水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題答案(想你所要)

1、實(shí)驗(yàn)二 不可壓縮流體恒定流能量方程（伯諾利方程）實(shí)驗(yàn)成果分析及討論1.測(cè)壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)有何不同？為什么？測(cè)壓管水頭線（P-P）沿程可升可降，線坡JP可正可負(fù)。而總水頭線（E-E）沿程只降不升，線坡J恒為正，即J0。這是因?yàn)樗诹鲃?dòng)過(guò)程中，依據(jù)一定邊界條件，動(dòng)能和勢(shì)能可相互轉(zhuǎn)換。測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)7，管收縮，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，測(cè)壓管水頭線降低，Jp0。測(cè)點(diǎn)7至測(cè)點(diǎn)9，管漸擴(kuò)，部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，測(cè)壓管水頭線升高，JP0，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(kuò)段和閥門等處，表明有較大的局部水頭損

2、失存在。2.流量增加，測(cè)壓管水頭線有何變化？為什么？有 如 下 二 個(gè) 變 化 ：（1）流量增加，測(cè)壓管水頭線（P-P）總降落趨勢(shì)更顯著。這是因?yàn)闇y(cè)壓管水頭，任一斷面起始時(shí)的總水頭E及管道過(guò)流斷面面積A為定值時(shí)，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(guò)水?dāng)嗝嫔系目偹^E相應(yīng)減小，故的減小更加顯著。（2）測(cè)壓管水頭線（P-P）的起落變化更為顯著。因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)不同直徑的相應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝嬗惺街袨閮蓚€(gè)斷面之間的損失系數(shù)。管中水流為紊流時(shí)，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(cè)點(diǎn)2、3和測(cè)點(diǎn)10、11的測(cè)壓管讀數(shù)分別說(shuō)明了什么問(wèn)

3、題？測(cè)點(diǎn)2、3位于均勻流斷面（圖2.2），測(cè)點(diǎn)高差0.7cm，HP=均為37.1cm（偶有毛細(xì)影響相差0.1mm），表明均勻流同斷面上，其動(dòng)水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布。測(cè)點(diǎn)10、11在彎管的急變流斷面上，測(cè)壓管水頭差為7.3cm，表明急變流斷面上離心慣性力對(duì)測(cè)壓管水頭影響很大。由于能量方程推導(dǎo)時(shí)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(jì)算斷面。在繪制總水頭線時(shí)，測(cè)點(diǎn)10、11應(yīng)舍棄。4.試問(wèn)避免喉管（測(cè)點(diǎn)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(duì)喉管壓強(qiáng)的影響情況。下述幾點(diǎn)措施有利于避

4、免喉管（測(cè)點(diǎn)7）處真空的形成：（1）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）降低相應(yīng)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(shí)用意義。因?yàn)槿艄芟德洳畈蛔?，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(zhǔn)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(diǎn)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(dāng)作用水頭增大h時(shí)，測(cè)點(diǎn)7斷面上值可用能量方程求得。取基準(zhǔn)面及計(jì)算斷面1、2、3，計(jì)算點(diǎn)選在管軸線上（以下水柱單位均為cm）。于是由斷面1、2的

5、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(jìn)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)?(2)式中可由斷面1、3能量方程求得，即 (3)由此得 (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(shí)驗(yàn)為遞減情況，可供空化管設(shè)計(jì)參考。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告解答中，d3/d2=1.37/1，Z1=50，Z3=-10，而當(dāng)h=0時(shí)，實(shí)驗(yàn)的(Z2+P2/)=6，將各值代入式(

6、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(shí)驗(yàn)管道喉管的測(cè)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(duì)提高喉管的壓強(qiáng)（減小負(fù)壓）效果不顯著。變水頭實(shí)驗(yàn)可證明該結(jié)論正確。5.由畢托管測(cè)量顯示的總水頭線與實(shí)測(cè)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(cè)壓管有1、6、8、12、14、16和18管，稱總壓管。總壓管液面的連續(xù)即為畢托管測(cè)量顯示的總水頭線，其中包含點(diǎn)流速水頭。而實(shí)際測(cè)繪的總水頭是以實(shí)測(cè)的值加斷面平均流速水頭v2/2g繪制的。據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料，對(duì)于園管紊流，只有在離管壁約0.12d的位置，

7、其點(diǎn)流速方能代表該斷面的平均流速。由于本實(shí)驗(yàn)畢托管的探頭通常布設(shè)在管軸附近，其點(diǎn)流速水頭大于斷面平均流速水頭，所以由畢托管測(cè)量顯示的總水頭線，一般比實(shí)際測(cè)繪的總水線偏高。因此，本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理與方法測(cè)繪總水頭線才更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)四 畢托管測(cè)速實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)分析與討論1.利用測(cè)壓管測(cè)量點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)，為什么要排氣？怎樣檢驗(yàn)排凈與否？畢托管、測(cè)壓管及其連通管只有充滿被測(cè)液體，即滿足連續(xù)條件，才有可能測(cè)得真值，否則如果其中夾有氣柱，就會(huì)使測(cè)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(duì)于非堵塞性氣泡，雖不產(chǎn)生誤差，但若不排除，

8、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很可能變成堵塞性氣柱而影響量測(cè)精度。檢驗(yàn)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(cè)壓管液面是否齊平。如果氣體已排凈，不管怎樣抖動(dòng)塑料連通管，兩測(cè)管液面恒齊平。2.畢托管的動(dòng)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？由于 且 即 一般畢托管校正系數(shù)c=11（與儀器制作精度有關(guān)）。喇叭型進(jìn)口的管嘴出流，其中心點(diǎn)的點(diǎn)流速系數(shù)=0.9961。所以h10，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(cè)速儀器？畢托管測(cè)速原理是能量守恒定律，容易理解。而畢托管經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用，不斷改進(jìn)，已十分完善 。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量精度高，

9、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因而被廣泛應(yīng)用于液、氣流的測(cè)量（其測(cè)量氣體的流速可達(dá)60m/s）。光、聲、電的測(cè)速技術(shù)及其相關(guān)儀器，雖具有瞬時(shí)性，靈敏、精度高以及自動(dòng)化記錄等諸多優(yōu)點(diǎn)，有些優(yōu)點(diǎn)畢托管是無(wú)法達(dá)到的。但往往因其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，使用約束條件多及價(jià)格昂貴等因素，從而在應(yīng)用上受到限制。尤其是傳感器與電器在信號(hào)接收與放大處理過(guò)程中，有否失真，或者隨使用時(shí)間的長(zhǎng)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(cè)速儀器，包括激光測(cè)速儀都不得不用專門裝置定期率定（有時(shí)是利用畢托管作率定）?？梢哉J(rèn)為至今畢托管測(cè)速仍然是最可信，最經(jīng)濟(jì)可靠而簡(jiǎn)便的測(cè)速方法。實(shí)驗(yàn)六 文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)分析

10、與討論本實(shí)驗(yàn)中，影響文丘里管流量系數(shù)大小的因素有哪些？哪個(gè)因素最敏感？對(duì)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(shí)，本實(shí)驗(yàn)在最大流量下的值將變?yōu)槎嗌?？由?可見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)（水為流體）的值大小與Q、d1、d2、h有關(guān)。其中d1、d2影響最敏感。本實(shí)驗(yàn)中若文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm，通常在切削加工中d1比d2測(cè)量方便，容易掌握好精度，d2不易測(cè)量準(zhǔn)確，從而不可避免的要引起實(shí)驗(yàn)誤差。例如當(dāng)最大流量時(shí)值為0.976，若d2的誤差為0.01cm，那么值將變?yōu)?.006，顯然不合理。為什么計(jì)算流量Q與實(shí)際流量Q不相等？因?yàn)橛?jì)算流量Q是在不考慮水頭

11、損失情況下，即按理想液體推導(dǎo)的，而實(shí)際流體存在粘性必引起阻力損失，從而減小過(guò)流能力，QQ，即1.0。試證氣水多管壓差計(jì)（圖6.4）有下列關(guān)系：如圖6. 4所述，試應(yīng)用量綱分析法，闡明文丘里流量計(jì)的水力特性。運(yùn)用量綱分析法得到文丘里流量計(jì)的流量表達(dá)式，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果，便可進(jìn)一步搞清流量計(jì)的量測(cè)特性。對(duì)于平置文丘里管，影響1的因素有：文氏管進(jìn)口直徑d1，喉徑d2、流體的密度、動(dòng)力粘滯系數(shù)及兩個(gè)斷面間的壓強(qiáng)差P。根據(jù)定理有從中選取三個(gè)基本量，分別為：共有6個(gè)物理量，有3個(gè)基本物理量，可得3個(gè)無(wú)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=

12、c1聯(lián)解得：a1=1，b1=0，c1=0，則同理將各值代入式（1）得無(wú)量綱方程為或?qū)懗蛇M(jìn)而可得流量表達(dá)式為 （2）式（2）與不計(jì)損失時(shí)理論推導(dǎo)得到的 （3） 相似。為計(jì)及損失對(duì)過(guò)流量的影響，實(shí)際流量在式（3）中引入流量系數(shù)Q計(jì)算，變?yōu)?（4）比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)Q與Re一定有關(guān)，又因?yàn)槭剑?）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(yīng)有的關(guān)系，故應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)搞清Q與Re、d2/d1的相關(guān)性。通過(guò)以上分析，明確了對(duì)文丘里流量計(jì)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(shí)驗(yàn)所得在紊流過(guò)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

13、大，因恒有2105，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(jì)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67mH2O。工程中應(yīng)用文氏管時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)其最大真空度是否在允許范圍內(nèi)。據(jù)你的實(shí)驗(yàn)成果，分析本實(shí)驗(yàn)流量計(jì)喉頸最大真空值為多少？本實(shí)驗(yàn)若d1= 1. 4cm，d2= 0. 71cm，以管軸線高程為基準(zhǔn)面，以水箱液面和喉道斷面分別為11和22計(jì)算斷面，立能量方程得則 0 52.22cmH2O即實(shí)驗(yàn)中最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度，而由本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)為60.5cmH2O。進(jìn)一步分析可知，若水箱水位高于管軸線4m左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)中文丘里喉頸處的真空度可達(dá)7mH2O（參

14、考能量方程實(shí)驗(yàn)解答六4）。（八）局部阻力實(shí)驗(yàn)1、結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果，分析比較突擴(kuò)與突縮在相應(yīng)條件下的局部損失大小關(guān)系。由式 及 表明影響局部阻力損失的因素是和，由于有 突擴(kuò)： 突縮：則有 當(dāng) 或 時(shí)，突然擴(kuò)大的水頭損失比相應(yīng)突然收縮的要大。在本實(shí)驗(yàn)最大流量Q下，突擴(kuò)損失較突縮損失約大一倍，即。接近于1時(shí)，突擴(kuò)的水流形態(tài)接近于逐漸擴(kuò)大管的流動(dòng)，因而阻力損失顯著減小。 2.結(jié)合流動(dòng)演示儀的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)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(dòng)演示儀 I-VII型可顯示突擴(kuò)、突縮、漸擴(kuò)、漸縮、分流、合流、閥道、繞流等三十余種內(nèi)、外流的流動(dòng)圖譜。據(jù)此對(duì)局部

15、阻力損失的機(jī)理分析如下：從顯示的圖譜可見(jiàn)，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(diǎn)的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)和激烈的紊動(dòng)，相互摩擦，便消耗了部分水體的自儲(chǔ)能量。另外，當(dāng)這部分低能流體被主流的高能流體帶走時(shí)，還須克服剪切流的速度梯度，經(jīng)質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)能交換，達(dá)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(dòng)儀可見(jiàn)，突擴(kuò)段的旋渦主要發(fā)生在突擴(kuò)斷面以后，而且與擴(kuò)大系數(shù)有關(guān)，擴(kuò)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(kuò)局部阻力損失的主要部位在突擴(kuò)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(qiáng)度較小，而突縮的后部產(chǎn)生了紊動(dòng)度較

16、大的旋渦環(huán)區(qū)?？梢?jiàn)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(shè)計(jì)變斷面管道幾何邊界形狀時(shí)應(yīng)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(shí)驗(yàn)管道的局部阻力，就應(yīng)減小管徑比以降低突擴(kuò)段的旋渦區(qū)域；或把突縮進(jìn)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(lái)的1/21/10。突然收縮實(shí)驗(yàn)管道，使用年份長(zhǎng)后，實(shí)測(cè)阻力系數(shù)減小，主要原因也在這里。3.現(xiàn)備有一段長(zhǎng)度及聯(lián)接方式與調(diào)節(jié)閥（圖5.1）相同，內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)管道相同的直管段，如何用兩點(diǎn)法測(cè)量閥門的局部阻力系數(shù)？?jī)牲c(diǎn)法是測(cè)量局部阻力系數(shù)的簡(jiǎn)便有效辦法。它只需在被

17、測(cè)流段（如閥門）前后的直管段長(zhǎng)度大于（2040）d的斷面處，各布置一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)便可。先測(cè)出整個(gè)被測(cè)流段上的總水頭損失，有式中： 分別為兩測(cè)點(diǎn)間互不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失； 被測(cè)段的局部阻力損失； 兩測(cè)點(diǎn)間的沿程水頭損失。然后，把被測(cè)段（如閥門）換上一段長(zhǎng)度及聯(lián)接方法與被測(cè)段相同，內(nèi)徑與管道相同的直管段，再測(cè)出相同流量下的總水頭損失，同樣有所以 4、實(shí)驗(yàn)測(cè)得突縮管在不同管徑比時(shí)的局部阻力系數(shù)如下：序號(hào)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(yàn)公式（1）確定經(jīng)驗(yàn)公式類型現(xiàn)用差分判別法確定。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得等差相應(yīng)的差

18、分，其一、二級(jí)差分如下表i123450.20.20.20.2-0.06-0.1-0.04-0.18-0.04-0.04-0.04二級(jí)差分為常數(shù)，故此經(jīng)驗(yàn)公式類型為 （1）（2）用最小二乘法確定系數(shù)令 是實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差。如用表示偏差的平方和，即 （2）為使為最小值，則必須滿足 于是式（2）分別對(duì)、求偏導(dǎo)可得 （3）列表計(jì)算如下：10.20.480.040.00820.40.420.160.06430.60.320.360.21640.80.180.640.51251.001.001.00總和10.00160.0960.019220.02560.1680.067230.1300.1920.11540.4100.1440.11551.0000總和將上表中最后一行數(shù)據(jù)代入方程組（3），得到 （4）解得 ，代入式（1）有于是得到突然收縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為 或 （5）5.試說(shuō)明用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立相關(guān)物理量間函數(shù)關(guān)系式的途徑。