水力學實驗報告思考題答案

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=const(1.1)P=P°5(1.1)式屮：Z被測點在基準而的相對位置高度；P被測點的靜水壓強，用相對壓強表示，以下同；p0水箱屮液面的表面壓強；y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S（）有下列關系:(1.2)

據(jù)此可用儀器(不用另外尺)直接測得S()。實驗分析與討論同一靜止液體內(nèi)的測管水頭線是根什么線?(Z+Q測壓管水頭指 7,即靜水力學實驗儀顯示的測管液面至基準而的垂直高度。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PKO時，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定水箱內(nèi)的真空區(qū)域。A<07S相應容器的真空區(qū)域包括以下三部分過測壓管2液面作一水平面，由等壓面原理知，和對測壓管 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。同理，過箱頂小水杯的液面作一水平面，測壓管 4屮，該平面以上的水體亦為真空區(qū)域。在測壓管5屮，自水而向下深度某一段水柱亦為真空區(qū)。這段高度與測壓管 2液而低于水箱液而的高度相等，亦與測壓3?若再備一根直尺，試采用另外最簡便的方法測定丫0Q管4液而高于小水杯液而高度相等。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h°,由式丫心沁,從而求得Yo°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 ,4bcos&h= dy式小，為表而張力系數(shù)；為液體的容量;d為測壓管的內(nèi)徑;h式小，為表而張力系數(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=20C)的水,coscos()=1?0。于是有"(爪d單2位7為=0.98dyn/mm。水與玻璃的浸潤角很小，可認為?般來說，當玻璃測壓管的內(nèi)徑大于10mm吋，毛細影響可略而不計。另外，當水質不潔吋，減小，毛細高度亦較凈水??；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、低壓強吋均有毛細 現(xiàn)象，但在計算壓差吋，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？不全是等壓而，它僅相對管1、2及水箱屮的液體而言，這個水平而才是等壓而。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)連通介質為同一，均質液體(5)同一水平面。而管5與水箱之間不符合條件(4)，因此，和對管5和水箱屮的液體|佃言，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)學丄的點滴注射就是 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P°=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+5）與視在壓強H的相對誤差值。本儀器測壓管內(nèi)徑為 0.箱體內(nèi)徑為20cn）o加壓后，水箱液面比基準面下降了，而同吋測壓管 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=O.8cm,D本實驗儀d=O.8cm,D二20cm,故 H=0.0032于是相對誤差有亠=上丄=0.0032丸0032H+6H+6 14-5/// 1+0.0032因而可略去不計。其實，對單根測壓管的容器若有D/d10或對兩根測壓管的容器D/山時，便可使0.01-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屮沿管內(nèi)水流方向取n個過斷而。可以列岀進口斷而（1）至另一斷而⑴的能量方程式 （#2,3,??…,n）込+魚+強胡+魚+込+紙V2g1y2g也z+Z取al=a2=-an=l,選好基準而，從已設置的各斷面的測壓管屮讀出 尸值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速v及2A，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X可正可負。血總水頭線（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屮，依據(jù)一定邊界條件，動能和勢能可相互轉換。測點 5至測點7,管收縮，部分勢能轉換成動能，測壓管水頭線降低， Jp>0。測點7至測點9,管漸擴，部分動能又轉換成勢能，測壓管水頭線升高,JpvO。而據(jù)能量方程E1=E2+hwi.2,hwb2為損失能量，是不可逆的，即恒有hwi.2>0,故E2恒小于E],（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（P?P）總降落趨勢更顯著。這是因為測壓管水頭

F2g2gA，任一斷面起始時的總水頭E及管道過流斷面面積A為定值吋，Q增大,r Z+Z就增大，貝U7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Z+Z小，故尸的減小更加顯著。（2）測壓管水頭線（（2）測壓管水頭線（P?P）A/,=A(Z+-)=Y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而有q2/a-q2/aa2g2g2g=(!+<-GV=(!+<-Q增大，H亦增大，（P?Q增大，H亦增大，（P?P）式屮為兩個斷面之間的損失系數(shù)。管屮水流為紊流時，接近于常數(shù)，乂管道斷面為定值，故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？Z+Z測點2、3位于均勻流斷面（圖2.2），測點高差0.7cm,Hp二7均為37」cm（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。由于能量方程推導吋的限制條件之 一是“質量力只有重力”，而在急變流斷面上其質量力，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而。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措施？分析改變作用水頭（如抬髙或降低水箱的水位）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）處真空的形成：（I）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）降低相應管線的安裝高程，（4）改變水箱屮的液位高度。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0-0,比位能降至零，比壓能p/Y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：Z+Z當作用水頭增大h吋，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cm）。于是由斷面1、2的能量方程（取“2="3=1）有Z]+叢=+血+?+女口Jy2g （I）因h\w.2可表示成此處C1.2是管段1?2總水頭損失系數(shù)，式屮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)?y-=Zi+AA-(尋)*+C2號式中詬‘羽可由斷面1、3能量方程求得,即2g 2g由此得vA/2g=(Z1-Z3+Ai)/(l+a13)代入式(2)有(Z2+P2/Y)隨h遞增還是遞減，可由(Z2+P2/Y)加以判別。因次+血/力_ (右/力2)"+心12亦=_ (5)若l-[(d3/d2)4+cl.2]/(l+cl.3)>0,貝衢面2上的(Z+p/Y)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=1.3刀1,Z]=50,乙=-10，而當h=0時，實驗的(Z2+P2/Y)=6,vA/2g=33.19,詬/2滬9.42,將各值代入式⑵、⑶，可得該管道阻力系數(shù)分別為cl.2=1.5,".3=5.37。再將其代入式(5)得1374+1151374+1151+5.37=0.267>0表明木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/Y)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、12、與畢托管相連通的測壓管有1、6、12、14、16和1管，稱總壓管總壓管液而的連續(xù)即為畢托(Z+Z)管測量顯示的總水頭線，其屮包含點流速水頭。而實際測繪的總水頭是以實測的 Y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 而的平均流速。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而平均流速水頭，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、、12、因此，本實驗由1、6、、12、14、16和1管所顯示的總水頭線亠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恒定總流動量方程為取脫離體，因滑動摩擦阻力水平分離v05%a1,可忽略不計，故X方向的動量方程化為禺八幾二冷"二坨（0一0心）即Aa-aa2=O式屮： hc——作用在活塞形心處的水深；D 活塞的直徑；Q 射流流量；Vix---射流的速度；01——動量修正系數(shù)。實驗屮，在平衡狀態(tài)下，只要測得Q流量和活塞形心水深he，由給定的管嘴直徑?1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)Bi值。其小，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B與公認值（P=1.02-1.05）符合與否？如不符合，試分析原因。實測3=1.035與公認值符合良好。（如不符合，其最大可能原因Z-是翼輪不轉所致。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平而通過翼片造成動量矩的差所致。即T=pQyaCOS&22一殮坦1cosaa= COSQ?勺式屮 Q——射流的流量；Vyzj 入流速度在yz平而丄的分速；Vyz2——出流速度在yz平而丄的分速；a1——入流速度與圓周切線方向的夾角，接近90°；a2——出流速度與圓周切線方向的夾角；52——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平而丄的流速分量有關。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)牛x方向的附加力，也不會影響x方向的流速分量。所以x方向的動量方程與平板上設不設翼片無關。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-yhAD2=-yhAD2=???%=f=0:?吒幾恥該式表明只要出流角度與V］垂直，則X方向的動量方程與設置導水管與否無關。4、滑動摩擦力人為什么可以忽略不記？試用實驗來分析驗證人的大小，記錄觀察結果。（提示：平衡時向測壓管內(nèi)加入或取出lmm左右深的水，觀察活塞及液位的變化）因滑動摩擦力人v5培，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。假如活動摩擦力大于此值，則活塞不會作軸向移動，亦即九變?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，自動調整測壓管水位直至也仍恢復到 19.6cm為止。這表明活塞和活塞套之間的軸向動摩擦力兒乎為零，7的結果予以說明7的結果予以說明5、若不為零，會對實驗結果帶來什么影響？試結合實驗步按實驗步驟7取下帶翼輪的活塞，使射流直接沖擊到活寒套內(nèi)，便可呈現(xiàn)岀回流與 x方向的夾角ci人于90°（其V"不為零）的水力現(xiàn)象。本實驗測得0八135。，作用于活塞套圓心處的水深hcA29.2cm,管嘴作用水頭H°=29.45cmo而相應水流條件下，在取下帶翼輪的活塞前， V2x=0,hc=l9.6cm。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)?魂=恣（恥“-仏）=-兀[01%+爲乃cos(180-a)]就是說hj隨V?及a遞增。故實驗中hehe。實際上，h/隨V2及a的變化又受總能頭的約朿，這是因為由能量方程得而所以從式⑵知， 而所以從式⑵知， 能量轉換的損失饑較小時實驗四畢托管測速實驗u="flgKh=k-JXh(4.1)—辰(4.1)式屮：U—畢托管測點處的點流速；c—畢托管的校正系數(shù)；必一畢托管全壓水頭與靜水壓頭差。u=歲j2gAF (4.2)聯(lián)解上兩式可得餌=廠她曲式屮：u—測點處流速，由畢托管測定; (4.3)少一測點流速系數(shù)；△H—管嘴的作用水頭。實驗分析與討論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、測壓管及其連通管貝有充滿被測液體，即滿足連續(xù)條件，才有可能測得真值，否則如果其屮 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。對于非堵塞性氣泡，雖不產(chǎn)牛誤差，但若不排除，實驗過程屮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屮，檢査分別與畢托管全壓孔及靜壓孔相連通的兩根測壓管液而是否齊平。如果氣體己排凈，不管怎樣抖動塑料連通管，兩測管液面恒齊平。2?畢托管的動壓頭h和管嘴上、下游水位差H之間的大關系怎樣？為什么?由于即 必=(%)2厶日一般畢托管校正系數(shù)c=ll%o(與儀器制作精度有關)。喇叭型進口的管嘴出流，其屮心點的點流速系數(shù)0二0.9961%°。所以Ah<AHo本實驗Ah=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=<pA2gL.H0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：1J為流管在某一流段上的損失系數(shù)；0為點流速系數(shù)本實驗在管嘴淹沒出流的軸心處測得0=0.995表明管嘴軸心處的水流由勢能轉換為動能的過程屮有 能量損失，但甚微。4?據(jù)激光測速儀檢測，距孔口 2-3cm軸心處，其點流速系數(shù)為0.996試問本實驗的畢托管精度如何？ 女口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u=0J2昶日=0.996八2X980X21.3=203.5lew/s而畢托管測得的該點流速為203.46cm/s則e=0.2%。欲率定畢托管的修正系數(shù)，則可令u-cc=①、応H/bh本例.c==10007?1.05?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O.2m/s時，畢托管測得的壓差Ah亦有22Lh<—= =0.204722g1960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AA丄叢/sm30。=2x0.204=0.40&加那么當有0.5mm的判讀誤差吋，流速的相對誤差可達6%o而當流速大于2m/s吋，由于水流流經(jīng)畢托管頭部吋會出現(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 （Q）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ucosa,則相應所測流速誤差為u-ucosa:qE= =]一COSQUIcos10=°.015a若>10,貝U6?為什么在光、聲、電技術高度發(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，己十分完善。具有 結構簡單，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）o光、聲、電的測速技術及其和關儀器，雖具有瞬吋性，靈敏、精度高以及自動化記錄等 諸多優(yōu)點，有些優(yōu)點畢托管是無法達到的。但往往因其機構復雜，使用約束條件多及價格昂貴等因索，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屮，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（有吋是利用畢托管作率定）?？梢哉J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vd（=冬=KQTripK=—實驗分析與討論1?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1\3年以前的實驗小發(fā)現(xiàn)園管流動存在兩種流態(tài)一一層流和紊流，并且存在著層流轉化為雷諾在1\3年以前的實驗小發(fā)現(xiàn)園管流動存在兩種流態(tài)一一層流和紊流，并且存在著層流轉化為紊流的臨界流速W,V，與流體的粘性v及園管的直徑d有關，即(I)v'=f(v,d)(I)因此從廣義上看，W不能作為流態(tài)轉變的判據(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/v）作為管流流態(tài)的判據(jù)。他不但深刻揭示了流態(tài)轉變的規(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)結果和同的無量綱數(shù)?？梢哉J為式（1）的函數(shù)關系能用指數(shù)的乘積來表示。即（2）其屮K為某一無量綱系數(shù)。式（2）的量綱關系為Z7-1]=[L2T-1「卩Y⑶從量綱和諧原理，得L:2ai+u2=1T:-a]=-1聯(lián)立求解得aj=l,a2=-1將上述結果，代入式（2），得W=K-dv以雷諾實驗完成了K值的測定, 及是否為常數(shù)的驗證。結果得到K=2320o于是，無量綱數(shù)vd/v使成了適應于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)轉變的判據(jù)。由于雷諾的奉獻， vd/v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系，成了現(xiàn)今實驗研究的重要手段Z―。2?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3000?5000范圍內(nèi)，與操作快慢，水箱的紊動度，外界干擾 等密切和關。有關學者做了大量實驗，有的得12000有的得20000,有的甚至得40000。實際水流屮，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。3?雷諾實驗得岀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。雷諾實驗是在環(huán)境的干擾極小，實驗前水箱屮的水體經(jīng)長時問 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2000?2300之間。因此，從工程實用出發(fā)，教科書屮介紹的園管下臨界雷諾數(shù)一般是2000。4?試結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，分界而由于擾動引發(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 質點產(chǎn)牛橫向紊動。正如在大風吋，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)牛紊動。紊動機理實驗所見的波動一破裂一旋渦一質點紊動等一系列現(xiàn)象，便是流態(tài)從層流轉變?yōu)槲闪鞯倪^程顯示。5?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：層流：運動學特性：層流：1?質點有律地作分層流動2.斷面流速按拋物線分布3.運動要素無脈動現(xiàn)象紊流：1.質點互相混摻作無規(guī)則運動2.斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布運動要素發(fā)牛不規(guī)則的脈動現(xiàn)象1?流層間無質量傳輸流層間無動量交換單位質量的能量損失與流速的一次方成止比1?流層間有質量傳輸流層間存在動量交換單位質量的能量損失與流速的 （1.75?2）次方成正比實驗六文丘里流量計實驗累理兩斷面測壓管水頭差。于阻力的存在，實際通過的流量Q/Q'（口稱為流量系數(shù)）對計算所得的流量Q累理兩斷面測壓管水頭差。于阻力的存在，實際通過的流量Q/Q'（口稱為流量系數(shù)）對計算所得的流量Q恒小于Q'。今引入一尢量綱系數(shù)尸根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式，可得不計阻力作用時的文氏管過水能力關系式值進行修正。即Q=認Q=來7八實驗分析與討論1?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（d2—0?01）cm值取代上述d2值時，本實驗在最大流量下的口值將變?yōu)槎嗌?由式 Q=町盃血莎/-1得可見木實驗（水為流體）H勺口值大小與Q、d]>ch、Ah有關。其111d]>ch影響最敏感。本實驗屮若文氏管d1=L4cm,d2=0.71cm,通常在切削加工中山比ch測量方便，容易掌握好精度，d?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P值為0.976若ch的誤差為一0.01cm那么卩值將變?yōu)?.006,顯然不合理。2?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，從血減小過流能力，QvQ'，即u<1.0o3?試證氣一水多管壓差計（圖6.4）有下列關系：如圖6.4所述，血\=紙_叱隔=圮_紅,:?邑=△■一兄+△禺一兄+△方1+足+禺YY二?一兄+△禺+△松+日1Y（Z]+處/ -（Z2+去2/刃=Z]+j>2/F_兄+△方2+△必1+禺_ZQ_左2/Y=（Z]+HJ—（Z?+月2）+△松+△禺=%_%2+Aj—方44?試應用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。運用量綱分析法得到文丘里流量計的流量表達式，然后結合實驗成果，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J的因素有：文氏管進口直徑山，喉徑d2、流體的密度P、動力粘滯系數(shù)□及兩個斷面間的壓強差AP。根據(jù)n定理有如九，p,比冏=0從小選取三個基本量，分別為[訃片*]共有6個物理量，有3個基本物理量，可得3個無量綱兀數(shù)，分別為%=d(v:'0',開3=A?/野沖爐，根據(jù)量綱和諧原理，□的量綱式為[Z]=[Zp[ZT-ip，[MZ-3p分別有L:匸a】+b|?3ciT:O=-b)M:0=C]聯(lián)解得：a)=l,b]=0,C]=O,貝q兀同理7V2=-V1P將各兀值代入式（1）或寫成V1P將各兀值代入式（1）或寫成4"1Vi=Aptpf2字，&1=』2如/也字\/進而可得流量表達式為Q=卻；j2gAAK住，）相似。為計及損失對過流量的影型，實際流量在式 （3）屮引入流量系數(shù)（1Q計算，變?yōu)镼=蚣彳盃J2邸方/J02/￡）"- 1比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)皿與&一?定有關，又因為式（4）中d2/d|的函數(shù)關系并不一定代表了式（2）屮函數(shù)人所應有的關系，故應通過實驗搞清 （IQ與&d2/d］的相關性。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及氏/山的關系就行了。 由實驗所得在紊流過渡區(qū)的PQ?Rc關系曲線（d2/d］為常數(shù)），可知也隨Rc的增大而增大，因恒有口vl,故若使實驗的Rc增大，PQ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， PQ與山他也有關，不同的d|/d2值，可以得到不同的PQ?Re關系曲線，文丘查用相同管徑比吋的經(jīng)驗曲線。里管通常使di/d2=2o所以實用上，對特定的文丘里管均需實驗率定 PQ?Re的關系，或者查用相同管徑比吋的經(jīng)驗曲線。還有實用上較適宜于被測管道屮的雷諾數(shù)Re>2X10還有實用上較適宜于被測管道屮的雷諾數(shù)Re>2X105,使PQ值接近于常數(shù)0.9流量系數(shù)PQ的上述關系，也正反映了文丘里流量計的水力特性。5?文氏管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為 6?7曲20。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d尸本實驗若d尸1.4cm,1—1和2—2計算斷面，立能量方程得則丫2g2g|=315-3.5一則丫2g2g|=315-3.5一0.22飩口-52.22一饑口?'溝町2>0v-52.22cmH2O即實驗屮最大流量吋，文丘里管喉頸處真空度嘰>,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，實驗屮文丘里喉頸處的真空度可達7mH2O（參考能量方程實驗解答六一4）o七沿程水頭損失實驗: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（圖小A—A為水平線）：

如圖示o—0為基準而，以1—1和2—2為計算斷而，計算點在軸心處，設定==由能量方程可得如2=￡?)一&+孑)???邑二血-日2+13.6%-△方2+AH+13.6物-A松-AH+H]YY=￡1_H2+12.6AA2+12.6叢i+H]Y:.hfi_2=(Z]+HJ—(Z2+H2)+126△閏+12.6AA=12.6@松+△為)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。二：據(jù)實測m值判別本實驗的流區(qū)。lg幻?lg?)曲線的斜率m二1.0?1.,即幻與刃""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：實際工程屮鋼管?|'的流動，大多為光滑紊流或紊流過渡區(qū)，而水電站泄洪洞的流動，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(20°C)下，經(jīng)濟流速300cm/s若實用管徑D二(20?100)cm,其&=6x"?3x10湘應A的萬二0.0002?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&二"~9xl0:流速應達到（5?9）m/so這樣高速的有壓管流在實際工程屮菲常少見。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（5?10）m/s以上，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幾及&的值，然后用下式求解:（1）考爾布魯克公式迪圖即是本式的圖解。(2) S?J公式1.325[ln(A/3.735.74/Rj(3)Barr公式rA5.12861I莎+巒丿A度△值五：本次實驗結果與莫迪圖吻合與否？試分析其原因通常試驗占八、、所繪得的&?兄曲所列的試驗值，也是女口此。但占八\、落到了莫迪圖屮光滑管區(qū)析O如果由于誤所致，那么據(jù)一線處于光滑管區(qū),本報告是，仃的實驗結果&?幾相應的右下方。對此必須認真分卜式分tIT2=Agd5hf/d和Q的影響最大，Q有2%誤差時，入就有4%的誤差，而d有2%誤差時，幾可產(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，由儀器給定，一般農(nóng)1%。如果排除這兩方面的誤差，現(xiàn)異常，那么只能從細管的水力特性及其作深入的分析研究。還可以從減阻劑脂類高作探討，因為自動水泵供水時，會滲入脂類高物質。總之，這是尚待進一步探討的(八)局部阻力實驗1、結合實驗成果，分析比較突擴與突縮在相應條件下的局部損失大小關系。由式h由式h產(chǎn)臨及C=f(djd2)表明影響局部阻力損失的因素是y和djd2,由于有突縮：S—0.5(1—Aj/A2)則有K，二0?5(1-人陸)二05"C"(I-A/4)2"1-A/AAjA2<0.5或 d}/〃2<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，突擴損失較突損失約大一倍，即九/仏=6.54/3.60=1.817。djd2接近于I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白儲能 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，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位在突擴斷面 的示部。而突縮段的旋渦在收縮斷面前示均有。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)?？梢姰a(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童接近流線型，以避免旋渦的形成，或使旋渦區(qū)盡可能小。如欲減小木實驗管道的局 部阻力，就應減小管徑比以降低突擴段的旋渦區(qū)域；或把突縮進口的肓角改為園角，以消除 突縮斷血麻的旋渦環(huán)帶，可使突縮局部阻力系數(shù)減小到原來的 1/2?1/10。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)備有一段長度及聯(lián)接方式與調節(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（20?40）d的斷面處，各布置一個測壓點便可。先測出粥個被測流段上的總水頭損失hwl_2,有hw\-2=hj\+hj2+???+〃〃+???+hji+hf}_2式中：分別為兩測點間互不干擾的各個局部阻力段的阻力損失/?-被測段的局部阻力損失hg—兩測點問的沿稈水頭損失。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 育管段，再測出相同流量下的總水頭損失幾-2,同樣有9hwi—2 +何2+…+iji_\+hghw\-2?饑1-2※乳實驗測得突縮管在不同管徑比時的局部阻力系數(shù)人 "。、如下序號12345d2/dl0.20.40.60.81.00.480.420.320.180試用最小二乘法建立局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式(I)確定經(jīng)驗公式類型現(xiàn)用弟分判別法確定。由實驗數(shù)據(jù)求得等差空令xrgldJ相應的差分△),(令y= 其一、二級差分如下表1 2 3 4 5Ax0.20.20.20.2Ay-0.06?0」-0.04A2y -0.04 -0.04 -0.04二級走分疋)，為常數(shù)，故此經(jīng)驗公式類型為y=bQ-vbAxAbAx2 (1)用最小二乘法確定系數(shù)令力=X-[%+b、X{+b2xj]8是實驗值與經(jīng)驗公式計算值的偏幷如用￡表示偏差的平方和，即￡=,￡=工b-+b、Xj+b2xf)]/=!/=!為使￡為最小值，則必須滿足de"ode3/?]dedb2de"ode3/?]dedb2=0=0=0于是式(2)分別對％、b、、筠求偏導可得55_5/?o-/?iEx/5?b。]= °/=1/=1f=l55 55-b()￡無一久工才一方2乞彳=0⑶/=1/=1/=11=1555 5￡曲屹彳-“龍兀:=o/=1f=l/=1 r=l列農(nóng)計算如下:■1石=d2a?10.20.480.040.00820.40.420.160.06430.60.320.360.21640.80」80.640.51251.001.001.00總和5Ex/=3注15Di?4/=]5￡卅=2.2/=15￡彳=1.8f=i■1X:y內(nèi)2y內(nèi)10.00160.0960.019220.02560.1680.067230.1300.1920.11540.4100」440.11551.0000總和5°： =1.567/=!5工焙=0.6/=!5工曲=0.3164/=!將上表屮最后一行數(shù)據(jù)代入方程纟 R(3),得到1.4-5%— —2.2?