面是不是等壓面？哪 一部分液體是同一等壓面？不全是等壓面，它僅相對管 1、2 及水箱中的液體而言

5、，這個水平面才是等壓面。因為 只有全部具備下列 5個條件的平面才是等壓面： （1）重力液體；（2）靜止；（3）連通；（4） 連通介質(zhì)為同一均質(zhì)液體； （5）同一水平面。而管 5 與水箱之間不符合條件（ 4），因此， 相對管 5 和水箱中的液體而言，該水平面不是等壓面。6. 用圖 1.1 裝置能演示變液位下的恒定流實驗嗎？關(guān)閉各通氣閥門，開啟底閥，放水片刻，可看到有空氣由 c 進入水箱。這時閥門的出 流就是變液位下的恒定流。因為由觀察可知，測壓管 1 的液面始終與 c 點同高，表明作用 于底閥上的總水頭不變，故為恒定流動。這是由于液位的降低與空氣補充使箱體表面真空 度的減小處于平衡狀態(tài)。醫(yī)學上的

6、點滴注射就是此原理應用的一例，醫(yī)學上稱之為馬利奧特容器的變液位下恒定流。7. 該儀器在加氣增壓后，水箱液面將下降而測壓管液面將升高 H，實驗時，若以 P0=0 時的 水箱液面作為測量基準，試分析加氣增壓后，實際壓強( H+)與視在壓強 H 的相對誤差 值。本儀器測壓管內(nèi)徑為 0.8cm，箱體內(nèi)徑為 20cm。加壓后，水箱液面比基準面下降了，而同時測壓管 1、2 的液面各比基準面升高了 H，由水 量平衡原理有本實驗儀 d=0.8cm, D=20cm,故 H=0.0032于是相對誤差有因而可略去不計。其實，對單根測壓管的容器若有 D/d 10或?qū)筛鶞y壓管的容器 D/d7 時，便可使 0.01。

7、實驗二 不可壓縮流體恒定流能量方程(伯諾利方程)實驗實驗原理在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取 n 個過斷面。可以列出進口斷面 (1)至另一斷面 (i) 的能量方 程式(i=2,3,n)取 a1=a2= an=1，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路 的流量，即可計算出斷面平均流速 v 及 ，從而即可得到各斷面測管水頭和總水頭。 成果分析及討論1. 測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什么？測壓管水頭線（ P-P）沿程可升可降，線坡 JP 可正可負。而總水頭線（ E-E）沿程只降 不升，線坡 J 恒為正，即 J>0。這是因為水在流動過程中，依據(jù)一定邊界條件，動能和

8、勢能 可相互轉(zhuǎn)換。測點 5 至測點 7，管收縮，部分勢能轉(zhuǎn)換成動能，測壓管水頭線降低， Jp>0。 測點 7 至測點 9，管漸擴，部分動能又轉(zhuǎn)換成勢能，測壓管水頭線升高， JP<0。而據(jù)能量方 程 E1=E2+hw1-2, hw1-2 為損失能量，是不可逆的，即恒有 hw1-2>0，故 E2 恒小于 E1，（ E-E）線 不可能回升。 （E-E） 線下降的坡度越大，即 J 越大，表明單位流程上的水頭損失越大，如圖 2.3 的漸擴段和閥門等處，表明有較大的局部水頭損失存在。2. 流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？ 有如下二個變化：（ 1 ）流量 增加，測 壓管水 頭線（

9、P-P ）總降 落趨勢 更顯 著。這 是因為測 壓管水 頭，任一斷面起始時的總水頭 E及管道過流斷面面積 A 為定值時，Q 增大， 就增大，則 必減小。而且隨流量的增加阻力損失亦增大，管道任一過水斷 面上的總水頭 E 相應減小，故的減小更加顯著。（ 2）測壓管水頭線（ P-P）的起落變化更為顯著。 因為對于兩個不同直徑的相應過水斷面有式中為兩個斷面之間的損失系數(shù)。管中水流為紊流時，接近于常數(shù)，又管道斷面為定值， 故 Q 增大， H 亦增大，（ P-P）線的起落變化就更為顯著3. 測點 2、3和測點 10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？測點 2、3 位于均勻流斷面（圖 2.2），測點高差

10、0.7cm，H P=均為 37.1cm（偶有毛細影響相差 0.1mm），表明均勻流同斷面上，其動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布。測點10、 11 在彎管的急變流斷面上，測壓管水頭差為 7.3cm，表明急變流斷面上離心慣性力對測壓 管水頭影響很大。由于能量方程推導時的限制條件之一是“質(zhì)量力只有重力” ，而在急變流 斷面上其質(zhì)量力，除重力外，尚有離心慣性力，故急變流斷面不能選作能量方程的計算斷 面。在繪制總水頭線時，測點 10、11 應舍棄。4. 試問避免喉管（測點 7）處形成真空有哪幾種技術(shù)措施？分析改變作用水頭（如抬高或 降低水箱的水位）對喉管壓強的影響情況。下述幾點措施有利于避免喉管（測點 7）處

11、真空的形成：（ 1）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）降低相應管線的安裝高程， （4）改變水箱中的液 位高度。顯然（ 1）、（2）、（3）都有利于阻止喉管真空的出現(xiàn)，尤其（ 3）更具有工程實用意義。 因為若管系落差不變，單單降低管線位置往往就可完全避免真空。例如可在水箱出口接一 下垂 90 彎管，后接水平段，將喉管的高程降至基準高程00，比位能降至零，比壓能 p/得以增大（ Z），從而可能避免點 7 處的真空。至于措施（ 4）其增壓效果是有條件的，現(xiàn) 分析如下：當作用水頭增大 h 時，測點 7斷面上 值可用能量方程求得。取基準面及計算斷面 1、2、 3，計算點選在管軸線上(以下水柱單位均為

12、cm)。于是由斷 面 1、 2 的能量方程(取 a2=a3=1)有(1)因 hw1-2 可表示成此處 c1.2 是管段 1-2 總水頭損失系數(shù)， 式中 e、s 分別為進口和漸縮局部損 失系數(shù)。又由連續(xù)性方程有故式( 1)可變?yōu)槭街?可由斷面 1、3 能量方程求得，即由此得(2)(3)(4)代入式( 2)有(Z2+P2/)隨 h遞增還是遞減，可由(Z2+P2/)加以判別。因(5)若 1-(d3/d2)4+c1.2/(1+c1.3)>0 ，則斷面 2上的(Z+p/) 隨 h同步遞增。反之，則遞減。文丘里實驗為遞減情況，可供空化管設計參考 在實驗報告解答中， d3/d2=1.37/1， Z1=

13、50，Z3=-10，而當 h=0 時，實驗的 (Z2+P2/ )=6，將各值代入式 (2)、(3)，可得該管道阻力系數(shù)分別為 c1.2=1.5， c1.3=5.37。再將其代入式 (5)得表明本實驗管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步升高。但因 (Z2+P2/)接近于零，故水箱 水位的升高對提高喉管的壓強(減小負壓)效果不顯著。變水頭實驗可證明該結(jié)論正確。5. 由畢托管測量顯示的總水頭線與實測繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其原因。與畢托管相連通的測壓管有 1、6、8、12、14、16和 18管，稱總壓管?？倝汗芤好娴?連續(xù)即為畢托管測量顯示的總水頭線，其中包含點流速水頭。而實際測繪的總水頭是

14、以實 測的 值加斷面平均流速水頭 v2/2g 繪制的。據(jù)經(jīng)驗資料，對于園管紊流，只有在離管 壁約 0.12d 的位置，其點流速方能代表該斷面的平均流速。由于本實驗畢托管的探頭通常 布設在管軸附近，其點流速水頭大于斷面平均流速水頭，所以由畢托管測量顯示的總水頭 線，一般比實際測繪的總水線偏高。因此，本實驗由 1、6、8、12、14、16和 18管所顯示的總水頭線一般僅供定性分析與 討論，只有按實驗原理與方法測繪總水頭線才更準確。實驗三 不可壓縮流體恒定流動量定律實驗實驗原理恒定總流動量方程為取脫離體，因滑動摩擦阻力水平分離 ，可忽略不計，故 x 方向的動量方程化為式中：hc作用在活塞形心處的水深

15、；D活塞的直徑；Q射流流量；V1x射流的速度； 1動量修正系數(shù)。實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得 Q流量和活塞形心水深 hc，由給定的管嘴直徑 d 和活塞 直徑 D，代入上式，便可驗證動量方程，并率定射流的動量修正系數(shù) 1 值。其中，測壓管 的標尺零點已固定在活塞的園心處，因此液面標尺讀數(shù)，即為作用在活塞園心處的水深。 實驗分析與討論1、實測與公認值 ( =1.02 1.05) 符合與否？如不符合，試分析原因。實測 =1.035與公認值符合良好。 (如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉(zhuǎn)所致。 為排除此故障，可用 4B 鉛筆芯涂抹活塞及活塞套表面。 )2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩， 這對

16、分析射流沖擊無翼片的平板沿 x 方向的動量 力有無影響？為什么？無影響。因帶翼片的平板垂直于 x 軸，作用在軸心上的力矩 T，是由射流沖擊平板是，沿 yz 平 面通過翼片造成動量矩的差所致。即式中Q射流的流量；Vyz1入流速度在 yz 平面上的分速；Vyz2出流速度在 yz 平面上的分速； 1入流速度與圓周切線方向的夾角，接近 90°；2出流速度與圓周切線方向的夾角； r1,2分別為內(nèi)、外圓半徑。該式表明力矩 T 恒與 x方向垂直，動量矩僅與 yz 平面上的流速分量有關(guān)。 也就是說平 板上附加翼片后，盡管在射流作用下可獲得力矩，但并不會產(chǎn)生 x 方向的附加力，也不會 影響 x 方向的

17、流速分量。所以 x 方向的動量方程與平板上設不設翼片無關(guān)。3、通過細導水管的分流，其出流角度與 V2 相同，試問對以上受力分析有無影響？ 無影響。當計及該分流影響時，動量方程為即 該式表明只要出流角度與 V1垂直，則 x 方向的動量方程與設置導水管與否無關(guān)。4、滑動摩擦力 為什么可以忽略不記？試用實驗來分析驗證的大小，記錄觀察結(jié)果。 （ 提示：平衡時，向測壓管內(nèi)加入或取出 1mm左右深的水，觀察活塞及液位的變化 ）因滑動摩擦力 <5 墸，故可忽略而不計。如第三次實驗，此時 hc=19.6cm，當向測壓管內(nèi)注入 1mm 左右深的水時，活塞所受的 靜壓力增大，約為射流沖擊力的 5。假如活動摩

18、擦力大于此值，則活塞不會作軸向移動， 亦即 hc變?yōu)?9.7cm 左右，并保持不變，然而實際上，此時活塞很敏感地作左右移動，自動 調(diào)整測壓管水位直至 hc仍恢復到 19.6cm 為止。這表明活塞和活塞套之間的軸向動摩擦力幾 乎為零，故可不予考慮。5、V2x若不為零，會對實驗結(jié)果帶來什么影響？試結(jié)合實驗步驟7 的結(jié)果予以說明。按實驗步驟 7 取下帶翼輪的活塞，使射流直接沖擊到活塞套內(nèi)，便可呈現(xiàn)出回流與 x 方向的夾角大于 90°(其 V2x不為零)的水力現(xiàn)象。 本實驗測得 135°，作用于活塞套圓 心處的水深 hc'=29.2cm，管嘴作用水頭 H0=29.45cm。

19、而相應水流條件下，在取下帶翼輪的 活塞前， V2x=0，hc=19.6cm。表明 V2x 若不為零，對動量立影響甚大。因為 V2x 不為零，則 動量方程變?yōu)?1)就是說 hc'隨 V2及遞增。故實驗中 hc'> hc實際上，hc'隨 V2 及的變化又受總能頭的約束，這是因為由能量方程得(2)所以從式 (2)知，能量轉(zhuǎn)換的損失 較小時，實驗四畢托管測速實驗實驗原理4.1)式中： u畢托管測點處的點流速；c畢托管的校正系數(shù)；畢托管全壓水頭與靜水壓頭差(4.2)聯(lián)解上兩式可得 (4.3)式中： u 測點處流速，由畢托管測定； 測點流速系數(shù)；H管嘴的作用水頭。實驗分析與討

20、論1. 利用測壓管測量點壓強時，為什么要排氣？怎樣檢驗排凈與否？ 畢托管、測壓管及其連通管只有充滿被測液體，即滿足連續(xù)條件，才有可能測得真值， 否則如果其中夾有氣柱，就會使測壓失真，從而造成誤差。誤差值與氣柱高度和其位置有 關(guān)。對于非堵塞性氣泡，雖不產(chǎn)生誤差，但若不排除，實驗過程中很可能變成堵塞性氣柱 而影響量測精度。檢驗的方法是畢托管置于靜水中，檢查分別與畢托管全壓孔及靜壓孔相 連通的兩根測壓管液面是否齊平。如果氣體已排凈，不管怎樣抖動塑料連通管，兩測管液 面恒齊平。由于且2. 畢托管的動壓頭 h 和管嘴上、下游水位差 H 之間的大關(guān)系怎樣？為什么？一般畢托管校正系數(shù) c=11(與儀器制作精

21、度有關(guān)) 。喇叭型進口的管嘴出流，其中心點的點流速系數(shù) =0.9961。所以 h< H。本實驗 h=21.1cm， H=21.3cm，c=1.000。3. 所測的流速系數(shù)說明了什么？若管嘴出流的作用水頭為 H，流量為 Q，管嘴的過水斷面積為 A ，相對管嘴平均流速 v，則 有稱作管嘴流速系數(shù)。若相對點流速而言，由管嘴出流的某流線的能量方程，可得式中： 為流管在某一流段上的損失系數(shù)； 為點流速系數(shù)。 本實驗在管嘴淹沒出流的軸心處測得 =0.995，表明管嘴軸心處的水流由勢能轉(zhuǎn)換為動 能的過程中有能量損失，但甚微。4. 據(jù)激光測速儀檢測，距孔口 23cm軸心處，其點流速系數(shù)為 0.996 ，

22、試問本實驗的畢托 管精度如何？如何率定畢托管的修正系數(shù) c？若以激光測速儀測得的流速為真值 u，則有而畢托管測得的該點流速為 203.46cm/s，則 =0.2 欲率定畢托管的修正系數(shù)，則可令本例：5. 普朗特畢托管的測速范圍為 0.2 2m/s，軸向安裝偏差要求不應大于 10度，試說明原因。 （低流速可用傾斜壓差計） 。（1）施測流速過大過小都會引起較大的實測誤差， 當流速 u 小于 0.2m/s時，畢托管測得的 壓差 h 亦有若用 30 傾斜壓差計測量此壓差值，因傾斜壓差計的讀數(shù)值差 h 為 那么當有 0.5mm的判讀誤差時，流速的相對誤差可達 6%。而當流速大于 2m/s 時，由于水 流

23、流經(jīng)畢托管頭部時會出現(xiàn)局部分離現(xiàn)象，從而使靜壓孔測得的壓強偏低而造成誤差。（2）同樣，若畢托管安裝偏差角（）過大，亦會引起較大的誤差。因畢托管測得的流速u 是實際流速 u 在其軸向的分速ucos，則相應所測流速誤差為若10，則6. 為什么在光、聲、電技術(shù)高度發(fā)展的今天，仍然常用畢托管這一傳統(tǒng)的流體測速儀器？畢托管測速原理是能量守恒定律，容易理解。而畢托管經(jīng)長期應用，不斷改進，已十 分完善 。具有結(jié)構(gòu)簡單， 使用方便，測量精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 因而被廣泛應用于液、 氣流的測量（其測量氣體的流速可達 60m/s）。光、聲、電的測速技術(shù)及其相關(guān)儀器，雖具有瞬時性，靈敏、精度高以及自動化記錄等諸多

24、優(yōu)點，有些優(yōu)點畢托管是無法達到的。但往往因其機構(gòu)復雜，使用約束條件多及價格昂貴等因素，從而在應用上受到限制。尤其是傳感器與電器在信號接收與放大處理過程中，有否失真，或者隨使用時間的長短，環(huán)境溫 度的改變是否飄移等，難以直觀判斷。致使可靠度難以把握，因而所有光、聲、電測速儀器，包括激光測速儀都不得不用專門裝置定期率定（有時是利用畢托管作率定） 。可以認為 至今畢托管測速仍然是最可信，最經(jīng)濟可靠而簡便的測速方法。實驗五 雷諾實驗實驗原理 實驗分析與討論流態(tài)判據(jù)為何采用無量綱參數(shù)，而不采用臨界流速？雷諾在 1883 年以前的實驗中， 發(fā)現(xiàn)園管流動存在兩種流態(tài)層流和紊流， 并且存在 著層流轉(zhuǎn)化為紊流的

25、臨界流速 V'，V'與流體的粘性及園管的直徑 d 有關(guān)，即（1） 因此從廣義上看， V'不能作為流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。為了判別流態(tài)，雷諾對不同管徑、不同粘性液體作了大量的實驗，得出了用無量綱參 數(shù)（vd/）作為管流流態(tài)的判據(jù)。他不但深刻揭示了流態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)律，而且還為后人用無 量綱化的方法進行實驗研究樹立了典范。用無量綱分析的雷列法可得出與雷諾數(shù)結(jié)果相同 的無量綱數(shù)?？梢哉J為式（ 1）的函數(shù)關(guān)系能用指數(shù)的乘積來表示。即2）其中 K 為某一無量綱系數(shù)。3）式（ 2）的量綱關(guān)系為從量綱和諧原理，得L：21+2=1T：-1=-1聯(lián)立求解得 1=1， 2=-1 將上述結(jié)果，代入式（ 2

26、），得或雷諾實驗完成了 K 值的測定，以及是否為常數(shù)的驗證。結(jié)果得到 K=2320。于是，無量綱數(shù) vd/便成了適應于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。由于雷諾的奉獻， vd/定命為雷諾數(shù)。隨著量綱分析理論的完善， 利用量綱分析得出無量綱參數(shù)， 研究多個物理量間的關(guān)系， 成了現(xiàn)今實驗研究的重要手段之一。為何認為上臨界雷諾數(shù)無實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判據(jù)？實測 下臨界雷諾數(shù)為多少？根據(jù)實驗測定，上臨界雷諾數(shù)實測值在 30005000 范圍內(nèi)，與操作快慢，水箱的紊動 度，外界干擾等密切相關(guān)。有關(guān)學者做了大量實驗，有的得 12000，有的得 20000，有的甚 至得 400

27、00。實際水流中，干擾總是存在的，故上臨界雷諾數(shù)為不定值，無實際意義。只 有下臨界雷諾數(shù)才可以作為判別流態(tài)的標準。凡水流的雷諾數(shù)小于下臨界雷諾數(shù)者必為層 流。一般實測下臨界雷諾數(shù)為 2100 左右。雷諾實驗得出的圓管流動下臨界雷諾數(shù) 2320，而目前一般教科書中介紹采用的下臨界雷 諾數(shù)是 2000，原因何在？下臨界雷諾數(shù)也并非與干擾絕對無關(guān)。雷諾實驗是在環(huán)境的干擾極小，實驗前水箱中 的水體經(jīng)長時間的穩(wěn)定情況下，經(jīng)反復多次細心量測才得出的。而后人的大量實驗很難重 復得出雷諾實驗的準確數(shù)值，通常在 20002300 之間。因此，從工程實用出發(fā)，教科書中 介紹的園管下臨界雷諾數(shù)一般是 2000。試結(jié)

28、合紊動機理實驗的觀察，分析由層流過渡到紊流的機理何在？ 從紊動機理實驗的觀察可知，異重流（分層流）在剪切流動情況下，分界面由于擾動 引發(fā)細微波動，并隨剪切流速的增大，分界面上的波動增大，波峰變尖，以至于間斷面破 裂而形成一個個小旋渦。使流體質(zhì)點產(chǎn)生橫向紊動。正如在大風時，海面上波浪滔天，水 氣混摻的情況一樣，這是高速的空氣和靜止的海水這兩種流體的界面上，因剪切流動而引 起的界面失穩(wěn)的波動現(xiàn)象。由于園管層流的流速按拋物線分布，過流斷面上的流速梯度較 大，而且因壁面上的流速恒為零。相同管徑下，如果平均流速越大則梯度越大，即層間的 剪切流速越大，于是就容易產(chǎn)生紊動。紊動機理實驗所見的波動破裂旋渦質(zhì)點

29、紊動 等一系列現(xiàn)象，便是流態(tài)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^程顯示。分析層流和紊流在運動學特性和動力學特性方面各有何差異？ 層流和紊流在運動學特性和動力學特性方面的差異如下表：運動學特性 :動力學特性 :層流:1.質(zhì)點有律地作分層流動1.流層間無質(zhì)量傳輸2.斷面流速按拋物線分布2.流層間無動量交換3.運動要素無脈動現(xiàn)象3.單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次方成正比紊流:1.質(zhì)點互相混摻作無規(guī)則運動1.流層間有質(zhì)量傳輸2.斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布2.流層間存在動量交換3.運動要素發(fā)生不規(guī)則的脈動現(xiàn)象3.單位質(zhì)量的能量損失與流速的（ 1.752）次方成正比實驗六 文丘里流量計實驗實驗原理根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式

30、，可得不計阻力作用時的文氏管過水能力關(guān)系式式中： h 為兩斷面測壓管水頭差由于阻力的存在，實際通過的流量 Q 恒小于 Q'。今引入一無量綱系數(shù) =Q/Q'（稱為流量系數(shù)），對計算所得的流量值進行修正h為即 另，由水靜力學基本方程可得氣水多管壓差計的實驗分析與討論本實驗中， 影響文丘里管流量系數(shù)大小的因素有哪些？哪個因素最敏感？對d2=0.7cm的管道而言，若因加工精度影響，誤將（ d20.01 ）cm值取代上述 d2值時，本實驗在最大流 量下的值將變?yōu)槎嗌伲坑墒娇梢姳緦嶒灒ㄋ疄榱黧w）的值大小與 Q、d1、d2、h 有關(guān)。其中 d1、d2影響最敏感。本 實驗中若文氏管 d1 =1

31、.4cm， d2=0.71cm，通常在切削加工中 d1 比 d2 測量方便，容易掌握好 精度，d2不易測量準確， 從而不可避免的要引起實驗誤差。 例如當最大流量時值為 0.976， 若 d2的誤差為 0.01cm，那么值將變?yōu)?1.006，顯然不合理。為什么計算流量 Q'與實際流量 Q 不相等？因為計算流量 Q'是在不考慮水頭損失情況下，即按理想液體推導的，而實際流體存在 粘性必引起阻力損失，從而減小過流能力， Q<Q'，即 <1.0。試證氣水多管壓差計（圖 6.4 ）有下列關(guān)系：如圖 6. 4 所述， ， 試應用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。運用

32、量綱分析法得到文丘里流量計的流量表達式，然后結(jié)合實驗成果，便可進一步搞 清流量計的量測特性。對于平置文丘里管，影響 1 的因素有：文氏管進口直徑 d1，喉徑 d2、流體的密度、 動力粘滯系數(shù)及兩個斷面間的壓強差 P。根據(jù)定理有 從中選取三個基本量，分別為：共有 6個物理量，有 3 個基本物理量，可得 3個無量綱數(shù)，分別為：根據(jù)量綱和諧原理， 1 的量綱式為分別有L ：1=a1+b1-3c1T： 0=- b1M ：0= c1聯(lián)解得： a1=1，b1=0，c1=0，則同理將各值代入式（ 1）得無量綱方程為或?qū)懗蛇M而可得流量表達式為2）式（2）與不計損失時理論推導得到的相似。為計及損失對過流量的影響

33、，實際流量在式（ 3）中引入流量系數(shù) Q 計算，變?yōu)椋?） 比較（ 2）、（4）兩式可知，流量系數(shù) Q與Re一定有關(guān)，又因為式（ 4）中 d2/d1的函數(shù)關(guān)系 并不一定代表了式（ 2）中函數(shù) 所應有的關(guān)系，故應通過實驗搞清 Q與 Re、d2/d1 的相關(guān) 性。通過以上分析， 明確了對文丘里流量計流量系數(shù)的研究途徑， 只要搞清它與 Re及 d2/d1 的關(guān)系就行了。由實驗所得在紊流過渡區(qū)的 QRe 關(guān)系曲線（ d2/d1 為常數(shù)），可知 Q 隨 Re 的增大而 增大，因恒有 <1，故若使實驗的 Re增大， Q 將漸趨向于某一小于 1 的常數(shù)。另外，根據(jù)已有的很多實驗資料分析， Q 與 d1

34、/d2 也有關(guān)，不同的 d1/d2 值，可以得到 不同的 QRe關(guān)系曲線，文丘里管通常使 d1/d2=2。所以實用上， 對特定的文丘里管均需實 驗率定 QRe 的關(guān)系，或者查用相同管徑比時的經(jīng)驗曲線。還有實用上較適宜于被測管道 中的雷諾數(shù) Re>2×105，使 Q 值接近于常數(shù) 0.98。流量系數(shù) Q 的上述關(guān)系，也正反映了文丘里流量計的水力特性。 文氏管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為 6 7mH2O。工程中應用文氏管時，應檢 驗其最大真空度是否在允許范圍內(nèi)。據(jù)你的實驗成果，分析本實驗流量計喉頸最大真空值 為多少？本實驗若 d1= 1. 4cm，d2= 0. 71cm，以

35、管軸線高程為基準面，以水箱液面和喉道斷面分 別為 1 1 和 2 2 計算斷面，立能量方程得則> 0<52.22cmH2O即實驗中最大流量時， 文丘里管喉頸處真空度 ，而由本實驗實測為 60.5cmH2O。 進一步分析可知，若水箱水位高于管軸線 4m 左右時，實驗中文丘里喉頸處的真空度 可達 7mH2O（參考能量方程實驗解答六 4）。七沿程水頭損失實驗一 ： 為 什 么 壓 差 計 的 水 柱 差 就 是 沿 程 水 頭 損 失 ？實 驗 管 道 安 裝 成 向 下 傾 斜 ，是 否 影響 實 驗 成 果？現(xiàn)以傾斜等徑管道上裝設的水銀多管壓差計為 例（圖 7. 3 ）說 明（圖 中

36、 A A 為 水 平 線 ）： 如 圖 示 0 0 為 基 準 面 ，以 1 1 和 2 2 為 計 算 斷，計 算 點 在 軸 心 處 ，設 定，由 能 量 方 程表明水銀壓差計的壓差值即為沿程水頭損失， 且和傾角無關(guān)。二 ： 據(jù) 實 測 m 值 判 別 本 實 驗 的 流 區(qū) 。（ ）曲 線 的 斜 率 m = 1. 0 1. 8 ，即 與 成 正 比 ，表 明 流 動 為 層 流 m = 1. 0、紊 流光 滑 區(qū) 和 紊 流 過 渡 區(qū)（未 達 阻 力 平 方 區(qū) ）。三： 實 際 工 程 中 鋼 管 中 的 流 動 ，大 多 為 光 滑 紊 流 或 紊 流 過 渡 區(qū) ，而 水 電

37、站 泄 洪 洞 的流 動 ，大 多 為 紊 流 阻 力 平 方 區(qū) ，其 原 因 何 在 ？鋼 管 的 當 量 粗 糙 度 一 般 為 0. 2mm，常 溫（ ）下 ， 經(jīng) 濟 流 速 300cm/s ，若 實 用 管 徑 D = （20 100 ）cm，其，相 應 的 = 0. 0002 0. 001，由 莫 迪 圖 知 ，流 動 均 處 在 過 渡 區(qū) 。若需達到 阻力平方 區(qū)，那 么相應的 ， 流速應達 到（5 9）m/s。這樣 高速的有壓管 流在實 際工程中非常少見。而泄洪洞 的當量粗 糙度可達（1 9 ）mm，洞 徑一般 為 （2 3）m，過 流 速 往 往 在（ ） m/s 以 上

38、 ， 其 大 于 ，故 一 般 均 處 于 阻 力 平 方 區(qū)四 ： 管 道 的 當 量 粗 糙 度 如 何 測 得 ？當量粗糙度的測量可用實驗的同樣方法測定及 的 值 ，然 后 用 下 式 求 解 ：1）考 爾 布 魯 克 公 式1）迪圖即是本式的圖解2）S·J公 式2）3）Barr 公 式3）（ 3）式 精 度 最 高 。在 反 求 時 ，（2）式 開 方 應 取 負 號 。也 可 直 接 由 關(guān) 系 在 莫 迪 圖 上 查 得 ，進 而 得 出 當 量 粗 糙 度 值 。五 ： 本 次 實 驗 結(jié) 果 與 莫 迪 圖 吻 合 與 否 ？試 分 析 其原因。通 常 試 驗 點 所

39、 繪 得 的 曲 線 處 于 光 滑 管 區(qū) ， 本 報 告 所 列 的 試 驗 值 ，也 是 如 此 。但 是 ，有 的 實 驗 結(jié) 果 相 應 點 落 到 了 莫 迪 圖 中 光 滑 管 區(qū) 的 右 下 方 。對 此 必 須 認 真 分 析 。如 果 由 于 誤 差 所 致 ，那 么 據(jù) 下 式 分 析d 和 Q 的 影 響 最 大 ，Q 有 2% 誤 差 時 ， 就 有 4% 的 誤 差 ，而 d 有 2% 誤 差 時 ， 可 產(chǎn) 生 10% 的 誤 差 。Q 的 誤 差 可 經(jīng) 多 次 測 量 消 除 ，而 d 值 是 以 實 驗 常 數(shù) 提 供 的 ，由 儀 器 制 作 時 測 量

40、給 定 ，一 般 < 1%。如 果 排 除 這 兩 方 面 的 誤 差 ，實 驗 結(jié) 果 仍 出 現(xiàn) 異 常 ，那 么 只 能從細管的水力特性及其光潔度等方面作深入 的 分 析 研 究 。還 可 以 從 減 阻 劑 對 水 流 減 阻 作 用 上 作 探 討 ，因為 自 動 水 泵 供 水 時 ，會 滲 入 少 量 油脂 類 高 分 子 物 質(zhì) ?？?之 ，這 是 尚 待 進 一 步 探 討 的 問題八）局部阻力實驗則有1、結(jié)合實驗成果，分析比較突擴與突縮在相應條件下的局部損失大 小關(guān)系。由式2 hj2vg22g及f (d1 d2 )表明影響局部阻力損失的因素是 v 和 d1 d 2 ，

41、由于有突擴：e (1 A1 A2 )2突縮：s 0.5(1 A1 A2 )s 0.5(1 A1 A2 )0.5e (1 A1 A2 )2 1 A1 A2當A1 A2 0.5或d1 d2 0.707時，突然擴大的水頭損失比相應突然收縮的要大。 在本實驗最大流量 Q 下，突擴損失較突縮損失約大一倍， 即hje hjs 6.54/ 3.60 1.817 。d1 d2 接近于 1 時，突擴的水流形態(tài)接近于逐漸擴大管的流動， 因而阻力損 失顯著減小。2. 結(jié)合流動演示儀的水力現(xiàn)象， 分析局部阻力損失機理何在？產(chǎn)生突 擴與突縮局部阻力損失的主要部位在哪里？怎樣減小局部阻力損 失？流動演示儀 I-VII 型

42、可顯示突擴、突縮、漸擴、漸縮、分流、合 流、閥道、繞流等三十余種內(nèi)、外流的流動圖譜。據(jù)此對局部阻力損 失的機理分析如下：從顯示的圖譜可見， 凡流道邊界突變處， 形成大小不一的旋渦區(qū)。 旋渦是產(chǎn)生損失的主要根源。由于水質(zhì)點的無規(guī)則運動和激烈的紊 動，相互摩擦，便消耗了部分水體的自儲能量。另外，當這部分低能 流體被主流的高能流體帶走時， 還須克服剪切流的速度梯度， 經(jīng)質(zhì)點 間的動能交換，達到流速的重新組合，這也損耗了部分能量。這樣就 造成了局部阻力損失。從流動儀可見，突擴段的旋渦主要發(fā)生在突擴斷面以后，而且與 擴大系數(shù)有關(guān)，擴大系數(shù)越大，旋渦區(qū)也越大，損失也越大，所以產(chǎn) 生突擴局部阻力損失的主要部

43、位在突擴斷面的后部。 而突縮段的旋渦 在收縮斷面前后均有。突縮前僅在死角區(qū)有小旋渦，且強度較小，而 突縮的后部產(chǎn)生了紊動度較大的旋渦環(huán)區(qū)。 可見產(chǎn)生突縮水頭損失的 主要部位是在突縮斷面后。從以上分析知。為了減小局部阻力損失，在設計變斷面管道幾何 邊界形狀時應流線型化或盡量接近流線型， 以避免旋渦的形成， 或使 旋渦區(qū)盡可能小。 如欲減小本實驗管道的局部阻力， 就應減小管徑比 以降低突擴段的旋渦區(qū)域； 或把突縮進口的直角改為園角， 以消除突 縮斷面后的旋渦環(huán)帶，可使突縮局部阻力系數(shù)減小到原來的 1/21/10。突然收縮實驗管道，使用年份長后，實測阻力系數(shù)減小， 主要原因也在這里。3. 現(xiàn)備有一段

44、長度及聯(lián)接方式與調(diào)節(jié)閥（圖 5.1）相同，內(nèi)徑與實驗管道相同的直管段，如何用兩點法測量閥門的局部阻力系數(shù)？ 兩點法是測量局部阻力系數(shù)的簡便有效辦法。它只需在被測流段（如閥門）前后的直管段長度大于（ 2040）d 的斷面處，各布置一 個測壓點便可。先測出整個被測流段上的總水頭損失 hw1 2，有hw1 2 hj1 hj 2hjn hji hf1 2式中：hji 分別為兩測點間互不干擾的各個局部阻力段的阻力損失； hjn 被測段的局部阻力損失；hf1 2 兩測點間的沿程水頭損失。 然后，把被測段（如閥門）換上一段長度及聯(lián)接方法與被測段相 同，內(nèi)徑與管道相同的直管段， 再測出相同流量下的總水頭損失

45、hw'1 2 同樣有h w1 2 hj1 hj 2hji 1 hf1 2所以hjn hw1 2 hw1 254、實驗測得突縮管在不同管徑比時的局部阻力系數(shù)Re 105 如下：序號12345d2/d10.20.40.60.81.00.480.420.320.180試用最小二乘法建立局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式（1）確定經(jīng)驗公式類型現(xiàn)用差分判別法確定。由實驗數(shù)據(jù)求得等差 x（令x d2 / d1 ）相應的差分 y（令y ），其一、二級差分如下表i1 2345x0.20.20.20.2y-0.06-0.1-0.04-0.182y-0.04-0.04-0.04二級差分 2y 為常數(shù)，故此經(jīng)驗公式類型

46、為y b0 b1x b2x2（1）（2）用最小二乘法確定系數(shù) 令 yi b0 b1x1 b2xi2 是實驗值與經(jīng)驗公式計算值的偏差如用 表示偏差的平方和，即n2i i1yii1b0 b1xib2xi2（2）為使 為最小值，則必須滿足0b00b10b2于是式（ 2）分別對 b0、b1、b2求偏導可得51i 5b05b1i1xi b25i12 xi05552 i5i xi b0xib1 xb2xi3 015i15i15i151i xi2 b02xii1b1i13 xib2xi4 0i1（3）列表計算如下：ixi d2 /d1yi2xi23xi310.20.480.040.00820.40.420.

47、160.06430.60.320.360.21640.80.180.640.51251.001.001.00總和5xi3i15yi 1.4i15xi2 2.2i153xi3 1.8i1i4 xiyi xi2 yi xi10.00160.0960.019220.02560.1680.067230.1300.1920.11540.4100.1440.11551.0000總和54xi4 1.567i15yi xi 0.6i152yi xi20.3164i1將上表中最后一行數(shù)據(jù)代入方程組（ 3），得到1.4 5b0 3b1 2.2b2 00.6 3b0 2.2b1 1.8b2 00.3164 2.2b

48、0 1.8b1 1.567b2 0（4）解得b0 0.5 ，b1 0 ，b2 0.5 ，代入式（ 1）有 y 0.5（1 x 2）于是得到突然收縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式為0.51 （d2 /d1）2或 0.5（1 A2 ）A1（5） 5.試說明用理論分析法和經(jīng)驗法建立相關(guān)物理量間函數(shù)關(guān)系式的 途徑。突擴局部阻力系數(shù)公式是由理論分析法得到的。一般在具備理論 分析條件時，函數(shù)式可直接由理論推演得，但有時條件不夠，就要引 入某些假定。如在推導突擴局部阻力系數(shù)時，假定了“在突擴的環(huán)狀 面積上的動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布” 。引入這個假定的前提是有 充分的實驗依據(jù)，證明這個假定是合理的。理論推導得出的公

49、式，還 需通過實驗驗證其正確性。這是先理論分析后實驗驗證的一個過程。經(jīng)驗公式有多種建立方法，突縮的局部阻力系數(shù)經(jīng)驗公式是在實 驗取得了大量數(shù)據(jù)的基礎上， 進一步作數(shù)學分析得出的。 這是先實驗 后分析歸納的一個過程。 但通常的過程應是先理論分析 （包括量綱分析等）后實驗研究，最后進行分析歸納九孔 口 管 嘴 實 驗一. 結(jié) 合 觀 測 不 同 類 型 管 嘴 與 孔 口 出 流 的 流 股 特 征 ，分 析 流 量 系 數(shù) 不 同 的 原 因 及 增 大 過 流 能 力的途徑。據(jù) 實 驗 報 告 解 答 的 實 際 實 驗 結(jié) 果 可 知 ，流 股 形態(tài)及流量系數(shù)如下：園角管嘴 出 流 的 流 股 呈 光 滑 園 柱 形 ，