流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)思考題解答

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)思考題解答

（-）流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、同一靜止液體內(nèi)的測(cè)壓管水頭線是根什么線？

2、答：測(cè)壓管水頭指，即靜水力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀顯示的測(cè)壓管液面至基準(zhǔn)面的垂直高度。測(cè)壓管

水頭線指測(cè)壓管液面的連線。從表1.1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)直接觀察可知，同一靜止液面

的測(cè)壓管水頭線是一根水平線。

3、當(dāng)時(shí)，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)確定水箱的真空區(qū)域。

4、答：以當(dāng)時(shí)，第2次B點(diǎn)量測(cè)數(shù)據(jù)（表1.1）為例，此時(shí)，相應(yīng)容器的真空區(qū)域包括以

下3三部分：（1）過(guò)測(cè)壓管2液面作一水平面，由等壓面原理知，相對(duì)測(cè)壓管2及水箱

內(nèi)的水體而言，該水平面為等壓面，均為大氣壓強(qiáng)，故該平面以上由密封的水、氣所占的

空間區(qū)域，均為真空區(qū)域。（2）同理，過(guò)箱頂小杯的液面作一水平面，測(cè)壓管4中該平面

以上的水體亦為真空區(qū)域。（3）在測(cè)壓管5中，自水面向下深度為的一段水注亦為真

空區(qū)。這段高度與測(cè)壓管2液面低于水箱液面的高度相等，亦，測(cè)壓管4液面高于小水

杯液面高度相等，均為。

5、若再備一根直尺，試采用另外最簡(jiǎn)便的方法測(cè)定。

答：最簡(jiǎn)單的方法，是用直尺分別測(cè)量水箱內(nèi)通大氣情況下，管5油水界面至水面和油水界

面至油面的垂直高度和，由式，從而求得。

如測(cè)壓管太細(xì)，對(duì)測(cè)壓管液面的讀數(shù)將有何影響？

答：設(shè)被測(cè)液體為水，測(cè)壓管太細(xì)，測(cè)壓管液面因毛細(xì)現(xiàn)象而升高，造成測(cè)量誤差，毛細(xì)高度

由下式計(jì)算

.4h。=c-o-s-。------

好

式中，為表面張力系數(shù)；為液體的容重；為測(cè)壓管的內(nèi)徑；為毛細(xì)升高。常溫（）

的水，或，。水與玻璃的浸潤(rùn)角很小，可認(rèn)為。于是有

h=29,（/?、”單位均為〃切?）

d

一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)玻璃測(cè)壓管的內(nèi)徑大于10mm時(shí)，毛細(xì)影響可略而不計(jì)。另外，當(dāng)水質(zhì)不

潔時(shí)，減小，毛細(xì)高度亦較凈水?。划?dāng)采用有機(jī)玻璃作測(cè)壓管時(shí)，浸潤(rùn)角較大，其較普

通玻璃管小。

如果用同一根測(cè)壓管測(cè)量液體相對(duì)壓差值，則毛細(xì)現(xiàn)象無(wú)任何影響。因?yàn)闇y(cè)量高、低壓強(qiáng)時(shí)

均有毛細(xì)現(xiàn)象，但在計(jì)算壓差時(shí)。相互抵消了。

（1）過(guò)C點(diǎn)作一水平面，相對(duì)管1、2、5及水箱中液體而言，這個(gè)水平是不是

等壓面？哪一部分液體是同一等壓面？

（2）答：不全是等壓面，它僅相對(duì)管1、2及水箱中的液體而言，這個(gè)水平面才

是等壓而。因?yàn)橹挥腥烤邆湎铝?個(gè)條件的平面才是等壓面：

（3）重力液體；

（4）靜止；

（5）連通；

（6）連通介質(zhì)為同一均質(zhì)液體；

（7）同一水平面

而管5與水箱之間不符合條件（4）,因此，相對(duì)管5和水箱中的液體而言，該水平面不是等

壓面。

派6.用圖1.1裝置能演示變液位下的恒定流實(shí)驗(yàn)嗎？

答：關(guān)閉各通氣閥，開(kāi)啟底閥，放水片刻，可看到有空氣由C進(jìn)入水箱。

這時(shí)閥門(mén)的出流就是變液位下的恒定流。因?yàn)橛捎^察可知，測(cè)壓管1的液面始終與C點(diǎn)同高,

表明作用于底閥上的總水頭不變，故為恒定流動(dòng)。這是由于液位的的降低與空氣補(bǔ)充使箱體

表面真空度的減小處于平衡狀態(tài)。醫(yī)學(xué)上的點(diǎn)滴注射就是此原理應(yīng)用的一例，醫(yī)學(xué)上稱(chēng)之為

馬利奧特容器的變液位下恒定流。

派7、該儀器在加氣增壓后，水箱液面將下降而測(cè)壓管液面將升高H,實(shí)

驗(yàn)時(shí)，若以時(shí)的水箱液面作為測(cè)量基準(zhǔn)，試分析加氣增壓后，實(shí)際壓強(qiáng)（）與視在壓強(qiáng)H

的相對(duì)誤差值。本儀器測(cè)壓管內(nèi)徑為0.8cm,箱體內(nèi)徑為20cm。

答：加壓后，水箱液面比基準(zhǔn)面下降了，而同時(shí)測(cè)壓管1、2的液面各比

基準(zhǔn)面升高了H,由水量平衡原理有

2x-d2H=—6則—=2f—Y

44H\D）

本實(shí)驗(yàn)儀，故

于是相對(duì)誤差￡有

H+6-H66/H0.0032八””

￡=----------=-------=--------=----------=

H+3H+61+341+0.0032

因而可略去不計(jì)。

對(duì)單根測(cè)壓管的容器若有或?qū)筛鶞y(cè)壓管的容器時(shí)，便可使。

（二）伯諾里方程實(shí)驗(yàn)

測(cè)壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)有何不同？為什么？

測(cè)壓管水頭線（P-P）沿程可升可降，線坡JP可正可負(fù)。而總水頭線（E-E）沿程只降不升，線

坡JP恒為正，即J>0o這是因?yàn)樗诹鲃?dòng)過(guò)程中，依據(jù)一定邊界條件，動(dòng)能和勢(shì)能可相

互轉(zhuǎn)換。如圖所示，測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)7,管漸縮，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，測(cè)壓管水頭線降低,

JP>0c,測(cè)點(diǎn)7至測(cè)點(diǎn)9,管漸擴(kuò)，部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，測(cè)壓管水頭線升高,JP<0。而

據(jù)能量方程El=E2+hwl-2,hwl-2為損失能量，是不可逆的，即恒有hwl-2>0,故E2恒小

于El,（E-E）線不可能回升。（E-E）線下降的坡度越大，即J越大，表明單位流程上的

水頭損失越大，如圖上的漸擴(kuò)段和閥門(mén)等處，表明有較大的局部水頭損失存在。

流量增加，測(cè)壓管水頭線有何變化？為什么？

1）流量增加，測(cè)壓管水頭線（P-P）總降落趨勢(shì)更顯著。這是因?yàn)闇y(cè)壓管水頭，任一

斷面起始的總水頭E及管道過(guò)流斷面面積A為定值時(shí),Q增大，就增大，則必減小。而且

隨流量的增加，阻力損失亦增大，管道任一過(guò)水?dāng)嗝嫔系目偹^E相應(yīng)減小，故的減小更

加顯著。

2）測(cè)壓管水頭線（尸-P）的起落變化更為顯著。因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)不同直徑的相應(yīng)過(guò)水?dāng)?/p>

面…狂力中+治理嚴(yán)+專(zhuān)

1、式中為兩個(gè)斷面之間的損失系數(shù)。管中水流為紊流時(shí)，接近于常數(shù)，又管道斷面為定

值，故Q增大，亦增大，線的起落變化更為顯著。

測(cè)點(diǎn)2.3和測(cè)點(diǎn)10、11的測(cè)壓管讀數(shù)分別說(shuō)明了什么問(wèn)題？

測(cè)點(diǎn)2.3位于均勻流斷面，測(cè)點(diǎn)高差0.7cm,均為37.1cm（偶有毛細(xì)影響相差

0.1mm）,表明均勻流各斷面上，其動(dòng)水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布。測(cè)點(diǎn)10、II在彎管的急

變流斷面上，測(cè)壓管水頭差為7.3cm,表明急變流斷面上離心慣性力對(duì)測(cè)壓管水頭影響很

大。由于能量方程推導(dǎo)時(shí)的限制條件之一是“質(zhì)量力只有重力”，而在急變流斷面上其質(zhì)量

力，除重力外，尚有離心慣性力，故急變流斷面不能選作能量方程的計(jì)算斷面。在繪制總水

頭線時(shí)，測(cè)點(diǎn)10、II應(yīng)舍棄。

※明試問(wèn)避免喉管（測(cè)點(diǎn)7）處形成真空有哪幾種技術(shù)措施？分析改變作用水頭（如

抬高或降低水箱的水位）對(duì)喉管壓強(qiáng)的影響情況。

下述幾點(diǎn)措施有利于避免喉管（測(cè)點(diǎn)7）處真空的形成：（1）減小流量，（2）增大喉

管管徑，（3）降低相關(guān)管線的安裝高程，（4）改變水箱中的液位高度。

顯然（1）（2）（3）都有利于阻止喉管真空的出現(xiàn)，尤其（3）更具有工程實(shí)際意義。因

為若管系落差不變，單單降低管線位置往往就可以避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90

度的彎管，后接水平段，將喉管高程將至基準(zhǔn)高程0-0,比位能降至零，比壓能得以增大

（Z）,從而可能避免點(diǎn)7處的真空。至于措施（4）其增壓效果是有條件的，現(xiàn)分析如下：

當(dāng)作用水頭增大時(shí)，測(cè)點(diǎn)7斷面上值可用能量方程求得。

取基準(zhǔn)面及計(jì)算斷面1、2、3如圖所示，計(jì)算點(diǎn)選在管軸線上（以下

水拄單位均為cm）。于是由斷面1、2的能量方程（?。┯?/p>

Z,4-\h=Z.+絲~+5+%-2⑴

因心_2可表示成小=口去+￡"

此處是管段1-2總水頭損失系數(shù)，式中、分別為進(jìn)口和漸縮局部損失系數(shù)。

又由連續(xù)方程有生K

2gVdi）2g

故式（1）可變?yōu)閆2+^-=Z1+A/Z-⑵

可由斷面1.3能量方程求得

29

7v?V

=33

Z1+A/z=Z3+—+C1.3-

久L3是管道阻力的總損失系數(shù)。

由此得，代入式（2）有

Z,+—=Z,+A/?-[―Z,-Z.-A/?"

+烈2(4)

1+品3，

隨遞增還是遞減，可由加以判別。因

3億2+。2。)二](〃3/4)4+41.2

(5)

3(4)-1+03

若，則斷面2上的隨同步遞增。反之，則遞減。文丘里實(shí)驗(yàn)為遞減情況，可供空化

管設(shè)計(jì)參考。

因本實(shí)驗(yàn)儀，，，而當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的,,,將冬值代入式（2）、（3）,可得該管道

阻力系數(shù)分別為，。再將其代入式（5）得

4

6億+〃20)1.374-1.15

=0.267>0

a(A/?)1+5.37

5、表明本實(shí)驗(yàn)管道喉管的測(cè)壓管水頭隨水箱水位同步升高。但因接近于零，故水箱水位

的升高對(duì)提高喉管的壓強(qiáng)（減小負(fù)壓）效果不明顯。變水頭實(shí)驗(yàn)可證明結(jié)論正確。

畢托管測(cè)量顯示的總水頭線與實(shí)測(cè)繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其原因。

與畢托管相連通的測(cè)壓管有1、6、8、12、14、16和18管，稱(chēng)總壓管。總壓管液面的連線

即為畢托管測(cè)量顯示的總水頭線，其中包含點(diǎn)流速水頭。而實(shí)際測(cè)繪的總水頭是以實(shí)測(cè)的

值加斷面平均流速水頭繪制的。據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料，對(duì)于園管紊流，只有在離管壁約的位置，其

點(diǎn)流速方能代表該斷面的平均流速。由于本實(shí)驗(yàn)畢托管的探頭通常布設(shè)在管軸附近，其點(diǎn)流

速水頭大于斷面平均流速水頭，所以由畢托管測(cè)量顯示的總水頭線，一般比實(shí)際測(cè)繪的總水

頭線偏高。

因此.本實(shí)驗(yàn)由1、6、8、12、14、16和18管所顯示的總水頭線一般僅供定性分析與討論，只

有按實(shí)驗(yàn)原理與方法測(cè)繪的總水頭線才更準(zhǔn)確。

（五）雷諾實(shí)驗(yàn)

XI.流態(tài)判據(jù)為何采用無(wú)量綱參數(shù)，而不采用臨界流速?

雷諾在1883年以前的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)園管

流動(dòng)存在著兩種流態(tài)一一層流和紊流，并且存在著層流轉(zhuǎn)化為紊流

的臨界流速，與流體的粘性、園管的直徑有關(guān)，既

口=/（匕-）⑴

因此從廣義上看，不能作為流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。

為了判別流態(tài)，雷諾對(duì)不同管徑、不同粘性液體作了大量的實(shí)驗(yàn)，得出了無(wú)量綱參數(shù)作為

管流流態(tài)的判據(jù)。他不但深刻揭示了流態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)律。而且還為后人用無(wú)量綱化的方法進(jìn)行

實(shí)驗(yàn)研究樹(shù)立了典范。用無(wú)量綱分析的雷列法可得出與雷諾數(shù)結(jié)果相同的無(wú)量綱數(shù)。

可以認(rèn)為式（1）的函數(shù)關(guān)系能用指數(shù)的乘積來(lái)表示。即

，

v=Kva'dt2(2)

其中K為某一無(wú)量綱系數(shù)。

式（2）的量綱關(guān)系為

L廠［=歸廠?。坌?/p>

(3)

從量綱和諧原理，得

聯(lián)立求解得，

將上述結(jié)果，代入式（2）,得

v=K—K=---

d或v(4)

雷諾實(shí)驗(yàn)完成了值的測(cè)定，以及是否為常數(shù)的驗(yàn)證。結(jié)果得到K=2320o于是，無(wú)量綱數(shù)

便成了適合于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。由于雷諾的貢獻(xiàn)，定名為雷諾

數(shù)。

隨著量綱分析理論的完善，利用量綱分析得出無(wú)量綱參數(shù)，研究多個(gè)物理量間的關(guān)系，成了

現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)研究的重要手段之一。

2.為何認(rèn)為上臨界雷諾數(shù)無(wú)實(shí)際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流和紊流的判據(jù)？實(shí)

測(cè)下臨界雷諾數(shù)為多少？

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，上臨界雷諾數(shù)實(shí)測(cè)值在3000?5000范圍內(nèi)，與操作快慢，水箱的紊動(dòng)度，外

界干擾等密切相關(guān)。有關(guān)學(xué)者做了大量試驗(yàn)，有的得12000,有的得2000（）,有的甚至得

40000。實(shí)際水流中，干擾總是存在的，故上臨界雷諾數(shù)為不定值，無(wú)實(shí)際意義。只有下臨界

雷諾數(shù)才可以作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。凡水流的雷諾數(shù)小于下臨界雷諾數(shù)者必為層流。本實(shí)驗(yàn)

實(shí)測(cè)下臨界雷諾數(shù)為2178。

3.雷諾實(shí)驗(yàn)得出的園管流動(dòng)下臨界雷諾數(shù)為2320,而且前一般教科書(shū)中介紹采用的下

臨界雷諾數(shù)是2000,原因何在？

下臨界雷諾數(shù)也并豐與干擾絕對(duì)無(wú)關(guān)。雷諾實(shí)驗(yàn)是在環(huán)境的干擾極小，實(shí)驗(yàn)前水箱中

的水體經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定情況下，經(jīng)反復(fù)多次細(xì)心量測(cè)才得出的。而后人的大量實(shí)驗(yàn)很難重復(fù)

得出雷諾實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確數(shù)值、通常在2000?2300之間。因此，從工程實(shí)用出發(fā)，教科書(shū)中介紹

的園管下臨界雷諾數(shù)一般是20（）0o

4.試結(jié)合紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)的觀察，分析由層流過(guò)渡到紊流的機(jī)理何在？

從紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)的觀察可知，異重流（分層流）在剪切流動(dòng)情況下，分界面由于擾動(dòng)引

發(fā)細(xì)微波動(dòng)，并隨剪切流動(dòng)的增大，分界面上的波動(dòng)增大，波峰變尖，以至于間斷面破裂而

形成一個(gè)個(gè)小旋渦。使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橫向紊動(dòng)。正如在大風(fēng)時(shí)，海面上波浪滔天，水氣混摻

的情況一樣，這是高速的空氣和靜止的海水這兩種流體的界面上，因剪切流動(dòng)而引起的界面

失穩(wěn)的波動(dòng)現(xiàn)象。由于園管層流的流速按拋物線分布，過(guò)流斷面上的流速梯度較大，而且因

壁面上的流速恒為零。相同管徑下，如果平均流速越大，則梯度越大，即層間的剪切流速越

大，于是就容易產(chǎn)生紊動(dòng)。紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)所見(jiàn)到的波動(dòng)破裂旋渦質(zhì)點(diǎn)紊動(dòng)等一系列現(xiàn)

象，便是流態(tài)從層流轉(zhuǎn)變成紊流的過(guò)程顯示。

5、分析層運(yùn)動(dòng)學(xué)特性動(dòng)力學(xué)特性

流和紊流

在運(yùn)動(dòng)學(xué)

特性和動(dòng)

力學(xué)特性

方面各有

何差異？

層流和紊

流在運(yùn)動(dòng)

學(xué)特性和

動(dòng)力學(xué)特

性方面的

差異如下

表：

層流1、質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律地作分層流動(dòng)1、流層間無(wú)質(zhì)量傳輸

2、斷面流速按拋物線分布2、流層間無(wú)動(dòng)量交換

3、運(yùn)動(dòng)要素?zé)o脈動(dòng)現(xiàn)象3、單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次

方成正比

紊流1、質(zhì)點(diǎn)相互混摻作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)1、流層間有質(zhì)量傳輸

2、斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布2、流層間存在動(dòng)量交換

3、運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生不規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象3、單位質(zhì)量的能量損失與流速的

（1.75?2）次方成正比

（六）文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中，影響文丘里管流量系數(shù)大小的因素有哪些？哪個(gè)因素最敏感？

對(duì)本實(shí)驗(yàn)的管道而言，若因加工精度影響，誤將（d2?0.0Dcm值取代上述d2

值時(shí)，本實(shí)驗(yàn)在最大流量下的值將變?yōu)槎嗌伲?/p>

答：由式得

/?J2gA.

1、可見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)（水為流體）的值大小與、、、有關(guān)。其中、影響最敏感。本

實(shí)驗(yàn)的文氏管，，通常在切削加工中比測(cè)量方便，容易掌握好精度，不易測(cè)量準(zhǔn)

確，從而不可避免的要引起實(shí)驗(yàn)誤差。例如本實(shí)驗(yàn)最大流量時(shí)值為0.976,若的誤差

為-0.01cm,那么值將變?yōu)?.006.顯然不合理。

為什么計(jì)算流量Q'與實(shí)際流量Q不相等？

答：因?yàn)橛?jì)算流量Q'是在不考慮水頭損失情況下，即按理想液體推導(dǎo)的，而實(shí)際流

體存在粘性必引起阻力損失，從而減小過(guò)流能力，，即o

試應(yīng)用量綱分析法，闡明文丘里流量計(jì)的水力特性。

答:運(yùn)用量綱分析法得到文丘里流量計(jì)的流量表達(dá)式，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果,

便可進(jìn)一步搞清流量計(jì)的量測(cè)特性。

對(duì)于平置文丘里管，影響的因素有：文氏管進(jìn)口直徑，喉徑、流體的

密度、動(dòng)力粘滯系數(shù)及兩個(gè)斷面間的壓強(qiáng)差。根據(jù)定理有

/“、4、a?、P、〃、即）=0（1）

從中選取三個(gè)基本豉，分別為：

\d^\=\pTQMQ

共有6個(gè)物理量，有3個(gè)基本物理量，可得3個(gè)無(wú)量綱數(shù)，分別為:

匹=4/.pc,

乃2=4/V：”、

13=p（i

根據(jù)量綱和諧原理，的量綱式為

國(guó)=葉］廣1「口。3「

分別有：

*

M:0=（?!

聯(lián)解得：，，，則

,同理，

將各不值代入式（1）得無(wú)量綱方程為

或?qū)懗?/p>

逝=八女,上_）

即44匕2

%=（半，R°i）="2gAp/7A（勺、（［）

一44

進(jìn)而可得流量表達(dá)式為

Q=；片伍麗/｛（＞-1（3）

相似。為計(jì)及損失對(duì)過(guò)流量的影響，實(shí)際流量在式（3）中引入流量系數(shù)計(jì)算，變?yōu)?/p>

比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)與一定有關(guān)，又因?yàn)槭剑?）中的函數(shù)關(guān)系并不一

定代表了式（2）中函數(shù)所應(yīng)有的關(guān)系，故應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)搞清與、的相關(guān)性。

通過(guò)以上分析，明確了對(duì)文丘里流量計(jì)流量系數(shù)的研究途徑，只要搞清它與、的關(guān)

系就行了。

由本實(shí)驗(yàn)所得在紊流過(guò)渡區(qū)的?關(guān)系曲線（為常數(shù)），可知隨的增大而增大，因

恒有，故若使實(shí)驗(yàn)的增大，將漸趨向于某一小于I的常數(shù)。

另外，根據(jù)已有的很多實(shí)驗(yàn)資料分析-，與也有關(guān)，不同的值，可以得到不同的?

關(guān)系曲線，文丘里管通常使。所以實(shí)用上，對(duì)特定的文丘里管均需實(shí)驗(yàn)率定?的關(guān)系,

或者查用相同管徑比時(shí)的經(jīng)驗(yàn)曲線。還有實(shí)用上較適宜于被測(cè)管道中的雷諾數(shù)，使值接

近于常數(shù)。

流量系數(shù)的上述關(guān)系，也反映了文丘里流量計(jì)的水力特性。

4、文丘里管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為6.7mH2O。工程中應(yīng)用文氏管時(shí)，應(yīng)

檢驗(yàn)其最大真空度是否在允許范圍內(nèi)。據(jù)你的實(shí)驗(yàn)成果，分析本實(shí)驗(yàn)流量計(jì)喉頸最大真空值

為多少？

答：本實(shí)驗(yàn)，，以管釉線高程為基準(zhǔn)面，以水箱液面和喉道斷面分別為1-2和2-2計(jì)算斷

面，立能量方程得

%?=Pi，+加k2+%/-2

/2g

則

加27

Pi="(I---------%-2

Y2g

t?e%.2>0

.?.立<-52.22?！ㄒ?。

/

即本實(shí)驗(yàn)最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度，而由實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)為。

進(jìn)一步分析可知.若水箱水位高于管軸線4m左右時(shí)，本實(shí)驗(yàn)裝置中文丘里管喉頸處的

真空度可達(dá)。

（八）局部阻力實(shí)驗(yàn)

L結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果，分析比較突擴(kuò)與突縮在相應(yīng)條件下的局部損失大小關(guān)系。

v2

由式/r-=<—

2g

及C=f（djd?）

表明影響局部阻力損失的因素是和，由于有

突擴(kuò)：

突縮：

=0.5（1-AM2）=0,5

￡（1-AMJ21-A/A

當(dāng)A/4

或djd2<0.707

時(shí)，突然擴(kuò)大的水頭損失比相應(yīng)突然收縮的要大。在本實(shí)驗(yàn)最大流量Q下，突擴(kuò)損失較突縮

損失約大一倍，即。接近于1時(shí)，突擴(kuò)的水流形態(tài)接近于逐漸擴(kuò)大管的流動(dòng)，因而阻力損

失顯著減小。

2.結(jié)合流動(dòng)演示儀的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部阻

力損失的主要部位在哪里？怎樣減小局部阻力損失？

流動(dòng)演示儀I-VII型可顯示突擴(kuò)、突縮、漸擴(kuò)、漸縮、分流、合流、閥道、繞流等三十

余種內(nèi)、外流的流動(dòng)圖譜。據(jù)此對(duì)局部阻力損失的機(jī)理分析如下：

從顯示的圖譜可見(jiàn)，凡流道邊界突變處，形成大小不一的旋渦區(qū)。旋渦是產(chǎn)生損失的主

要根源。由于水質(zhì)點(diǎn)的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)和激烈的紊動(dòng)，相互摩擦，便消耗了部分水體的自?xún)?chǔ)能量。

另外，當(dāng)這部分低能流體被主流的高能流體帶走時(shí)，還須克服剪切流的速度梯度，經(jīng)質(zhì)點(diǎn)間

的動(dòng)能交換，達(dá)到流速的重新組合，這也損耗了部分能量。這樣就造成了局部阻力損失。

從流動(dòng)儀可見(jiàn)，突擴(kuò)段的旋渦主要發(fā)生在突擴(kuò)斷面以后，而且與擴(kuò)大系數(shù)有關(guān)，擴(kuò)大系數(shù)越

大，旋渦區(qū)也越大，損失也越大，所以產(chǎn)生突擴(kuò)局部阻力損失的主要部位在突擴(kuò)斷面的后

部。而突縮段的旋渦在收縮斷面前后均有。突縮前僅在死角區(qū)有小旋渦，且強(qiáng)度較小，而突

縮的后部產(chǎn)生了紊動(dòng)度較大的旋渦環(huán)區(qū)?？梢?jiàn)產(chǎn)生突縮水頭損失的主要部位是在突縮斷面

后。

從以上分析知。為了減小局部阻力損失，在設(shè)計(jì)變斷面管道幾何邊界形狀時(shí)應(yīng)流線型化

或盡量接近流線型，以避免旋渦的形成，或使旋渦區(qū)盡可能小。如欲減小本實(shí)驗(yàn)管道的局部

阻力，就應(yīng)減小管徑比以降低突擴(kuò)段的旋渦區(qū)域；或把突縮進(jìn)口的直角改為園角，以消除突

縮斷面后的旋渦環(huán)帶，可使突縮局部阻力系數(shù)減小到原來(lái)的突然收縮實(shí)驗(yàn)管道,

使用年份長(zhǎng)后，實(shí)測(cè)阻力系數(shù)減小，主要原因也在這里。

3.現(xiàn)備有一段長(zhǎng)度及聯(lián)接方式與調(diào)節(jié)閥（圖5.1）相同，內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)管道相同的直管段,

如何用兩點(diǎn)法測(cè)量閥門(mén)的局部阻力系數(shù)？

兩點(diǎn)法是測(cè)量局部阻力系數(shù)的簡(jiǎn)便有效辦法。它只需在被測(cè)流段（如閥門(mén)）前后的直

管段長(zhǎng)度大于（20?40）d的斷面處，各布置一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)便可。先測(cè)出整個(gè)被測(cè)流段上的總水

頭損失，有

%-2=*+.+―+〃/”+..?+%+力=-2

式中：一分別為兩測(cè)點(diǎn)間互不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失；

hjn-被測(cè)段的局部阻力損失；

〃上2—兩測(cè)點(diǎn)間的沿程水頭損失。

然后，把被測(cè)段（如閥門(mén)）換上一段長(zhǎng)度及聯(lián)接方法與被測(cè)段相同，內(nèi)徑與

管道相同的直管段，再測(cè)出相同流量下的總水頭損失，同樣有

hw\-2=卜八十hj2H------Fhji+與i_2

所以”一〃*2

派4.實(shí)驗(yàn)測(cè)12345-

得突縮管

在不同管

徑比時(shí)的

局部阻力

系數(shù)如

下：

序號(hào)

d2/dl0.20.40.60.81.0

0.480.420.320.180

試用最小二乘法建立局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式

(1)確定經(jīng)驗(yàn)公式類(lèi)型

現(xiàn)用差分判別法確定。

由實(shí)

驗(yàn)數(shù)

據(jù)求

得等

差相

應(yīng)的

差分12345

,其

、—?

級(jí)差

分如

下表

i

Ax0.20.20.20.2

Ay-0.06-0.1-0.04-0.18

及Y-0.04-0.04-0.04

二級(jí)差分為常數(shù)，故此經(jīng)驗(yàn)公式類(lèi)型為

y=b。+bix+b2x(1)

(2)用最小二乘法確定系數(shù)

令S=到一[%+白為+b2x]]

3是實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差。

如用表示偏差的平方和，即

￡=力：=￡[%-(%+仇為+bxf)]2

2(2)

*=|*=1

為使為最小值，則必須滿(mǎn)足

米;0

<~o

—=0

于是式（2）分別對(duì)％、b「/求偏導(dǎo)可得

E必一5瓦_(dá)A?，一與=°

工丫內(nèi)-b°E%-b》x"b》x；=U⑶

1=1r=lf=l/=1

5555

-d￡>；一迂x：-b2fx：=o

i=li=li=lr=l

列表計(jì)

算如

Xj=d/4M=7七X：

下：2

/

10.20.480.040.008

20.40.42().160.064

30.50.320.360.216

40.80.180.640.512

51.3