水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題答案

水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)一流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)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)實(shí)驗(yàn)三不可壓縮流體恒定流動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四畢托管測速實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)六文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)八局部阻力實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理在重力作用下不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程或"死+物（1.1）式中：Z被測點(diǎn)在基準(zhǔn)面的相對(duì)位置高度；p被測點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，用相對(duì)壓強(qiáng)表示，以下同；P0水箱中液面的表面壓強(qiáng)；Y液體容重；h被測點(diǎn)的液體深度。另對(duì)裝有水油（圖1.2及圖1.3）U型測管，應(yīng)用等壓面可得油的比重S0有下列關(guān)系:禺=—=”—九F+總（1.2）據(jù)此可用儀器（不用另外尺）直接測得S0。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？0+已)測壓管水頭指/，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)直接觀察可知，同一靜止液面的測壓管水頭線是一根水平線。當(dāng)P<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。B尸，，相應(yīng)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，相對(duì)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(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。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。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，試采用另外最簡便的方法測定Y。0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h0，由式，從而求得yo。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，造成測量誤差，毛細(xì)高度由下式計(jì)算式中，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°C)的水，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。水與玻璃的浸潤角很小，可認(rèn)為cos。=1.0。于是有Ih_29.7d(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)。另外，當(dāng)水質(zhì)不潔時(shí)，減小，毛細(xì)高度亦較凈水小；當(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。如果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。因?yàn)闇y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及水箱中的液體而言，這個(gè)水平面才是等壓面。因?yàn)橹挥腥烤邆湎铝?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，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流。因?yàn)橛捎^察可知，測壓管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，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+6）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)面升高了日，由水量平衡原理有則R口本實(shí)驗(yàn)儀d=0.8cm,D=20cm,故H=0.0032于是相對(duì)誤差有因而可略去不計(jì)。其實(shí)，對(duì)單根測壓管的容器若有D/d10或?qū)筛鶞y壓管的容器D/d7時(shí)，便可使0.01。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)實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)驗(yàn)管路中沿管內(nèi)水流方向取n個(gè)過斷面?？梢粤谐鲞M(jìn)口斷面(1)至另一斷面(i)的能量方程式(i=2,3,……,n)Z+月取a1=a2=???an=1，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出尸值，測出通過管路的流量，即可計(jì)算出斷面平均流速v及安，從而即可得到各斷面測管水頭和總水頭。成果分析及討論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>0。這是因?yàn)樗诹鲃?dòng)過程中，依據(jù)一定邊界條件，動(dòng)能和勢能可相互轉(zhuǎn)換。測點(diǎn)5至測點(diǎn)7,管收縮，部分勢能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，測壓管水頭線降低，Jp>0。測點(diǎn)7至測點(diǎn)9,管漸擴(kuò)，部分動(dòng)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E1=E2+hw1-2,hw1-2為損失能量，是不可逆的，即恒有hw1-2>0，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失存在。流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？有如下二個(gè)變化：（1）流量增加，測壓管水頭線（P-P）總降落趨勢更顯著。這是因?yàn)闇y壓管水頭丫撬2小，，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)，Q增大，源就增大，則尸必減小。而且隨流量的增加阻力損失亦增大，管道任一過水?dāng)嗝嫔系目偹^E相應(yīng)減小，故尸的減小更加顯著。（2）測壓管水頭線（P-P）的起落變化更為顯著。因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)不同直徑的相應(yīng)過水?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。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+-測點(diǎn)2、3位于均勻流斷面（圖2.2），測點(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。測點(diǎn)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(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。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）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(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+-當(dāng)作用水頭增大h時(shí)，測點(diǎn)7斷面上r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=1）有4+A龍=飛+典+些+幻“y花（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)槭街?，房可由斷面1、3能量方程求得即，跖+酗=圣+黑+「小玲由此得史源二（覽-踴十啊/（1十口口）

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。因伏鳥十孔/>)_[00)4十心衛(wèi)市-—(5)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。文丘里實(shí)驗(yàn)為遞減情況，可供空化管設(shè)計(jì)參考。故式（1）可變?yōu)槭街?，房可由斷面1、3能量方程求得即，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告解答中，d3/d2=1.37/1,Z「50，Z3=-10，而當(dāng)h=0時(shí)，實(shí)驗(yàn)的(Z2+P2/Y)=6，由源=芬也臼幽=9.42,將各值代入式(2)、在實(shí)驗(yàn)報(bào)告解答中，d3/d2=1.37/1,Z「50，Z3=-10，而當(dāng)h=0時(shí)，實(shí)驗(yàn)的(Z2+P2/Y)=6，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?？倝汗芤好娴倪B續(xù)即為畢托管測量顯示的總水頭線，其中包含點(diǎn)流速水頭。而實(shí)際測繪的總水頭是以實(shí)(Z+-)測的，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，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，所以由畢托管測量顯示的總水頭線，一般比實(shí)際測繪的總水線偏高。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)原理與方法測繪總水頭線才更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)三不可壓縮流體恒定流動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理恒定總流動(dòng)量方程為取脫離體，因滑動(dòng)摩擦阻力水平分離A可忽略不計(jì)，故X方向的動(dòng)量方程化為即面尊弋岫』式中：hc——作用在活塞形心處的水深；D——活塞的直徑；Q——射流流量；v1x——射流的速度；B1——?jiǎng)恿啃拚禂?shù)。實(shí)驗(yàn)中，在平衡狀態(tài)下，只要測得Q流量和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑。，代入上式，便可驗(yàn)證動(dòng)量方程，并率定射流的動(dòng)量修正系數(shù)％值。其中，測壓管的標(biāo)尺零點(diǎn)已固定在活塞的園心處，因此液面標(biāo)尺讀數(shù)，即為作用在活塞園心處的水深。實(shí)驗(yàn)分析與討論1、實(shí)測B與公認(rèn)值(8=1.02?1?05)符合與否？如不符合，試分析原因。實(shí)測8=1.035與公認(rèn)值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉(zhuǎn)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(duì)分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動(dòng)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平面通過翼片造成動(dòng)量矩的差所致。即式中Q——射流的流量；Vyz1——入流速度在yz平面上的分速；Vyz2——出流速度在yz平面上的分速；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；r12分別為內(nèi)、外圓半徑。該式表明力矩T恒與x方向垂直，動(dòng)量矩僅與yz平面上的流速分量有關(guān)。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(huì)產(chǎn)生x方向的附加力，也不會(huì)影響x方向的流速分量。所以x方向的動(dòng)量方程與平板上設(shè)不設(shè)翼片無關(guān)。3、通過細(xì)導(dǎo)水管的分流，其出流角度與V相同，試問對(duì)以上受力分析有無影響？2無影響。當(dāng)計(jì)及該分流影響時(shí)，動(dòng)量方程為該式表明只要出流角度與V1垂直，則x方向的動(dòng)量方程與設(shè)置導(dǎo)水管與否無關(guān)。4、滑動(dòng)摩擦力兀為什么可以忽略不記？試用實(shí)驗(yàn)來分析驗(yàn)證兀的大小，記錄觀察結(jié)果。（提示：平衡時(shí)，向測壓管內(nèi)加入或取出1皿左右深的水，觀察活塞及液位的變化）因滑動(dòng)摩擦力兒＜5堵，故可忽略而不計(jì)。如第三次實(shí)驗(yàn)，此時(shí)h=19.6cm，當(dāng)向測壓管內(nèi)注入1mm左右深的水時(shí)，活塞所受的c靜壓力增大，約為射流沖擊力的5。假如活動(dòng)摩擦力大于此值，則活塞不會(huì)作軸向移動(dòng)，亦即hc變?yōu)?.7cm左右，并保持不變，然而實(shí)際上，此時(shí)活塞很敏感地作左右移動(dòng)，自動(dòng)調(diào)整測壓管水位直至hc仍恢復(fù)到19.6cm為止。這表明活塞和活塞套之間的軸向動(dòng)摩擦力幾乎為零，故可不予考慮。5、V2x若不為零，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來什么影響？試結(jié)合實(shí)驗(yàn)步驟7的結(jié)果予以說明。按實(shí)驗(yàn)步驟7取下帶翼輪的活塞，使射流直接沖擊到活塞套內(nèi)，便可呈現(xiàn)出回流與x方向的夾角a大于90°（其V2x不為零）的水力現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)測得瑟四135°，作用于活塞套圓心處的水深h「=29.2cm，管嘴作用水頭H0=29.45cm。而相應(yīng)水流條件下，在取下帶翼輪的活塞前，V2x=0,hc=19.6cm。表明V2x若不為零，對(duì)動(dòng)量立影響甚大。因?yàn)閂2x不為零，則動(dòng)量方程變?yōu)槎?虛W%+*(1知-砌(1)就是說h「隨V2及a遞增。故實(shí)驗(yàn)中h「＞hc。實(shí)際上，虬’隨V2及a的變化又受總能頭的約束，這是因?yàn)橛赡芰糠匠痰闷?圣⑵所以從式(2)知，能量轉(zhuǎn)換的損失知較小時(shí)，”實(shí)驗(yàn)四畢托管測速實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理a==用頊戒TOC\o"1-5"\h\zb=(4.1)式中：u—畢托管測點(diǎn)處的點(diǎn)流速；c一畢托管的校正系數(shù)；島一畢托管全壓水頭與靜水壓頭差。E8加宜(4.2)聯(lián)解上兩式可得印二己叫邸(4.3)式中：u一測點(diǎn)處流速，由畢托管測定；財(cái)一測點(diǎn)流速系數(shù)；△H一管嘴的作用水頭。實(shí)驗(yàn)分析與討論利用測壓管測量點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)，為什么要排氣？怎樣檢驗(yàn)排凈與否？畢托管、測壓管及其連通管只有充滿被測液體，即滿足連續(xù)條件，才有可能測得真值，否則如果其中夾有氣柱，就會(huì)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(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)過程中很可能變成堵塞性氣柱而影響量測精度。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，兩測管液面恒齊平。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？由于時(shí)=￡屁回且藤二皿命h即阪=3盹只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)炎=0.9961%。。所以△h<AHo本實(shí)驗(yàn)△h=21.1cm，AH=21.3cm，c=1.000。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，則有仲稱作管嘴流速系數(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，可得式中：為流管在某一流段上的損失系數(shù)；^為點(diǎn)流速系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)在管嘴淹沒出流的軸心處測得G=0.995，表明管嘴軸心處的水流由勢能轉(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,則有而畢托管測得的該點(diǎn)流速為203.46cm/s,則e=0.2%。欲率定畢托管的修正系數(shù)，則可令本例：c=0.5567K372H=1.0007.10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(yīng)大于10度,試說明原因。（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)，畢托管測得的壓差A(yù)h亦有若用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A(yù)h為爵“脂泗游=2頃204=。.4既榔，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)偏低而造成誤差。（2）同樣，若畢托管安裝偏差角（a）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a若＞10，則蕓"-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，不斷改進(jìn)，已十分完善。具有結(jié)構(gòu)簡單，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)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，包括激光測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)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)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’，V’與流體的粘性v及園管的直徑d有關(guān)，即?二￡（E（1）因此從廣義上看，V’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)。他不但深刻揭示了流態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)律，而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)的乘積來表示。即W=（2）其中K為某一無量綱系數(shù)。式（2）的量綱關(guān)系為[￡1]=[5]"?、菑牧烤V和諧原理，得L：2。1+七=1T：-a「-1聯(lián)立求解得a]=1，a2=-1將上述結(jié)果，代入式（2）,得V-十『史或雷諾實(shí)驗(yàn)完成了K值的測定，以及是否為常數(shù)的驗(yàn)證。結(jié)果得到K=2320。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，利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.為何認(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12000，有的得20000，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。3.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2000，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)，教科書中介紹的園管下臨界雷諾數(shù)一般是2000。.試結(jié)合紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)的觀察，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)的觀察可知，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(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，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)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：動(dòng)力學(xué)特性: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2.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2.斷面流速按拋物線分布2.流層間無動(dòng)量交換3.運(yùn)動(dòng)要素?zé)o脈動(dòng)現(xiàn)象3.單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次方成正比紊流:1.質(zhì)點(diǎn)互相混摻作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)1.紊流:1.質(zhì)點(diǎn)互相混摻作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)1.流層間有質(zhì)量傳輸2.斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布2.流層間存在動(dòng)量交換3.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)原理根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式，可得不計(jì)阻力作用時(shí)的文氏管過水能力關(guān)系式式中：Ah為兩斷面測壓管水頭差。由于阻力的存在，實(shí)際通過的流量Q恒小于Q’。今引入一無量綱系數(shù)p=Q/Q’（u稱為流量系數(shù)），對(duì)計(jì)算所得的流量值進(jìn)行修正。即（2*二成海另，由水靜力學(xué)基本方程可得氣一水多管壓差計(jì)的Ah為岫"7+格-處實(shí)驗(yàn)分析與討論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)d=0.7cm的2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?？由式可見本?shí)驗(yàn)（水為流體）的u值大小與Q、d「d2、Ah有關(guān)。其中d「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d］比d2測量方便，容易掌握好精度，d2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的誤差為一0.01cm，那么u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？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u<1.0。3.試證氣一水多管壓差計(jì)（圖6.4）有下列關(guān)系：如圖6.4所述，酗1=島一％上珞=電一如4.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v1的因素有：文氏管進(jìn)口直徑d1,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)n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)無量綱n數(shù)，分別為：根據(jù)量綱和諧原理，七的量綱式為分別有L：1=ai+b1-3ciT：0=-b1M：0=c1聯(lián)解得：a1=1，b1=0，c1=0，貝【J同理將各n值代入式（1）得無量綱方程為或?qū)懗蛇M(jìn)而可得流量表達(dá)式為相似。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)此計(jì)算，變?yōu)椤c廿/用無戶（4）比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)此與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)通過實(shí)驗(yàn)搞清此與Re、d2/d1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Re及d2/d1的關(guān)系就行了。由實(shí)驗(yàn)所得在紊流過渡區(qū)的此?Re關(guān)系曲線（d2/d1為常數(shù)），可知此隨Re的增大而增大，因恒有u<1，故若使實(shí)驗(yàn)的Re增大，此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(shí)驗(yàn)資料分析，此與d1/d2也有關(guān)，不同的d1/d2值，可以得到不同的此?Re關(guān)系曲線，文丘里管通常使d1/d2=2o所以實(shí)用上，對(duì)特定的文丘里管均需實(shí)驗(yàn)率定此?Re的關(guān)系，或者查用相同管徑比時(shí)的經(jīng)驗(yàn)曲線。還有實(shí)用上較適宜于被測管道中的雷諾數(shù)Re>2X105，使此值接近于常數(shù)0.98。流量系數(shù)pQ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?7mH9O。工程中應(yīng)用文氏管時(shí)，應(yīng)檢2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)若號(hào)=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7々2g幻1心>0?￡1"＜一52.22cmH2O即實(shí)驗(yàn)中最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度郊＞52次珞。，而由本實(shí)驗(yàn)實(shí)測為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0一0為基準(zhǔn)面，以1一1和2—2為計(jì)算斷面，計(jì)算點(diǎn)在軸心處，設(shè)定K二*為二。，由能量方程可得』＜刀L丫）?「久二巨一％,+136&知一A屁十AH十13.6&知一&^—AH十H]rY二些-Hw+lZ.弘也+12.6A^+H]r..為7=Qi+Hj—（電+日』+126白％+126A格=0砸洌+血）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)。二：據(jù)實(shí)測m值判別本實(shí)驗(yàn)的流區(qū)。（也如?也兄）曲線的斜率m=1.0?1.8,即為與成正比，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0.2mm，常溫（20迫）下，經(jīng)濟(jì)流速300cm/s，若實(shí)用管徑D=（20?100）cm，其A乩二6婦0^3x10、相應(yīng)的習(xí)=0.0002?0.001，由莫迪圖知，流動(dòng)均處在過渡區(qū)。若需達(dá)到阻力平方區(qū)，那么相應(yīng)的虬=10'~隊(duì)1儼，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)（1?9）mm，洞徑一般為（2?3）m，過流速往往在（5?10）m/s以上，其乾大于107,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)的同樣方法測定史及母的值，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(3)Barr公式(3)式精度最高。在反求(2)S?J公式(3)Barr公式(3)式精度最高。在反求號(hào)。也可直接由卜項(xiàng)A曷時(shí)，（2）式開方應(yīng)取負(fù)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&"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《"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。如果由于誤差所致，那么據(jù)下式分析d和Q的影響最大，Q有2%誤差時(shí)，父就有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，一般占＜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，因?yàn)樽詣?dòng)水泵供水時(shí)，會(huì)滲入少量油脂類高分子物質(zhì)?？傊?，這是尚待進(jìn)一步探討的問題。(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h=q及匚=f(djd2)

則有當(dāng)或表明影響局部阻力損失的因素是v和d/d，由于有突擴(kuò)：匚=(1-A/A)2突縮：匚=0.5(1-A/A)K_。_0.5(1-A時(shí))_0.5~~C~(1-AA)2—1—AAe1212AJA2<0.5djd2<0.707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hjh_6.54/3.60_1.817^djd2接近于1則有當(dāng)或結(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，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(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)減小到原來的1/2?1/10。突然收縮實(shí)驗(yàn)管道，使用年份長后，實(shí)測阻力系數(shù)減小，主要原因也在這里。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，有式中：h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；匕一被測段的局部阻力損失；h一兩測點(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A'同樣有所以h所以h=h—h'jnw1—2淤4、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)&>105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)求得等差心（令=d2/叩相應(yīng)的差分境（令yX），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A2y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)0.20.20.20.2-0.06-0.1-0.04-0.18-0.04-0.04-0.04=y—[b+bx+bx2]8是實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差。

如用e表示偏差的平方和，即"公2二￡M

ii=1i=1（2）為使e為最小值，則必須滿足于是式（2）分別對(duì)b、b、b求偏導(dǎo)可得012Ii=1i=1i=1i=1十算如下：10.20.480.040.00820.40.420.160.06430.60.320.360.21640.80.180.640.51251.001.001.00總和10.00160.0960.019220.02560.1680.067230.1300.1920.11540.4100.1440.115（3）￡y-5b-b￡x-b￡x2=0i=11i=11i=11￡yx一b￡x一b￡x2—b￡x3=0i0i1i2i￡yx2-b￡x2-b￡x3-b￡x4=00i1i2i51.0000總和將上表中最后一行數(shù)據(jù)代入方程組（3），得到'1.4-5b-3b-2.2b=0<0.6-3b°-2.2b-1.8b=00.3164-2.2b-1.8b-1.567b=0V012（4）解得b0=0.5，氣=0，b2=-0.5，代入式（1）有y=0.5（1-x2）于是得到突然收縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為或匚=0.5（1-冬