流体力学实验思考题解答

1/13流体力学实验思考题解答流体力学实验思考题解答p答：测压管水头指Z+，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yp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。Bp答：以当p<0时，第2次B点量测数据(表1.1)为例,此时B=一0.6cm<0相应容器0y,气所占的空间区域,均为真空区域。(2)同理,过箱顶小杯的液面作一水平面，测压管4中该PyH0P水注亦为真空区。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面H00面至油面的垂直高度h和h,由式yh=yh,从而求得y。wowwooo答:设被测液体为水,测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差,毛细高度一般说来,当玻璃测压管的内径大于10mm时,毛细影响可略而不计。另外，当水质不普通玻璃管小。2/136H故流体力学实验思考题解答6H故如果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。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时。相互抵消了。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。因为只(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)，因此,相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等答: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。因为由观察可知,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表面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0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+6)与视在压强H的相对内径为0．8cm,箱体内径为20cm。答：加压后,水箱液面比基准面下降了6,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""D244则 (D)对单根测压管的容器若有Dd共10或对两根测压管的容器Dd共7时,便可使(二)伯诺里方程实验测压管水头线(P－P)沿程可升可降,线坡J可正可负。而总水头线(E-E)沿程只降不升,P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P3/13流体力学实验思考题解答P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,J<0。而据能量方P上的渐扩段和阀门等处,表明有较大的局部水头损失存在。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Av2pgY2)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 (A)2g (A)2g3、测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？测点2、3位于均匀流断面,测点高差0．7cm,H=Z+p均为37.1cm(偶有毛细PY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※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)降低相关管线的安装高程,(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)更具有工程实际意义。因为若管系落差不变,单单降低管线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pY得以4/13流体力学实验思考题解答增大(Z),从而可能避免点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:y取基准面及计算断面1、2、3如图所示,计算点选在管轴线上(以下水拄单位均为cm)。32y2gw1-22y2gw1-2Gc1.2es又由连续方程有2g(d2)2g又由连续方程有2g(d2)2g(2)故式(1)可变为(2)3132gc1.32g13c1.32222?(Z+py)(dd)4+G5/13(2)流体力学实验思考题解答(2)32132223阻力系数分别为G=1.5,G=5.37。再将其代入式(5)得cc1.3?(Z+py)1.374+1.15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?(Z+py)/?(编h)接近于22零,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。变水头实验可证明结论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d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头线偏高。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，只有按实验原理与方法测绘的总水头线才更准确。※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v、园管的直径d有关,既因此从广义上看,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实验,得出了无量纲参数(vd/v)作为管流流态的判据。他不但深刻揭示了流态转变的规律。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相同的无可以认为式(1)的函数关系能用指数的乘积来表示。即K无量纲系数。式(2)的量纲关系为6/13流体力学实验思考题解答(3)(3)从量纲和谐原理,得:12L2a+a:12a=1a=a=1a=-1将上述结果，代入式(2),得v'=Kd或v雷诺实验完成了K值的测定，以及是否为常数的验证。结果得到K=2320。于是，无量纲数定名为雷诺数。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。根据实验测定,上临界雷诺数实测值在3000~5000范围内,与操作快慢，水箱的紊动度,外0000。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。本实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,经反复多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2000~2300之间。因此,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,以至于间断面破裂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。相同管径下，如果平均流速越大，则梯度越大，即层间的剪流速越大，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过程显示。7/13流体力学实验思考题解答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：动动力学特性3、单位质量的能量损失与流速的一次方成正比(1.75~2)次方成正比运动学特性层流紊流(六)文丘里流量计实验对本实验的管道而言，若因加工精度影响，误将(d-0.01)cm值取代上述d22值时，本实验在最大流量下的山值将变为多少?4112214212212好精度，d不易测量准确,从而不可避免的要引起实验误差。例如本实验最大流量时山值22答：因为计算流量Qˊ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。答: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v的因素有：文氏管进口直径d,喉径d、流体的密度p、12(1)从中选取三个基本量,分别为:18/13冗=2流体冗=21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：1211113111分别有1111M:0=c111d2dvp,冗=1将各冗值代入式(1)得无量纲方程为1111p2d12d1e13de11进而可得流量表达式为冗41(2)冗41(2)3de1141d19/13流体力学实验思考题解答相似。为计及损失对过流量的影响,实际流量在式(3)中引入流量系数山计算,变为QQ41d1比较(2)、(4)两式可知,流量系数山与R一定有关，又因为式(4)中dd的函数关系Qe21并不一定代表了式(2)中函数f所应有的关系,故应通过实验搞清山与R、dd的相3Qe21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R、edd的关系就行了。21Qe21QeeQ另外，根据已有的很多实验资料分析,山与dd也有关,不同的dd值，可以得Q2121Rdd=2。所以实用上,对特定的文丘里管Qe21QeeQQ4、文丘里管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6-7mHO。工程中应用文氏管时，2应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果,分析本实验流量计喉颈最大真空2pav2H=2+2+h0y2gw1一2则pav2av22=H一2一h=V一V一2一hy02gw1一202gw1一2/13当或K=s=12=流当或K=s=12=p2<52.22cmHO2v22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2(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。及h=j=f2(dd)12表明影响局部阻力损失的因素是v和dd，由于有2突扩：=(1AA)2突缩：=0.5(1AA)s120.5(1AA)0.5(1AA)21AAe1212AA<0.512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hh=6.54/3.60=1.817。dd接近于1时,突扩的水流形态接近jejs12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流动演示仪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,扩大系流体力学实验思考题解答数越大，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要部位是在突缩断从以上分析知。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1/2~1／10。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(20~40)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h,有w12j1j2jnjif12式中：h—分别为两测点间互不干扰的各个局部阻力段的阻力损失；jih—被测段的局部阻力损失;jnh—两测点间的沿程水头损失。f12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h'，同样有h'=h+h+...+h+hw12j1j2ji1f12所以h=hh'jnw12w12Re>105如下:序号序号12345d2/d10.20.40.80