流体力学习题解.docx

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1、流体力学习题解流体力学实验考虑题解答一流体静力学实验1、同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？答：测压管水头指pZ+，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。从表1.1的实测数据或实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。2、当0假如用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。由于测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时。互相抵消了。5、过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？答：不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。由于只

2、要全部具备下列5个条件的平面才是等压面：1重力液体；2静止；3连通；4连通介质为同一均质液体；5同一水平面而管5与水箱之间不符合条件4，因而，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。6、用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？答：关闭各通气阀，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由C进入水箱。这时阀门的出流就是变液位下的恒定流。由于由观察可知，测压管1的液面始终与C点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒定流动。这是由于液位的的降低与空气补充使箱体外表真空度的减小处于平衡状态。医学上的点滴注射就是此原理应用的一例，医学上称之为马利奥特容器的变液位下恒定流。7、该仪器在加气增压后，水

3、箱液面将下降而测压管液面将升高H，实验时，若以00=p时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强+H与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm,箱体内径为20cm。答：加压后，水箱液面比基准面下降了，而同时测压管1、2的液面各比基准面升高了H，由水量平衡原理有44222DHd=?则22?=DdH本实验仪cmd8.0=，cmD20=故0032.0=H于是相对误差有0032.00032.010032.01=+=+=+=+-+=HHHHHH因此可略去不计。对单根测压管的容器若有10dD或对两根测压管的容器7dD时，便可使01.0。二伯诺里方程实验1、测压管水头线和总水头线的变化

4、趋势有何不同？为何？测压管水头线(P-P)沿程可升可降，线坡JP可正可负。而总水头线(E-E)沿程只降不升，线坡JP恒为正，即J0。这是由于水在流动经过中，根据一定边界条件，动能和势能可互相转换。如下图，测点5至测点7，管渐缩，部分势能转换成动能，测压管水头线降低，JP0。，测点7至测点9，管渐扩，部分动能又转换成势能，测压管水头线升高，JP0，故E2恒小于E1，E-E线不可能回升。E-E线下降的坡度越大，即J越大，表明单位流程上的水头损失越大，如图上的渐扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。2、流量增加，测压管水头线有何变化？为何？1流量增加，测压管水头线P-P总降落趋势更显著。这是

5、由于测压管水头222gAQEpZHp-=+=，任一断面起始的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q增大，gv22就增大，则pZ+必减小。而且随流量的增加，阻力损失亦增大，管道任一过水断面上的总水头E相应减小，故pZ+的减小愈加显著。2测压管水头线P-P的起落变化更为显著。由于对于两个不同直径的相应过水断面有gAQgAQAQgvgvvpZHP2222222212222222122+-=+-=?+?=?gAQAA212222122?-+=式中为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时，接近于常数，又管道断面为定值，故Q增大，H?亦增大，()PP-线的起落变化更为显著。3、测点2、3和测点10、1

6、1的测压管读数分别讲明了什么问题？测点2、3位于均匀流断面，测点高差0.7cm，pZHP+=均为37.1cm偶有毛细影响相差0.1mm，表明均匀流各断面上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、11在弯管的急变流断面上，测压管水头差为7.3cm，表明急变流断面上离心惯性力对测压管水头影响很大。由于能量方程推导时的限制条件之一是“质量力只要重力，而在急变流断面上其质量力，除重力外，尚有离心惯性力，故急变流断面不能选作能量方程的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、11应舍弃。4、试问避免喉管测点7处构成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头如抬高或降低水箱的水位对喉管压强的影响情况。下述几点措

7、施有利于避免喉管测点7处真空的构成：1减小流量，2增大喉管管径，3降低相关管线的安装高程，4改变水箱中的液位高度。显然123都有利于阻止喉管真空的出现，尤其3更具有工程实际意义。由于若管系落差不变，单单降低管线位置往往就能够避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90度的弯管，后接水平段，将喉管高程将至基准高程0-0，比位能降至零，比压能p得以增大Z，进而可能避免点7处的真空。至于措施4其增压效果是有条件的，现分析如下：当作用水头增大h?时，测点7断面上pZ+值可用能量方程求得。取基准面及计算断面1、2、3如下图，计算点选在管轴线上下面水拄单位均为cm。于是由断面1、2的能量方程取132=有2122

8、2212-+=?+whgvpZhZ1因21-wh可表示成gvgvdlhcsew22232.12322.121=?+=-此处2.1c是管段1-2总水头损失系数，式中e、s分别为进口和渐缩局部损失系数。又由连续方程有gvddgv222342322?=故式1可变为gvddhZpZc2232.1423122?+?-?+=+2式中gv223可由断面1、3能量方程求得，即gvgvZhZc22233.12331+=?+33.1c是管道阻力的总损失系数。由此得()()3.131231/2chZZgv+?+-=，代入式2有?+?-?+?-?+=+3.1312.14231221cchZZddhZpZ4()22pZ

9、+随h?递增还是递减，可由()()hpZ?+?/22加以判别。因()()()3.12.14232211ccddhpZ+-=?+?5若()()01/13.12.1423+-ccdd，则断面2上的()pZ+随h?同步递增。反之，则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。因本实验仪137.123=dd，501=Z，103-=Z，而当0=?h时，实验的 ()622=+pZ，19.33222=gv，42.9223=gv，将各值代入式2、3，可得该管道阻力系数分别为5.12.1=c，37.53.1=c。再将其代入式5得()()0267.037.5115.137.11422=+-=?+?hpZ表明本

10、实验管道喉管的测压管水头随水箱水位同步升高。但因()()hpZ?+?/22接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强减小负压效果不明显。变水头实验可证实结论正确。5、毕托管测量显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原因。与毕托管相连通的测压管有1、6、8、12、14、16和18管，称总压管。总压管液面的连线即为毕托管测量显示的总水头线，其中包含点流速水头。而实际测绘的总水头是以实测的()pZ+值加断面平均流速水头gv22绘制的。据经历资料，对于园管紊流，只要在离管壁约d12.0的位置，其点流速方能代表该断面的平均流速。由于本实验毕托管的探头通常布设在管轴附近，其点流速水头大于

11、断面平均流速水头，所以由毕托管测量显示的总水头线，一般比实际测绘的总水头线偏高。因而，本实验由1、6、8、12、14、16和18管所显示的总水头线一般仅供定性分析与讨论，只要按实验原理与方法测绘的总水头线才更准确。五雷诺实验1、流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？雷诺在1883年以前的实验中，发现园管流动存在着两种流态层流和紊流，并且存在着层流转化为紊流的临界流速v，v与流体的粘性、园管的直径d有关，既()dfv,=1因而从广义上看，v不能作为流态转变的判据。为了判别流态，雷诺对不同管径、不同粘性液体作了大量的实验，得出了无量纲参数()/vd作为管流流态的判据。他不但深入揭示了流态转

12、变的规律。而且还为后人用无量纲化的方法进行实验研究树立了典范。用无量纲分析的雷列法可得出与雷诺数结果一样的无量纲数。能够以为式1的函数关系能用指数的乘积来表示。即21aadKv=2其中K为某一无量纲系数。式2的量纲关系为21121aaLTLLT-=3从量纲和谐原理，得L：1221=+aaT：11-=-a联立求解得11=a，12-=a将上述结果，代入式2，得dKv=或dvK=4雷诺实验完成了K值的测定，以及能否为常数的验证。结果得到K=2320。于是，无量纲数/vd便成了合适于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的奉献，/vd定名为雷诺数。随着量纲分析理论的完善，利用量纲分析得出无量

13、纲参数，研究多个物理量间的关系，成了现今实验研究的重要手段之一。2、为何以为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流和紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？根据实验测定，上临界雷诺数实测值在30005000范围内，与操作快慢，水箱的紊动度，外界干扰等密切相关。有关学者做了大量试验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。只要下临界雷诺数才能够作为判别流态的标准。凡水流的雷诺数小于下临界雷诺数者必为层流。本实验实测下临界雷诺数为2178。3、雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而且前一般教科书中介

14、绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关。雷诺实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复屡次细心量测才得出的。而后人的大量实验很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在20002300之间。因而，从工程实用出发，教科书中介绍的园管下临界雷诺数一般是2000。4、试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？从紊动机理实验的观察可知，异重流分层流在剪切流动情况下，分界面由于扰动引发细微波动，并随剪切流动的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以致于间断面破裂而构成一个个小旋涡。使流体质点产生横向紊动。正如在大风时，海面上波浪滔天

15、，水气混掺的情况一样，这是高速的空气和静止的海水这两种流体的界面上，因剪切流动而引起的界面失稳的波动现象。由于园管层流的流速按抛物线分布，过流断面上的流速梯度较大，而且因壁面上的流速恒为零。一样管径下，假如平均流速越大，则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于是就容易产生紊动。紊动机理实验所见到的波动破裂旋涡质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变成紊流的经过显示。5、分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面的差异如下表：六文丘里流量计实验1、本实验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验的管道而言，若因加工精度影响，误

16、将d2-0.01cm值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的值将变为多少？答：由式()1/2442121-?=ddhgdQ得hgddQ?-=-24/4142可见本实验水为流体的值大小与Q、1d、2d、h?有关。其中1d、2d影响最敏感。本实验的文氏管cmd4.11=，cmd71.02=，通常在切削加工中1d比2d测量方便，容易把握好精度，2d不易测量准确，进而不可避免的要引起实验误差。例如本实验最大流量时值为0.976，若2d的误差为-0.01cm，那么值将变为1.006，显然不合理。2、为何计算流量Q与实际流量Q不相等？答：由于计算流量Q是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流

17、体存在粘性必引起阻力损失，进而减小过流能力，QQ103MTL-=共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲数，分别为：1111121/cbavdd=222112/cbavd=333113/cbavdp?=根据量纲和谐原理，1的量纲式为11131cbaMLLTLL-=分别有L：11131cba-+=T：10b-=M:10c=联解得：11=a，01=b，01=c，则121dd=，同理112vd=，213vp?=将各值代入式1得无量纲方程为0)(211112=?vpvdddf，或写成)(111221vdddfpv，=?)(/2)(/112311221eeRddfpgRddfpv、，?=?=进而

18、可得流量表达式为)(24112321eRddfhgdQ、?=21)(/2441221-?=ddhgdQ3类似。为计及损失对过流量的影响，实际流量在式3中引入流量系数Q计算，变为1)(/2441221-?=ddhgdQQ4比拟2、4两式可知，流量系数Q与eR一定有关，又由于式4中12dd的函数关系并不一定代表了式2中函数3f所应有的关系，故应通过实验搞清Q与eR、12dd的相关性。通过以上分析，明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径，只要搞清它与eR、12dd的关系就行了。由本实验所得在紊流过渡区的QeR关系曲线12dd为常数，可知Q随eR的增大而增大，因恒有1eR，使Q值接近于常数98.0。流

19、量系数Q的上述关系，也反映了文丘里流量计的水力特性。4、文丘里管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6-7mH2O。工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度能否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？答：本实验cmd4.11=，cmd71.02=，以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉道断面分别为1-2和2-2计算断面，立能量方程得2122202-+=whgvpH则2122021220222-?-?=-=wwhgvhgvHp021-whOcmHp2222.52-，而由实验实测为OcmH25.60。进一步分析可知，若水箱水位高于管轴线4m左右时，本实验装置中文丘里管喉颈处

20、的真空度可达OmH27。八局部阻力实验1、结合实验成果，分析比拟突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。由式gvhj22=及)(21ddf=表明影响局部阻力损失的因素是v和21dd，由于有突扩：221)1(AAe-=突缩：)1(5.021AAs-=则有212212115.0)1()1(5.0AAAAAAKes-=-=当5.021下一页化或尽量接近流线型，以避免旋涡的构成，或使旋涡区尽可能小。如欲减小本实验管道的局部阻力，就应减小管径比以降低突扩段的旋涡区域；或把突缩进口的直角改为园角，以消除突缩断面后的旋涡环带，可使突缩局部阻力系数减小到原来的1/21/10。忽然收缩实验管道，使用年份长后，

21、实测阻力系数减小，主要原因也在这里。3.现备有一段长度及连接方式与调节阀图5.1一样，内径与实验管道一样的直管段，怎样用两点法测量阀门的局部阻力系数？两点法是测量局部阻力系数的简便有效办法。它只需在被测流段如阀门前后的直管段长度大于2040d的断面处，各布置一个测压点便可。先测出整个被测流段上的总水头损失21-wh，有212121-+?+?+=fjijnjjwhhhhhh式中：jih分别为两测点间互不干扰的各个局部阻力段的阻力损失；jnh被测段的局部阻力损失；21-fh两测点间的沿程水头损失。然后，把被测段如阀门换上一段长度及连接方法与被测段一样，内径与管道一样的直管段，再测出一样流量下的总水头损失21-wh，同样有2112121-+?+=fjijjwhhhhh所以2121-=wwjnhhh4、实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数510eR如下：1确定经历公式类型现用差分判别法确定。由实验数据求得等差)/(12ddxx=?令相应的差分)(=?yy令，其一、二级差分如二级差分y2?为常数，故此经历公式类型为