哈爾濱工程大學流體力學水力學報告及答案.doc

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1、哈爾濱工程大學工程流體力學水力學實驗報告實驗一 流體靜力學實驗實驗原理在重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程 或 (1.1)式中： z被測點在基準面的相對位置高度； p被測點的靜水壓強，用相對壓強表示，以下同； p0水箱中液面的表面壓強； 液體容重； h被測點的液體深度。另對裝有水油（圖1.2及圖1.3）U型測管，應(yīng)用等壓面可得油的比重S0有下列關(guān)系： (1.2)據(jù)此可用儀器（不用另外尺）直接測得S0。實驗分析與討論1.同一靜止液體內(nèi)的測管水頭線是根什么線？測壓管水頭指，即靜水力學實驗儀顯示的測管液面至基準面的垂直高度。測壓管水頭線指測壓管液面的連線。實驗直接觀察可知，同一靜止液面的測壓管水頭

2、線是一根水平線。2.當PB0。這是因為水在流動過程中，依據(jù)一定邊界條件，動能和勢能可相互轉(zhuǎn)換。測點5至測點7，管收縮，部分勢能轉(zhuǎn)換成動能，測壓管水頭線降低，Jp0。測點7至測點9，管漸擴，部分動能又轉(zhuǎn)換成勢能，測壓管水頭線升高，JP0，故E2恒小于E1，（E-E）線不可能回升。(E-E) 線下降的坡度越大，即J越大，表明單位流程上的水頭損失越大，如圖2.3的漸擴段和閥門等處，表明有較大的局部水頭損失存在。2.流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？有 如 下 二 個 變 化 ：（1）流量增加，測壓管水頭線（P-P）總降落趨勢更顯著。這是因為測壓管水頭，任一斷面起始時的總水頭E及管道過流斷面面積

3、A為定值時，Q增大，就增大，則必減小。而且隨流量的增加阻力損失亦增大，管道任一過水斷面上的總水頭E相應(yīng)減小，故的減小更加顯著。（2）測壓管水頭線（P-P）的起落變化更為顯著。因為對于兩個不同直徑的相應(yīng)過水斷面有式中為兩個斷面之間的損失系數(shù)。管中水流為紊流時，接近于常數(shù)，又管道斷面為定值，故Q增大，H亦增大，（P-P）線的起落變化就更為顯著。3.測點2、3和測點10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？測點2、3位于均勻流斷面（圖2.2），測點高差0.7cm，HP=均為37.1cm（偶有毛細影響相差0.1mm），表明均勻流同斷面上，其動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布。測點10、11在彎管的急變流斷面上

4、，測壓管水頭差為7.3cm，表明急變流斷面上離心慣性力對測壓管水頭影響很大。由于能量方程推導時的限制條件之一是“質(zhì)量力只有重力”，而在急變流斷面上其質(zhì)量力，除重力外，尚有離心慣性力，故急變流斷面不能選作能量方程的計算斷面。在繪制總水頭線時，測點10、11應(yīng)舍棄。4.試問避免喉管（測點7）處形成真空有哪幾種技術(shù)措施？分析改變作用水頭（如抬高或降低水箱的水位）對喉管壓強的影響情況。下述幾點措施有利于避免喉管（測點7）處真空的形成：（1）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）降低相應(yīng)管線的安裝高程，（4）改變水箱中的液位高度。顯然（1）、（2）、（3）都有利于阻止喉管真空的出現(xiàn)，尤其（3）更具有工程實

5、用意義。因為若管系落差不變，單單降低管線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彎管，后接水平段，將喉管的高程降至基準高程00，比位能降至零，比壓能p/得以增大（Z），從而可能避免點7處的真空。至于措施（4）其增壓效果是有條件的，現(xiàn)分析如下：當作用水頭增大h時，測點7斷面上值可用能量方程求得。取基準面及計算斷面1、2、3，計算點選在管軸線上（以下水柱單位均為cm）。于是由斷面1、2的能量方程（取a2=a3=1）有 (1)因hw1-2可表示成此處c1.2是管段1-2總水頭損失系數(shù)，式中e、s分別為進口和漸縮局部損失系數(shù)。又由連續(xù)性方程有故式（1）可變?yōu)?(2)式中可由斷面1、3能量

6、方程求得，即 (3)由此得 (4)代入式( 2)有(Z2+P2/)隨h遞增還是遞減，可由(Z2+P2/)加以判別。因 (5)若1-(d3/d2)4+c1.2/(1+c1.3)0，則斷面2上的(Z+p/) 隨h同步遞增。反之，則遞減。文丘里實驗為遞減情況，可供空化管設(shè)計參考。在實驗報告解答中，d3/d2=1.37/1，Z1=50，Z3=-10，而當h=0時，實驗的(Z2+P2/)=6，將各值代入式(2)、(3)，可得該管道阻力系數(shù)分別為c1.2=1.5，c1.3=5.37。再將其代入式(5)得表明本實驗管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步升高。但因(Z2+P2/)接近于零，故水箱水位的升高對提高喉

7、管的壓強（減小負壓）效果不顯著。變水頭實驗可證明該結(jié)論正確。5.由畢托管測量顯示的總水頭線與實測繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其原因。與畢托管相連通的測壓管有1、6、8、12、14、16和18管，稱總壓管?？倝汗芤好娴倪B續(xù)即為畢托管測量顯示的總水頭線，其中包含點流速水頭。而實際測繪的總水頭是以實測的值加斷面平均流速水頭v2/2g繪制的。據(jù)經(jīng)驗資料，對于園管紊流，只有在離管壁約0.12d的位置，其點流速方能代表該斷面的平均流速。由于本實驗畢托管的探頭通常布設(shè)在管軸附近，其點流速水頭大于斷面平均流速水頭，所以由畢托管測量顯示的總水頭線，一般比實際測繪的總水線偏高。因此，本實驗由1、6、8、12

8、、14、16和18管所顯示的總水頭線一般僅供定性分析與討論，只有按實驗原理與方法測繪總水頭線才更準確。實驗三 不可壓縮流體恒定流動量定律實驗實驗原理恒定總流動量方程為取脫離體，因滑動摩擦阻力水平分離，可忽略不計，故x方向的動量方程化為即 式中： hc作用在活塞形心處的水深； D活塞的直徑； Q射流流量； V1x射流的速度； 1動量修正系數(shù)。實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得Q流量和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可驗證動量方程，并率定射流的動量修正系數(shù)1值。其中，測壓管的標尺零點已固定在活塞的園心處，因此液面標尺讀數(shù)，即為作用在活塞園心處的水深。實驗分析與討論1、實測

9、與公認值(=1.021.05)符合與否？如不符合，試分析原因。 實測=1.035與公認值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉(zhuǎn)所致。為排除此故障，可用4B鉛筆芯涂抹活塞及活塞套表面。)2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量力有無影響？為什么？ 無影響。 因帶翼片的平板垂直于x軸，作用在軸心上的力矩T，是由射流沖擊平板是，沿yz平面通過翼片造成動量矩的差所致。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； 1入流速度與圓周切線方向的夾角，接近90； 2出流速度與圓周切線方向的夾角； r1,2

10、分別為內(nèi)、外圓半徑。該式表明力矩T恒與x方向垂直，動量矩僅與yz平面上的流速分量有關(guān)。也就是說平板上附加翼片后，盡管在射流作用下可獲得力矩，但并不會產(chǎn)生x方向的附加力，也不會影響x方向的流速分量。所以x方向的動量方程與平板上設(shè)不設(shè)翼片無關(guān)。3、通過細導水管的分流，其出流角度與V2相同，試問對以上受力分析有無影響？無影響。當計及該分流影響時，動量方程為即 該式表明只要出流角度與V1垂直，則x方向的動量方程與設(shè)置導水管與否無關(guān)。4、滑動摩擦力為什么可以忽略不記？試用實驗來分析驗證的大小，記錄觀察結(jié)果。(提示：平衡時，向測壓管內(nèi)加入或取出1mm左右深的水，觀察活塞及液位的變化) 因滑動摩擦力 hc。

11、實際上，hc隨V2及的變化又受總能頭的約束，這是因為由能量方程得 (2)而 所以 從式(2)知，能量轉(zhuǎn)換的損失較小時，實驗四 畢托管測速實驗實驗原理 （4.1）式中：u畢托管測點處的點流速； c畢托管的校正系數(shù)； 畢托管全壓水頭與靜水壓頭差。 (4.2)聯(lián)解上兩式可得 (4.3)式中：u 測點處流速，由畢托管測定； 測點流速系數(shù)；H管嘴的作用水頭。實驗分析與討論1.利用測壓管測量點壓強時，為什么要排氣？怎樣檢驗排凈與否？畢托管、測壓管及其連通管只有充滿被測液體，即滿足連續(xù)條件，才有可能測得真值，否則如果其中夾有氣柱，就會使測壓失真，從而造成誤差。誤差值與氣柱高度和其位置有關(guān)。對于非堵塞性氣泡，

12、雖不產(chǎn)生誤差，但若不排除，實驗過程中很可能變成堵塞性氣柱而影響量測精度。檢驗的方法是畢托管置于靜水中，檢查分別與畢托管全壓孔及靜壓孔相連通的兩根測壓管液面是否齊平。如果氣體已排凈，不管怎樣抖動塑料連通管，兩測管液面恒齊平。2.畢托管的動壓頭h和管嘴上、下游水位差H之間的大關(guān)系怎樣？為什么？由于 且 即 一般畢托管校正系數(shù)c=11（與儀器制作精度有關(guān)）。喇叭型進口的管嘴出流，其中心點的點流速系數(shù)=0.9961。所以h10，則6.為什么在光、聲、電技術(shù)高度發(fā)展的今天，仍然常用畢托管這一傳統(tǒng)的流體測速儀器？畢托管測速原理是能量守恒定律，容易理解。而畢托管經(jīng)長期應(yīng)用，不斷改進，已十分完善 。具有結(jié)構(gòu)簡

13、單，使用方便，測量精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因而被廣泛應(yīng)用于液、氣流的測量（其測量氣體的流速可達60m/s）。光、聲、電的測速技術(shù)及其相關(guān)儀器，雖具有瞬時性，靈敏、精度高以及自動化記錄等諸多優(yōu)點，有些優(yōu)點畢托管是無法達到的。但往往因其機構(gòu)復(fù)雜，使用約束條件多及價格昂貴等因素，從而在應(yīng)用上受到限制。尤其是傳感器與電器在信號接收與放大處理過程中，有否失真，或者隨使用時間的長短，環(huán)境溫度的改變是否飄移等，難以直觀判斷。致使可靠度難以把握，因而所有光、聲、電測速儀器，包括激光測速儀都不得不用專門裝置定期率定（有時是利用畢托管作率定）?？梢哉J為至今畢托管測速仍然是最可信，最經(jīng)濟可靠而簡便的測速方法。實驗五

14、 雷諾實驗實驗原理 實驗分析與討論流態(tài)判據(jù)為何采用無量綱參數(shù)，而不采用臨界流速？ 雷諾在1883年以前的實驗中，發(fā)現(xiàn)園管流動存在兩種流態(tài)層流和紊流，并且存在著層流轉(zhuǎn)化為紊流的臨界流速V，V與流體的粘性及園管的直徑d有關(guān)，即 （1）因此從廣義上看，V不能作為流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。為了判別流態(tài)，雷諾對不同管徑、不同粘性液體作了大量的實驗，得出了用無量綱參數(shù)（vd/）作為管流流態(tài)的判據(jù)。他不但深刻揭示了流態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)律，而且還為后人用無量綱化的方法進行實驗研究樹立了典范。用無量綱分析的雷列法可得出與雷諾數(shù)結(jié)果相同的無量綱數(shù)?？梢哉J為式（1）的函數(shù)關(guān)系能用指數(shù)的乘積來表示。即 （2）其中K為某一無量綱系數(shù)。式

15、（2）的量綱關(guān)系為 （3）從量綱和諧原理，得L：21+2=1T：-1=-1 聯(lián)立求解得1=1，2=-1將上述結(jié)果，代入式（2），得 或 雷諾實驗完成了K值的測定，以及是否為常數(shù)的驗證。結(jié)果得到K=2320。于是，無量綱數(shù)vd/便成了適應(yīng)于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。由于雷諾的奉獻，vd/定命為雷諾數(shù)。隨著量綱分析理論的完善，利用量綱分析得出無量綱參數(shù)，研究多個物理量間的關(guān)系，成了現(xiàn)今實驗研究的重要手段之一。為何認為上臨界雷諾數(shù)無實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判據(jù)？實測下臨界雷諾數(shù)為多少？根據(jù)實驗測定，上臨界雷諾數(shù)實測值在30005000范圍內(nèi)，與操作快慢，水箱的紊動度

16、，外界干擾等密切相關(guān)。有關(guān)學者做了大量實驗，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。實際水流中，干擾總是存在的，故上臨界雷諾數(shù)為不定值，無實際意義。只有下臨界雷諾數(shù)才可以作為判別流態(tài)的標準。凡水流的雷諾數(shù)小于下臨界雷諾數(shù)者必為層流。一般實測下臨界雷諾數(shù)為2100左右。 雷諾實驗得出的圓管流動下臨界雷諾數(shù)2320，而目前一般教科書中介紹采用的下臨界雷諾數(shù)是2000，原因何在？ 下臨界雷諾數(shù)也并非與干擾絕對無關(guān)。雷諾實驗是在環(huán)境的干擾極小，實驗前水箱中的水體經(jīng)長時間的穩(wěn)定情況下，經(jīng)反復(fù)多次細心量測才得出的。而后人的大量實驗很難重復(fù)得出雷諾實驗的準確數(shù)值，通常在20002300之間

17、。因此，從工程實用出發(fā)，教科書中介紹的園管下臨界雷諾數(shù)一般是2000。試結(jié)合紊動機理實驗的觀察，分析由層流過渡到紊流的機理何在？從紊動機理實驗的觀察可知，異重流（分層流）在剪切流動情況下，分界面由于擾動引發(fā)細微波動，并隨剪切流速的增大，分界面上的波動增大，波峰變尖，以至于間斷面破裂而形成一個個小旋渦。使流體質(zhì)點產(chǎn)生橫向紊動。正如在大風時，海面上波浪滔天，水氣混摻的情況一樣，這是高速的空氣和靜止的海水這兩種流體的界面上，因剪切流動而引起的界面失穩(wěn)的波動現(xiàn)象。由于園管層流的流速按拋物線分布，過流斷面上的流速梯度較大，而且因壁面上的流速恒為零。相同管徑下，如果平均流速越大則梯度越大，即層間的剪切流速

18、越大，于是就容易產(chǎn)生紊動。紊動機理實驗所見的波動破裂旋渦質(zhì)點紊動等一系列現(xiàn)象，便是流態(tài)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^程顯示。分析層流和紊流在運動學特性和動力學特性方面各有何差異？層流和紊流在運動學特性和動力學特性方面的差異如下表： 運動學特性: 動力學特性: 層流: 1.質(zhì)點有律地作分層流動 1.流層間無質(zhì)量傳輸2.斷面流速按拋物線分布 2.流層間無動量交換3.運動要素無脈動現(xiàn)象 3.單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次方成正比紊流: 1.質(zhì)點互相混摻作無規(guī)則運動 1.流層間有質(zhì)量傳輸2.斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布 2.流層間存在動量交換3.運動要素發(fā)生不規(guī)則的脈動現(xiàn)象 3.單位質(zhì)量的能量損失與流速的（1.752

19、）次方成正比實驗六 文丘里流量計實驗實驗原理根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式，可得不計阻力作用時的文氏管過水能力關(guān)系式 式中：h為兩斷面測壓管水頭差。由于阻力的存在，實際通過的流量Q恒小于Q。今引入一無量綱系數(shù)=Q/Q（稱為流量系數(shù)），對計算所得的流量值進行修正。即 另，由水靜力學基本方程可得氣水多管壓差計的h為 實驗分析與討論本實驗中，影響文丘里管流量系數(shù)大小的因素有哪些？哪個因素最敏感？對d2=0.7cm的管道而言，若因加工精度影響，誤將（d20.01）cm值取代上述d2值時，本實驗在最大流量下的值將變?yōu)槎嗌?？由?可見本實驗（水為流體）的值大小與Q、d1、d2、h有關(guān)。其中d1、d2影響最敏

20、感。本實驗中若文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm，通常在切削加工中d1比d2測量方便，容易掌握好精度，d2不易測量準確，從而不可避免的要引起實驗誤差。例如當最大流量時值為0.976，若d2的誤差為0.01cm，那么值將變?yōu)?.006，顯然不合理。為什么計算流量Q與實際流量Q不相等？因為計算流量Q是在不考慮水頭損失情況下，即按理想液體推導的，而實際流體存在粘性必引起阻力損失，從而減小過流能力，QQ，即1.0。試證氣水多管壓差計（圖6.4）有下列關(guān)系：如圖6. 4所述，試應(yīng)用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。運用量綱分析法得到文丘里流量計的流量表達式，然后結(jié)合實驗成果，便可進一步搞

21、清流量計的量測特性。對于平置文丘里管，影響1的因素有：文氏管進口直徑d1，喉徑d2、流體的密度、動力粘滯系數(shù)及兩個斷面間的壓強差P。根據(jù)定理有從中選取三個基本量，分別為：共有6個物理量，有3個基本物理量，可得3個無量綱數(shù)，分別為：根據(jù)量綱和諧原理，1的量綱式為分別有 L：1=a1+b1-3c1T：0=- b1M：0= c1聯(lián)解得：a1=1，b1=0，c1=0，則同理將各值代入式（1）得無量綱方程為或?qū)懗蛇M而可得流量表達式為 （2）式（2）與不計損失時理論推導得到的 （3） 相似。為計及損失對過流量的影響，實際流量在式（3）中引入流量系數(shù)Q計算，變?yōu)?（4）比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)Q

22、與Re一定有關(guān)，又因為式（4）中d2/d1的函數(shù)關(guān)系并不一定代表了式（2）中函數(shù)所應(yīng)有的關(guān)系，故應(yīng)通過實驗搞清Q與Re、d2/d1的相關(guān)性。通過以上分析，明確了對文丘里流量計流量系數(shù)的研究途徑，只要搞清它與Re及d2/d1的關(guān)系就行了。由實驗所得在紊流過渡區(qū)的QRe關(guān)系曲線（d2/d1為常數(shù)），可知Q隨Re 的增大而增大，因恒有2105，使Q值接近于常數(shù)0.98。流量系數(shù)Q的上述關(guān)系，也正反映了文丘里流量計的水力特性。文氏管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為67mH2O。工程中應(yīng)用文氏管時，應(yīng)檢驗其最大真空度是否在允許范圍內(nèi)。據(jù)你的實驗成果，分析本實驗流量計喉頸最大真空值為多少？本實驗若d1= 1. 4cm，d2= 0. 71cm，以管軸線高程為基準面，以水箱液面和喉道斷面分別為11和22計算斷面，立能量方程得則 0 52.22cmH2O即實驗中最大流量時，文丘里管喉頸處真空度，而由本實驗實測為60.5cmH2O。進一步分析可知，若水箱水位高于管軸線4m左右時，實驗中文丘里喉頸處的真空度可達7mH2O（參考能量方程實驗解答六4）。