流體實驗答案[驕陽教育]

1、流體力學實驗思考題解答（一）流體靜力學實驗1、 當時，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)確定水箱的真空區(qū)域。答：以當時，第2次B點量測數(shù)據(jù)（表1.1）為例，此時，相應容器的真空區(qū)域包括以下3三部分：（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。（2）同理，過箱頂小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，自水面向下深度為的一段水注亦為真空區(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，均為。2、 若再備一根直尺，試

2、采用另外最簡便的方法測定。答：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和，由式，從而求得。3、 如測壓管太細，對測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？答：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式中，為表面張力系數(shù)；為液體的容重；為測壓管的內(nèi)徑；為毛細升高。常溫（）的水，或，。水與玻璃的浸潤角很小，可認為。于是有 一般說來，當玻璃測壓管的內(nèi)徑大于10mm時，毛細影響可略而不計。另外，當水質(zhì)不潔時，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，其較普通玻璃管小。如果用同一根測壓管測量液體

3、相對壓差值，則毛細現(xiàn)象無任何影響。因為測量高、低壓強時均有毛細現(xiàn)象，但在計算壓差時。相互抵消了。4、 過C點作一水平面，相對管1、2、5及水箱中液體而言，這個水平是不是等壓面？哪一部分液體是同一等壓面？答：不全是等壓面，它僅相對管1、2及水箱中的液體而言，這個水平面才是等壓面。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(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，相對管5和水箱中的液體而言，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？答：關(guān)閉各通氣閥，開啟底閥，放水片刻，可看到

4、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)學上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，若以時的水箱液面作為測量基準，試分析加氣增壓后，實際壓強（）與視在壓強H的相對誤差值。本儀器測壓管內(nèi)徑為0.8cm,箱體內(nèi)徑為20cm。答：加壓后，水箱液面比基準面下降了，而同時測壓管1、2的液面各比基準面升高了H，由水量平衡原理有 則 本

5、實驗儀 ， 故 于是相對誤差有 因而可略去不計。 對單根測壓管的容器若有或?qū)筛鶞y壓管的容器時，便可使。（二）伯諾里方程實驗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JP可正可負。而總水頭線(E-E)沿程只降不升，線坡JP恒為正，即J0。這是因為水在流動過程中，依據(jù)一定邊界條件，動能和勢能可相互轉(zhuǎn)換。如圖所示，測點5至測點7，管漸縮，部分勢能轉(zhuǎn)換成動能，測壓管水頭線降低，JP0。，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，JP0，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

6、程上的水頭損失越大，如圖上的漸擴段和閥門等處，表明有較大的局部水頭損失存在。2、3、 流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？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，任一斷面起始的總水頭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。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。因為對于兩個不同直徑的相應過水斷面有式中為兩個斷面之間的損失系9數(shù)。管中水流為紊流時，接近于常數(shù)，又管道斷面為定值，故Q增大，亦增大，線的起落變化更為顯著。4、 測點2、3和測點10、1

7、1的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？ 測點2、3位于均勻流斷面，測點高差0.7cm，均為37.1cm（偶有毛細影響相差0.1mm），表明均勻流各斷面上，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、試問避免喉管（測點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）對喉管壓強的影響情況。下述幾

8、點措施有利于避免喉管（測點7）處真空的形成：（1）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）降低相關(guān)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）更具有工程實際意義。因為若管系落差不變，單單降低管線位置往往就可以避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90度的彎管，后接水平段，將喉管高程將至基準高程0-0，比位能降至零，比壓能得以增大（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：當作用水頭增大時，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如圖所示，計算點選在管軸線上（以下水拄單位均為cm）。于

9、是由斷面1、2的能量方程（?。┯?（1）因可表示成 此處是管段1-2總水頭損失系數(shù)，式中、分別為進口和漸縮局部損失系數(shù)。又由連續(xù)方程有 故式（1）可變?yōu)?（2）式中可由斷面1、3能量方程求得，即 （3）是管道阻力的總損失系數(shù)。由此得 ，代入式（2）有 （4）隨遞增還是遞減，可由加以判別。因 （5）若，則斷面2上的隨同步遞增。反之，則遞減。文丘里實驗為遞減情況，可供空化管設計參考。因本實驗儀， ，而當時，實驗的，將各值代入式（2）、（3），可得該管道阻力系數(shù)分別為，。再將其代入式（5）得表明本實驗管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步升高。但因接近于零，故水箱水位的升高對提高喉管的壓強（減小負壓）效

10、果不明顯。變水頭實驗可證明結(jié)論正確。5、 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、8、12、14、16和18管，稱總壓管?？倝汗芤好娴倪B線即為畢托管測量顯示的總水頭線，其中包含點流速水頭。而實際測繪的總水頭是以實測的值加斷面平均流速水頭繪制的。據(jù)經(jīng)驗資料，對于園管紊流，只有在離管壁約的位置，其點流速方能代表該斷面的平均流速。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，一般比實際測繪的總水頭線偏高。因此，本實驗由1、6、8、12、14、16和18管所顯示的總水頭線一般僅

11、供定性分析與討論，只有按實驗原理與方法測繪的總水頭線才更準確。（五）雷諾實驗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年以前的實驗中，發(fā)現(xiàn)園管流動存在著兩種流態(tài)層流和紊流，并且存在著層流轉(zhuǎn)化為紊流的臨界流速，與流體的粘性、園管的直徑有關(guān)，既 （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)，雷諾對不同管徑、不同粘性液體作了大量的實驗，得出了無量綱參數(shù)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(jié)果相同的無量綱數(shù)?？梢哉J為式（1）的函數(shù)關(guān)系能用指數(shù)的乘積來表示。即 （2

12、）其中為某一無量綱系數(shù)。 式（2）的量綱關(guān)系為 （3）從量綱和諧原理，得 ： ： 聯(lián)立求解得 ，將上述結(jié)果，代入式（2），得 或 （4）雷諾實驗完成了值的測定，以及是否為常數(shù)的驗證。結(jié)果得到 K=2320。于是，無量綱數(shù)便成了適合于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。由于雷諾的貢獻，定名為雷諾數(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(guān)系，成了現(xiàn)今實驗研究的重要手段之一。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)作為層流和紊流的判據(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30005000范圍內(nèi)，與操作快慢，水箱的紊動度，外界干

13、擾等密切相關(guān)。有關(guān)學者做了大量試驗，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。實際水流中，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。本實驗實測下臨界雷諾數(shù)為2178。3、雷諾實驗得出的園管流動下臨界雷諾數(shù)為2320，而且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(guān)。雷諾實驗是在環(huán)境的干擾極小，實驗前水箱中的水體經(jīng)長時間的穩(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20002300之間。因此，

14、從工程實用出發(fā)，教科書中介紹的園管下臨界雷諾數(shù)一般是2000。4、試結(jié)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，分界面由于擾動引發(fā)細微波動，并隨剪切流動的增大，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(zhì)點產(chǎn)生橫向紊動。正如在大風時，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

15、大，于是就容易產(chǎn)生紊動。紊動機理實驗所見到的波動破裂旋渦質(zhì)點紊動等一系列現(xiàn)象，便是流態(tài)從層流轉(zhuǎn)變成紊流的過程顯示。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：運動學特性動力學特性層流1、 質(zhì)點有規(guī)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1、 流層間無質(zhì)量傳輸2、 流層間無動量交換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)點相互混摻作無規(guī)則運動2、 斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布3、 運動要素發(fā)生不規(guī)則的脈動現(xiàn)象1、 流層間有質(zhì)量傳輸2、 流層間存在動量交換3、 單位質(zhì)量的能量損失與流速的（1.752

16、）次方成正比（六）文丘里流量計實驗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？對本實驗的管道而言，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值將變?yōu)槎嗌?？答：由?得 可見本實驗（水為流體）的值大小與、有關(guān)。其中、影響最敏感。本實驗的文氏管，通常在切削加工中比測量方便，容易掌握好精度，不易測量準確，從而不可避免的要引起實驗誤差。例如本實驗最大流量時值為0.976，若的誤差為-0.01cm，那么值將變?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？答：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

17、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，即。3、 試應用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。答：運用量綱分析法得到文丘里流量計的流量表達式，然后結(jié)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，影響的因素有：文氏管進口直徑，喉徑、流體的密度、動力粘滯系數(shù)及兩個斷面間的壓強差。根據(jù)定理有 （1）從中選取三個基本量，分別為： 共有6個物理量，有3個基本物理量，可得3個無量綱數(shù)，分別為： 根據(jù)量綱和諧原理，的量綱式為 分別有 ： ： : 聯(lián)解得：，則 ， 同理 ， 將各值代入式（1）得無量綱方程為 或?qū)懗?進而可得流量表達式為 （2） （3）相似。為計及損失對過流

18、量的影響，實際流量在式（3）中引入流量系數(shù)計算，變?yōu)?（4）比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)與一定有關(guān)，又因為式（4）中的函數(shù)關(guān)系并不一定代表了式（2）中函數(shù)所應有的關(guān)系，故應通過實驗搞清與、的相關(guān)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、的關(guān)系就行了。 由本實驗所得在紊流過渡區(qū)的關(guān)系曲線（為常數(shù)），可知隨的增大而增大，因恒有，故若使實驗的增大，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，與也有關(guān)，不同的值，可以得到不同的關(guān)系曲線，文丘里管通常使。所以實用上，對特定的文丘里管均需實驗率定的關(guān)系，或者查用相同管徑比時的經(jīng)驗曲線。還有實用上較

19、適宜于被測管道中的雷諾數(shù)，使值接近于常數(shù)。 流量系數(shù)的上述關(guān)系，也反映了文丘里流量計的水力特性。4、文丘里管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為6-7mH2O。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？答：本實驗，以管軸線高程為基準面，以水箱液面和喉道斷面分別為1-2和2-2計算斷面，立能量方程得 則即本實驗最大流量時，文丘里管喉頸處真空度，而由實驗實測為。 進一步分析可知，若水箱水位高于管軸線4m左右時，本實驗裝置中文丘里管喉頸處的真空度可達。（八）局部阻力實驗1、結(jié)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(guān)

20、系。由式 及 表明影響局部阻力損失的因素是和，由于有 突擴： 突縮：則有 當 或 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，突擴損失較突縮損失約大一倍，即。接近于1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(jié)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。

21、由于水質(zhì)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自儲能量。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(zhì)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(guān)，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

22、管道幾何邊界形狀時應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1/21/10。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(diào)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（2040）d的斷面處，各布置一個測壓點便可。先測出整個被測流段上的總水頭損失，有式中： 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； 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，同樣有所以 4、實驗測得突縮管在不同管徑比時的局部阻力系數(shù)如下：序號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