试验一流体静力学试验.docx

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试验一流体静力学试验

工程流体力学实验报告

实验一流体静力学实验

实验原理

在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程

或（1.1）

式中：

z被测点在基准面的相对位置高度；

p被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；

p0水箱中液面的表面压强；

γ液体容重；

h被测点的液体深度。

另对装有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面可得油的比重S0有下列关系：

（1.2）

据此可用仪器（不用另外尺）直接测得S0。

实验分析与讨论

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，即静水力学实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。

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，确定水箱内的真空区域。

，相应容器的真空区域包括以下三部分：

（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，试采用另外最简便的方法测定γ0。

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h和h0，由式，从而求得γ0。

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，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。

于是有（h、d单位为mm）

一般来说，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，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。

因为只有全部具备下列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？

关闭各通气阀门，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+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

则

本实验仪d=0.8cm,D=20cm,

故H=0.0032

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/d10或对两根测压管的容器D/d7时，便可使0.01。

实验二不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺利方程）实验

实验原理

在实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（i=2,3,……,n）

取a1=a2=…an=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及，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，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。

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相应减小，故的减小更加显著。

（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

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？

测点2、3位于均匀流断面（图2.2），测点高差0.7cm，HP=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、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0—0，比位能降至零，比压能p/γ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a2=a3=1）有

（1）

因hw1-2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

（2）

式中可由断面1、3能量方程求得，即

（3）

由此得

（4）

代入式

（2）有（Z2+P2/γ）随h递增还是递减，可由（Z2+P2/γ）加以判别。

因

（5）

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/γ）=6，，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/γ）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、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。

实验三不可压缩流体恒定流动量定律实验

实验原理

恒定总流动量方程为

取脱离体，因滑动摩擦阻力水平分离，可忽略不计，故x方向的动量方程化为

即

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。

实验中，在平衡状态下，只要测得Q流量和活塞形心水深hc，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。

实验分析与讨论

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，其最大可能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？

为什么？

无影响。

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平面通过翼片造成动量矩的差所致。

即

式中Q——射流的流量；

Vyz1——入流速度在yz平面上的分速；

Vyz2——出流速度在yz平面上的分速；

α1——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90°；

α2——出流速度与圆周切线方向的夹角；

r1,2——分别为内、外圆半径。

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。

所以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相同，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、滑动摩擦力为什么可以忽略不记？

试用实验来分析验证的大小，记录观察结果。

（提示：

平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水，观察活塞及液位的变化）

因滑动摩擦力<5墸，故可忽略而不计。

如第三次实验，此时hc=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。

假如活动摩擦力大于此值，则活塞不会作轴向移动，亦即hc变为9.7cm左右，并保持不变，然而实际上，此时活塞很