水力學(xué)實驗報告思考題答案(全)_1

1、水力學(xué)實驗報告思考題答案(全)水力學(xué)實驗報告思考題答案（一）伯諾里方程實驗（不可壓縮流體恒定能量方程實驗）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j p可正可負(fù)。而總水頭線（e-e）沿程只降不升，線坡j p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，j p0。，測點7至測點9,管漸擴(kuò)，部分動能又轉(zhuǎn)換成勢能，測壓管水頭線升高，j p程e1=e2+h wi-2, h wi-2為損失能量，是不可逆的，即恒有h wi-20，故e a恒小于e i

2、,（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，如圖上的漸擴(kuò)段和閥門等處，表明有較大的局部水頭損失存在。2、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h p z - e -q，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，qp2ga22增大，就增大，則z -必減小。而且隨流量的增加，阻力損失亦增大，管道任一過水2g斷面上的總水頭e相應(yīng)減小，故z 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(yīng)過水?dāng)嗝? 2 有h p z衛(wèi)寫2v2g

3、q2a q2a22gq2a；2g1等q2a；2g式中為兩個斷面之間的損失系數(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，h亦增大，p p線的起落變化更為顯著。3、測點2、3和測點10、11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，h p z 衛(wèi)均為37.1cm （偶有毛細(xì)影響相差0.1mm）表明均勻流各斷面上，其動水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)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(dǎo)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

4、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(yīng)舍棄。 由此得 vf.2g 乙z 3c1.3 代入式（2 ）有4d 3 d 2c1.2乙 z 3 h1c1.3z 2 p 2. 隨h 遞增還是遞減，可由 z 2/ h 加以判別。因探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(qiáng)的影響情況。下述幾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）

5、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(zhǔn)高程 0-0，比位能降至零，比壓能 p 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(dāng)作用水頭增大 h 時，測點7斷面上z -值可用能量方程求得。c1.3是管道阻力的總損失系數(shù)。取基準(zhǔn)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 )。于是由斷面1、2的能量方程(取21 )有h z 2p 22v 2 亦h w1 2(1)因h w1 2可表示成h w1 2h.2d 2

6、2v 3亦2 v3c1 .2 t -2g此處c1.2是管段1-2總水頭損失系數(shù)，式中s 分別為進(jìn)口和漸縮局部損失系數(shù)。又由連續(xù)方程有2v 2亦d 3 d 22v 3亦故式（1）可變?yōu)閜 2d 3 d 2c1.22v 3 2g式中vf 2g 可由斷面1、3能量方程求得,z 32 v 32g c1.32 v32g(3) 4若1 d 3.d 2c1.2/ 1c1.30，則斷面2上的z p 隨h 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(shè)計參考。 4,1.37 1.15 1 -1 5.37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 零，故水箱水位的升高對提高喉管的壓強(qiáng) （減

7、小負(fù)壓）效果不明顯。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?連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z p ：值加斷面平均流速水頭 v 22g 繪制的。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。由于本實驗畢托管的探頭通常布設(shè)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、、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，只有按實驗原理與方法測繪的總水頭線才更準(zhǔn)確。（二）雷諾實驗仁 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v , v 與流體的粘性 、園管的直徑d 有關(guān)，既v f ,d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)vd / 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)行實驗研究樹立了典范。用無乙 p 2hd

9、3 d 2cl .2(5)cl .3因本實驗儀 d 3d 2 1.37 1，z 150 ，z 310，而當(dāng) h 0時，實驗的z 2 p 2 .6， v ；2g 33.19，vf/2g 9.42，將各值代入式（2）、（3），可得該管道阻力系數(shù)分別為c1.21.5c1.35.37。再將其代入式5)得z 2p 2h 0.267j pi. / h 接近于(1) 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)。 可以認(rèn)為式（1）的函數(shù)關(guān)系能用指數(shù)的乘積來表示。即 v k w 2 其中k 為某一無量綱系數(shù)。式（2）的量綱關(guān)系為lt 1l 2t 13 l a2 從量綱和諧原理，得l : t :a 11聯(lián)立

10、求解得311，321 將上述結(jié)果，代入式（2），得雷諾實驗完成了 k 值的測定，以及是否為常數(shù)的驗證。結(jié)果得到vd /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(xiàn)，vd/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(rèn)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3000?5000范圍內(nèi)，與操作快慢，水箱的紊動度，外界干擾等密切相關(guān)。有關(guān)學(xué)者做了大量試驗，有的得12000，有的得20000,有的甚至得4000

11、0。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(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。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(fù)多次細(xì)心量測才得出的。而后人的大量實驗很難重復(fù)得出雷諾實驗的準(zhǔn)確數(shù)值，通常在 2000?2300之間。因此，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

12、結(jié)合紊動機(jī)理實驗的觀察，分析由層流過渡到紊流的機(jī)理何在？從紊動機(jī)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(xì)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(fēng)時，海面上波浪滔天，水氣混 （3）2a 1 a 2 1（4）k=2320。于是，無量綱數(shù) 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， 因剪切流動而弓丨起的界面失穩(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

13、流速越大，于是就容易產(chǎn)生紊動。紊動機(jī)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(yùn)動學(xué)特性和動力學(xué)特性方面各有何差異？（三）流體靜力學(xué)實驗1、 同一靜止液體內(nèi)的測壓管水頭線是根什么線？答：測壓管水頭指 z 衛(wèi)，即靜水力學(xué)實驗儀顯示的測壓管液面至基準(zhǔn)面的垂直高度。測壓管水頭線指測壓管液面的連線。 從表1.1的實測數(shù)據(jù)或?qū)嶒炛苯佑^察可知， 同一靜止液面的測壓管水頭線是一根水平線。2、 當(dāng)p b 0時，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)確定水箱的真空區(qū)域。答：以當(dāng)p o 0時，第2次b 點量測數(shù)據(jù)（表1.1 ）為例，此時-p b 0.6cm 0，相應(yīng)容

14、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(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。（2）同理，過箱頂小杯的液面作一水平面，測壓3、 若再備一根直尺，試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 h w 和h o ,由式w h wo ho ，從而求得 o 4、 如測壓管太細(xì)，對測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？答：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)高管4

15、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 p的一段水注亦為真空區(qū)。這段高度與測壓管 液面高于小水杯液面高度相等，均為pa2液面低于水箱液面的高度相等，亦與測壓管h 度由下式計算 4 cos hd式中，為表面張力系數(shù)；為液體的容重；d為測壓管的內(nèi)徑；h為毛細(xì)升高。常溫（t 20 c ）的水，7.28d yn/mm 或0.073n/m，0.98dy n/mm3。水與玻璃的浸潤角很小，可認(rèn)為cos 1.0。于是有29 7h h、d單位均為mmd一般說來，當(dāng)玻璃測壓管的內(nèi)徑大于10mm寸，毛細(xì)影響可略而不計。另外，當(dāng)水質(zhì)不潔時，減小，毛細(xì)高度亦較凈水小；當(dāng)采用有機(jī)玻璃作測壓

16、管時，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壓差值，則毛細(xì)現(xiàn)象無任何影響。因為測量高、低壓強(qiáng)時均有毛細(xì)現(xiàn)象，但在計算壓差時。相互抵消了。5、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。探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，可看到有空氣由c進(jìn)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(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