流体力学实验思考题解答

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1、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 ，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 面的测压管水头线是一根水平线。2、0.6cm 0 ，相应当 p B 0 时，试根据记录数据确定水箱的真空区域。答：以当 p0 0时，第 2次 B点量测数据（表 1.1 ）为例，此时容器的真空区域包括以下 3 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

2、，故该平面以上由 密封的水、气所占的空间区域，均为真空区域。（ 2）同理，过箱顶小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，自水面向下深度为PAH0 的一段水注亦为真空区。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，均为3、 若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定0 答：最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管 界面至油面的垂直高度 hw和 ho，由式 whwo ho ，从而求得 o。5 油水界面至水面和油水4、 如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？ 答：设被测液体为水，测压

3、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t 20 C ）的水，7.28 dyn / mm 或式中， 为表面张力系数； 为液体的容重； d 为测压管的内径； h 为毛细升高。常温0.073N / m，0.98dyn/mm3 。水与玻1.0。于是有璃的浸润角 很小，可认为 cos、d单位均为 mm29.7 hd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， 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 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

4、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 只有全部具备下列（1）（2）（3）（4）（5）1、 2 及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为5 个条件的平面才是等压面： 重力液体； 静止； 连通；连通介质为同一均质液体； 同一水平面而管 5 与水箱之间不符合条件（ 4），因此，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？ 答：关闭各通气阀，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由C进入水箱。

5、这时阀门的出流就是变液位下的恒定流。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，医学上称之为马利奥 特容器的变液位下恒定流。H，实验时， 若以 p0 0H）与视在压强 H 的相时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强（ 对误差值。本仪器测压管内径为 0.8cm, 箱体内径为 20cm。 答：加压后，水箱液面比基准面下降了 ，而同时测压管 1、2 的液面各比基准面升高 由水量平衡原理有本实验仪 d 0.8cm ， D 20cm于

6、是相对误差 有HHH因而可略去不计。H，2则H0.0032 0.00320.00322 4 d2H7时，便可使4故H对单根测压管的容器若有H 0.003210或对两根测压管的容器 D0.01。（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 J0。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， JP0。，测点 7 至测点 9，管渐扩，部分动能又

7、转换成势能，测压管水头线升高，JP0，故 E2恒小于 E1，（E-E）7、该仪器在加气增压后， 水箱液面将下降 而测压管液面将升线不可能回升。 （ 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H p ZE Q 2 ，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 2gA22增大， v 就增大，则 Z p 必减小。而且随流量的增加，阻力损失亦增大，管道任一过 2g水断面上的总水头

8、 E相应减小，故 Z p 的减小更加显著。面有 HZ2g22 v2 v12g2 v22g2 2 2 2A2 Q A12g2）测压管水头线（ P-P）的起落变化更为显著。因为对于两个不同直径的相应过水断Q2 A222g值，故 Q增大， H 亦增大， P P3、 测点 2、 3和测点 10、11 的测压管读数分别说明了什么问题？式中 为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时， 接近于常数，又管道断面为定线的起落变化更为显著。测点2、3位于均匀流断面，测点高差0.7cm， H P Z p均为 37.1cm（偶有毛细影响相差 0.1mm），表明均匀流各断面上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、

9、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。7）处真空的形成： （1）减小流量，（2）增大喉管4）改变水箱中的液位高度。3）更具有工程实际意义。例如可在水箱出口接一下下述几点措施有利于避免喉管（测点管径，（3）降低相

10、关管线的安装高程，4）其增压效果是有条件的，现分0-0 ，比位能降至零，比压能 p显然（ 1）（2）（ 3）都有利于阻止喉管真空的出现，尤其（ 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。垂 90 度的弯管，后接水平段，将喉管高程将至基准高程 得以增大（ Z），从而可能避免点 7 处的真空。至于措施（ 析如下：当作用水头增大 h时，测点 7断面上 Z p 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w1 22 v2 h 2g取 2 3 1 ）有v32l1.2d2esZ22g1）1-2

11、总水头损失系数，式中又由连续方程有故式（ 1）可变为c1.2由此得代入式（ 2）有Z1c1.3若1则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。2 v32 v3hw1 2d2此处 c1.2 是管段因 hw1 2 可表示成Z 2 p22 v3 2gd3d222g分别为进口和渐缩局部损失系数。式中 v32 2g可由断面 1、3 能量方程求得，即c1.3 是管道阻力的总损失系数。2g Z1 ZZ2 p2 随 h 递增还是递减，可由33 2g2g以判别。因3）5），则断面 2 上的 Z随 h 同步递增。反之，因本实验仪 d3 d2 1.37 1， Z1 50 ， Z310 ，而当 h 0时，实验的

12、Z 2 p2，v22 2g 33.19 ， v32 2g 9.42 ，将各值代入式（ 2）、（3），可得该管道阻力系数分别为再将其代入式（ 5）得Z2 p21 1.374 1.15 0.267h 1 1 5.37 0.267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 Zh 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 论正确。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5、连线即为毕托管测量显示的总水头线，其中包含点流速

13、水头。而实际测绘的总水头是以实 测的 Z p 值加断面平均流速水头 v2 2g 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头线偏高。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的总水头线才更准确。（五）雷诺实验1、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，发现园管流动存在着两种流态层流和紊

14、流，并且存在着园管的直径 d 有关，既1）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，得出了无量纲参数为管流流态的判据。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2）v K a1d a2其中 K 为某一无量纲系数。式（ 2）的量纲关系为T从量纲和谐原理，得L ： 2a1 a2 1T ： a联立求解得a1 1 ， a2将上述结果，代入式（ 2），得vKd或K v d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vd / 便成了适合于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的贡献， 定名为雷诺数。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。2、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和紊流的判据？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。有关学者做了大量试验，有的得12000，有的得 20000，有的甚至得