工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论文档格式.docx
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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>
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<
而据能量方程E1=E2+,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pγ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+P2γ)随h递增还是递减,可由(Z2+P2γ)加以判别。
因
(5)
若1-[(d3d2)4+c1.2](1+c1.3)>
0,则断面2上的(Z+pγ)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,d3d2=1.371,Z1=50,Z3=-10,而当h=0时,实验的(Z2+P2γ)=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+P2γ)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v22g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
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
,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,此时活塞很敏感地作左右移动,自动调整测压管水位直至hc仍恢复到19.6cm为止。
这表明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?
试结合实验步骤7的结果予以说明。
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,便可呈现出回流与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=0,。
表明V2x若不为零,对动量立影响甚大。
因为V2x不为零,则动量方程变为
就是说hc’随V2及α递增。
故实验中hc’>
,ΔH=21.3cm,c=1.000。
3.所测的流速系数说明了什么?
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,相对管嘴平均流速v,则有
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
为流管在某一流段上的损失系数;
为点流速系数。
本实验在管嘴淹没出流的轴心处测得=0.995,表明管嘴轴心处的水流由势能转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203.46cms,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0.2-2ms,轴向安装偏差要求不应大于10度,试说明原因。
(低流速可用倾斜压差计)。
(1)施测流速过大过小都会引起较大的实测误差,当流速u小于0.2ms时,毕托管测得的压差Δh亦有
若用30倾斜压差计测量此压差值,因倾斜压差计的读数值差Δh为
,
那么当有0.5mm的判读误差时,流速的相对误差可达6%。
而当流速大于2ms时,由于水流流经毕托管头部时会出现局部分离现象,从而使静压孔测得的压强偏低而造成误差。
(2)同样,若毕托管安装偏差角(α)过大,亦会引起较大的误差。
因毕托管测得的流速u是实际流速u在其轴向的分速ucosα,则相应所测流速误差为
α若>
10,则
6.为什么在光、声、电技术高度发展的今天,仍然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,容易理解。
而毕托管经长期应用,不断改进,已十分完善。
具有结构简单,使用方便,测量精度高,稳定性好等优点。
因而被广泛应用于液、气流的测量(其测量气体的流速可达60ms)。
光、声、电的测速技术及其相关仪器,虽具有瞬时性,灵敏、精度高以及自动化记录等诸多优点,有些优点毕托管是无法达到的。
但往往因其机构复杂,使用约束条件多及价格昂贵等因素,从而在应用上受到限制。
尤其是传感器与电器在信号接收与放大处理过程中,有否失真,或者随使用时间的长短,环境温度的改变是否飘移等,难以直观判断。
致使可靠度难以把握,因而所有光、声、电测速仪器,包括激光测速仪都不得不用专门装置定期率定(有时是利用毕托管作率定)。
可以认为至今毕托管测速仍然是最可信,最经济可靠而简便的测速方法。
实验五雷诺实验
实验分析与讨论
⒈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ν及园管的直径d有关,即
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,得出了用无量纲参数(vdν)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
其中K为某一无量纲系数。
式
(2)的量纲关系为
从量纲和谐原理,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
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vdν便成了适应于任何管径,任何牛顿流体的流态转变的判据。
由于雷诺的奉献,vdν定命为雷诺数。
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。
⒉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与紊流的判据?
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。
有关学者做了大量实验,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。
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,而目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。
⒋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,并随剪切流速的增大,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为紊流的过程显示。
⒌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.质点互相混掺作无规则运动1.流层间有质量传输
2.断面流速按指数规
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- 工程 流体力学 水力学 实验 报告 分析 讨论