水力学实验报告思考题答案.docx
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水力学实验报告思考题答案.docx
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水力学实验报告思考题答案
水力学实验报告
实验一流体静力学实验
实验二不行压缩流体恒定流能量方程(伯诺利方程)实验
实验三不行压缩流体恒定流动量定律实验
实验四毕托管测速实验
实验五雷诺实验
实验六文丘里流量计实验
实验七沿程水头损失实验
实验八局部阻力实验
实验一流体静力学实验
实验原理
在重力作用下不行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地点高度;
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;
优选
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有以下关系:
(1.2)
据此可用仪器(不用此外尺)直接测得S0。
实验剖析与议论
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。
实验直接察看可知,同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。
2.当PB<0时,试依据记录数据,确立水箱内的真空地区。
,相应容器的真空地区包含以下三部分:
(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、气所占的空间地区,均为真
空地区。
(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地区。
(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,试采纳此外最简易的方法测定γ0。
最简单的方法,是用直尺分别丈量水箱内通大气状况下,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?
优选
设被测液体为水,测压管太细,测压管液面因毛细现象而高升,造成丈量偏差,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为毛细高升。
常温(t=20℃)的水,=7.28dyn/mm,=0.98dyn/mm。
水与玻璃的浸润角很小,可以为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。
此外,当水质
不洁时,减小,毛细高度亦较净水小;当采纳有机玻璃作测压管时,浸润角较大,其h较
一般玻璃管小。
假如用同一根测压管丈量液体相对压差值,则毛细现象无任何影响。
因为丈量高、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,这个水平面能否是等压面?
哪一部分液体是同一等压面?
不所有是等压面,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
只有所有具备以下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与水箱之间不切合条件(4),所以,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?
封闭各通气阀门,开启底阀,放水片晌,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。
因为由察看可知,测压管1的液面一直与c点同高,表示作用
于底阀上的总水头不变,故为恒定流动。
这是因为液位的降低与空气增补使箱体表面真空度的减小处于均衡状态。
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
优选
特容器的变液位下恒定流。
7.该仪器在加气增压后,水箱液面将降落而测压管液面将高升H,实验时,若以P0=0时的
水箱液面作为丈量基准,试剖析加气增压后,实质压强(H+δ)与视在压强H的相对偏差
值。
本仪器测压管内径为0.8cm,箱体内径为20cm。
加压后,水箱液面比基准面降落了,而同时测压管1、2的液面各比基准面高升了H,由水
量均衡原理有
则
本实验仪d=0.8cm,D=20cm,
故H=0.0032
于是相对偏差有
因此可略去不计。
其实,对单根测压管的容器如有D/d10或对两根测压管的容器D/d7时,即可使0.01。
实验二不行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。
能够列出入口断面
(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,测出经过管路
优选
的流量,即可计算出断面均匀流速v及,从而即可获取各断面测管水头和总水头。
成就剖析及议论
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。
这是因为水在流动过程中,依照必定界限条件,动能和势能
可相互变换。
测点5至测点7,管缩短,部分势能变换成动能,测压管水头线降低,Jp>0。
测点7至测点9,管渐扩,部分动能又变换成势能,测压管水头线高升,JP<0。
而据能量方
程E1=E2+hw1-2,hw1-2为损失能量,是不行逆的,即恒有hw1-2>0,故E2恒小于E1,(E-E)线
不行能上升。
(E-E)线降落的坡度越大,即J越大,表示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,表示有较大的局部水头损失存在。
2.流量增添,测压管水头线有何变化?
为何?
有以下二个变化:
(1)流量增添,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
,任一断面开端时的总水头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。
并且随流量的增添阻力损失亦增大,管道任一过水断
面上的总水头E相应减小,故的减小更为明显。
(2)测压管水头线(P-P)的起落变化更为明显。
因为关于两个不一样直径的相应过水断面有
优选
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增大,H亦增大,(P-P)线的起落变化就更为明显。
3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说了然什么问题?
测点2、3位于均匀流断面(图2.2),测点高差0.7cm,HP
均为
(偶有毛
=
37.1cm
细影响相差0.1mm),表示均匀流同断面上,其动水压强按静水压强规律散布。
测点
10、
11在弯管的急变流断面上,测压管水头差为
7.3cm,表示急变流断面上离心惯性力对测压
管水头影响很大。
因为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,另有离心惯性力,故急变流断面不可以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.试问防止喉管(测点7)处形成真空有哪几种技术举措?
剖析改变作用水头(如抬高或降低水箱的水位)对喉管压强的影响状况。
下述几点举措有益于防止喉管(测点7)处真空的形成:
(1)减小流量,
(2)增大喉管管径,(3)降低相应管线的安装高程,(4)改变水箱中的液位高度。
明显
(1)、
(2)、(3)都有益于阻挡喉管真空的出现,特别(3)更拥有工程适意图义。
因为若管系落差不变,单单降低管线地点常常即可完整防止真空。
比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),从而可能防止点7处的真空。
至于举措(4)其增压成效是有条件的,现
剖析以下:
优选
看作用水头增大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分别为入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递加仍是递减,可由(Z2+P2/γ)加以鉴别。
因
(5)
若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0,则断面2上的(Z+p/γ)随h同步递加。
反之,则递减。
文丘里实验为递减状况,可供空化管设计参照。
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,
优选
,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
表示本实验管道喉管的测压管水头随水箱水位同步高升。
但因(Z2+P2/γ)靠近于零,故水箱
水位的高升对提升喉管的压强(减小负压)成效不明显。
变水头实验可证明该结论正确。
5.由毕托管丈量显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都有差别,试剖析其原由。
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
连续即为毕托管丈量显示的总水头线,此中包含点流速水头。
而实质测绘的总水头是以实
测的值加断面均匀流速水头v2/2g绘制的。
据经验资料,关于园管紊流,只有在离管
壁约0.12d的地点,其点流速方能代表该断面的均匀流速。
因为本实验毕托管的探头往常布设在管轴邻近,其点流速水头大于断面均匀流速水头,所以由毕托管丈量显示的总水头线,一般比实质测绘的总水线偏高。
所以,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剖析与议论,只有按实验原理与方法测绘总水头线才更正确。
实验三不行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
取离开体,因滑动摩擦阻力水均分别,可忽视不计,故x方向的动量方程化为
即
优选
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,在均衡状态下,只需测得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,即可考证动量方程,并率定射流的动量修正系数β1值。
此中,测压管
的标尺零点已固定在活塞的园心处,所以液面标尺读数,即为作用在活塞园心处的水深。
实验剖析与议论
1、实测β与公认值(β=1.02~1.05)切合与否?
如不切合,试剖析原由。
实测β=1.035与公认值切合优秀。
(如不切合,其最大可能原由之一是翼轮不转所致。
为清除此故障,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取力矩,这对剖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?
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平面经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,靠近90°;
优选
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。
该式表示力矩T恒与x方向垂直,动量矩仅与yz平面上的流速重量有关。
也就是说平
板上附带翼片后,只管在射流作用下可获取力矩,但其实不会产生x方向的附带力,也不会
影响x方向的流速重量。
所以x方向的动量方程与平板上设不设翼片没关。
3、经过细导水管的分流,其出流角度与V2相同,试问对以上受力剖析有无影响?
无影响。
当计及该分流影响时,动量方程为
即
该式表示只需出流角度与V1垂直,则x方向的动量方程与设置导水管与否没关。
4、滑动摩擦力为何能够忽视不记?
试用实验来剖析考证的大小,记录察看结果。
(提示:
均衡时,向测压管内加入或拿出1mm左右深的水,察看活塞及液位的变化)
因滑动摩擦力<5墸,故可忽视而不计。
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。
若是活动摩擦力大于此值,则活塞不会作轴向挪动,
亦即hc变为9.7cm左右,并保持不变,但是实质上,此时活塞很敏感地作左右挪动,自动
调整测压管水位直至hc仍恢复到19.6cm为止。
这表示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,会对实验结果带来什么影响?
试联合实验步骤7的结果予以说明。
优选
按实验步骤7取下带翼轮的活塞,使射流直接冲击到活塞套内,即可体现出回流与x
方向的夹角α大于90°(其V2x不为零)的水力现象。
本实验测得135°,作用于活塞套圆
心处的水深hc’=29.2cm,管嘴作用水头H0=29.45cm。
而相应水流条件下,在取下带翼轮的
活塞前,V2x
,c
。
表示
V
2x若不为零,对动量立影响甚大。
因为
V2x不为零,则
=0h=19.6cm
动量方程变为
(1)
就是说hc’随V2及α递加。
故实验中hc’>hc。
实质上,hc’随V2及α的变化又受总能头的拘束,这是因为由能量方程得
(2)
而
所以
从式
(2)知,能量变换的损失较小时,
实验四毕托管测速实验
实验原理
(4.1)
式中:
u-毕托管测点处的点流速;
c-毕托管的校订系数;
-毕托管全压水头与静水压头差。
(4.2)
优选
联解上两式可得
(4.3)
式中:
u-测点处流速,由毕托管测定;
-测点流速系数;
H-管嘴的作用水头。
实验剖析与议论
1.利用测压管丈量点压强时,为何要排气?
如何查验排净与否?
毕托管、测压管及其连通管只有充满被测液体,即知足连续条件,才有可能测得真值,
不然假如此中夹有气柱,就会使测压失真,从而造成偏差。
偏差值与气柱高度和其地点有
关。
关于非拥塞性气泡,虽不产生偏差,但若不清除,实验过程中很可能变为拥塞性气柱
而影响量测精度。
查验的方法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能否齐平。
假如气体已排净,不论如何颤动塑料连通管,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之间的大关系如何?
为何?
因为
且
即
一般毕托管校订系数c=11‰(与仪器制作精度有关)。
喇叭型入口的管嘴出流,此中心点
的点流速系数=0.9961‰。
所以h 本实验h=21.1cm,H=21.3cm,c=1.000。 3.所测的流速系数说了然什么? 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,相对管嘴均匀流速v,则 有 优选 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: 为流管在某一流段上的损失系数;为点流速系数。 本实验在管嘴吞没出流的轴心处测得=0.995,表示管嘴轴心处的水流由势能变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,试问本实验的毕托管精度如何? 如何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ε=0.2‰欲率定毕托管的修正系数,则可令 本例: 5.普朗特毕托管的测速范围为0.2-2m/s,轴向安装偏差要求不该大于10度,试说明原由。 (低流速可用倾斜压差计)。 (1)施测流速过大过小都会惹起较大的实测偏差,当流速u小于0.2m/s时,毕托管测得的 压差h亦有 优选 若用30倾斜压差计丈量此压差值,因倾斜压差计的读数值差h为 , 那么当有0.5mm的判读偏差时,流速的相对偏差可达6%。 而当流速大于2m/s时,因为水流流经毕托管头部时会出现局部分别现象,从而使静压孔测得的压强偏低而造成偏差。 (2)相同,若毕托管安装偏差角(α)过大,亦会惹起较大的偏差。 因毕托管测得的流速u是实质流速u在其轴向的分速ucosα,则相应所测流速偏差为 α若>10,则 6.为安在光、声、电技术高度发展的今日,仍旧常用毕托管这一传统的流体测速仪器? 毕托管测速原理是能量守恒定律,简单理解。 而毕托管经长久应用,精益求精,已十 分完美。 拥有构造简单,使用方便,丈量精度高,稳固性好等长处。 因此被宽泛应用于液、气流的丈量(其丈量气体的流速可达60m/s)。 光、声、电的测速技术及其有关仪器,虽拥有刹时性,敏捷、精度高以及自动化记录等诸多长处,有些长处毕托管是没法达到的。 但 常常因其机构复杂,使用拘束条件多及价钱昂贵等因素,从而在应用上遇到限制。 特别是传感器与电器在信号接收与放大办理过程中,有否失真,或许随使用时间的长短,环境温度的改变能否飘移等,难以直观判断。 以致靠谱度难以掌握,因此所有光、声、电测速仪 器,包含激光测速仪都不得不用特意装置按期率定(有时是利用毕托管作率定)。 能够以为到现在毕托管测速仍旧是最可信,最经济靠谱而简易的测速方法。 实验五雷诺实验 实验原理 优选 实验剖析与议论 ⒈流态判据为何采纳无量纲参数,而不采纳临界流速? 雷诺在1883年从前的实验中,发现园管流动存在两种流态——层流和紊流,并且存在着层流转变为紊流的临界流速V’,V’与流体的粘性ν及园管的直径d有关,即 (1) 所以从广义上看,V’不可以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批的实验,得出了用无量纲参数(vd/ν)作为管流流态的判据。 他不只深刻揭露了流态转变的规律,并且还为后代用无量纲化的方法进行实验研究建立了模范。 用无量纲剖析的雷列法可得出与雷诺数结果相同的无量纲数。 能够以为式 (1)的函数关系能用指数的乘积来表示。 即 (2) 此中K为某一无量纲系数。 式 (2)的量纲关系为 (3) 从量纲和睦原理,得 L: 2α1+α2=1 T: -α1=-1 联立求解得α1=1,α2=-1 将上述结果,代入式 (2),得 或 优选 雷诺实验达成了K值的测定,以及能否为常数的考证。 结果获取K=2320。 于是,无量纲数vd/ν便成了适应于任何管径,任何牛顿流体的流态转变的判据。 因为雷诺的奉献,vd/ν定数为雷诺数。 跟着量纲剖析理论的完美,利用量纲剖析得出无量纲参数,研究多个物理量间的关系, 成了当今实验研究的重要手段之一。 ⒉为何以为上临界雷诺数无实质意义,而采纳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? 依据实验测定,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,外界扰乱等亲密有关。 有关学者做了大批实验,有的得12000,有的得20000,有的甚 至得40000。 实质水流中,扰乱老是存在的,故上临界雷诺数为不定值,无实质意义。 只有下临界雷诺数才能够作为鉴别流态的标准。 凡水流的雷诺数小于下临界雷诺数者必为层流。 一般实测下临界雷诺数为2100左右。 ⒊雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数2320,而当前一般教科书中介绍采纳的下临界雷诺数是2000,原由安在? 下临界雷诺数也并不是与扰乱绝对没关。 雷诺实验是在环境的扰乱极小,实验前水箱中的水体经长时间的稳固状况下,经频频多次仔细量测才得出的。 尔后代的大批实验很难重 复得出雷诺实验的正确数值,往常在2000~2300之间。 所以,从工程适用出发,教科书中 介绍的园管下临界雷诺数一般是2000。 ⒋试联合紊动机理实验的察看,剖析由层流过渡到紊流的机理安在? 从紊动机理实验的察看可知,异重流(分层流)在剪切流动状况下,分界面因为扰动引起细微颠簸,并随剪切流速的增大,分界面上的颠簸增大,波峰变尖,以致于中断面破碎而形成一个个小旋涡。 使流体质点产生横向紊动。 正如在狂风时,海面上波涛滔天,水 优选 气混掺的状况相同,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 起的界面失稳的颠簸现象。 因为园管层流的流速按抛物线散布,过流断面上的流速梯度较 大,并且因壁面上的流速恒为零。 相同管径下,假如均匀流速越大则梯度越大,即层间的 剪切流速越大,于是就简单产生紊动。 紊动机理实验所见的颠簸→破碎→旋涡→质点紊动 等一系列现象,即是流态从层流转变为紊流的过程显示。 ⒌剖析层流和紊流在运动学特征和动力学特征方面各有何差别? 层流和紊流在运动学特征和动力学特征方面的差别以下表: 运动学特征: 动力学特征: 层流: 1.质点有律地作分层流动1.流层间无质量传输 2.断面流速按抛物线散布2.流层间无动量互换 3.运动因素无脉动现象3.
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