水力学实验报告思考题答案分析解析.docx

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1、水力学试验报告试验一 流体静力学试验试验二 不行压缩流体恒定流能量方程伯诺利方程试验试验三 不行压缩流体恒定流淌量定律试验试验四 毕托管测速试验试验五 雷诺试验试验六 文丘里流量计试验试验七 沿 程 水 头 损 失 实 验试验八 局部阻力试验试验一 流体静力学试验试验原理在重力作用下不行压缩流体静力学根本方程或 (1.1)式中： z 被测点在基准面的相对位置高度；p 被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；p0 水箱中液面的外表压强；液体容重；h 被测点的液体深度。另对装有水油图 1.2 及图 1.3U 型测管，应用等压面可得油的比重S 有以下关系：0(1.2)据此可用仪器不用另外尺直接测得

2、S 。0试验分析与争论1. 同一静止液体内的测管水头线是根什么线？测压管水头指 ，即静水力学试验仪显示的测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。试验直接观看可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。2. 当P0。这是由于水在流淌过程中，依据肯定边界条件，动能和势能可相互转换。测点 5 至测点 7，管收缩，局部势能转换成动能，测压管水头线降低，Jp0。测点 7 至测点 9，管渐扩，局部动能又转换成势能，测压管水头线上升，J 0，故E 恒小于E，E-E线12w1-2w1-2w1-221不行能上升。(E-E) 线下降的坡度越大，即J 越大，说明单位流程上的水头损失越大，如图2

3、.3 的渐扩段和阀门等处，说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？为什么？ 有 如 下 二 个 变 化 ： 1 流量 增加，测 压管水 头线 P-P总降 落趋势 更显著。这 是由于测 压管水 头，任一断面起始时的总水头E 及管道过流断面面积A 为定值时，Q 增大，就增大，则必减小。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，故的减小更加显著。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，P-P线的起落变化就

4、更为显著。3. 测点 2、3 和测点 10、11 的测压管读数分别说明白什么问题？测点 2、3 位于均匀流断面图 2.2，测点高差 0.7cm，H =均为 37.1cm偶有毛P细影响相差 0.1mm，说明均匀流同断面上，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，说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“质量力只有重力”，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. 试问避开喉管测点 7处形成真空有哪几

5、种技术措施？分析转变作用水头如抬高或降低水箱的水位对喉管压强的影响状况。下述几点措施有利于避开喉管测点 7处真空的形成：1减小流量，2增大喉管管径，3降低相应管线的安装高程，4转变水箱中的液位高度。明显1、2、3都有利于阻挡喉管真空的消灭，尤其3更具有工程有用意义。由于假设管系落差不变，单单降低管线位置往往就可完全避开真空。例如可在水箱出口接一下垂 90 弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程 00，比位能降至零，比压能 p/ 得以增大Z，从而可能避开点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 断面上值可用能量方程求得。取基准面及计算断面 1

6、、2、3，计算点选在管轴线上以下水柱单位均为 cm。于是由断面 1、2 的能量方程取a =a =1有23 (1)因h可表示成此处c1.2 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w1-2失系数。又由连续性方程有故式1可变为式中 可由断面 1、3 能量方程求得，即由此得(2)(3) (3)(4) (4)代入式( 2)有(Z +P / )随h 递增还是递减，可由(Z +P / )加以判别。因2222(5) (5)假设 1-(d3/d2)4+c1.2/(1+c1.3)0，则断面 2 上的(Z+p/ ) 随h 同步递增。反之，则递减。文丘里试验为递减状况，可供空化管设计参考

7、。在试验报告解答中， d /d =1.37/1，Z =50，Z =-10，而当 h=0 时，试验的(Z +P/ )=6，321322，将各值代入式(2)、(3)，可得该管道阻力系数分别为 c1.2=1.5， c1.3=5.37。再将其代入式(5)得说明本试验管道喉管的测压管水头随水箱水位同步上升。但因(Z +P /)接近于零，故水箱22水位的上升对提高喉管的压强减小负压效果不显著。变水头试验可证明该结论正确。5. 由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，试分析其缘由。 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。总压管液面的连续即为毕托管

8、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 值加断面平均流速水头v2/2g 绘制的。据阅历资料，对于园管紊流，只有在离管壁约 0.12d 的位置，其点流速方能代表该断面的平均流速。由于本试验毕托管的探头通常布设在管轴四周，其点流速水头大于断面平均流速水头，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线偏高。因此，本试验由 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争论，只有按试验原理与方法测绘总水头线才更准确。试验三 不行压缩流体恒定流淌量定律试验试验原理恒定总流淌量方程为取脱离体，因滑动摩擦阻力水平分别即，可无视不计，故x

9、方向的动量方程化为式中：h 作用在活塞形心处的水深；cD活塞的直径； Q射流流量；V射流的速度；1x动量修正系数。1试验中，在平衡状态下，只要测得Q 流量和活塞形心水深h ，由给定的管嘴直径d 和活塞c直径D，代入上式，便可验证动量方程，并率定射流的动量修正系数值。其中，测压管1的标尺零点已固定在活塞的园心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞园心处的水深。试验分析与争论1、实测 与公认值( =1.021.05)符合与否？如不符合，试分析缘由。实测 =1.035 与公认值符合良好。(如不符合，其最大可能缘由之一是翼轮不转所致。为排解此故障，可用 4B 铅笔芯涂抹活塞及活塞套外表。)2、带翼片的平

10、板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿 x 方向的动量力有无影响？为什么？无影响。因带翼片的平板垂直于x 轴，作用在轴心上的力矩T，是由射流冲击平板是，沿yz 平面通过翼片造成动量矩的差所致。即式中Q射流的流量；V入流速度在 yz 平面上的分速；yz1V出流速度在 yz 平面上的分速；yz2 1入流速度与圆周切线方向的夹角，接近 90； 出流速度与圆周切线方向的夹角；2r分别为内、外圆半径。1,2该式说明力矩T 恒与x 方向垂直，动量矩仅与 yz 平面上的流速重量有关。也就是说平板上附加翼片后，尽管在射流作用下可获得力矩，但并不会产生 x 方向的附加力，也不会影响x 方向的流速

11、重量。所以x 方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。3、通过细导水管的分流，其出流角度与 V2无影响。当计及该分流影响时，动量方程为一样，试问对以上受力分析有无影响？即该式说明只要出流角度与V 垂直，则x 方向的动量方程与设置导水管与否无关。14、滑动摩擦力 为什么可以无视不记？试用试验来分析验证 的大小，记录观看结果。(提示：平衡时，向测压管内参加或取出 1mm 左右深的水，观看活塞及液位的变化)因滑动摩擦力 h 。c2cc实际上，h 随V 及 的变化又受总能头的约束，这是由于由能量方程得c2 (2)而 所以从式(2)知，能量转换的损失 较小时，试验四 毕托管测速试验试验原理4.1式中：u毕

12、托管测点处的点流速；c毕托管的校正系数；毕托管全压水头与静水压头差。 (4.2)联解上两式可得(4.3)式中：u 测点处流速，由毕托管测定； 测点流速系数； H管嘴的作用水头。试验分析与争论1. 利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验排净与否？毕托管、测压管及其连通管只有布满被测液体，即满足连续条件，才有可能测得真值， 否则假设其中夹有气柱，就会使测压失真，从而造成误差。误差值与气柱高度和其位置有 关。对于非堵塞性气泡，虽不产生误差，但假设不排解，试验过程中很可能变成堵塞性气柱 而影响量测精度。检验的方法是毕托管置于静水中，检查分别与毕托管全压孔及静压孔相 连通的两根测压管液面是否齐平

13、。假设气体已排净，不管怎样抖动塑料连通管，两测管液 面恒齐平。2. 毕托管的动压头 h 和管嘴上、下游水位差 H 之间的大关系怎样？为什么？ 由于且即一般毕托管校正系数 c=11与仪器制作精度有关。喇叭型进口的管嘴出流，其中心点的点流速系数 =0.9961。所以 h10，则6. 为什么在光、声、电技术高度进展的今日，仍旧常用毕托管这一传统的流体测速仪器？ 毕托管测速原理是能量守恒定律，简洁理解。而毕托管经长期应用，不断改进，已十分完善 。具有构造简洁，使用便利，测量精度高，稳定性好等优点。因而被广泛应用于液、气流的测量其测量气体的流速可达 60m/s。光、声、电的测速技术及其相关仪器，虽具有瞬

14、时性，灵敏、精度高以及自动化记录等诸多优点，有些优点毕托管是无法到达的。但往往因其机构简单，使用约束条件多及价格昂贵等因素，从而在应用上受到限制。尤其是传感器与电器在信号接收与放大处理过程中，有否失真，或者随使用时间的长短，环境温度的转变是否飘移等，难以直观推断。致使牢靠度难以把握，因而全部光、声、电测速仪器，包括激光测速仪都不得不用特地装置定期率定有时是利用毕托管作率定。可以认为至今毕托管测速仍旧是最可信，最经济牢靠而简便的测速方法。试验五 雷诺试验试验原理试验分析与争论流态判据为何承受无量纲参数，而不承受临界流速？雷诺在 1883 年以前的试验中，觉察园管流淌存在两种流态层流和紊流，并且存

15、在着层流转化为紊流的临界流速V，V与流体的粘性 及园管的直径d 有关，即 1 因此从广义上看，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试验，得出了用无量纲参数vd/ 作为管流流态的判据。他不但深刻提醒了流态转变的规律，而且还为后人用无量纲化的方法进展试验争论树立了典范。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。可以认为式1的函数关系能用指数的乘积来表示。即其中K 为某一无量纲系数。式2的量纲关系为从量纲和谐原理，得L：2+=112T：-=-11联立求解得=1，=-112将上述结果，代入式2，得 或 2（3） 3雷诺试验完成了 K 值的测定，以及

16、是否为常数的验证。结果得到 K=2320。于是，无量纲数 vd/ 便成了适应于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的奉献， vd/ 定命为雷诺数。随着量纲分析理论的完善，利用量纲分析得出无量纲参数，争论多个物理量间的关系， 成了现今试验争论的重要手段之一。为何认为上临界雷诺数无实际意义，而承受下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测 下临界雷诺数为多少？依据试验测定，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，外界干扰等亲热相关。有关学者做了大量试验，有的得12023，有的得20230，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

17、定值，无实际意义。只有下临界雷诺数才可以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。一般实测下临界雷诺数为 2100 左右。雷诺试验得出的圆管流淌下临界雷诺数 2320，而目前一般教科书中介绍承受的下临界雷诺数是 2023，缘由何在？下临界雷诺数也并非与干扰确定无关。雷诺试验是在环境的干扰微小，试验前水箱中的水体经长时间的稳定状况下，经反复屡次细心量测才得出的。而后人的大量试验很难重复得出雷诺试验的准确数值，通常在20232300 之间。因此，从工程有用动身，教科书中介绍的园管下临界雷诺数一般是 2023。试结合紊动机理试验的观看，分析由层流过渡到紊流的机理何在？从紊动机理试

18、验的观看可知，异重流分层流在剪切流淌状况下，分界面由于扰动引发微小波动，并随剪切流速的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以至于连续面裂开而形成一个个小旋涡。使流体质点产生横向紊动。正如在大风时，海面上波浪滔天，水气混掺的状况一样，这是高速的空气和静止的海水这两种流体的界面上，因剪切流淌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，假设平均流速越大则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于是就简洁产生紊动。紊动机理试验所见的波动裂开旋涡质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变为紊流的过程显示。分析层流和紊流在运动学特性和动

19、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：运动学特性:动力学特性:层流:1.质点有律地作分层流淌1.流层间无质量传输2. 断面流速按抛物线分布2.流层间无动量交换3. 运动要素无脉动现象3.单位质量的能量损失与流速的一次方成正比紊流:1.质点相互混掺作无规章运动1.流层间有质量传输 2.断面流速按指数规律分布2.流层间存在动量交换3.运动要素发生不规章的脉动现象3.单位质量的能量损失与流速的 1.752次方成正比试验六 文丘里流量计试验试验原理依据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文氏管过水力量关系式式中： h 为两断面测压管水头差。由于阻力的存

20、在，实际通过的流量 Q 恒小于 Q。今引入一无量纲系数 =Q/Q 称为流量系数，对计算所得的流量值进展修正。即 另，由水静力学根本方程可得气水多管压差计的 h 为 试验分析与争论本试验中，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 d=0.7cm 的2管道而言，假设因加工精度影响，误将d 量下的值将变为多少？由式0.01cm 值取代上述 d22值时，本试验在最大流可见本试验水为流体的 值大小与Q、d1、d2、 h 有关。其中d1、d2 影响最敏感。本试验中假设文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm，通常在切削加工中d1 比d2 测量便利，简洁把握好精度，d2 不易测量准确，

21、从而不行避开的要引起试验误差。例如当最大流量时 值为 0.976，假设d2 的误差为0.01cm，那么 值将变为 1.006，明显不合理。为什么计算流量 Q与实际流量 Q 不相等？由于计算流量Q是在不考虑水头损失状况下，即按抱负液体推导的，而实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流力量，QQ，即 1.0。试证气水多管压差计图 6.4有以下关系：如图 6. 4 所述，试应用量纲分析法，说明文丘里流量计的水力特性。运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式，然后结合试验成果，便可进一步搞清流量计的量测特性。对于平置文丘里管，影响的因素有：文氏管进口直径d ，喉径d 、流体的密度 、112动力粘

22、滞系数 及两个断面间的压强差 P。依据 定理有从中选取三个根本量，分别为：共有 6 个物理量，有 3 个根本物理量，可得 3 个无量纲 数，分别为：依据量纲和谐原理， 1 的量纲式为分别有L：1=a +b -3c111T：0=- b1M：0= c1联解得：a =1，b =0，c =0，则111同理将各 值代入式1得无量纲方程为或写成进而可得流量表达式为2式2与不计损失时理论推导得到的3相像。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 计算，变为Q 4 比较2、4两式可知，流量系数与R 肯定有关，又由于式4中 d /d 的函数关系Qe21并不肯定代表了式2中函数 所应有的关系，故应通

23、过试验搞清 与 R 、d /d的相关Qe21性。通过以上分析，明确了对文丘里流量计流量系数的争论途径，只要搞清它与 R 及d /de21的关系就行了。由试验所得在紊流过渡区的 R 关系曲线d /d 为常数，可知 随 R的增大而Qe21Qe增大，因恒有2105，使值接近于常数 0.98。eQ流量系数 的上述关系，也正反映了文丘里流量计的水力特性。Q文氏管喉颈处简洁产生真空，允许最大真空度为 67mHO。工程中应用文氏管时，应检2验其最大真空度是否在允许范围内。据你的试验成果，分析本试验流量计喉颈最大真空值 为多少？本试验假设d = 1. 4cm，d = 0. 71cm，以管轴线高程为基准面，以水

24、箱液面和喉道断面分12别为 11 和 22 计算断面，立能量方程得则 052.22cmH2即试验中最大流量时，文丘里管喉颈处真空度O，而由本试验实测为 60.5cmH O。2进一步分析可知，假设水箱水位高于管轴线 4m 左右时，试验中文丘里喉颈处的真空度可达 7mH2O参考能量方程试验解答六4。七 沿 程 水 头 损 失 实 验一： 为 什 么 压 差 计 的 水 柱 差 就 是 沿 程 水 头损失 ？实 验 管 道 安 装 成 向 下 倾 斜 ，是 否 影响 实验成果现？以 倾 斜 等 径 管 道 上 装 设 的 水银多 管 压差计为例图 7. 3说 明图 中 A A 为 水 平 线 ：如图

25、 示 0 0 为 基 准 面 ，以 1 1和2 2 为计算断面可，计 算 点 在 轴 心 处 ，设 定得，由 能量方程表 明水银 压 差 计 的 压 差 值 即 为 沿 程 水 头损 失，且 和倾角 无 关 。二：据实 测 m 值 判 别 本 实 验 的 流 区 。成 正 比 曲 线 的 斜 率 m = 1. 0 1. 8，即，表 明 流 动 为 层 流 m = 1. 0、紊 流光 滑 与区 和紊流 过渡区未 达 阻 力 平 方 区 。三：实 际 工 程 中 钢 管中的流动，大 多 为 光滑紊流或紊流过渡区，而 水电站泄洪洞 的流 动 ，大多为紊流阻力平方区 ，其原因何在？钢 管 的 当 量

26、粗 糙 度 一 般 为 0. 2mm，常 温下 ， 经 济 流 速 300cm/s，假设 实 用 管 径 D =20 100cm，其，相 应 的 = 0. 0002 0. 001，由 莫 迪 图知 ，流 动 均 处 在 过 渡 区 。假设需达到阻 力平方 区 ，那 么 相 应 的，流速应达到59m/s。这 样 高 速 的 有 压管 流 在实际工程中非 常少见 。而泄洪洞的 当量粗 糙 度 可 达1 9mm，洞 径 一般为2 3m，过 流 速 往 往 在 m/s 以上，其大于 ，故 一 般 均 处 于 阻 力 平 方 区 。四：管道的 当 量 粗 糙 度 如 何 测得？当 量粗糙度 的 测 量

27、可 用 实 验 的同样方法测定及 的 值 ，然 后 用 下 式 求 解 ：（1） 考 尔 布 鲁 克 公 式1迪 图 即 是 本 式 的 图 解 。（2） SJ 公 式2（3） Barr 公 式33式 精 度 最 高 。在 反 求时 ，2式 开 方 应 取 负号 。也 可 直 接 由得 出 当 量 粗 糙 度关 系 在 莫 迪 图 上 查 得 ，进 而值 。五： 本 次 实 验 结 果 与 莫 迪 图 吻 合 与 否 ？试 分 析其 原 因 。通 常 试 验 点 所 绘 得 的 曲 线 处 于 光 滑 管 区 ， 本 报 告 所 列 的 试 验 值 ，也 是 如 此 。但 是 ，有 的 实 验

28、结 果 相 应 点 落 到 了 莫 迪 图 中 光 滑 管 区 的 右下方。对 此 必 须 认 真 分析。如果由 于 误 差 所 致 ，那么据下 式 分析d 和 Q 的 影 响 最 大 ，Q 有 2% 误 差 时 ，就 有 4% 的 误差 ，而 d 有 2% 误 差 时 ， 可 产 生 10% 的 误 差 。Q 的 误差可 经 多 次 测 量 消 除 ，而d 值 是 以 实 验 常 数提供的，由 仪 器 制 作 时 测 量 给定 ，一 般 1%。如 果排除这两方面的误 差 ，实 验 结果 仍 出 现 异 常 ，那么只能从细管的水 力 特 性 及 其 光 洁 度 等 方 面 作深入的分析研究。还

29、 可 以 从 减 阻 剂 对 水 流 减 阻 作 用上作探讨，由于 自 动 水 泵 供 水 时 ，会 渗 入 少 量 油脂 类 高 分 子 物 质 。总 之 ，这 是 尚 待 进 一 步 探 讨 的问 题 。八局部阻力试验1、结合试验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。由式h= zv2j2g及z= f (dd )12说明影响局部阻力损失的因素是v 和dd，由于有12突扩：ze= (1 - A1A )22突缩：zs0.5(1 - AA )则有z= 0.5(1 - AA )120.5K = z s =e12(1 - AA )212= 1 - AA12当AA12 0.5或dd 0

30、.70712时，突然扩大的水头损失比相应突然收缩的要大。在本试验最大流量Q 下，突扩损失较突缩损失约大一倍，即hh= 6.54 / 3.60 = 1.817 。ddjejs12接近于 1 时，突扩的水流形态接近于渐渐扩大管的流淌，因而阻力损失显著减小。2. 结合流淌演示仪的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里？怎样减小局部阻力损失？流淌演示仪 I-VII 型可显示突扩、突缩、渐扩、渐缩、分流、合流、阀道、绕流等三十余种内、外流的流淌图谱。据此对局部阻力损失的机理分析如下：从显示的图谱可见，凡流道边界突变处，形成大小不一的旋涡区。旋涡是产生损失的主要根源。由于水质点的无规章运动和剧烈的紊 动，相互摩擦，便消耗了局部水体的自储能量。另外，当这局部低能流体被主流的高能流体带走时，还须抑制剪切流的速度梯度，经质点间的动能交换，到达流速的重组合，这也损耗了局部能量。这样就造成了局部阻力损失。从流淌仪可见，突扩段的旋涡主要发生在突扩断面以后，而且与扩大系数有关，扩大系数越大，旋涡区也越大，损失也越大，所以产生突扩局部阻力损失的主要部位在突扩断面的后部。而突缩段的旋涡在收缩断面前后均有。突缩前仅在死角区有小旋涡，且强度较小，而突缩的后部产生了紊动度较大的旋涡环区。可见产生突缩水头损失的主