流体力学实验思考题解答(全)

流体力学课程实验思考题解答

（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+p

γ，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

璃的浸润角θ很小，可认为cosθ=1.0。于是有

h=29.7mm) (h、d单位均为d

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，σ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θ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，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；

（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。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，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，JP0，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

Q2

，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，Q

Hp=Z+=E-γ2gA2p

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90度的弯管，后接水平段，将喉管高程将至基准高程0-0，比位能降至零，比压能p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Z+p

γ值可用能量方程求得。

取基准面及计算断面1、2、3如图所示，计算点选在管轴线上（以下水拄单位均为cm）。于是由断面1、2的能量方程（取α2=α3=1）有

2v2Z1

+∆h=Z2+++hw1-2 （1） p2

若1-(d3d2)+ζc1.2/(1+ζc1.3)>0，则断面2上的(Z+p4[])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。

因本实验仪d3d2=1.，Z1=50 ，Z3=-10，而当∆h=0时，实验的

(Z2+p2)=6，v222、（3），可得该管2g=33.19，v32g=9.42，将各值代入式（2）

道阻力系数分别为ζc1.2=1.5，ζc1.3=5.37。再将其代入式（5）得 ∂(Z2+p2)1.374+1.15=1-=0.267>0 ∂∆h1+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

其中为某一无量纲系数。

式（2）的量纲关系为

[LT]=[LT][L]-12-1a1a2 （3）

从量纲和谐原理，得

L： 2a1+a2=1

T： -a1=-1

联立求解得 a1=1，a2=-1

将上述结果，代入式（2），得

v=K'ν

d 或 K=v'dν （4）

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。于是，无量纲数vd/νvd/ν定名为雷诺数。

了现今实验研究的重要手段之一。

2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40000实验实测下临界雷诺数为2178。3、2320，雷诺数是2000

～23002000。

4

→破裂→旋涡→质

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？

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（

d2-0.01）cm值取代上述d2

值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多少？

v1=LTM

[ρ]=[L-3T0M1]

共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲π数，分别为：

π1=d2/d1av1bρc 111

π2=μ/d1av1bρc 222

π3=∆p/d1av1bρc 333

根据量纲和谐原理，π1的量纲式为

[L]=[L]a[LT-1]b[ML-3]c 111

分别有 L： 1=a1+b1-3c1

Q=μQπ4d122g∆h/(d24)-1 （4） d1

比较（2）、（4）两式可知，流量系数μQ与Re一定有关，又因为式（4）中d2d1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μQ与Re、d2d1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、d2d1的关系就行了。

由本实验所得在紊流过渡区的μQ～Re关系曲线（d2d1为常数），可知μQ随Re的增大而增大，因恒有μ

v260.5cmH2O。

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损失大小关系。

v2

由式 hj=ζ 2g

及 ζ=f(d1d2)

表明影响局部阻力损失的因素是v和d1d2，由于有

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1/2~1/10。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（20~40）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hw1-2，有

hw1-2=hj1+hj2+⋅⋅⋅+hjn+⋅⋅⋅+hji+hf1-2

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；

2

二级差分∆y为常数，故此经验公式类型为

y=b0+b1x+b2x2 （1）

（2）用最小二乘法确定系数 令 δ=yi-[b0+b1x1+b2xi]

2

δ是实验值与经验公式计算值的偏差。

如用ε表示偏差的平方和，即

ε=∑δ=∑[yi-(b0+b1xi+b2xi2)] （2）

2i

2

i=1

i=1

n5

为使ε为最小值，则必须满足

⎧∂ε

=0⎪∂b⎪0将上表中最后一行数据代入方程组（3），得到

⎧1.4-5b0-3b1-2.2b2=0⎪

（4） ⎨0.6-3b0-2.2b1-1.8b2=0

⎪0.3164-2.2b-1.8b-1.567b=0

012⎩

解得

b0=0.5，b1=0，b2=-0.5，代入式（1）

2