水力学实验报告及答案

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1、重庆交通大学 实验一 流体静力学实验 水力学实验 重庆交通大学 2013/6/8 重庆交通水力学实验报告 实验分析与讨论 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。实验直接观察可知,同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2.当PB0。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,Jp0。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

2、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2.3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? 有 如 下 二 个 变 化 : (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,任一断面起始时的总水头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。而且随流量的增加阻力损失亦增大,管道任一过水断面上的总水头E相应减小,故的减小更加显著。 (2)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面有 重庆交通大学河海学院 5 式中为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时

3、,接近于常数,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显著。 3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题? 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、1

4、1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00,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

5、,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)。于是由断面重庆交通大学河海学院 6 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 +P2/)随h递增还是递减,可由(Z2+P2/)加以判别。因 (5) 若1-(d3/d2)4+c1.2/(1+c1.3)0,则断面2上的

6、(Z+p/) 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,d3/d2=1.37/1,Z 1=50,Z3=-10,而当h=0时,实验的(Z2+P2/)=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 重庆交通大学河海学院 7 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/)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

7、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。 实验分析与讨论 1、实测与公认值(=1.021

8、.05)符合与否?如不符合,试分析原因。 实测=1.035与公认值符合良好。(如不符合,其最大可能原因之一是翼轮不转所致。为排除此故障,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得力矩,这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量力有无影响?为什么? 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平面通过翼片造成动量矩的差所致。即 重庆交通大学河海学院 8 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; 1入流速度与圆周切线方向的夹角,接近90; 2出流速度与圆周切线方向的夹角;

9、r1,2分别为内、外圆半径。 该式表明力矩T恒与x方向垂直,动量矩仅与yz平面上的流速分量有关。也就是说平板上附加翼片后,尽管在射流作用下可获得力矩,但并不会产生x方向的附加力,也不会影响x方向的流速分量。所以x方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。 3、通过细导水管的分流,其出流角度与V2 相同,试问对以上受力分析有无影响? 无影响。 当计及该分流影响时,动量方程为 即 该式表明只要出流角度与V1垂直,则 x方向的动量方程与设置导水管与否无关。 4、滑动摩擦力为什么可以忽略不记?试用实验来分析验证的大小,记录观察结果。(提 示:平衡时,向测压管内加入或取出1mm左右深的水,观察活塞及液位的变

10、化) 因滑动摩擦力5墸,故可忽略而不计。 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,活塞所受的静重庆交通大学河海学院 9 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

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