流体力学实验报告思考题详细指导
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水力学实验报告
实验二不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺利方程)实验
实验三不可压缩流体恒定流动量定律实验
实验四毕托管测速实验
实验五雷诺实验
实验六文丘里流量计实验
实验八局部阻力实验
实验二不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺利方程)实验
实验原理
在实验管路中沿管内水流方向取n个过断面。可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的能量方程式(i=2,3,……,n)
取a1=a2=…an=1,选好基准面,从已设置的各断面的测压管中读出值,测出通过管路
的流量,即可计算出断面平均流速v及,从而即可得到各断面测管水头和总水头。
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J P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>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,J P<0。而据能量方程E1=E2+h w1-2, h w1-2为损失能量,是不可逆的,即恒有h w1-2>0,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
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,H P=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p/γ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h w1-2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/γ)随h递增还是递减,可由(Z2+P2/γ)加以判别。因
(5)
若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0,则断面2上的(Z+p/γ) 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,Z1=50,Z3=-10,而当h=0时,实验的(Z2+P2/γ)=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+P2/γ)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。
实验三不可压缩流体恒定流动量定律实验
实验原理
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
式中:h c——作用在活塞形心处的水深;
D——活塞的直径;
Q——射流流量;
V1x——射流的速度;
β1——动量修正系数。
实验中,在平衡状态下,只要测得Q流量和活塞形心水深h c,由给定的管嘴直径d和活塞直径D,代入上式,便可验证动量方程,并率定射流的动量修正系数β1值。其中,测压管的标尺零点已固定在活塞的园心处,因此液面标尺读数,即为作用在活塞园心处的水深。