2023年水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告答案

重慶交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)一流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)重慶交通大學(xué)2023/6/8重慶交通大學(xué)

水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)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+馬測壓管水頭指y,即靜水力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀顯示的測管液面至基準(zhǔn)面的垂直高度。測壓管水頭線指測壓管液面的連線。實(shí)驗(yàn)直接觀測可知，同一靜止液面的測壓管水頭線是一根水平線。,當(dāng)Pb<0時(shí)，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，擬定水箱內(nèi)的真空區(qū)域。包<0r:,相應(yīng)容器的真空區(qū)域涉及以下三部分：（1）過測壓管2液面作一水平面，由等壓面原理知,相對(duì)測壓管2及水箱內(nèi)的水體而言，該水否則假如其中夾有氣柱，就會(huì)使測壓失真,從而導(dǎo)致誤差。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,實(shí)驗(yàn)過程中很也許變成堵塞性氣柱而影響量測精度。檢查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。假如氣體已排凈,不管如何抖動(dòng)塑料連通管，兩測管液面恒齊平。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)系如何？為什么?由于*u=cJ2gA一般畢托管校正系數(shù)c二11%。（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)8=0.9961%oo所以△h〈AH。本實(shí)驗(yàn)Ah=21.1cm,△H=21.3cm,c=l.000o.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?dāng)嗝娣e為A,相對(duì)管嘴平均流速v,則有v=—=卬J2gA引A尹稱作管嘴流速系數(shù)。若相對(duì)點(diǎn)流速而言，由管嘴出流的某流線的能量方程，可得3=曉+%2g=?J2g=?J2g=?J2g1+71式中：7=?J2g1+71本實(shí)驗(yàn)在管嘴淹沒出流的軸心處測得U=0.995,表白管嘴軸心處的水流由勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過程中有能量損失，但甚微。

.據(jù)激光測速儀檢測，距孔口2-3cm軸心處,其點(diǎn)流速系數(shù)為0.996,試問本實(shí)驗(yàn)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,則有葭=.J2gA-=0,99672x980x21.3=203.5lew/s而畢托管測得的該點(diǎn)流速為203.46cm/s,則￡=0.2%。欲率定畢托管的修正系數(shù),則可令u=cj2g△力=@42ghhc=座4本例：c=0.996V213/211=1.0007?1.0.普朗特畢托管的測速范圍為0.2-2m/s,軸向安裝偏差規(guī)定不應(yīng)大于10度,試說明因素。（低流速可用傾斜壓差計(jì)）。（1）施測流速過大過小都會(huì)引起較大的實(shí)測誤差，當(dāng)流速u小于0.2m/s時(shí),畢托管測222從<—==0.204朋22從<—==0.20422從<—==0.204朋若用30傾斜壓差計(jì)測量此壓差值，因傾斜壓差計(jì)的讀數(shù)值差△h為M,=AA/sin30o=2x0.204=0.40在加那么當(dāng)有0.5mm的判讀誤差時(shí)，流速的相對(duì)誤差可達(dá)6%。而當(dāng)流速大于2m/s時(shí)，由于水流流經(jīng)畢托管頭部時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部分離現(xiàn)象,從而使靜壓孔測得的壓強(qiáng)偏低而導(dǎo)致誤差。⑵同樣,若畢托管安裝偏差角（。）過大,亦會(huì)引起較大的誤差。因畢托管測得的流速u是實(shí)際流速u在其軸向的分速ucosa,則相應(yīng)所測流速誤差為u-ucosa-E==1—COSflfua若>10,則2>l-cosl0JQ0156?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(yīng)用，不斷改善，已十分完善。具有結(jié)構(gòu)簡樸，使用方便，測量精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因而被廣泛應(yīng)用于液、氣流的測量(其測量氣體的流速可達(dá)60m/s)。光、聲、電的測速技術(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)畢托管是無法達(dá)成的。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。特別是傳感器與電器在信號(hào)接受與放大解決過程中，有否失真，或者隨使用時(shí)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，涉及激光測速儀都不得不用專門裝置定期率定(有時(shí)是運(yùn)用畢托管作率定)o可以認(rèn)為至今畢托管測速仍然是最可信，最經(jīng)濟(jì)可靠而簡便的測速方法。實(shí)驗(yàn)五雷諾實(shí)驗(yàn)1.流態(tài)判據(jù)為什么采用無量綱參數(shù),而不采用臨界流速？雷諾在1883年以前的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)園管流動(dòng)存在兩種流態(tài)一一層流和紊流,并且存在著層流轉(zhuǎn)化為紊流的臨界流速V'與流體的粘性v及園管的直徑d有關(guān)，即v'=f(v,d)(1)因此從廣義上看，「不能作為流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。為了判別流態(tài)，雷諾對(duì)不同管徑、不同粘性液體作了大量的實(shí)驗(yàn)，得出了用無量綱參數(shù)(vd/v)作為管流流態(tài)的判據(jù)。他不僅深刻揭示了流態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)律，并且還為后人用無量綱化的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(rèn)為式(1)的函數(shù)關(guān)系能用指數(shù)的乘積來表達(dá)。即(2)其中K為某一無量綱系數(shù)。式(2)的量綱關(guān)系為[Z7-1]=[L2T-1]ai[L『2(3)從量綱和諧原理，得L:2a]+。2=1T：-ai=-l聯(lián)立求解得Qi=l,a2=-1將上述結(jié)果，代入式(2),得Vr=K-K=—d或v*雷諾實(shí)驗(yàn)完畢了K值的測定，以及是否為常數(shù)的驗(yàn)證。結(jié)果得到K=2320o于是，無量綱數(shù)vd/v便成了適應(yīng)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(xiàn),vd/v定命為雷諾數(shù)。隨著量綱分析理論的完善,運(yùn)用量綱分析得出無量綱參數(shù)，研究多個(gè)物理量間的關(guān)系,成了現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)研究的重要手段之一。2?為什么認(rèn)為上臨界雷諾數(shù)無實(shí)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(shí)測下臨界雷諾數(shù)為多少？根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，上臨界雷諾數(shù)實(shí)測值在3000~5000范圍內(nèi)，與操作快慢,水箱的紊動(dòng)度，外界干擾等密切相關(guān)。有關(guān)學(xué)者做了大量實(shí)驗(yàn)，有的得12023,有的得20230,有的甚至得40000。實(shí)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(shí)際意義。只有下臨界雷諾數(shù)才可以作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)測下臨界雷諾數(shù)為2100左右。.雷諾實(shí)驗(yàn)得出的圓管流動(dòng)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2023,因素何在？下臨界雷諾數(shù)也并非與干擾絕對(duì)無關(guān)。雷諾實(shí)驗(yàn)是在環(huán)境的干擾極小，實(shí)驗(yàn)前水箱中的水體經(jīng)長時(shí)間的穩(wěn)定情況下，經(jīng)反復(fù)多次細(xì)心量測才得出的。而后人的大量實(shí)驗(yàn)很難反復(fù)得出雷諾實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確數(shù)值，通常在2023?2300之間。因此，從工程實(shí)用出發(fā)，教科書中介紹的園管下臨界雷諾數(shù)一般是2023o.試結(jié)合紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)的觀測，分析由層流過渡到紊流的機(jī)理何在？從紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)的觀測可知，異重流（分層流）在剪切流動(dòng)情況下，分界面由于擾動(dòng)引發(fā)細(xì)微波動(dòng)，并隨剪切流速的增大，分界面上的波動(dòng)增大，波峰變尖，以至于間斷面破裂而形成一個(gè)個(gè)小旋渦。使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橫向紊動(dòng)。正如在大風(fēng)時(shí)，海面上波浪滔天，水氣混摻的情況同樣，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(dòng)而引起的界面失穩(wěn)的波動(dòng)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，并且因壁面上的流速恒為零。相同管徑下，假如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(dòng)。紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)所見的波動(dòng)一破裂一旋渦一質(zhì)點(diǎn)紊動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性方面各有何差異？層流和紊流在運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性方面的差異如下表：運(yùn)動(dòng)學(xué)特性：動(dòng)力學(xué)特性：層流：1.質(zhì)點(diǎn)有律地作分層流動(dòng)1.流層間無質(zhì)量傳輸..流層間無動(dòng)量互換.單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次.流層間無動(dòng)量互換.單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次.斷面流速按拋物線分布.流層間無動(dòng)量互換.單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次方成正比11.流層間有質(zhì)量傳輸2.流層間存在動(dòng)量互換1.流層間有質(zhì)量傳輸2.流層間存在動(dòng)量互換紊流：1.1.流層間有質(zhì)量傳輸2.流層間存在動(dòng)量互換.運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生不規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象3.單位質(zhì)量的能量損失與流速的（1.75?2）次方成正比實(shí)驗(yàn)六文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)分析與討論L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（d2-0.01）cm值取代上述d2值時(shí),本實(shí)驗(yàn)在最大流量下的U值將變?yōu)槎嗌?？由式Q=吟選戰(zhàn)麗/，（%），T得可見本實(shí)驗(yàn)（水為流體）的U值大小與Q、&、d2sAh有關(guān)。其中dI、力影響最敏感。本實(shí)驗(yàn)中若文氏管d]=1.4cm,d2=0.71cm,通常在切削加工中一比d2測量方便,容易掌握好精度，cL不易測量準(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)u值為0.976,若d2的誤差為-0.01cm,那么口值將變?yōu)?.006,顯然不合理。2?為什么計(jì)算流量Q'與實(shí)際流量Q不相等？由于計(jì)算流量Q'是在不考慮水頭損失情況下，即按抱負(fù)液體推導(dǎo)的，而實(shí)際流體存在粘性必引起阻力損失，從而減小過流能力,QVQ',即uV1.0o3.試證氣一水多管壓差計(jì)（圖6.4）有下列關(guān)系：伉+^^-飽+飽-4如圖6.4所述，她==飽-%,:生二包一名+△囪一女3+△〃1+%+%YY—+△&+△&tH］y.'.(Z］+尸］/y)一(z+,2//)=Z］+,2/y-+△力2+卜41+//1-z2一,2/y二?4-%)-⑥+品)+△%+△%=&一%+用一/44.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)的量測特性。對(duì)于平置文丘里管，影響L的因素有：文氏管進(jìn)口直徑d”喉徑d2、流體的密度P、動(dòng)力粘滯系數(shù)U及兩個(gè)斷面間的壓強(qiáng)差A(yù)P。根據(jù)兀定理有從中選取三個(gè)基本量,分別為：［心］=楫70的卜［平Km。］網(wǎng)平3/刈共有6個(gè)物理量，有3個(gè)基本物理量,可得3個(gè)無量綱n數(shù),分別為：穴N=bpld弋決潸，根據(jù)量綱和諧原理，入的量綱式為［勾平分別有L:1=ai+b-3c］T:0=-biM：0二Ci聯(lián)解得：a1=l,bi=0,Ci=0,則穴_小巧一不同理將各冗值代入式⑴得無量綱方程為=0或?qū)懗森h(huán)。_”2〃'△p(心4匕勿Vj=pf23,&1=J2gAp/以3與Ri\a1/\ax/進(jìn)而可得流量表達(dá)式為Q=?d；J2gM其作，凡14I%/式⑵與不計(jì)損失時(shí)理論推導(dǎo)得到的相似。為計(jì)及損失對(duì)過流量的影響，實(shí)際流量在式（3）中引入流量系數(shù)&計(jì)算，變?yōu)椤?既/7^”區(qū)/心）4-1(4)比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)k與Re一定有關(guān)，又由于式（4）中d2/九的函數(shù)關(guān)系并不一定代表了式（2）中函數(shù)人所應(yīng)有的關(guān)系，故應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)搞清的與R。、也/%的相關(guān)性。通過以上分析，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R。及d2/九的關(guān)系就行了。由實(shí)驗(yàn)所得在紊流過渡區(qū)的關(guān)系曲線（d2/d1為常數(shù)），可知&隨Re的增大而增大,因恒有u<1,故若使實(shí)驗(yàn)的Rc增大，網(wǎng)將漸趨向于某一小于1的常數(shù)。此外,根據(jù)已有的很多實(shí)驗(yàn)資料分析,國與d|/dz也有關(guān),不同的d1/d2值，可以得到不同的也?Re關(guān)系曲線,文丘里管通常使d./d2=2。所以實(shí)用上,對(duì)特定的文丘里管均需實(shí)驗(yàn)率定的關(guān)系，或者查用相同管徑比時(shí)的經(jīng)驗(yàn)曲線。尚有實(shí)用上較適宜于被測管道中的雷諾數(shù)R0>2X10;使為值接近于常數(shù)0.98o流量系數(shù)燈的上述關(guān)系，也正反映了文丘里流量計(jì)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?7mH2。。工程中應(yīng)用文氏管時(shí)，應(yīng)檢查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d尸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1—1和2-2計(jì)算斷面,立能量方程得兒二―號(hào)+入

y2g左二/一篝_%-2=70-則y2g2gl=31.5-3.5-80.22--=-52.22-兒匕；幻1-2>0.￡1/<-52.22cmH2O即實(shí)驗(yàn)中最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度4>52的為0,而由本實(shí)驗(yàn)實(shí)測為60.5cmH2Oo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)7mH2。（參考能量方程實(shí)驗(yàn)解答六一4）。七沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)一：為什么壓差計(jì)的水柱差就是沿程水頭損失？實(shí)驗(yàn)管道安裝成向下傾斜，是否影響實(shí)驗(yàn)成果？現(xiàn)以傾斜等徑管道上裝設(shè)的水銀多管壓差計(jì)為例（圖7.3）說明（圖中A—A為水平線）：*如圖示0—0為基準(zhǔn)面，以1—1和2—2為計(jì)算斷面，計(jì)算點(diǎn)在軸心處，設(shè)定為12=M+國-仿+4匕=匕2%二°,由能量方程可得'丫）'丫）?：”=紅一%+13.6A%-+房+13.6岫--AH+H】YY=^--H2+12.6A/22+12.6M1+H1Y=（Z]+HJ-（Z?+H?）+12.6A&+12.6A%=12.+△卷）表明水銀壓差計(jì)的壓差值即為沿程水頭損失，平面為等壓面，均為大氣壓強(qiáng)，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。⑵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。.若再備一根直尺,試采用此外最簡便的方法測定Yoo最簡樸的方法，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,由式九牝二九為，從而求得丫.如測壓管太細(xì)，對(duì)測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？設(shè)被測液體為水,測壓管太細(xì)，測壓管液面因毛細(xì)現(xiàn)象而升高，導(dǎo)致測量誤差，毛細(xì)高度由下式計(jì)算4bcos6h=分式中，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(xì)升高。常溫（t=20℃）的水，=7.28dyn/mm,=0.98dyn/mmo水與玻璃的浸潤角很小，可認(rèn)為cos8=1.0。于是有d（h、d單位為mm）一般來說，當(dāng)玻璃測壓管的內(nèi)徑大于10mm時(shí)，毛細(xì)影響可略而不計(jì)。此外，當(dāng)水質(zhì)不潔時(shí)，減小，毛細(xì)高度亦較凈水?。划?dāng)采用有機(jī)玻璃作測壓管時(shí)，浸潤角較大，其h較普通玻璃管小。假如用同一根測壓管測量液體相對(duì)壓差值，則毛細(xì)現(xiàn)象無任何影響。由于測量高、低壓強(qiáng)時(shí)均有毛細(xì)現(xiàn)象，但在計(jì)算壓差時(shí),互相抵消了。.過C點(diǎn)作一水平面，相對(duì)管1、2、5及水箱中液體而言，這個(gè)水平面是不是等壓面?哪部分液體是同一等壓面?且和傾角無關(guān)。a二：據(jù)實(shí)測m值判別本實(shí)驗(yàn)的流區(qū)。（1g/）曲線的斜率m=l.O?1.8,即為與尸°心成正比，表明流動(dòng)為層流m=1.0、紊流光滑區(qū)和紊流過渡區(qū)（未達(dá)阻力平方區(qū)）。三：實(shí)際工程中鋼管中紊流或紊流過渡區(qū)，而大多為紊流阻力平方鋼管的當(dāng)量粗糙度一般下，經(jīng)濟(jì)流速300cm/s,若cm,其&=6x10$?3x106,相工由莫迪圖知，流動(dòng)均處的流動(dòng)，大多為光滑水電站泄洪洞的流動(dòng)，區(qū)，其原因何在？為0.2mm，常溫（20℃）實(shí)用管徑D二（20-100）Ai的Z=0.0002?0.001,E過渡區(qū)。若需達(dá)到阻力平方區(qū)，那么相應(yīng)的&"I。，?9x106,流速應(yīng)達(dá)到（5?9）m/s。這樣高速的有壓管流在實(shí)際工程中非常少見。而泄洪洞的當(dāng)量粗糙度可達(dá)（l~9）mm,洞徑一般為（2?3）m,過流速往往在（5?10）m/s以上，其兄大于10、故一般均處于阻力平方區(qū)。四：管道的當(dāng)量粗糙度如何測得？

當(dāng)量粗糙度的測量可用實(shí)驗(yàn)的同樣方法測定丸及段的值，然后用下式求解：M(1)考爾布魯克才一當(dāng)量粗糙度的測量可用實(shí)驗(yàn)的同樣方法測定丸及段的值，然后用下式求解：M(1)考爾布魯克才一2電2.51(1)S?J公式2=1325[ln(A/37d+5.74/&09)『⑵Barr公式(△,5.1286、正電(而+鏟J(3)AA(3)式精度最高。在反求不時(shí)，(2)式開方應(yīng)取負(fù)號(hào)。也可直接由兄?鳥關(guān)系在莫迪圖上查得“，進(jìn)而得出當(dāng)量粗糙度△值"五：本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與莫迪圖吻合與否？試分析其原因。通常試驗(yàn)點(diǎn)所繪得的《?元曲線處于光滑管區(qū)，本報(bào)告所列的試驗(yàn)值，也是如此。但是，有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果&T相應(yīng)點(diǎn)落到了莫迪圖中光滑管區(qū)的右下方。對(duì)此必須認(rèn)真分析。A如果由于誤差所致，那么據(jù)下式分析2=/gd$%/8/g2d和Q的影響最大，Q有2%誤差時(shí)，兄就有4%的誤差，而d有2%誤差時(shí)，％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(shí)驗(yàn)常數(shù)提供的，由儀器制作時(shí)測量給定，一般依1%。如果排除這兩方面的誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍出現(xiàn)異常，那么只能從細(xì)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(duì)水流減阻作用上作探討，由于自動(dòng)水泵供水時(shí)，會(huì)滲入少量油脂類高分子物質(zhì)?？傊@是尚待進(jìn)一步探討的問題o(A)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。由式為“二2g及：=/(4/出)表白影響局部阻力損失的因素是-和4/4，由于有突擴(kuò):=(1-4/4)2突縮：￡=0.5(1-A/4)則有k=￡=°"-A/&)=。.5Ce(1-A1/A2)2AJA2當(dāng)AJA2<0.5或djd2<0.707時(shí)，忽然擴(kuò)大的水頭損失比相應(yīng)忽然收縮的要大。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％e/勺=6.54/3.60=1.817。djd2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。.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重要部位在哪里？如何減小局部阻力損失？流動(dòng)演示儀I-VH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)局部阻力損失的機(jī)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)生損失的重要根源。由于水質(zhì)點(diǎn)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和劇烈的紊動(dòng),互相摩擦,便消耗了部分水體的自儲(chǔ)能量。此外，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)能互換,達(dá)成流速的重新組合,這也損耗了部分能量。這樣就導(dǎo)致了局部阻力損失。從流動(dòng)儀可見,突擴(kuò)段的旋渦重要發(fā)生在突擴(kuò)斷面以后，并且與擴(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)局部阻力損失的重要部位在突擴(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)度較大的旋渦環(huán)區(qū)?？梢姰a(chǎn)生突縮水頭損失的重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)盡也許小。如欲減小本實(shí)驗(yàn)管道的局部阻力，就應(yīng)減小管徑比以減少突擴(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)減小到本來的1/2?1/10。忽然收縮實(shí)驗(yàn)管道，使用年份長后，實(shí)測阻力系數(shù)減小，重要因素也在這里。.現(xiàn)備有一段長度及聯(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)法測量閥門的局部阻力系數(shù)？兩點(diǎn)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(gè)測壓點(diǎn)便可。先測出整個(gè)被測流段上的總水頭損失&-2,有=h"+力7+…?+人加+...+/+hfx_2式中：的一分別為兩測點(diǎn)間互不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失；hjn-被測段的局部阻力損失；hn_2~兩測點(diǎn)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〃四2,

同樣有hmi-2=hji+hj2h卜hji_i+〃止2所以hin=%一2-兒1.2※去實(shí)驗(yàn)測得突縮管在不同管徑比時(shí)的局部阻力系數(shù)R。。'如下:序號(hào)12345d2/d10.20.40.60.81.0尸0.480.420.320.180試用最小二乘法建立局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式（1）擬定經(jīng)驗(yàn)公式類型現(xiàn)用差分判別法擬定。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得等差?（令工=4/4）相應(yīng)的差分（令），=G，其一、二級(jí)差分如下表二級(jí)差分為常數(shù),故此經(jīng)驗(yàn)公式類型為i12345Ar0.20.20.20.2△），-0.06-0.1-0.04-0.18A(2)用最小二乘法擬定系數(shù)令(2)用最小二乘法擬定系數(shù)令b=乂一[%+b/i+b2xf]-0.04-0.04-0.04y=%+bix+b2x2

3是實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差。如用e表達(dá)偏差的平方和，即￡=力;=2M-(%+々巧+優(yōu)x；)]2;=|1=1(2)cc絲地曲-助胡麗/、Ic絲地曲-c絲地曲-助胡麗/、I=0=0于是式(2)分別對(duì)％、“、/求偏導(dǎo)可得E凹-5%-b2^xf=0TOC\o"1-5"\h\zr=lr=lr=l5555<X"一%Z%一4》；一=0

f=lr=li=lj=1Z)X-b0￡x；一〃Sx；-^Yxi=0.r=li=li=li=l(3)列表計(jì)算如下:iXj=d2/4必=72X；10.20.480.040.00820.40.420.160.06430.60.320.360.21640.80.180.640.51251.001.001.00總和ZX=31=1=1.4/=1氏=2.2r=ltx；=L81=1i*10.00160.0960.019220.02560.1680.067230.1300.1920.11540.4100.1440.11551.0000總和5WX=1.5671=15=06/=l5Z謫=031641=1將上表中最后一行數(shù)據(jù)代入方程組(3),得到1.4-5%-34-2.2a=0?0.6—34-2.2"-1.8d=00.3164-22bo-1.8仇一1.567優(yōu)=0(4)解得=0.5,b]=0,b2=-0.5,代入式(1)有)，=0.5(1-昌于是得到忽然收縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為^=0.5[l-(J2/^)2]或<=0.5(1-4-)派5.試說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。突擴(kuò)局部阻力系數(shù)公式是由理論分析法得到的。一般在具有理論分析條件時(shí)，函數(shù)式可直接由理論推演得，但有時(shí)條件不夠，就要引入某些假定。如在推導(dǎo)突擴(kuò)局部阻力系數(shù)時(shí)，假定了“在突擴(kuò)的環(huán)狀面積上的動(dòng)水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布”。引入這個(gè)假定的前提是有充足的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，證明這個(gè)假定是合理的。理論推導(dǎo)得出的公式，還需通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)的性。這是先理論分析后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一個(gè)過程。經(jīng)驗(yàn)公式有多種建立方法，突縮的局部阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式是在實(shí)驗(yàn)取得了大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步作數(shù)學(xué)分析得出的。這是先實(shí)驗(yàn)后分析歸納的一個(gè)過程。但通常的過程應(yīng)是先理論分析（涉及量綱分析等）后實(shí)驗(yàn)研究,最后進(jìn)行分析歸納。九孔口管嘴實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)報(bào)告解答的實(shí)際實(shí)驗(yàn)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，u=0.9352直角管嘴出流的流股呈園柱形麻花狀扭變，u=0.816；a園錐管嘴出流的流股呈光滑

園柱形，u=0.934；A孔口出流的流股在出口附近有側(cè)收縮，呈光滑園柱形，u=0.61影響流量系數(shù)大小的原因有：a（1）出口附近流股直徑，孔口為4=0.962*&/d=0.8,其余同管嘴的出口內(nèi)徑，丸d1。2（a）直角進(jìn)口管嘴出流，u大于孔口%是因?yàn)榍罢哌M(jìn)口段后由于分離，使流股側(cè)收縮而引起局部真空（實(shí)際實(shí)驗(yàn)實(shí)測局部真空度為16cm%。），產(chǎn)生抽吸作用從而加大過流能力。后者孔口出流流股側(cè)面均為大氣壓無抽吸力存在。（3）直角進(jìn)口管嘴的流股呈扭變，說明橫向脈（3）直角進(jìn)口管嘴的流股呈扭變，說明橫向脈速大，紊動(dòng)度3形成漩渦之故滑園柱形，橫向線形，不易產(chǎn)生園角管嘴出流速大，紊動(dòng)度3形成漩渦之故滑園柱形，橫向線形，不易產(chǎn)生園角管嘴出流，這是因?yàn)樵趥?cè)。而園角進(jìn)口管脈速微弱，這是漩渦之故，所以速大，紊動(dòng)度3形成漩渦之故滑園柱形，橫向線形，不易產(chǎn)生園角管嘴出流，這是因?yàn)樵趥?cè)。而園角進(jìn)口管脈速微弱，這是漩渦之故，所以損失大，u值小收縮斷面附近嘴的流股為光因進(jìn)口近乎流直角管嘴比（4）園錐管（4）（4）園錐管嘴雖亦屬直角進(jìn)口，但因進(jìn)口直徑漸小，不易產(chǎn)生分離，其側(cè)收縮斷面面積接近出口面積（u值以出口面積計(jì)），故側(cè)收縮并不明顯影響過流能力。另外，從流股形態(tài)看，動(dòng)亦不明顯，說明漸縮管對(duì)流態(tài)有穩(wěn)作用（工程或?qū)嶒?yàn)中，為了提高工作段水不全是等壓面，它僅相對(duì)管1、2及水箱中的液體而言，這個(gè)水平面才是等壓面。由于只有所有具有下列5個(gè)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(duì)管5和水箱中的液體而言,該水平面不是等壓面。.用圖1.1裝置能演示變液位下的恒定流實(shí)驗(yàn)嗎？關(guān)閉各通氣閥門，啟動(dòng)底閥，放水半晌，可看到有空氣由c進(jìn)入水箱。這時(shí)閥門的出流就是變液位下的恒定流。由于由觀測可知,測壓管1的液面始終與c點(diǎn)同高，表白作用于底閥上的總水頭不變,故為恒定流動(dòng)。這是由于液位的減少與空氣補(bǔ)充使箱體表面真空度的減小處在平衡狀態(tài)。醫(yī)學(xué)上的點(diǎn)滴注射就是此原理應(yīng)用的一例，醫(yī)學(xué)上稱之為馬利奧特容器的變液位下恒定流。.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(shí)驗(yàn)時(shí)，若以P0=0時(shí)的水箱液面作為測量基準(zhǔn)，試分析加氣增壓后，實(shí)際壓強(qiáng)（H+8）與視在壓強(qiáng)H的相對(duì)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(zhǔn)面下降了，而同時(shí)測壓管1、2的液面各比基準(zhǔn)面升高了H,由水量平衡原理有2x-d2H=—644本實(shí)驗(yàn)儀d=O.8cm,D=20cm,故。山=0.0032于是相對(duì)誤差有H+6-H_d_61H_0.00328=H+dH+1+=1+0.0032流的穩(wěn)定性，往往在工作段前加一漸縮段，正是利用漸縮的這一水力特性)。能量損失小，因此其正是利用漸縮的這一水力特性)。能量損失小，因此其U值與因此其U因此其U值與角管嘴相近。以上分析可知，為了加大管嘴的過流能力，進(jìn)口形狀應(yīng)以上分析可知，為了加大管嘴的過流能力，進(jìn)口形狀應(yīng)進(jìn)口形狀應(yīng)力求流線形化，只要將進(jìn)口修園，提高進(jìn)口形狀應(yīng)力求流線形化，只要將進(jìn)口修園，提高U的效果就十分顯著?？卓诩爸苯枪茏斓牧髁肯禂?shù)的實(shí)驗(yàn)值有時(shí)比經(jīng)驗(yàn)值偏大，其主要原因亦與制作工藝上或使用上不小心將孔口、管嘴的進(jìn)口棱角，磨損了有關(guān)二觀察d/H>0.1時(shí)，孔口出流的側(cè)收縮率較d園，提高U的效果就十分顯著。孔口及直角管嘴的流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值有時(shí)比經(jīng)驗(yàn)值偏大，其主要原因亦與制作工藝上或使用上不小心將孔口、管嘴的進(jìn)口棱角，磨損了有關(guān)園，提高U的效果就十分顯著。孔口及直角管嘴的流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值有時(shí)比經(jīng)驗(yàn)值偏大，其主要原因亦與制作工藝上或使用上不小心將孔口、管嘴的進(jìn)口棱角，磨損了有關(guān)二觀察d/H>0.1時(shí)，孔口出流的側(cè)收縮率較d/H<0.1時(shí)有何不同？當(dāng)d/H>0.1時(shí)，觀測知收縮斷面直徑增大,并接進(jìn)于孔徑d,這叫作不完全收縮，實(shí)驗(yàn)測知，u增大，可達(dá)0.7左右。三.試分析完善收縮的銳緣薄壁孔口出流的流量系數(shù)均有下列關(guān)系：UQ-L凡解)A其中唯為韋伯?dāng)?shù)。根據(jù)這一關(guān)系，并結(jié)合其他因素分析本實(shí)驗(yàn)的流量系數(shù)偏離理論值(叱=0.611)的原因。薄壁孔口在完善收縮條件1面距離L>3d）,影響孔口薄壁孔口在完善收縮條件1面距離L>3d）,影響孔口H有：作用水頭H,孔徑d,流]速度g,粘滯系數(shù)u及表面張）FZ&H,p,g,內(nèi)6=0（i）a現(xiàn)利量Q與各物理量間的相互關(guān)流量系數(shù)相關(guān)的水力要素。因v、H、o是三[7/]=[Z1Z°M°],[v]=[zbr-1^0],[日=口。叫個(gè)量綱獨(dú)立（孔口距相鄰壁流流速v的因素:的密度。，重力加系數(shù)%即用於定律分析流系，然后推求與j物理量，只有：根據(jù)憶定理得Ad(3)a(2)又一.(4)根據(jù)量綱和諧原理，（2）式的量綱應(yīng)為因而可略去不計(jì)。其實(shí)，對(duì)單根測壓管的容器若有D/九或?qū)筛鶞y壓管的容器D/&時(shí)，便可使0.01。L測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)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(fù)。而總水頭線（E-E）沿程只降不升,線坡J恒為正，即J>0o這是由于水在流動(dòng)過程中，依據(jù)一定邊界條件,動(dòng)能和勢(shì)能可互相轉(zhuǎn)換。測點(diǎn)5至測點(diǎn)7,管收縮，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，測壓管水頭線減少，Jp>0o測點(diǎn)7至測點(diǎn)9,管漸擴(kuò)，部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)換成勢(shì)能,測壓管水頭線升高,Jp<0o而據(jù)能量方程E尸法+h+2,方一2為損失能量,是不可逆的，即恒有h+2>0,故E2恒小于氏（E-E）線不也許回升。（E-E）線下降的坡度越大,即J越大，表白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，表白有較大的局部水頭損失存在。2,流量增長,測壓管水頭線有何變化?為什么？有如下二個(gè)變化：（1）流量增長，測壓管水頭線（P—P）總降落趨勢(shì)更顯著。這是由于測壓管水頭Hp=Z+^-=E--=72g2gAf任一斷面起始時(shí)的總水頭E及管道過流斷面面積A為定值時(shí),￡Z+2Q增大，2g就增大，則了必減小。并且隨流量的增長阻力損失亦增大，管道任一過水?dāng)嗝鎆+巴上的總水頭e相應(yīng)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。由于對(duì)于兩個(gè)不同直徑的相應(yīng)過水?dāng)嗝嬗行膅馬=3+理="-"+￡辿Y2g2g2g2g式中為兩個(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.測點(diǎn)2、3和測點(diǎn)10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？Z+2測點(diǎn)2、3位于均勻流斷面（圖2.2）,測點(diǎn)高差0.7cm,小二7均為37.1cm（偶有毛細(xì)影響相差0.1mm）,表白均勻流同斷面上，其動(dòng)水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布。測點(diǎn)10、11在彎管的急變流斷面上，測壓管水頭差為7.3cm,表白急變流斷面上離心慣性力對(duì)測壓管水頭影響很大。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)，測點(diǎn)10、11應(yīng)舍棄。4.試問避免喉管（測點(diǎn)7）處形成真空有哪幾種技術(shù)措施?分析改變作用水頭（如抬高或減少水箱的水位）對(duì)喉管壓強(qiáng)的影響情況。下述幾點(diǎn)措施有助于避免喉管（測點(diǎn)7）處真空的形成：（1）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）減少相應(yīng)管線的安裝高程，（4）改變水箱中的液位高度。顯然（1）、（2）、（3）都有助于阻止喉管真空的出現(xiàn)，特別（3）更具有工程實(shí)用意義。由于若管系落差不變，單單減少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0—0,比位能降至零，比壓能p/丫得以增大（Z）,從而也許避免點(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：Z+2當(dāng)作用水頭增大h時(shí)，測點(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的能量方程（取a2=a3=l）有4+比小食+祗+兒一因A-可表達(dá)成此處cl.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)性方程有吆=（￡）4邑2g&2g故式（1）可變?yōu)槭街?g可由斷面1、3能量方程求得，即Zi+M=Z3+y-+Ci3Y"2g2g由此得f2g=（Z「Z3+M）/（l+1]3）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。因出22+-2/y）_1_03/d2）4+￡14一再一="一一⑸若l-[（d3/d2）4+cl.2]/（l+cL3）＞0,則斷面2上的（Z+p/丫）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,Z尸50,Z3=—10,而當(dāng)h=0時(shí)，實(shí)驗(yàn)的（Z2+P2/Y）=6,宕/2g=3319,2g=9.42,將各值代入式（2）、（3）,可得該管道阻力系數(shù)分別為cl.2=1.5,c1.3=5.37o再將其代入式（5）得空皿3二1一身上生">0況的）1+5.37表白本實(shí)驗(yàn)管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步升高。但因（Z2+P2/丫）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)論對(duì)的。5.由畢托管測量顯示的總水頭線與實(shí)測繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其因素。與畢托管相連通的測壓管有1、6、8、12、14、16和18管，