2025年流体力学实验深度解析与思考题全方位攻略

水力学试验汇报试验二不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺利方程)试验试验三不可压缩流体恒定流动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八局部阻力试验试验二不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺利方程)试验试验原理在试验管路中沿管内水流方向取n个过断面。可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的能量方程式取al=a2=…an=1,选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读{值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v从而即可得到各断面测管水头和总水头。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+hw1-2,hw1-2为损失能量，是不可逆的，即恒有hw₁-2>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水头E对应减小，i的减小愈加明显。(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,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hw1-2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数。又由持续性方程有故式(1)可变为式中v3/28可由断面1、3能量方程求得，即v3/2g=(Z₁-Z₃+△h)/(1在试验汇报解答中，d₃/d₂=1.37/1,Zi=50,Z₃=-10,,v²/2g=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,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E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讨论，只有按试验原理与措施测绘总水头线才更精确。试验三不可压缩流体恒定流动量定律试验试验原理恒定总流动量方程为F=pQ(B₂v₂-B₁v₁)取脱离体，因滑动摩擦阻力水平分离fx<05%Fx,可忽视不计，故x方向的动量方程化为式中：hc——作用在活塞形心处的水深；D——活塞的直径；Q——射流流量；V¹x——射流的速度；β₁——动量修正系数。试验中，在平衡状态下，只要测得Q流量和活塞形心水深he,由给定的管嘴直径d和活塞直径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β1值。其中，测压管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=PQvm₂cosC₂22-Pvc₁cosα₁式中Q——射流的流量；Vyzi——入流速度在yz平面上的分速；Vy₂2——出流速度在yz平面上的分速；a1——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?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x为何可以忽视不记?试用试验来分析验证*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x<5堵，故可忽视而不计。如第三次试验，此时he=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he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he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、V₂x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V₂x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Ho=29.45cm。而对应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，V₂x=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[β₁vix+β₂v₂cos(180-α)]就是说he'随V₂及α递增。故试验中he'>hc。实际上，hc'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，试验四毕托管测速试验试验原理u=c√2g△h=k√△hc一毕托管的校正系数；△h一毕托管全压水头与静水压头差。u=φ√2g△H联解上两式可得³=c√Ah/△H式中：u—测点处流速，由毕托管测定；-测点流速系数；△H一管嘴的作用水头。试验分析与讨论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4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：5为流管在某一流段上的损失系数；为点流速系数。本试验在管嘴沉没出流的轴心处测得φ=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e=0.2‰欲率定毕托管的修正系数，则可令:c=φ√△H/△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，毕托管测得的压若用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△h'=△h/sin30°=2×0.204=0.408cm,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6.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试验五雷诺试验试验原理试验分析与讨论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，vd/v定命为雷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，成了现今试验研究的重要手段之一。2.为何认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与紊流的判据?实测下临界雷诺数为多少?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别流态的原则。凡水流的雷诺数不不小于下临界雷诺数者必为层流。一般实测下临界雷诺数为21003.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是，原因何在?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。4.为何在测R调小流量的过程中，不许有反调?当流量由大逐渐变小，由紊流变为层流，就对应了一种下临界rel;当流量由0逐渐变大，由层流变为紊流，就对应了一种上临界re2。上临界re2受外界干扰不稳定，而下临界re1较之更稳定，因此一般取下临界re1。由上可知，反调破坏了产生下临界的调整，因此不容许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成正比3.单位质量的能量损失与流速的一次方成正比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)次方试验六文丘里流量计试验试验原理根据能量方程式和持续性方程式，可得不计阻力作用时的文氏管过水能力关系式式中：△h为两断面测压管水头差。由于阻力的存在，实际通过的流量Q恒不不小于Q’。今引入一无量纲系数μ=Q/Q'(μ称为流量系数),对计算所得的流量值进行修正。 即Q=AQ'=μK√△h另，由水静力学基本方程可得气—水多管压差计的△h为Ah=-点+h-h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、di、d₂、△h有关。其中d₁、d₂影响最敏感。本试验中若文氏管d₁=1.4cm,d₂=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.试证气一水多管压差计(图6.4)有下列关系：如图6.4所述，△h₁=h-h₂,△A=k-h,:(Z₁+p₁/y)-(Z₂+p₂/y)=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对于平置文丘里管，影响v₁的原因有：文氏管进口直径d,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μQ计算，变为比较(2)、(4)两式可知，流量系数μQ与Re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μQ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Re及d₂/d₁的关系由试验所得在紊流过渡区的μQ~Re关系曲线(d₂/d₁为常数),可知μQ随Re的增大而增大，因恒有μ<1,故若使试验的Re增大，μQ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，μQ与d₁/d₂也有关，不一样的di/d₂值，可以得到不一样的μQ~Re关系曲线，文丘里管一般使di/d₂=2。因此实用上，对特定的文丘里管均需试验率定μQ~Re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流量系数μQ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=315-35-80.22-hL-2=-52.2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60.5cmH₂O。深入分析可知，若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(参照能量方程试验解答六—4)。(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及5=f(d₁/d₂)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、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。旋摩擦，便消耗了部分水体的自储能量。此外，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量小。如欲减小本试验