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土木工程流体力学实验报告答案


实验一

管路沿程阻力系数测定实验

1. 为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失?如实验管道安装成倾斜,是否影 . 什么压差计的水柱差就是沿程水头损失?如实验管道安装成倾斜, 响实验成果? 响实验成果?

∑h

现以倾斜等径管道上装设的水银多管压差计为例说明(图中 A—A 为水平线) : 如图示 O

—O 为基准面, 1—1 和 2—2 为计算断面, 以 计算点在轴心处, v1 = v 2 , 设
j

= 0 ,由能量方程可得
p ? ? p ? h f 1?2 = ? Z 1 + 1 ? ? ? Z 2 + 2 ? γ ? ? γ ? ? ? ? ? ? ?

Q

p1

γ

= =

p2

γ

? H 2 + 13.6?h2 ? ?h2 + ?H + 13.6?h1 ? ?h1 ? ?H + H 1 ? H 2 + 12.6?h2 + 12.6?h1 + H 1

p2



h f 1? 2 = (Z 1 + H 1 ) ? (Z 2 + H 2 ) + 12.6?h2 + 12.6?h1

γ

= 12.6(?h1 + ?h2 )
这表明水银压差计的压差值即为沿程水头损失,且和倾角无关。

2.据实测 m 值判别本实验的流动型态和流区。 . 值判别本实验的流动型态和流区。

lg h f ~ lg v 曲线的斜率 m=1.0~1.8,即 h f 与 v1.0?1.8 成正比,表明流动为层流
(m=1.0) 、紊流光滑区和紊流过渡区(未达阻力平方区) 。

1

3.本次实验结果与莫迪图吻合与否?试分析其原因。 .本次实验结果与莫迪图吻合与否?试分析其原因。

通常试验点所绘得的 但是,有的实验结果 分析。

曲线处于光滑管区, 本报告所列的试验值, 也是如此。 相应点落到了莫迪图中光滑管区的右下方。对此必须认真

如果由于误差所致,那么据下式分析

d和Q的影响最大,Q有2%误差时,

就有4%的误差,而d有2%误差时,

可产

生10%的误差。Q的误差可经多次测量消除,而d值是以实验常数提供的,由仪器制作 时测量给定,一般 < 1%。如果排除这两方面的误差,实验结果仍出现异常,那么只 能从细管的水力特性及其光洁度等方面作深入的分析研究。还可以从减阻剂对水流减 阻作用上作探讨,因为自动水泵供水时,会渗入少量油脂类高分子物质。总之,这是 尚待进一步探讨的问题。

2

实验二

管路局部阻力系数测定实验

三、实验分析与讨论
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: 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: 的突扩ξ 是否相同? 1)不同 Re 的突扩ξe 是否相同? 2)在管径比变化相同的条件下,其突扩ξe 是否一定大于突缩ξs? 在管径比变化相同的条件下,其突扩ξ 是否一定大于突缩ξ

由式

hj = ζ


v2 2g

ζ = f (d1 d 2 )
? A ? 突扩: ζ e = ?1 ? 1 ? ? A2 ? ? ?
突缩: ζ s = 0.5?1 ? ?
2

表明影响局部阻力损失的因素是 v 和 d 1 d 2 。由于有

? ?

A1 A2

? ? ? ?

则有

K=
当 或

ζ s 0.5(1 ? A1 A2 ) 0 .5 = = 2 ζe (1 ? A1 A2 ) 1 ? A1 A2

A1 A2 ? 0.5 d1 d 2 ? 0.707

时,突然扩大的水头损失比相应的突然收缩的要大。在本实验最大流量 Q 下,突然扩 大损失较突然缩小损失约大一倍,即 h je h js = 6.54 / 3.60 = 1.817 。

d1 d 2 接近于 1 时,突然扩大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。

3

2.结合流动仪演示的水力现象, 结合流动仪演示的水力现象,分析局部阻力损失机理何在?产生突扩与突缩局 分析局部阻力损失机理何在? 部阻力损失的主要部位在哪里?怎样减小局部阻力损失? 部阻力损失的主要部位在哪里?怎样减小局部阻力损失? 流动演示仪 1-7 型可显示突扩、突缩、渐扩、渐缩、分流、合流、阀道、绕流等 三十多种内、外流的流动图谱。据此对于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,形成大小不一的漩涡区。漩涡是产生损失的 主要根源。由于水质点的无规则运动和激烈的紊动,相互磨擦,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,突扩段的漩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,漩涡区也越大,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。而突缩段的漩涡在收缩断面均有。突缩前仅在死角区有小漩涡, 且强度较小,而突缩的后部产生了紊动度较大的漩涡环区。可见产生突缩水头损失的 主要部位是在突缩断面后。 从以上分析可知,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 流线型化或昼接近流线形,以避免漩涡的形成,或使漩涡区尽可能小。如欲减小管道 的局部阻力,就应减小管径比以降低突扩段的漩涡区域;或把突缩进口的直角改为圆 角,以消除突缩断面后的漩涡环带,可使突缩局部阻力系数减小到原来的 1 ~ 1

2

10



突然收缩实验管道使用年份长以后,实测阻力系数减小,主要原因也在这里。

4

实验三

流体静力学实验

三、实验分析与讨论
1.同一静止液体内的测压管水头线是根什么线? .同一静止液体内的测压管水头线是根什么线? 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。实验直接观察可知,同一静止液面内的测压 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内的真空区域。 . 试根据记录数据确定水箱内的真空区域。

p B ? 0 ,相应容器的真空区域包括以下三个部分:
(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、气所占区域, 均为真空区域。 (2)同理,过箱顶小不杯的液面作一水平面,测压管 4 中,该平面以上的水体亦 为真空区域。 (3)在测压管 5 中,自水面向下深度某一段水柱亦为真空区域。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.若再箅一根直尺,试采用另外最简便的方法测定 γ 0 。 .若再箅一根直尺, 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 h 和 h0 ,由式 γ w hw = γ 0 h0 ,从而求得 γ 0 。

4.如测压管太细,对测压管液面的读数将有何影响? 如测压管太细,对测压管液面的读数将有何影响?

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

4σ cos θ dγ 式中, σ 为表面张力系数; γ 为液体容量; d 为测压管的内径; h 为毛细升高。常温 h=
5

的水, σ = 0.073 N m , γ = 0.0098 N m 。水与玻璃的浸润角 θ 很小,可以认为
3

cos θ = 1.0 。于是有

水质不洁时, σ 减小,毛细高度亦较净水小;当采用有机下班玻璃作测压管时,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,互相抵消了。

h = 29.7 d ( h 、 d 均以 mm 计) 一般来说,当玻璃测压管的内径大于 10 mm 时,毛细影响可略而不计。另外,当

点作一水平面, 及水箱中液体而言, 5.过 C 点作一水平面,相对管 1、2、5 及水箱中液体而言,这个水平面是不是等 压面?哪一部液体是同一等压面? 压面?哪一部液体是同一等压面?

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。 因为只有全部具有下列 5 个条件的平面才是等压面: (1)重力液体; (2)静止; (3) 连通; (4)连通介质为同一均质液体; (5)同一水平面。而管 5 与水箱之间不符合条 件(4) ,相对管 5 和水箱中的液体而言,该水平面不是水平面。

装置能演示变液位下的恒定流实验吗? 6.用图 1.1 装置能演示变液位下的恒定流实验吗?

观闭各通气阀门,开启底阀,放水片刻,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水流。 因为由观察可知, 测压管 1 的液面始终与 C 点同高, 表明作用于底阀上的总水头不变,故为恒定流动。这是由于液位的降低与空气补充使 箱体表面真空度的减小处于平衡状态。医学上的点滴注射就是此原理应用的一例,医 学上称这为马利奥特容器的变液位下恒定流。

H,实验时 实验时, 7.该仪器在加气增压后,水箱液面将下降δ而测压管液面半升高 H,实验时,若以 该仪器在加气增压后,水箱液面将下降δ 时的水箱液面作为测量基准,试分析加气增压后,实际压强(H+δ 压强(H+ p0=0 时的水箱液面作为测量基准,试分析加气增压后,实际压强(H+δ)与视压强 H 的相 对误差值. 0.8cm,箱体内径为 对误差值.本仪器测压管内径为 0.8cm,箱体内径为 20cm.

6

答:加压后,水箱液面比基准面下降了δ,而同时测压管 1、2 的液面各比基准面 升高了 H,由水量平衡原理有

因而可略去不计。对单根测压管容器若有 D/d<=10 或对两根测压管的容器 D/d<=7 时,便可使 ε<=0.01.

7

-8-


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