2025年流体力学实验解析与完整答案指南

试验一流体静力学试验水力学试验重庆交通大学水力学试验汇报试验分析与讨论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。试验直接观测可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。2.当PB<0时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。,对应容器的真空区域包括如下三部分：(1)过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占的空间区域，均为真空区域。(2)同理，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。(3)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。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液面高于小水杯液面高度相等。3.若再备一根直尺，试采用此外最简便的措施测定Y。。最简朴的措施，是用直尺分别测量水箱内通大气状况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h和ho,由式Yh。=Yoh,从而求得Yo。4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响?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，导致测量误差，毛细高度由下式计算式中，为表面张力系数；为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛细升高。常温(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm,=0.98dyn/mm。水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0。于是一般来说，当玻璃测压管的内径不小于10mm时，毛细影响可略而不计。此外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机玻璃作测压管时，浸润角较大，其h较一般玻璃管小。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，这个水平面是不是等压面?哪一部分液体是同一等压面?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。由于只有所有具有下列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),因此，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试验吗?关闭各通气阀门，启动底阀，放水半晌，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。由于由观测可知，测压管1的液面一直与c点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒定流动。这是由于液位的减少与空气补充使箱体表面真空度的减小处在平衡状态。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，水箱液面将下降而测压管液面将升高H,试验时，若以P₀=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+δ)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。加压后，水箱液面比基准面下降了，而同步测压管1、2的液面各比基准面升高了H,由水量平衡原理有则本试验仪故于是相对误差有因而可略去不计。其实，对单根测压管的容器若有D/d₁或对两根测压管的容器D/d₇时，便可使0.01。1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不一样?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J恒为正，即J>0。这是由于水在流动过程中，根据一定边界条件，动能和势能可互相转换。测点5至测点7,管收缩，部分势能转换成动能，测压管水头线减少，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E₁=E₂+h₁-2,ha₁-2为损失能量，是不可逆的，即恒有ha₁-2>0,故E₂恒不不小于E₁,(E-E)线不也许回升。(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.流量增长，测压管水头线有何变化?为何?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。并且随流量的增长阻力损失亦增大，管道任一过水断面上的总(2)测压管水头线(P-P)的起落变化更为明显。由于对于两个不一样直径的对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，靠近于常数，又管道断面为定值，故Q增3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别阐明了什么问题?测点2、3位于均匀流断面(图2.2),测点高差0.7cm,H=z+步均为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的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、114.试问防止喉管(测点7)处形成真空有哪几种技术措施?分析变化作用水头(如抬高或减少水箱的水位)对喉管压强的影响状况。下述几点措施有助于防止喉管(测点7)处真空的形成：(1)减小流量，(2)增大喉管管径，(3)减少对应管线的安装高程，(4)变化水箱中的液位高度。显然(1)、(2)、(3)均有助于制止喉管真空的出现，尤其(3)更具有工程实用意义。由于若管系落差不变，单单减少管线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弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程0—0,比位能降至零，比压能p/γ得以增大(Z),从而也许防止点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、2、3,计算点选在管轴线上(如下水柱单位均为cm)。于是由断面1、2的能量方程(取a₂=a₃=1)有因hu-2可表到达此处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又由持续性方程有故式(1)可变为式中可由断面1、3能量方程求得，即代入式(2)有(Z₂+P₂/γ)随h递增还是递减，可由(Z₂+P₂/γ)加以鉴别。因若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0,则断面2上的(Z+p/γ)随h同步递增。反之，则递减。文在试验汇报解答中，d₃/d₂=1.37/1,Z₁=50,Z₃=-10,而当h=0时，试验的(Z₂+P₂/γ)=6,v²/2g=3319,v²/2g=942,将各值代入式(2)、(3),可得该管道阻力系数分别为c1.2=1.5,升高对提高喉管的压强(减小负压)效果不明显。变水头试验可证明该结论对的。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均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。总压管液面的持续即为毕托管测量显示的总水头线，其中包括点流速水头。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。由于本试验毕托管的探头一般布设在管轴附近，其点流速水头不小于断面平均流速水头，因此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讨论，只有按试验原理与措施测绘总水头线才更精确。试验分析与讨论1、实测β与公认值(β=1.02～1.05)符合与否?如不符合，试分析原因。实测β=1.035与公认值符合良好。(如不符合，其最大也许原因之一是翼轮不转所致。为排除此故障，可用4B铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面。)2、带翼片的平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?为何?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平面通过翼片导致动量矩的差所致。即T=PQvm₂cosC₂r2-P2vm₁cosα₁式中Q——射流的流量；Vy₂₁——入流速度在yz平面上的分速；α₁——入流速度与圆周切线方向的夹角，靠近90°;α₂——出流速度与圆周切线方向的夹角；该式表明力矩T恒与x方向垂直，动量矩仅与yz平面上的流速分量有关。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方向的流速分量。因此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相似，试问对以上受力分析有无影响?当计及该分流影响时，动量方程为即该式表明只要出流角度与V₁垂直，则x方向的动量方程与设置导水管与否无关。4、滑动摩擦力*为何可以忽视不记?试用试验来分析验证x的大小，记录观测成果。(提醒：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水，观测活塞及液位的变化)因滑动摩擦力fx<5堵，故可忽视而不计。如第三次试验，此时h=19.6cm,当向测压管内注入1mm左右深的水时，活塞所受的静压力增大，约为射流冲击力的5。假如活动摩擦力不小于此值，则活塞不会作轴向移动，亦即h。变为9.7cm左右，并保持不变，然而实际上，此时活塞很敏感地作左右移动，自动调整测压管水位直至h。仍恢复到19.6cm为止。这表明活塞和活塞套之间的轴向动摩擦力几乎为零，故可不予考虑。5、V₂若不为零，会对试验成果带来什么影响?试结合试验环节7的成果予以阐明。按试验环节7取下带翼轮的活塞，使射流直接冲击到活塞套内，便可展现出回流与x方向的夹角α不小于90°(其V²不为零)的水力现象。本试验测得α≈135°,作用于活塞套圆心处的水深he'=29.2cm,管嘴作用水头H₀=29.45cm。而对应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，V²=0,he=19.6cm。表明V₂x若不为零，对动量立影响甚大。由于V²x不为零，则动量方程变为=-PQ[B₁vix+β₂v₂cos(180-α)]就是说he'随V₂及α递增。故试验中h。'>h。实际上，he'随V₂及α的变化又受总能头的约束，这是由于由能量方程得而因此h<H₀从式(2)知，能量转换的损失较小时，△H一管嘴的作用水头。1.运用测压管测量点压强时，为何要排气?怎样检查排净与否?毕托管、测压管及其连通管只有充斥被测液体，即满足持续条件，才有也许测得真值，否则假如其中夹有气柱，就会使测压失真，从而导致误差。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，试验过程中很也许变成堵塞性气柱而影响量测精度。检查的措施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与否齐平。假如气体已排净，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?为何?由于u=c√2g△h即△h=(φlc)²△H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φ=0.9961‰。因此△h<△H。3.所测的流速系数阐明了什么?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，可得本试验在管嘴沉没出流的轴心处测得Ø=0.995,表明管嘴轴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2-3cm轴心处，其点流速系数为0.996,试问本试验的毕托管精度怎样?怎样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,则有而毕托管测得的该点流速为203.46cm/s,则ε=0.2‰欲率定毕托管的修正系数，则可令c=φ√AH/△h5.普朗特毕托管的测速范围为0.2-2m/s,轴向安装偏差规定不应不小于10度，试阐明原因。(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不不小于0.2m/s时，毕托管测得的若用30倾斜压差计测量此压差值，因倾斜压差计的读数值差△h为那么当有0.5mm的判读误差时，流速的相对误差可达6%。而当流速不小于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导致误差。(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ucosα,则对应所测流速误差为α若>10,则E>1-cos10°=00156.为何在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一老式的流体测速仪器?毕托管测速原理是能量守恒定律，轻易理解。而毕托管经长期应用，不停改善，已十分完善。具有构造简朴，使用以便，测量精度高，稳定性好等长处。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、电的测速技术及其有关仪器，虽具有瞬时性，敏捷、精度高以及自动化记录等诸多长处，有些长处毕托管是无法到达的。但往往因其机构复杂，使用约束条件多及价格昂贵等原因，从而在应用上受到限制。尤其是传感器与电器在信号接受与放大处理过程中，有否失真，或者随使用时间的长短，环境温度的变化与否飘移等，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用专门装置定期率定(有时是运用毕托管作率定)。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措施。试验五雷诺试验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年此前的试验中，发现园管流动存在两种流态——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及园管的直径d有关，即因此从广义上看，V’不能作为流态转变的判据。为了鉴别流态，雷诺对不一样管径、不一样粘性液体作了大量的试验，得出了用无量纲参数 (vd/v)作为管流流态的判据。他不仅深刻揭示了流态转变的规律，并且还为后人用无量纲化的措施进行试验研究树立了典范。用无量纲分析的雷列法可得出与雷诺数成果相似的无量纲数。可以认为式(1)的函数关系能用指数的乘积来表达。即其中K为某一无量纲系数。式(2)的量纲关系为从量纲友好原理，得联立求解得α₁=1,α₂=-1将上述成果，代入式(2),得或雷诺试验完毕了K值的测定，以及与否为常数的验证。成果得到K=2320。于是，无量纲数vd/v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，伴随量纲分析理论的完善，运用量纲分析得出无量纲参数，研究多种物理量间的关系，成了根据试验测定，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，外界干扰等亲密有关。有关学者做了大量试验，有的得1,有的得0,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。只有下临界雷诺数才可以作为鉴左右。3.雷诺试验得出的圆管流动下临界雷诺数2320,而目前一般教科书中简介采用的下临界雷诺数下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关。雷诺试验是在环境的干扰极小，试验前水箱中的水体经长时间的稳定状况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量试验很难反复得出雷诺试验的精确数值，一般在～2300之间。因此，从工程实用出发，教科书中简介的园管下临界雷诺数一般是。从紊动机理试验的观测可知，异重流(分层流)在剪切流动状况下，分界面由于扰动引起细微波动，并随剪切流速的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以至于间断面破裂而形成一种个小旋涡。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，并且因壁面上的流速恒为零。相似管径下，假如平均流速越大则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于是就轻易产生紊动。紊动机理试验所见的波动→破裂→旋涡→质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变为紊流的过程显示。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：层流：1.质点有律地作分层流动2.断面流速按抛物线分布3.运动要素无脉动现象紊流：1.质点互相混掺作无规则运动2.断面流速按指数规律分布3.运动要素发生不规则的脉动现象方成正比1.流层间无质量传播2.流层间无动量互换3.单位质量的能量损失与流速的一次方成正比1.流层间有质量传播2.流层间存在动量互换3.单位质量的能量损失与流速的(1.75～2)次试验六文丘里流量计试验试验分析与讨论1.本试验中，影响文丘里管流量系数大小的原因有哪些?哪个原因最敏感?对d₂=0.7cm的管道而言，若因加工精度影响，误将(d₂-0.01)cm值取代上述d₂值时，本试验在最大流量下的μ值将变为多少?可见本试验(水为流体)的μ值大小与Q、d₁、d₂、△h有关。其中di、d2影响最敏感。本试验中若文氏管d₁=1.4cm,d=0.71cm,一般在切削加工中d1比d₂测量以便，轻易掌握好精度，d₂不易测量精确，从而不可防止的要引起试验误差。例如当最大流量时μ值为0.976,若d₂的误差为一0.01cm,那么μ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?由于计算流量Q'是在不考虑水头损失状况下，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μ<1.0。3.试证气—水多管压差计(图6.4)有下列关系：如图6.4所述，△h₁=h₁-h₂,△A=h-h,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体现式，然后结合试验成果，便可深入弄清流量计的量测特性。对于平置文丘里管，影响v₁的原因有：文氏管进口直径d₁,喉径d₂、流体的密度p、动力粘滞系数μ及两个断面间的压强差△P。根据π定理有f(v²,dj,d₂,p,A,4p)=0从中选用三个基本量，分别为：共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲π数，分别为：根据量纲友好原理，π1的量纲式为分别有L:1=a₁+b₁-3c₁联解得：a₁=1,b₁=0,ci=0,将各π值代入式(1)得无量纲方程为或写成进而可得流量体现式为式(2)与不计损失时理论推导得到的相似。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H计算，变为比较(2)、(4)两式可知，流量系数H与R。一定有关，又由于式(4)中d₂/d₁的函数关系并不一定代表了式(2)中函数3所应有的关系，故应通过试验弄清H与Re、d₂/d1的有关性。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，只要弄清它与R。及d₂/d₁的关系由试验所得在紊流过渡区的H₀~R。关系曲线(d₂/d₁为常数),可知H随R。的增大而增大，因恒有μ<1,故若使试验的R.增大，μ将渐趋向于某一不不小于1的常数。此外，根据已经有的诸多试验资料分析，H与d₁/d₂也有关，不一样的d₁/d2值，可以得到不一样的H~R.关系曲线，文丘里管一般使d₁/d₂=2。因此实用上，对特定的文丘里管均需试验率定H₀~R。的关系，或者查用相似管径比时的经验曲线。尚有实用上较合适于被测管道中的雷诺数R>2×10⁵,使H₀值靠近于常数0.98。流量系数H的上述关系，也正反应了文丘里流量计的水力特性。5.文氏管喉颈处轻易产生真空，容许最大真空度为6～7mH₂O。工程中应用文氏管时，应检查其最大真空度与否在容许范围内。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?本试验若d₁=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1—1和2—2计算断面，立能量方程得则即试验中最大流量时，文丘里管喉颈处真空度久>52cmH₂O,而由本试验实测为60.5cmH₂0。若需达到阻力平方区，那么相应的R=10⁶~9×10⁶,流速 R(3)式精度最高。在反求时，(2)式开方应取负号。告所列的试验值，也是如此。但是，有的实验结果如果由于误差所致，那么据下式分析z=π²gd⁵h,/8lQ²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。还可以从减阻剂对水流减阻作用上作探讨，由于自动水泵(八)局部阻力试验1、结合试验成果，分析比较突扩与突缩在对应条件下的局部损失大小关表明影响局部阻力损失的原因是v和d₁/d₂,由于有突扩：5e=(1-A₁/A₂)²突缩：5=0.5(1-A₁/A₂)则有时，忽然扩大的水头损失比对应忽然收缩的要大。在本试验最大流量Q下，突扩损失较突缩损失约大一倍，即h;/h,=6.54/3.60=1.817。d₁/d₂靠近于1时，突扩的水流形态靠近于逐渐扩大管的流动，因而阻力损失明显减小。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重要部位在哪里?怎样减小局部阻力损失?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。旋从流动仪可见，突扩段的旋涡重要发生在突扩断面后来，并且与扩大从以上分析知。为了减小局部阻力损失，在设计变断面管道几何边界3.现备有一段长度及联接方式与调整阀(图5.1)相似，内径与试验管道两点法是测量局部阻力系数的简便有效措施。它只需在被测流段(如阀门)前后的直管段长度不小于(20~40)d的断面处，各布置一种测压点便可。先测出整个被测流段上的总水头损失h-2,有hm-2=h,+h;2+…+hm+…+h,;式中：h,,一分别为两测点间互不干扰的各个局部阻力段的阻力损失；h;—被测段的局部阻力损失；然后，把被测段(如阀门)换上一段长度及联接措施与被测段相似，内径与管道相似的直管段，再测出相似流量下的总水头损失h-2,同样有hw-2=h,;₁+h;₂+…+※4、试验测得突缩管在不一样管径比时的局部阻力系数R>10如下：0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鉴别法确定。二级差分如下表i12345二级差