流体力学实验思考题解答.docx
《流体力学实验思考题解答.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《流体力学实验思考题解答.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
流体力学实验思考题解答
流体力学实验思考题解答
(一)流体静力学实验
1、同一静止液体内的测压管水头线是根什么线?
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
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。
2、当pB
0时,试根据记录数据确定水箱的真空区域。
答:
以当p0
0时,第2
次B点量测数据(表
1.1)为例,此时
pB
0.6cm
0,相应
容器的真空区域包括以下
3三部分:
(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。
PA
(3)在测压管5中,自水面向下深度为
H
0
的一段水注亦为真空区。
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
PA
0。
液面高于小水杯液面高度相等,均为
H
3、若再备一根直尺,试采用另外最简便的方法测定0。
答:
最简单的方法,是用直尺分别测量水箱内通大气情况下,管5油水界面至水面和油水界
面至油面的垂直高度hw和ho,由式whwoho,从而求得o。
4、如测压管太细,对测压管液面的读数将有何影响?
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,毛细高度由下式计算
式中,为表面张力系数;为液体的容重;d为测压管的内径;h为毛细升高。
常温
(t20C)的水,7.28dyn/mm或0.073N/m,0.98dyn/mm3。
水与玻
璃的浸润角很小,可认为cos1.0。
于是有
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
较普通玻璃管小。
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。
5、过C点作一水平面,相对管1、2、5及水箱中液体而言,这个水平是不是等压面?
哪一
部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
1
只有全部具备下列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实验吗?
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,实验时,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
)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。
答:
加压后,水箱液面比基准面下降了
,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
D2
2
2d2H
则
2
d
4
4
H
D
本实验仪
d0.8cm,D
20cm
故
H
0.0032
于是相对误差
有
因而可略去不计。
对单根测压管的容器若有
Dd
10
或对两根测压管的容器
Dd7时,便可使
0.01。
(二)伯诺里方程实验
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JP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。
如图所示,测点5至测点
7,管渐缩,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恒小于E1,(E-E)
线不可能回升。
(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
图上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?
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
HpZ
p
Q
2
E及管道过流断面面积
A为定值时,Q
E
,任一断面起始的总水头
2gA2
2
增大,
v
2
p
就增大,则Z
必减小。
而且随流量的增加,阻力损失亦增大,管道任一过水
2g
断面上的总水头
E相应减小,故Z
p
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
HP
pv22
v12
v22
Q2A22
Q2A12
Q2A22
Z
2g
2g
2g
2g
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?
测点2、3位于均匀流断面,测点高差
0.7cm,HPZ
p
均为37.1cm(偶有毛细影
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
p得
以增大(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:
当作用水头增大
h时,测点
7断面上
Z
p
值可用能量方程求得。
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)。
于是由断面1、2的能量方程(取
23
1
)有
Z1
p2
v22
(1)
hZ2
hw12
2g
因hw12可表示成hw12
l1.2
v32
v32
d2
e
s
2g
c1.2
2g
3
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。
v22
4
v32
又由连续方程有
d3
2g
d2
2g
p2
d3
4
v32
故式
(1)可变为
Z2
Z1
h
(2)
d2
c1.2
2g
式中v322g可由断面1、3能量方程求得,即
Z1
h
Z3
v32
v32
(3)
2g
c1.32g
c1.3是管道阻力的总损失系数。
由此得
v322g
Z1
Z3
h/1
c1.3
,代入式
(2)有
p2
d3
4
Z1
Z3
h
Z2
Z1
h
c1.2
(4)
d2
1
c1.3
Z2
p2
随
h递增还是递减,可由
Z2
p2
/
h加以判别。
因
Z2
p2
1
d3
d2
4
c1.2
(5)
h
1
c1.3
若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。
文丘里实验为递减情况,可供空化管设计参考。
因本实验仪d3d21.371,Z1
50,Z3
10,而当
h0时,实验的
Z2
p2
6
,v22
2g
33.19,v32
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
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/h接近于
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
正确。
5、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实测
的Z
p
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
4
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。
因此,本实验由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,只有按实验原理与方法测绘的总水头线才更准确。
(五)雷诺实验
※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、园管的直径d有关,既
v'
f,d
(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实验,得出了无量纲参数
vd/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
v'
Ka1da2
(2)
其中K为某一无量纲系数。
式
(2)的量纲关系为
LT
1
2
T
1a1
L
a2
L
(3)
从量纲和谐原理,得
L:
2a1
a2
1
T:
a1
1
联立求解得
a1
1,a2
1
将上述结果,代入式(
2),得
v
'
K
v'd
K
d
或
(4)
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
vd/
便成了适合于任何管径,任何牛顿流体的流态转变的判据。
由于雷诺的贡献,
vd/
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
5
现今实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和紊流的判据?
实测下临界雷诺数为多少?
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,
外界干扰等密切相关。
有关学者做了大量试验,有的得12000,有的得20000,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
验实测下临界雷诺数为2178。
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,即层间的剪切
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。
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:
运动学特性
动力学特性
层流
1、质点有规律地作分层流动
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则运动
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、运动要素发生不规则的脉动现象
3、单位质量的能量损失与流速的
(1.75~2)次方成正比
(六)文丘里流量计实验
1、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?
对本实验的管道而言,若因加工精度影响,误将
(d2-0.01)cm值取代上述d2
值时,本实验在最大流量下的
值将变为多少?
答:
由式Q
d122g
h/
4
1
d1d2
得
4
可见本实验(水为流体)的
值大小与Q、d1、d2、
h有关。
其中d1、d2影响最敏感。
6
本实验的文氏管d11.4cm,d20.71cm,通常在切削加工中d1比d2测量方便,容易掌
握好精度,d2不易测量准确,从而不可避免的要引起实验误差。
例如本实验最大流量时
值为0.976,若d2的误差为-0.01cm,那么值将变为1.006,显然不合理。
2、为什么计算流量Qˊ与实际流量Q不相等?
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
在粘性必引起阻力损失,从而减小过流能力,QQ',即1.0。
3、试应用量纲分析法,阐明文丘里流量计的水力特性。
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
v1的因素有:
文氏管进口直径
d1,喉径d2、流体的密度
、
动力粘滞系数
及两个断面间的压强差
p。
根据定理有
fv2、d1、d2、、、p0
(1)
从中选取三个基本量,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
数,分别为:
根据量纲和谐原理,
1的量纲式为
分别有
L
:
1
a1
b13c1
T
:
0
b1
M:
0c1
联解得:
a1
1,b1
0,c1
0,则
1
d2
,
同理
2
,3
p
d1
d1v1
v12
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
Q
d12
2ghf3(d2、Re1)
(2)
4
d1
Q'
d12
2gh/(d2)4
1
(3)
4
d1
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
Q计算,变为
7
Q
Q
d122gh/(d2)4
1
(4)
4
d1
比较
(2)、(4)两式可知,流量系数
Q与Re一定有关,又因为式(
4)中d2d1的函数关
系并不一定代表了式
(2)中函数f3所应有的关系,故应通过实验搞清
Q与Re、d2d1
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、d2
d1
的关系就行了。
由本实验所得在紊流过渡区的
Q~Re关系曲线(d2d1为常数),可知Q随Re的增
大而增大,因恒有
1,故若使实验的
Re增大,
Q将渐趋向于某一小于
1的常数。
另外,根据已有的很多实验资料分析,
Q与d2
d1也有关,不同的
d2d1值,可以得
到不同的
Q~Re关系曲线,文丘里管通常使d2d1
2。
所以实用上,对特定的文丘里管
均需实验率定
Q~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
2
105,使
Q值接近于常数0.98。
流量系数Q的上述关系,也反映了文丘里流量计的水力特性。
4、文丘里管喉颈处容易产生真空,允许最大真空度为6-7mH2O。
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,分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少?
答:
本实验d11.4cm,d20.71cm,以管