水力学试验报告思考题答案想你所要

1、实验二不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺利方程）实验成果分析及讨论1 .测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？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J恒为正，即J>0。这是因为水在流动过程中，依据一定边界条件，动能和势能可相互转换。测点5至测点7,管收缩，部分势能转换成动能，测压管水头线降低，Jp>0。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，Jp<0。而据能量方程El=E2+hw1-2,hw1-2为损失能量，是不可逆的，即包有hwi-2>0,故E2恒小于Ei,（E-E）线不可能回升。

2、（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2.3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。这是因为测压管水头二Z十二二/一二二5一卫二y2g2引，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，士"2g就增大，则尸必减小。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2十？小，故厂的减小更加显著。（2）测压管水头线（P-P）的起落变化更为显著。因为对于两个不同直径的相应过水断面有2g2g式中为两个

3、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）线的起落变化就更为显著。3 .测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？Z十已测点2、3位于均匀流断面（图2.2）,测点高差0.7cm,Hp=7均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm）,表明均匀流同断面上，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,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

4、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）处形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。下述几点措施有利于避免喉管（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）改变水箱中的液位高度。显然（1）、（2）、（3）都有利于阻止喉管真空的出现，尤其（3）更具有工程实用意义。因为若管系落差不变，单单降低管线位置往往就可完全避免真空。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/丫得以增大（Z）,从而可能避免点7处的真空

5、。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、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02=83=1）有因hwi-2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失系数。又由连续性方程有故式（1）可变为Y人式中同"可由断面1、3能量方程求得，即4+从=冬+?+.3工2g2g由此得力2目=0-4+端“1+瓢J代入式（2）有（Z2+P2/T）随h递增还是递减，可由（Z2+P2/T）加以判别。因改外+外/”1（2/心尸+心”=1改编1+

6、心心（5）若1-（d3/d2）4+c1.2/（1+c1.3）0,则断面2上的（Z+p/丫）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。在实验报告解答中，d3/d2=1.37/1,Z1=50,Z3=-10，而当h=0时，实验的（Z2+P2/丫）=6,v12g=33-19,$/2g=9.42,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=11.374+1.151+5.37=0,267>0表明本实验管道喉管的测压管水头随水箱水位同步升高。但因（Z2+P2/T）接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强（

7、减小负压）效果不显著。变水头实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。总压管液面的连续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/值加断面平均流速水头v2/2g绘制的。据经验资料，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，本实验由1、6、8、12、14、

8、16和18管所显示的总水头线一般仅供定性分析与讨论，只有按实验原理与方法测绘总水头线才更准确。实验四毕托管测速实验实验分析与讨论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充满被测液体，即满足连续条件，才有可能测得真值，否则如果其中夹有气柱，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，但若不排除，实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。如果气体已排净，不管怎样抖动塑料连通管，两测管液面包齐平。2 .毕托管

9、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？且'即',；一般毕托管校正系数c=11%o（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炉=0.9961%0。所以Ah<AHo本实验Ah=21.1cm,AH=21.3cm,c=1.000。3 .所测的流速系数说明了什么？若管嘴出流的作用水头为H,流量为Q,管嘴的过水断面积为A,相对管嘴平均流速v,则有k=事寸2gh8*称作管嘴流速系数。若相对点流速而言，由管嘴出流的某流线的能量方程，可得式中:为流管在某一流段上的损失系数；8为点流速系数o本实验在管嘴淹没出流的轴心处测得炉=0.995,表明管嘴轴

10、心处的水流由势能转换为动能的过程中有能量损失，但甚微。4 .据激光测速仪检测，距孔口23cm轴心处，其点流速系数为0.996,试问本实验的毕托管精度如何?如何率定毕托管的修正系数c?若以激光测速仪测得的流速为真值u,则有注二#2或田二0.9962x980x213=2035s而毕托管测得的该点流速为203.46cm/s,则e=0.2%欲率定毕托管的修正系数，则可令uJ2gA也：,匚二炉/Lh本例,'_5 .普朗特毕托管的测速范围为0.22m/s,轴向安装偏差要求不应大于10度，试说明原因。（低流速可用倾斜压差计）。（1）施测流速过大过小都会引起较大的实测误差，当流速u小于0.2m/s时，

11、毕托管测得的压差Ah亦有/202<=0.204cw2g1960若用30倾斜压差计测量此压差值，因倾斜压差计的读数值差Ah为-1二-<那么当有0.5mm的判读误差时，流速的相对误差可达6%。而当流速大于2m/s时，由于水流流经毕托管头部时会出现局部分离现象，从而使静压孔测得的压强偏低而造成误差。（2）同样，若毕托管安装偏差角（a）过大，亦会引起较大的误差。因毕托管测得的流速U是实际流速U在其轴向的分速ucosa,则相应所测流速误差为u-cosa.甘=1CQS口f若>10,则£1>1-cos100=0.0156.为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管

12、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，容易理解。而毕托管经长期应用，不断改进，已十分完善。具有结构简单，使用方便，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达到的。但往往因其机构复杂，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，环境温度的改变是否飘移等，难以直观判断。致使可靠度难以把握，因而所有光、声、电测速仪器，包括激光测速仪都不得不

13、用专门装置定期率定（有时是利用毕托管作率定）。可以认为至今毕托管测速仍然是最可信，最经济可靠而简便的测速方法。实验六文丘里流量计实验d2=0.7cm的管道而言，若实验分析与讨论L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？对因加工精度影响，误将（d20.01）cm值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的小值将变为多少？由式姆唇质二得qt=Qjd”d：陪可见本实验（水为流体）的小值大小与Q、di、d2、Ah有关。其中di、d2影响最敏感。本实验中若文氏管di=1.4cm,d2=0.71cm,通常在切削加工中di比d2测量方便，容易掌握好精度，d2不易测量准确，从而不可避免的要

14、引起实验误差。例如当最大流量时以值为0.976,若d2的误差为0.01cm,那么小值将变为1.006,显然不合理。2 .为什么计算流量Q'与实际流量Q不相等？因为计算流量Q'是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流能力，Q<Q',即以<1.0。3 .试证气一水多管压差计（图6.4）有下列关系：=瓦-%+电如图6.4所述，助、二瓦一%,%=%了包二包凡：+A宿+从+/+Myy-区+A自+H7.（7+/?/）（Z；+尸,/y）=N+P）/4-A/ij+A&+-Z.2p*fy=区+g）-（4+%）+m+的

15、二饱一电+电为4.试应用量纲分析法，阐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，然后结合实验成果，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V1的因素有：文氏管进口直径d1,喉径d2、流体的密度p、动力粘滞系数祖及两个断面间的压强差AP。根据冗定理有/gaw,。",你"o从中选取三个基本量，分别为：平73卜平厂/同=片/>共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲冗数，分别为：为二%/小“，根据量纲和谐原理，冗i的量纲式为国=小小了皿分别有联解得:L:T:M:ai=1,1=ai+bi-3ci0=-bi0=cibi=0,ci

16、=0,则同理&="由当户_巧一二二当白将各冗值代入式（i）得无量纲方程为或写成(d1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）中引入流量系数阳计算，变为2=%分/他/心），-1.（4）比较（2）、（4）两式可知，流量系数四与Re一定有关，又因为式（4）中d2/di的函数关系并不一定代表了式（2）中函数力所应有的关系，故应通过实验搞清四与Re、d2/di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Re及d2/di的关系就行了。由实验所得在紊流过渡区的Re关系曲线（d2/di为

17、常数），可知随Re的增大而增大，因包有N<i,故若使实验的Re增大，将渐趋向于某一小于i的常数。另外，根据已有的很多实验资料分析，（JQ与di/d2也有关，不同的di/d2值，可以得到不同的（JQRe关系曲线，文丘里管通常使dl/d2=2o所以实用上，对特定的文丘里管均需实验率定Re的关系，或者查用相同管径比时的经验曲线。还有实用上较适宜于被测管道中的雷诺数Re>2Xl05,使闱值接近于常数0.98。流量系数g的上述关系，也正反映了文丘里流量计的水力特性。5.文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为67mHQ工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，

18、分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？本实验若di=1.4cm,d2=0.71cm,以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉道断面分别为11和22计算断面，立能量方程得则:I=315-3.5-80.22-_2=-5222-%,为>0<<-52.22cmH2O即实验中最大流量时，文丘里管喉颈处真空度耳;5加阳°,而由本实验实测为60.5cmH2Oo进一步分析可知，若水箱水位高于管轴线4m左右时，实验中文丘里喉颈处的真空度可达7mH2O（参考能量方程实验解答六一4）0（八）局部阻力实验1、结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。2由式hj='

19、v2g及=f（dd2）表明影响局部阻力损失的因素是v和djd2,由于有突扩：；=(1-%AV突缩：；=0.5(1-A.A2)则有0.5(1-AA2)_0.5(1-AA2)2-1-AA2A1.A2:二0.5dvd2<0.707时，突然扩大的水头损失比相应突然收缩的要大。在本实验最大流量Q下，突扩损失较突缩损失约大一倍，即hje/hjs=6.54/3.60=1.817。d1/d2接近于1时，突扩的水流形态接近于逐渐扩大管的流动，因而阻力损失显著减小。2 .结合流动演示仪的水力现象，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？流动演示仪I-VII

20、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、外流的流动图谱。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。由于水质点的无规则运动和激烈的紊动，相互摩擦，便消耗了部分水体的自储能量。另外，当这部分低能流体被主流的高能流体带走时，还须克服剪切流的速度梯度，经质点间的动能交换，达到流速的重新组合，这也损耗了部分能量。这样就造成了局部阻力损失。从流动仪可见，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

21、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要部位是在突缩断面后。从以上分析知。为了减小局部阻力损失，在设计变断面管道几何边界形状时应流线型化或尽量接近流线型，以避免旋涡的形成，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。突然收缩实验管道，使用年份长后，实测阻力系数减小，主要原因也在这里。3 .现备有一段长度及联接方式与调节阀（图5.1）相同，内径与实验管道相同

22、的直管段，如何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（2040）d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hW1,有h.二=hj1hj2hjnhjihf»式中：hji-分别为两测点间互不干扰的各个局部阻力段的阻力损失；hjn-被测段的局部阻力损失；h一两测点间的沿程水头损失。然后，把被测段（如阀门）换上一段长度及联接方法与被测段相同，内径与管道相同的直管段，再测出相同流量下的总水头损失hw1q,同样有,hwu:hj1hj2hj-hg所以hjn=hw*-hw145X4、实验测得突缩管

23、在不同管径比时的局部阻力系数Re/0如下：序号i2345d2/d10.20.40.60.81.0wq0.480.420.320.180试用最小二乘法建立局部阻力系数的经验公式(1)确定经验公式类型现用差分判别法确定。由实验数据求得等差Ax(令x=d2/d1)相应的差分Ay(令y=J),其一、二级差分如下表i12345Ax0.20.20.20.2y-0.06-0.i-0.04-0.i8.2一一一一一一y-0.04-0.04-0.04二级差分6y为常数，故此经验公式类型为(1)2y=b0b1xb2x(2)用最小二乘法确定系数令、=x-山bixi力426是实验值与经验公式计算值的偏差。如用名表示偏差的平方和，即n5；='i2=：yi-b0bixi-b2x2i=1i=1为使名为最小值，则必须满足CZ二0我0=0cbi二0免于是式(2)分别对b0、匕、b2求偏导可得5Zi=d5心i=15ziTyi5-5b0-bi_xii155-b2Vx2=0i155yixi-b。'xi-bivx2-b2Xx3(3)iiiii曾555yixi-bo;xi-