工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)-參考答案

1、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)思考題參考答案流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室二OO六年靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)1 同一靜止液體內(nèi)的測(cè)壓管水頭線是根什么線？測(cè)壓管水頭指z p.，即靜水力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀顯示的測(cè)壓管液面至基準(zhǔn)面的垂直高度。測(cè)壓管水頭線指測(cè)壓管液面的連線。實(shí)驗(yàn)直接觀察可知，同一靜止液面內(nèi)的測(cè)壓管水頭線是一根水平線。2當(dāng)Pb 0時(shí)，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定水箱內(nèi)的真空區(qū)域。Pb 0，相應(yīng)容器的真空區(qū)域包括以下三個(gè)部分:（1） 過測(cè)壓管2液面作一水平面，由等壓面原理知，相對(duì)測(cè)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(qiáng)，故該平面以上由密封的水、氣所占區(qū)域，均為真空區(qū)域。（2） 同理，過箱頂小不杯的液面作一水平面，測(cè)壓管4中，該平面

2、以上的水體亦為真 空區(qū)域。（3）在測(cè)壓管5中，自水面向下深度某一段水柱亦為真空區(qū)域。這段高度與測(cè)壓管 液面低于水箱液面的高度相等，亦與測(cè)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(jiǎn)便的方法測(cè)定°。最簡(jiǎn)單的方法，是用直尺分別測(cè)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ho，由式whw二oho，從而求得0。4 如測(cè)壓管太細(xì)，對(duì)于測(cè)壓管液面的讀數(shù)將有何影響？設(shè)被測(cè)液體為水，測(cè)壓管太細(xì)，測(cè)壓管液面因毛細(xì)現(xiàn)象而升高，造成測(cè)量誤差，毛細(xì)高 度由下式計(jì)算4- cost式中，二為表面張力系數(shù)； 為液體容量；d為測(cè)壓管的內(nèi)徑；h為毛細(xì)升高。常溫的水，

3、廠-0.073N m，冷-0.0098N m3。水與玻璃的浸潤(rùn)角 二很小，可以認(rèn)為cos - 1.0。于是有h = 29.7 d （ h、d 均以 mm計(jì)）一般來說，當(dāng)玻璃測(cè)壓管的內(nèi)徑大于10mm時(shí)，毛細(xì)影響可略而不計(jì)。另外，當(dāng)水質(zhì)不潔時(shí)，二減小，毛細(xì)高度亦較凈水??；當(dāng)采用有機(jī)下班玻璃作測(cè)壓管時(shí)，浸潤(rùn)角二較大,其h較普通玻璃管小。如果用同一根測(cè)壓管測(cè)量液體相對(duì)壓差值，則毛細(xì)現(xiàn)象無任何影響。因?yàn)闇y(cè)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。5. 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 一部分液體是同一等壓面？不全是等壓面，它僅相對(duì)管1、2及水

4、箱中的液體而言，這個(gè)水平面才是等壓面。因?yàn)橹挥腥烤哂邢铝?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），相對(duì)管5 和水箱中的液體而言，該水平面不是水平面。6、用該實(shí)驗(yàn)裝置能演示變液位下的恒定水流嗎？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(jìn)入水箱。這時(shí)閥門的出流就是變液位下的恒定水流。因?yàn)橛捎^察可知，測(cè)壓管1的液面始終與 C點(diǎn)同高，表明作用于底閥上的總水頭不變，故為恒定流動(dòng)。這是由于液位的降低與空氣補(bǔ)充使箱體表面真空 度的減小處于平衡狀態(tài)。醫(yī)學(xué)上的點(diǎn)滴注射就是此原理應(yīng)用的一例，

5、醫(yī)學(xué)上稱這為馬利奧特容器的變液位下恒定流。文丘里實(shí)驗(yàn)1 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)本實(shí)驗(yàn)的管道而言，若因加工精度影響，誤將d2-0.01cm值取代d2值時(shí)，本實(shí)驗(yàn)在最大流量下的 J 值將變?yōu)槎嗌伲坑墒?#可見本實(shí)驗(yàn)的 值大小與Q、d,、d2、 =h有關(guān)。其中d,、d2影響最敏感。本實(shí)驗(yàn)中若文丘里管d1=i.4cm , d2=0.7i cm，通常在切削加工中d2比d,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o.oicm，那么值將變?yōu)?.006，顯然不合理。2 為什么計(jì)算流量與

6、實(shí)際流量不相等?因?yàn)橛?jì)算流量Q'是在不考慮水頭損失情況下，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，從而減小過流能力，Q Q'，即）1.0。3 文丘里流量計(jì)能否傾斜安裝，為什么? 如圖所示根據(jù)流體靜力學(xué)方程p1巴-Hi _H3P2YPi¥P2T則Zi +-P - z-p2 =乙+(學(xué)+ Hi ihi + 心h2 H2) (Z2+華)I f丿I f丿 rf=(乙 HJ -(z2 H 2) = hi = h2由圖可知：h =(0 h2) (h3 h4)式中，hi、h2、h3、h4分別為各測(cè)壓管的液面讀數(shù)。因此，無論文丘里流量計(jì)是否傾斜安裝，對(duì)測(cè)壓管讀數(shù)都不影響

7、。4 文丘里管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為6-7mH 20 0工程中應(yīng)用文丘里管時(shí),應(yīng)檢驗(yàn)其最大真空度是否在允許范圍內(nèi)。根據(jù)你的實(shí)驗(yàn)成果，分析本實(shí)驗(yàn)文丘里管喉頸處 最大真空值為多少？本實(shí)驗(yàn)若di =i.4 cm,d2=o.7icm，以管軸線高程為基準(zhǔn)面，以水箱液面和喉頸斷面分別為i-i、2-2計(jì)算斷面,列能量方程得HoP2+ hwu2gP2Ho2g2g-hwi/hwi/ 0P2 -52.22 cmH2O即實(shí)驗(yàn)中最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度 hv 52.22 cmH2O,而由本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)約為60cm 0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)中文丘里管喉頸處真空度可達(dá)7mH

8、2O左右。5雷諾實(shí)驗(yàn)1 為什么上臨界雷諾數(shù)無實(shí)際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流和紊流的判據(jù)？實(shí)測(cè)下 臨界雷諾數(shù)為多少？根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，上臨界雷諾數(shù)實(shí)測(cè)值在3000-5000范圍內(nèi)，與操作的快慢、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12000,有的得20000，有的甚至得到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)者為層流。 一般實(shí)測(cè)下臨界雷諾數(shù)為2100左右。2.雷諾實(shí)驗(yàn)得出的圓管流動(dòng)下臨界雷諾數(shù)理論值為2320，而目前一般教科書中介紹采用的下臨界雷諾數(shù)是 20

9、00,原因何在？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(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定情況下，經(jīng)反復(fù)多次細(xì)心量測(cè)得出的。而后人的大量實(shí)驗(yàn)很難重復(fù)得出雷諾實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確數(shù)值，通常在2000-2300之間。因此，從工程實(shí)用出發(fā)，教科書中介紹的圓管下臨界雷諾數(shù)一般是2000。3 圓管內(nèi)液流有哪幾種流動(dòng)狀態(tài)？它們的特點(diǎn)如何？結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明。略。4 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?流動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性動(dòng)力學(xué)特性層流質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律地作分層流動(dòng)流層間無質(zhì)量傳輸斷面流速按拋物線分布流層間無動(dòng)量交換運(yùn)動(dòng)要素?zé)o脈動(dòng)現(xiàn)象單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次 方成正比紊流質(zhì)點(diǎn)互相混滲作

10、無規(guī)則運(yùn)動(dòng)流層間有質(zhì)量傳輸斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布流層間存在動(dòng)量交換運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生不規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象單位質(zhì)量的能量損失與流速的(1.75-2)次方成正比5 為什么必須用一個(gè)保持溢流的恒壓水箱來做雷諾實(shí)驗(yàn)?略。沿程阻力損失實(shí)驗(yàn)1 本實(shí)驗(yàn)中，沿程阻力損失就是壓差計(jì)的壓差，如果管道有一定的傾角，壓差計(jì)的壓差是 否還是沿程阻力損失？為什么？水#7AA為水平線)現(xiàn)以傾斜等徑管道上裝設(shè)的水銀多管壓差計(jì)為例說明(圖中#如圖示o O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)Vi = V2 ,hj =0，由能量方程可得hg = Z1 + Pi Z2 + P2 t 丿I J丁pi = ：2 H 2 +13

11、.6Ah2 心h2 +AH +13.6也入一也也H + H1二広一H2 12.6 ：h2126* H1hf1/ 二 Z1 比 一 Z2H212.6 h2 12.6 h1= 126(.0：h2)這表明水銀壓差計(jì)的壓差值即為沿程水頭損失，且和傾角無關(guān)。2 根據(jù)實(shí)測(cè) m值判斷本實(shí)驗(yàn)的流區(qū)。Ighflg v曲線的斜率 m=1.01.8,即hf與v10"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)）3 管道的當(dāng)量粗糙度如何測(cè)得？當(dāng)量粗糙度的測(cè)量可用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定及Re的值，然后用下式求解:（1）考爾布魯克公式#莫迪圖即是本式的圖解。（2）S. J公式1.325

12、ln 3.7d5.74 Re09 2(3) Barr 公式J = _2lg 鬲5.1286"0.89Re其中（3）式精度最高。在反求時(shí)，（2）式開方應(yīng)取負(fù)號(hào)。也可直接由Re關(guān)系dA在莫迪圖上查得，進(jìn)而得出當(dāng)量粗糙度 厶值。d4 實(shí)驗(yàn)工程中的鋼管中的流動(dòng)，大多為光滑紊流或紊流過渡區(qū)，而水電站泄洪洞的流動(dòng)，大多數(shù)為紊流阻力平方區(qū)，其原因何在？鋼管的當(dāng)量粗糙度一般為 0.2m m,常溫下， - 0.01cm2/s，經(jīng)濟(jì)流速300cm/s，若56實(shí)用管徑D= （20100） cm,其Re =6 103 10 ,相應(yīng)的 =0.00020.001，由莫 d迪圖可知，流動(dòng)均處在過渡區(qū)。若需達(dá)到阻力

13、平方區(qū)，那么相應(yīng)的Re =1069 106，流速應(yīng)達(dá)到（59）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) （19）mm，洞徑一般為（23） m，過流速往往在（510）m/s以上，其Re大于107，故一般均處于阻力平方區(qū)。局部阻力損失實(shí)驗(yàn)1 結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析比較突擴(kuò)與突縮圓管在相應(yīng)條件下的局部阻力損失大小關(guān)系。 由式hj2g二 f d-d?表明影響局部阻力損失的因素是v和d仁d2。由于有突擴(kuò)：J = 1 也 一 A2 丿A突縮：=0.5 1 1< A2 J則有 J 0.5（1 - A A? ）0.5二（1 - A/A2 ）1 - A； 'A2當(dāng)A .

14、 A2 0.5或d1 d2 0.707時(shí)，突然擴(kuò)大的水頭損失比相應(yīng)的突然收縮的要大。在本實(shí)驗(yàn)最大流量Q下，突然擴(kuò)大損失較突然縮小損失約大一倍，即hjehjS =6.54/3.60 =1.817。djd2接近于1時(shí)，突然擴(kuò)大的水流形態(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)儀演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部損失的 主要部位在哪里？怎樣減小局部阻力損損失？流動(dòng)演示儀1-7型可顯示突擴(kuò)、突縮、漸擴(kuò)、漸縮、分流、合流、閥道、繞流等三十多種內(nèi)、外流的流動(dòng)圖譜。據(jù)此對(duì)于局部阻力損失的機(jī)理分析如下：從顯示的圖譜可見， 凡流道邊界突變處， 形成大小不一的漩渦區(qū)。

15、漩渦是產(chǎn)生損失的主要根 源。由于水質(zhì)點(diǎn)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和激烈的紊動(dòng)，相互磨擦，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，突擴(kuò)段的漩渦主要發(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，漩渦區(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。而突縮段的漩渦在收縮斷面均有。突縮前僅在死角區(qū)有小漩渦，且強(qiáng)度較小，而突縮 的后部產(chǎn)生了紊動(dòng)度較大的漩渦環(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。從以上分析可知，為

16、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 化或晝接近流線形，以避免漩渦的形成，或使漩渦區(qū)盡可能小。如欲減小管道的局部阻力， 就應(yīng)減小管徑比以降低突擴(kuò)段的漩渦區(qū)域；或把突縮進(jìn)口的直角改為圓角，以消除突縮斷面后的漩渦環(huán)帶，可使突縮局部阻力系數(shù)減小到原來的12iio。突然收縮實(shí)驗(yàn)管道使用年 份長(zhǎng)以后，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)閥相同，內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)管道相同的直管段（見實(shí)驗(yàn)裝置圖），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

17、點(diǎn)便可。 先測(cè)出整個(gè)測(cè)量段上的總水頭 損失hwi，有hwi hjihj2hjihfij式中：hji 一分別為兩測(cè)點(diǎn)間不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失；hjn 一被測(cè)段的局部阻力損失;hwi,-兩測(cè)點(diǎn)間的沿程阻力損失。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hw/，同樣有hwi廠 hjihj2也hf2所以孔口、管嘴出流實(shí)驗(yàn)1 結(jié)合觀測(cè)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。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，流股形態(tài)及流量系數(shù)如下：圓角管嘴出流的流股呈光滑圓柱形，直角管嘴出流的流股呈圓柱形麻花狀扭變，

18、圓錐管嘴出流的流股呈光滑圓柱形，孔口出流的流股在出口附近有側(cè)收縮，呈光滑圓柱形，二 。影響流量系數(shù)大小的原因有：(1) 出口附近流股直徑， 孔口為de二 cm, dc.d二 ,其余同管嘴的出口直徑,de d =1 °(2) 直角進(jìn)口管嘴出流，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)測(cè)得局部真空度約為l6cmH2O),產(chǎn)生抽吸作用從而加大過11#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，說明橫向脈速大，紊動(dòng)度大，這是因?yàn)樵趥?cè)收縮斷面附近形成漩渦這故。 而圓角進(jìn)口管嘴的流股為光滑圓柱形，橫向脈速微弱，這是因?yàn)檫M(jìn)口近乎流線形，不易產(chǎn)生漩渦之故，所以直角管嘴比圓角管嘴出流損失大，值小。(4) 圓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)收縮面面積接 近出口面積(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,橫向脈動(dòng)亦不明顯， 說明漸縮管對(duì)流態(tài)有穩(wěn)定作