2025年流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)深度解析探索思考題全解指南

試驗(yàn)二不可壓縮流體恒定流能量方程(伯諾利方程)試驗(yàn)成果分析及討論1.測(cè)壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)有何不一樣?為何?測(cè)壓管水頭線(P-P)沿程可升可降，線坡J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。這是由于水在流動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)一定邊界條件，動(dòng)能和勢(shì)能可互相轉(zhuǎn)換。測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)7,管收縮，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，測(cè)壓管水頭線減少，Jp>0。測(cè)點(diǎn)7至測(cè)點(diǎn)9,管漸擴(kuò)，部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，測(cè)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(kuò)段和閥門(mén)等處，表明有較大的局部水頭損失存在。2.流量增長(zhǎng)，測(cè)壓管水頭線有何變化?為何?(1)流量增長(zhǎng)，測(cè)壓管水頭線(P-P)總降落趨勢(shì)更明顯。這是由于測(cè)壓管水頭任一斷面起始時(shí)的總水頭E及管道過(guò)流斷面面積A為定值時(shí)，Q增大，就增大，則必減小。并且隨流量的增長(zhǎng)阻力損失亦增大，管道任一過(guò)水?dāng)嗝嫔系目偹^E對(duì)應(yīng)減小，的減小愈加明顯。(2)測(cè)壓管水頭線(P-P)的起落變化更為明顯。由于對(duì)于兩個(gè)不一樣直徑的對(duì)應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝嬗芯€的起落變化就更為明顯。3.測(cè)點(diǎn)2、3和測(cè)點(diǎn)10、11的測(cè)壓管讀數(shù)分別闡明了什么問(wèn)題?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(cè)點(diǎn)10、11在彎管的急變流斷面上，測(cè)壓管水頭差為7.3cm,表明急變流斷面上離心慣性力對(duì)測(cè)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(cè)點(diǎn)10、11應(yīng)舍棄。4.試問(wèn)防止喉管(測(cè)點(diǎn)7)處形成真空有哪幾種技術(shù)措施?分析變化作用水頭(如抬高或減少水箱的水位)對(duì)喉管壓強(qiáng)的影響狀況。下述幾點(diǎn)措施有助于防止喉管(測(cè)點(diǎn)7)處真空的形成：(1)減小流量，(2)增大喉管管徑，(3)減少對(duì)應(yīng)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(shí)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(zhǔn)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(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：當(dāng)作用水頭增大h時(shí)，測(cè)點(diǎn)7斷面上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(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(dá)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(yàn)為遞減狀況，可供空化管設(shè)計(jì)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(yàn)管道喉管的測(cè)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(duì)提高喉管的壓強(qiáng)(減小負(fù)壓)效果不明顯。變水頭試驗(yàn)可證明該結(jié)論對(duì)的。5.由畢托管測(cè)量顯示的總水頭線與實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)量顯示的總水頭線，其中包括點(diǎn)流速水頭。而實(shí)際測(cè)繪的總水頭是以實(shí)測(cè)的值加斷面平均流速水頭v2/2g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。由于本試驗(yàn)畢托管的探頭一般布設(shè)在管軸附近，其點(diǎn)流速水頭不小于斷面平均流速水頭，因此由畢托管測(cè)量顯示的總水頭線，一般比實(shí)際測(cè)繪的總水線偏高。因此，本試驗(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，只有按試驗(yàn)原理與措施測(cè)繪總水頭線才更精確。試驗(yàn)四畢托管測(cè)速試驗(yàn)試驗(yàn)分析與討論1.運(yùn)用測(cè)壓管測(cè)量點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)，為何要排氣?怎樣檢查排凈與否?畢托管、測(cè)壓管及其連通管只有充斥被測(cè)液體，即滿足持續(xù)條件，才有也許測(cè)得真值，否則假如其中夾有氣柱，就會(huì)使測(cè)壓失真，從而導(dǎo)致誤差。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，試驗(yàn)過(guò)程中很也許變成堵塞性氣柱而影響量測(cè)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(cè)壓管液面與否齊平。假如氣體已排凈，不管怎樣抖動(dòng)塑料連通管，兩測(cè)管液面恒齊平。2.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?為何?由于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)=0.9961%。3.所測(cè)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(guò)水?dāng)嗝娣e為A,相對(duì)管嘴平均流速v,則有稱作管嘴流速系數(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：S為流管在某一流段上的損失系數(shù)；中為點(diǎn)流速系數(shù)。本試驗(yàn)在管嘴沉沒(méi)出流的軸心處測(cè)得=0.995,表明管嘴軸心處的水流由勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過(guò)程中有能量損失，但甚微。4.據(jù)激光測(cè)速儀檢測(cè)，距孔口2-3cm軸心處，其點(diǎn)流速系數(shù)為0.996,試問(wèn)本試驗(yàn)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(cè)速儀測(cè)得的流速為真值u,則有而畢托管測(cè)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c=φ√AH/△h5.普朗特畢托管的測(cè)速范圍為0.2-2m/s,軸向安裝偏差規(guī)定不應(yīng)不小于10度，試闡明原因。(低流速可用傾斜壓差計(jì))。(1)施測(cè)流速過(guò)大過(guò)小都會(huì)引起較大的實(shí)測(cè)誤差，當(dāng)流速u不不小于0.2m/s時(shí)，畢托管測(cè)得的壓差△h亦有若用30傾斜壓差計(jì)測(cè)量此壓差值，因傾斜壓差計(jì)的讀數(shù)值差△h為那么當(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)流速不小于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(cè)得的壓強(qiáng)偏低而導(dǎo)致誤差。(2)同樣，若畢托管安裝偏差角(a)過(guò)大，亦會(huì)引起較大的誤差。因畢托管測(cè)得的流速u是實(shí)際流速u在其軸向的分速ucosa,則對(duì)應(yīng)所測(cè)流速誤差為6.為何在光、聲、電技術(shù)高度發(fā)展的今天，仍然常用畢托管這一老式的流體測(cè)速儀器?畢托管測(cè)速原理是能量守恒定律，輕易理解。而畢托管經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用，不停改善，已十分完善。具有構(gòu)造簡(jiǎn)樸，使用以便，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好等長(zhǎng)處。因而被廣泛應(yīng)用于液、氣流的測(cè)量(其測(cè)量氣體的流速可達(dá)60m/s)。光、聲、電的測(cè)速技術(shù)及其有關(guān)儀器，雖具有瞬時(shí)性，敏捷、精度高以及自動(dòng)化記錄等諸多長(zhǎng)處，有些長(zhǎng)處畢托管是無(wú)法到達(dá)的。但往往因其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，使用約束條件多及價(jià)格昂貴等原因，從而在應(yīng)用上受到限制。尤其是傳感器與電器在信號(hào)接受與放大處理過(guò)程中，有否失真，或者隨使用時(shí)間的長(zhǎng)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(cè)速儀器，包括激光測(cè)速儀都不得不用專門(mén)裝置定期率定(有時(shí)是運(yùn)用畢托管作率定)?？梢哉J(rèn)為至今畢托管測(cè)速仍然是最可信，最經(jīng)濟(jì)可靠而簡(jiǎn)便的測(cè)速措施。試驗(yàn)六文丘里流量計(jì)試驗(yàn)1.本試驗(yàn)中，影響文丘里管流量系數(shù)大小的原因有哪些?哪個(gè)原因最敏感?對(duì)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(shí)，本試驗(yàn)在最大流量下的μ值將變?yōu)槎嗌?由式可見(jiàn)本試驗(yàn)(水為流體)的u值大小與Q、di、d?、△h有關(guān)。其中di、d?影響最敏感。本試驗(yàn)中若文氏管d?=1.4cm,d?=0.71cm,一般在切削加工中d?比d?測(cè)量以便，輕易掌握好精度，d?不易測(cè)量精確，從而不可防止的要引起試驗(yàn)誤差。例如當(dāng)最大流量時(shí)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(jì)算流量Q'與實(shí)際流量Q不相等?由于計(jì)算流量Q’是在不考慮水頭損失狀況下，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(guò)流能力，Q<Q’,即μ<1.0。3.試證氣—水多管壓差計(jì)(圖6.4)有下列關(guān)系：如圖6.4所述，△h?=h-h?,Ah=h-h4,4.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)的流量體現(xiàn)式，然后結(jié)合試驗(yàn)成果，便可深入弄清流量計(jì)的量測(cè)特性。對(duì)于平置文丘里管，影響v?的原因有：文氏管進(jìn)口直徑d?,喉徑d?、流體的密度p、動(dòng)力粘滯系數(shù)μ及兩個(gè)斷面間的壓強(qiáng)差△P。根據(jù)π定理有f(v2,d,d?,p,A,Ap)=0從中選用三個(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(wú)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(wú)量綱方程為或?qū)懗蛇M(jìn)而可得流量體現(xiàn)式為式(2)與不計(jì)損失時(shí)理論推導(dǎo)得到的相似。為計(jì)及損失對(duì)過(guò)流量的影響，實(shí)際流量在式(3)中引入流量系數(shù)μQ計(jì)算，變?yōu)楸容^(2)、(4)兩式可知，流量系數(shù)μQ與Re一定有關(guān)，又由于式(4)中d2/d?的函數(shù)關(guān)系并不一定代表了式(2)中函數(shù)3所應(yīng)有的關(guān)系，故應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)弄清μQ與Re、d?/d,的有關(guān)性。通過(guò)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，只要弄清它與Re及d?/d?的關(guān)系就行了。由試驗(yàn)所得在紊流過(guò)渡區(qū)的μQ~Re關(guān)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(yàn)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(yàn)資料分析，μQ與d?/d?也有關(guān)，不一樣的d?/d?值，可以得到不一樣的μQ~Re關(guān)系曲線，文丘里管一般使d?/d?=2。因此實(shí)用上，對(duì)特定的文丘里管均需試驗(yàn)率定μe~Re的關(guān)系，或者查用相似管徑比時(shí)的經(jīng)驗(yàn)曲線。尚有實(shí)用上較合適于被測(cè)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(guān)系，也正反應(yīng)了文丘里流量計(jì)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(yīng)用文氏管時(shí)，應(yīng)檢查其最大真空度與否在容許范圍內(nèi)。據(jù)你的試驗(yàn)成果，分析本試驗(yàn)流量計(jì)喉頸最大真空值為多少?本試驗(yàn)若d?=1.4cm,d?=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，立能量方程得則=315-35-80.22-h?-2=-52.2即試驗(yàn)中最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度久>52cmH?O,而由本試驗(yàn)實(shí)測(cè)為60.5cmH?O。深入分析可知，若水箱水位高于管軸線4m左右時(shí)，試驗(yàn)中文丘里喉頸處的真空度可達(dá)7mH?O(參照能量方程試驗(yàn)解答六—4)。及5=f(d?/d?)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3.現(xiàn)備有一段長(zhǎng)度及聯(lián)接方式與調(diào)整閥(圖5.1)相似，內(nèi)徑與試驗(yàn)管道相似的直管段，怎樣用兩點(diǎn)法測(cè)量閥門(mén)的局部阻力系數(shù)?兩點(diǎn)法是測(cè)量局部阻力系數(shù)的簡(jiǎn)便有效措施。它只需在被測(cè)流段(如閥門(mén))前后的直管段長(zhǎng)度不小于(20~40)d的斷面處，各布置一種測(cè)壓點(diǎn)便可。先測(cè)出整個(gè)被測(cè)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(cè)點(diǎn)間互不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失；hf1-2—兩測(cè)點(diǎn)間的沿程水頭損失。然后，把被測(cè)段(如閥門(mén))換上一段長(zhǎng)度及聯(lián)接措施與被測(cè)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(yàn)測(cè)得突縮管在不一樣管徑比時(shí)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(yàn)公式(1)確定經(jīng)驗(yàn)公式類型由試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得等差△x(令x=d?/d?)對(duì)應(yīng)的差分△y(令y=5),其一、二級(jí)差分如下表i12345二級(jí)差分△2y為常數(shù)，故此經(jīng)驗(yàn)公式類型為(