流体力学实验分析.docx

1、流体力学实验分析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?答：测压管水头指 Z 卫，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Po 0时，第2次B点量测数据（表1.1）为例，此时匹 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

2、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，测压的一段水注亦为真空区。这段高度与测压管液面高于小水杯液面高度相等，均为2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管 4H 0 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 whw oho，从而求得 。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, 4 coshd式中， 为表面张力系数；

3、为液体的容重；d为测压管的内径； h为毛细升高。常温（t 20 C ）的水， 7.28dy n/mm 或 0.073N/m , 0.98dy n/mm3。水与玻璃的浸润角 很小，可认为cos 1.0。于是有29 7 h 17 h、d单位均为mmd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

4、，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 只有全部具备下列（1）（2）（3）（4）（5）1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为 5个条件的平面才是等压面：重力液体； 静止； 连通； 连通介质为同一均质液体； 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。探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 就是变液位下的恒定流。底阀上的总水头不变， 的减小处于平衡状态。 器的变液位下恒定流。D2探7、该仪器在加气增压后，水箱液面将下降

5、而测压管液面将升高于是相对误差 有0.00320.00321 0.0032因而可略去不计。对单根测压管的容器若有D d 10或对两根测压管的容器 D d 7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J0。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，Jp0。, 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， Jp0，故E2恒小于

6、Ei， （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q2Hp Z - E ，任一断面起始的总水头 E及管道过流断面面积 A为定值时，QP 2gA22增大，就增大，则Z 卫必减小。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 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A Q2 A；

7、2g接近于常数，又管道断面为定式中 为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时, 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， Hp Z 卫均为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

8、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。探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 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：

9、当作用水头增大 h时，测点7断面上Z 卫值可用能量方程求得。C1.3是管道阻力的总损失系数。则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。Z2 P2/ 6 , v；/2g 33.19 , v；/2g 9.42，将各值代入式（2）、（3）,可得该管道阻力系数分别为 c1.21.5， c1.3 5.37。再将其代入式（5）得Z2 p2 1h41.37 1.150.267 01 5.37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

10、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 v 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

11、测绘的总水头线才更准确。（五）雷诺实验仁 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(1)v f ,d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

12、 K W2 （ 2）其中K为某一无量纲系数。式（2）的量纲关系为LT 1 L2T 1 3 L a2从量纲和谐原理，得I : 2a a? 1T : ai 1联立求解得 ai 1 , a2 1将上述结果，代入式（2）,得雷诺实验完成了 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

13、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 30005000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

14、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 20002300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， 因剪切流动而弓丨起的界面失稳的波

15、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2、 断面流速按抛物线分布3、 运动要素无脉动现象1、 流层间无质量传输2、 流层间无动量交换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

16、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1、 流层间有质量传输2、 流层间存在动量交换3、 单位质量的能量损失与流速的（1.752）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 （d2-0.0l） 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 d； . 2g h / . d! d2 4 1 得4Q . d24 di4 /2g h4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。本实验的文氏管 d

17、i 1.4cm，d2 0.71cm，通常在切削加工中 di比d?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 Q /与实际流量 Q不相等？答：因为计算流量 Q/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， Q Q,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

18、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2f v、d1 d2、 、 、 p 0 （1）从中选取三个基本量，分别为：d1 L1T0M 0v1 L1T 1M 0L3T0MiClbiCi或写成f&，)di di Vi(2)(3)进而可得流量表达式为Q di2 ,2g hf3(虫、Rei)4 diIQ 4贰越/ ；佥）4 i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Q Q ； di 2g h / （一） 1 （4）4 X di比较（2）、（ 4）两式可知，流量系数 Q与Re 定有关，又

19、因为式（4）中d2/d,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、d di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、d2di的关系就行了。由本实验所得在紊流过渡区的 QRe关系曲线（d2 di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d di也有关，不同的d2di值，可以得到不同的 QRe关系曲线，文丘里管通常使d di 2。所以实用上，对特定的文丘里管 均需实验率定 QRe的关系，或者查用相同管径比时

20、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 i05，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 6-7mH 2O0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？分别为i-2和2-2计算断面，立能量方程得2V22ghwi 22ghwi 260.5cmH 2O。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的真空度可达7mH2O。(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

21、损失大小关系。由式2hj -j 2g及f(d1 d2)表明影响局部阻力损失的因素是 v和dd2，由于有突扩：e (1 Al.A2)2突缩：s 0.5(1 A1.A2)则有当或K 仝 0.5(1 Ai A2) 0.5e (1 Ai A2)2 1 Ai A2Ai A2 0.5d1 d2 0.707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hjjhjs 6.54/3.60 1.817。dd2接近于1时，突扩的水流形态 接近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失

22、的主要部位在哪里？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 系数越大，旋涡区也越

23、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面后。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 1/21/10。突然收缩实验管道，使用年份长后，实测阻力系数减小，主要

24、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（2040）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hwi 2，有hw1 2 hji hj2 hjn hji hfi 2式中：hji 分别为两测点间互不干扰的各个局部阻力段的阻力损失；hjn 被测段的局部阻力损失；hfi 2 两测点间的沿程水头损失。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

25、总水头损失 h 2，同样有h w1 2 hji hj2 hji 1 hf1 2所以 hjn g 2 hwi 25探4、实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数 尺10如下:序号12345d2/di0.20.40.60.81.00.480.420.320.180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判别法确定。由实验数据求得等差 x（令x d2 /d1）相应的差分 y（令y ），其一、二级差分如F表1 234 5x0.20.20.20.2y-0.06-0.1-0.04-0.182y-0.04-0.04-0.04、 2二级差分 y为常数，故此经验公式类型为(2)

26、用最小乘法确定系数2Yi 巾。b/ b?Xi 是实验值与经验公式计算值的偏差。 如用表示偏差的平方和，5Yi bo dXii 1为使为最小值，则必须满足bobib2列表计算如下:iXi d2 /d1Yi2Xi3Xi10.20.480.040.00820.40.420.160.06430.60.320.360.21640.80.180.640.51251.001.001.00总和5Xi 3i 15Yi 1.4i 15x： 2.2i 15X3 1.8i 1i4 XiYiXi2YiXi10.00160.0960.019220.02560.1680.067230.1300.1920.11540.410

27、0.1440.11551.0000555总和4Xi 1.567yiXi 0.62yiXi 0.3164i 1i 1i 1将上表中最后一行数据代入方程组( 3)，得到1.4 5b0 3b, 2.2b2 00.3164 2.2b0 1.8b, 1.567b2 0解得b0 0.5 , b, 0 , d 0.5，代入式(1)有 y 0.5(1 x2)于是得到突然收缩局部阻力系数的经验公式为20.51 (d2/d1)或 0.5(1 ) ( 5)A1探5试说明用理论分析法和经验法建立相关物理量间函数关系式的途径。突扩局部阻力系数公式是由理论分析法得到的。一般在具备理论分析条件时，函数式 可直接由理论推演得，但有时条件不够，就要引入某些假定。如在推导突扩局部阻力系数时， 假定了“在突扩的环状面积上的动水压强按静水压强规律分布” 。引入这个假定的前提是有充分的实验依据，证明这个假定是合理的。理论推导得出的公式，还需通过实验验证其正确 性。这是先理论分析后实验验证的一个过程。经验公式有多种建立方法，突缩的局部阻力系数经验公式是在实验取得了大量数据的基础上，进一步作数学分析得出的。这是先实验后分析归纳的一个过程。 但通常的过程应是先理论分析(包括量纲分析等)后实验研究，最后进行分析归纳。