2025年流體力學實驗深度解析探索思考題全解指南

試驗二不可壓縮流體恒定流能量方程(伯諾利方程)試驗成果分析及討論1.測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不一樣?為何?測壓管水頭線(P-P)沿程可升可降，線坡J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。這是由于水在流動過程中，根據(jù)一定邊界條件，動能和勢能可互相轉(zhuǎn)換。測點5至測點7,管收縮，部分勢能轉(zhuǎn)換成動能，測壓管水頭線減少，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E?=E?+hw?-2,hw?-2為損失能量，是不可逆的，即恒有hw?-2>0,故E?恒不不小于E?,(E-E)線不也許回升。(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.流量增長，測壓管水頭線有何變化?為何?(1)流量增長，測壓管水頭線(P-P)總降落趨勢更明顯。這是由于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。并且隨流量的增長阻力損失亦增大，管道任一過水斷面上的總水頭E對應減小，的減小愈加明顯。(2)測壓管水頭線(P-P)的起落變化更為明顯。由于對于兩個不一樣直徑的對應過水斷面有線的起落變化就更為明顯。3.測點2、3和測點10、11的測壓管讀數(shù)分別闡明了什么問題?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.試問防止喉管(測點7)處形成真空有哪幾種技術措施?分析變化作用水頭(如抬高或減少水箱的水位)對喉管壓強的影響狀況。下述幾點措施有助于防止喉管(測點7)處真空的形成：(1)減小流量，(2)增大喉管管徑，(3)減少對應管線的安裝高程，(4)變化水箱中的液位高度。顯然(1)、(2)、(3)均有助于制止喉管真空的出現(xiàn)，尤其(3)更具有工程實用意義。由于若管系落差不變，單單減少管線位置往往就可完全防止真空。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),從而也許防止點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(如下水柱單位均為cm)。于是由斷面1、2的能量方程(取因hw?-2可表到達此處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)。又由持續(xù)性方程有故式(1)可變?yōu)槭街锌捎蓴嗝?、3能量方程求得，即由此得v3/2g=(Z?-Z?+△h)/(1代入式(2)有(Z?+P?/Y)隨h遞增還是遞減，可由(Z?+P?/Y)加以鑒別。因若1-[(d3/d2)4+c1.2](1+c1.3)>0,則斷面2上的(Z+p/Y)隨h同步遞增。反之，則遞減。文丘里試驗為遞減狀況，可供空化管設計參照。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)得表明本試驗管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步升高。但因(Z?+P?/Y)靠近于零，故水箱水位的升高對提高喉管的壓強(減小負壓)效果不明顯。變水頭試驗可證明該結(jié)論對的。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均有差異，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?？倝汗芤好娴某掷m(xù)即為畢托管測量顯示的總水頭線，其中包括點流速水頭。而實際測繪的總水頭是以實測的值加斷面平均流速水頭v2/2g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。由于本試驗畢托管的探頭一般布設在管軸附近，其點流速水頭不小于斷面平均流速水頭，因此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，本試驗由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，只有按試驗原理與措施測繪總水頭線才更精確。試驗四畢托管測速試驗試驗分析與討論1.運用測壓管測量點壓強時，為何要排氣?怎樣檢查排凈與否?畢托管、測壓管及其連通管只有充斥被測液體，即滿足持續(xù)條件，才有也許測得真值，否則假如其中夾有氣柱，就會使測壓失真，從而導致誤差。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)生誤差，但若不排除，試驗過程中很也許變成堵塞性氣柱而影響量測精度。檢查的措施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與否齊平。假如氣體已排凈，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?為何?由于一般畢托管校正系數(shù)c=11‰(與儀器制作精度有關)。喇叭型進口的管嘴出流，其中心點的點流速系數(shù)=0.9961%。3.所測的流速系數(shù)闡明了什么?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：S為流管在某一流段上的損失系數(shù)；中為點流速系數(shù)。本試驗在管嘴沉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2-3cm軸心處，其點流速系數(shù)為0.996,試問本試驗的畢托管精度怎樣?怎樣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e=0.2‰欲率定畢托管的修正系數(shù)，則可令c=φ√AH/△h5.普朗特畢托管的測速范圍為0.2-2m/s,軸向安裝偏差規(guī)定不應不小于10度，試闡明原因。(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不不小于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%。而當流速不小于2m/s時，由于水流流經(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導致誤差。(2)同樣，若畢托管安裝偏差角(a)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,則對應所測流速誤差為6.為何在光、聲、電技術高度發(fā)展的今天，仍然常用畢托管這一老式的流體測速儀器?畢托管測速原理是能量守恒定律，輕易理解。而畢托管經(jīng)長期應用，不停改善，已十分完善。具有構(gòu)造簡樸，使用以便，測量精度高，穩(wěn)定性好等長處。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、電的測速技術及其有關儀器，雖具有瞬時性，敏捷、精度高以及自動化記錄等諸多長處，有些長處畢托管是無法到達的。但往往因其機構(gòu)復雜，使用約束條件多及價格昂貴等原因，從而在應用上受到限制。尤其是傳感器與電器在信號接受與放大處理過程中，有否失真，或者隨使用時間的長短，環(huán)境溫度的變化與否飄移等，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(有時是運用畢托管作率定)?？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措施。試驗六文丘里流量計試驗1.本試驗中，影響文丘里管流量系數(shù)大小的原因有哪些?哪個原因最敏感?對d?=0.7cm的管道而言，若因加工精度影響，誤將(d?-0.01)cm值取代上述d?值時，本試驗在最大流量下的μ值將變?yōu)槎嗌?由式可見本試驗(水為流體)的u值大小與Q、di、d?、△h有關。其中di、d?影響最敏感。本試驗中若文氏管d?=1.4cm,d?=0.71cm,一般在切削加工中d?比d?測量以便，輕易掌握好精度，d?不易測量精確，從而不可防止的要引起試驗誤差。例如當最大流量時μ值為0.976,若d?的誤差為-0.01cm,那么μ值將變?yōu)?.006,顯然不合理。2.為何計算流量Q'與實際流量Q不相等?由于計算流量Q’是在不考慮水頭損失狀況下，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μ<1.0。3.試證氣—水多管壓差計(圖6.4)有下列關系：如圖6.4所述，△h?=h-h?,Ah=h-h4,4.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體現(xiàn)式，然后結(jié)合試驗成果，便可深入弄清流量計的量測特性。對于平置文丘里管，影響v?的原因有：文氏管進口直徑d?,喉徑d?、流體的密度p、動力粘滯系數(shù)μ及兩個斷面間的壓強差△P。根據(jù)π定理有f(v2,d,d?,p,A,Ap)=0從中選用三個基本量，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π數(shù)，分別為：根據(jù)量綱友好原理，π1的量綱式為分別有L:1=a?+b?-3c?聯(lián)解得：a?=1,b?=0,ci=0,同理將各π值代入式(1)得無量綱方程為或?qū)懗蛇M而可得流量體現(xiàn)式為式(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，實際流量在式(3)中引入流量系數(shù)μQ計算，變?yōu)楸容^(2)、(4)兩式可知，流量系數(shù)μQ與Re一定有關，又由于式(4)中d2/d?的函數(shù)關系并不一定代表了式(2)中函數(shù)3所應有的關系，故應通過試驗弄清μQ與Re、d?/d,的有關性。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，只要弄清它與Re及d?/d?的關系就行了。由試驗所得在紊流過渡區(qū)的μQ~Re關系曲線(d?/d?為常數(shù)),可知μQ隨Re的增大而增大，因恒有μ<1,故若使試驗的Re增大，μQ將漸趨向于某一不不小于1的常數(shù)。此外，根據(jù)已經(jīng)有的諸多試驗資料分析，μQ與d?/d?也有關，不一樣的d?/d?值，可以得到不一樣的μQ~Re關系曲線，文丘里管一般使d?/d?=2。因此實用上，對特定的文丘里管均需試驗率定μe~Re的關系，或者查用相似管徑比時的經(jīng)驗曲線。尚有實用上較合適于被測管道中的雷諾數(shù)Re>2×10?,使μQ值靠近于常數(shù)0.98。流量系數(shù)μQ的上述關系，也正反應了文丘里流量計的水力特性。5.文氏管喉頸處輕易產(chǎn)生真空，容許最大真空度為6~7mH?O。工程中應用文氏管時，應檢查其最大真空度與否在容許范圍內(nèi)。據(jù)你的試驗成果，分析本試驗流量計喉頸最大真空值為多少?本試驗若d?=1.4cm,d?=0.71cm,以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=315-35-80.22-h?-2=-52.2即試驗中最大流量時，文丘里管喉頸處真空度久>52cmH?O,而由本試驗實測為60.5cmH?O。深入分析可知，若水箱水位高于管軸線4m左右時，試驗中文丘里喉頸處的真空度可達7mH?O(參照能量方程試驗解答六—4)。及5=f(d?/d?)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3.現(xiàn)備有一段長度及聯(lián)接方式與調(diào)整閥(圖5.1)相似，內(nèi)徑與試驗管道相似的直管段，怎樣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)的簡便有效措施。它只需在被測流段(如閥門)前后的直管段長度不小于(20~40)d的斷面處，各布置一種測壓點便可。先測出整個被測流段上的總水頭損失hw-2,有hm-2=h,?+h;2+…+hm+…+h,;式中：h,—分別為兩測點間互不干擾的各個局部阻力段的阻力損失；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)接措施與被測段相似，內(nèi)徑與管道相似的直管段，因此h;m=h-2-hw-2※4、試驗測得突縮管在不一樣管徑比時的局部阻力系數(shù)R>10°如下：0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)驗公式類型由試驗數(shù)據(jù)求得等差△x(令x=d?/d?)對應的差分△y(令y=5),其一、二級差分如下表i12345二級差分△2y為常數(shù)，故此經(jīng)驗公式類型為(