土木工程流体力学实验报告实验分析 与讨论答案

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

响实验成果？

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，以1—1和2—2为计算断面，计算点在轴心处，设21v v =，∑=0j h ，由能量方程可得

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。

f h l

g ～v lg 曲线的斜率m=1.0～1.8，即f

h 与8.10.1-v 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）。

3．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

曲线处于光滑管区，本报告所列的试验值，也是如此。但是，有的实验结果

相应点落到了莫迪图中光滑管区的右下方。对此必须认真分析。

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。

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：

1）不同R e 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 ？

由式

及

表明影响局部阻力损失的因素是v 和21d d 。由于有 突扩：2

211⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛-=A A e ζ 突缩：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2115.0A A s ζ 则有

当 5.021〈A A

或

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817.160.3/54.6==js je h h 。

21d d 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。

2．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21～101。

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。

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？ 测压管水头指p z +，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p B <0时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。

0〈B p ，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0γ。

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0h ，由式00h h w w γγ= ，从而求得0γ。

4．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

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。常温的水，m N 073.0=σ，3

0098.0m N =γ。水与玻璃的浸润角θ很小，可以认为0.1cos =θ。于是有

d h 7.29= （h 、d 均以mm 计）

一般来说，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。

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？

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。

6．用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？