水力學(xué)實(shí)驗(yàn)參考答案靜水壓強(qiáng)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？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。實(shí)驗(yàn)直接觀察可知，同一靜止液面內(nèi)的測(cè)壓管水頭線是一根水平線。2．當(dāng)時(shí)，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定水箱內(nèi)的真空區(qū)域。，相應(yīng)容器的真空區(qū)域包括以下三個(gè)局部：〔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、氣所占區(qū)域，均為真空區(qū)域?！?〕同理，過(guò)箱頂小不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?！?〕在測(cè)壓管5中，自水面向下深度某一段水柱亦為真空區(qū)域。這段高度與測(cè)壓管2液面低于水箱液面的高度相等，亦與測(cè)壓管4液面高于小水杯液面高度相等。3．假設(shè)再備一根直尺，試采用另外最簡(jiǎn)便的方法測(cè)定。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。4．如測(cè)壓管太細(xì)，對(duì)于測(cè)壓管液面的讀數(shù)將有何影響？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)算式中，為外表張力系數(shù)；為液體容量；為測(cè)壓管的內(nèi)徑；為毛細(xì)升高。常溫的水，，。水與玻璃的浸潤(rùn)角很小，可以認(rèn)為。于是有〔、均以計(jì)〕一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)玻璃測(cè)壓管的內(nèi)徑大于10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??；當(dāng)采用有機(jī)下班玻璃作測(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，那么毛細(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)，互相抵消了。5．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)水平面是不是等壓面？哪一局部液體是同一等壓面？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)水平面才是等壓面。因?yàn)橹挥腥烤哂幸韵?個(gè)條件的平面才是等壓面：〔1〕重力液體；〔2〕靜止；〔3〕連通；〔4〕連通介質(zhì)為同一均質(zhì)液體；〔5〕同一水平面。而管5與水箱之間不符合條件〔4〕，相對(duì)管5和水箱中的液體而言，該水平面不是水平面。6、用該實(shí)驗(yàn)裝置能演示變液位下的恒定水流嗎？關(guān)閉各通氣閥門(mén)，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水流。因?yàn)橛捎^察可知，測(cè)壓管1的液面始終與C點(diǎn)同高，說(shuō)明作用于底閥上的總水頭不變，故為恒定流動(dòng)。這是由于液位的降低與空氣補(bǔ)充使箱體外表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)這為馬利奧特容器的變液位下恒定流。文丘里實(shí)驗(yàn)1．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，假設(shè)因加工精度影響，誤將值取代值時(shí)，本實(shí)驗(yàn)在最大流量下的值將變?yōu)槎嗌?？由式得可?jiàn)本實(shí)驗(yàn)的值大小與、、、有關(guān)。其中、影響最敏感。本實(shí)驗(yàn)中假設(shè)文丘里管=，=，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，從而不可防止的要引起實(shí)驗(yàn)誤差。例如當(dāng)最大流量時(shí)值為0.976，假設(shè)的誤差為－0.01，那么值將變?yōu)?.006，顯然不合理。2．為什么計(jì)算流量與實(shí)際流量不相等？因?yàn)橛?jì)算流量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〈1.0。3．文丘里流量計(jì)能否傾斜安裝，為什么？如下圖根據(jù)流體靜力學(xué)方程得那么由圖可知式中，、、、分別為各測(cè)壓管的液面讀數(shù)。因此，無(wú)論文丘里流量計(jì)是否傾斜安裝，對(duì)測(cè)壓管讀數(shù)都不影響。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)用文丘里管時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)其最大真空度是否在允許范圍內(nèi)。根據(jù)你的實(shí)驗(yàn)成果，分析本實(shí)驗(yàn)文丘里管喉頸處最大真空值為多少？本實(shí)驗(yàn)假設(shè)=，=，以管軸線高程為基準(zhǔn)面，以水箱液面和喉頸斷面分別為1-1、2-2計(jì)算斷面，列能量方程得那么cmH2O即實(shí)驗(yàn)中最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度cmH2O，而由本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)約為60cm。進(jìn)一步分析可知，假設(shè)水箱水位高于管軸線4m左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)中文丘里管喉頸處真空度可達(dá)7mH2O左右。雷諾實(shí)驗(yàn)1．為什么上臨界雷諾數(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)，與操作的快慢、水箱的紊動(dòng)度、外界干擾等密切相關(guān)。有關(guān)學(xué)者做了大量實(shí)驗(yàn)，有的得12000，有的得20000，有的甚至得到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)者為層流。一般實(shí)測(cè)下臨界雷諾數(shù)為2100左右。2．雷諾實(shí)驗(yàn)得出的圓管流動(dòng)下臨界雷諾數(shù)理論值為2320，而目前一般教科書(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)也并非與干擾絕對(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)屢次細(xì)心量測(cè)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)中介紹的圓管下臨界雷諾數(shù)一般是2000。3．圓管內(nèi)液流有哪幾種流動(dòng)狀態(tài)？它們的特點(diǎn)如何？結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明。略。4．分析層流和紊流在運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性方面各有何差異？流動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性動(dòng)力學(xué)特性層流質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律地作分層流動(dòng)流層間無(wú)質(zhì)量傳輸斷面流速按拋物線分布流層間無(wú)動(dòng)量交換運(yùn)動(dòng)要素?zé)o脈動(dòng)現(xiàn)象單位質(zhì)量的能量損失與流速的一次方成正比紊流質(zhì)點(diǎn)互相混滲作無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)流層間有質(zhì)量傳輸斷面流速按指數(shù)規(guī)律分布流層間存在動(dòng)量交換運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生不規(guī)那么的脈動(dòng)現(xiàn)象單位質(zhì)量的能量損失與流速的〔1.75-2〕次方成正比5．為什么必須用一個(gè)保持溢流的恒壓水箱來(lái)做雷諾實(shí)驗(yàn)？略。沿程阻力損失實(shí)驗(yàn)1．本實(shí)驗(yàn)中，沿程阻力損失就是壓差計(jì)的壓差，如果管道有一定的傾角，壓差計(jì)的壓差是否還是沿程阻力損失？為什么？現(xiàn)以傾斜等徑管道上裝設(shè)的水銀多管壓差計(jì)為例說(shuō)明〔圖中A—A為水平線〕：如圖示O—O為基準(zhǔn)面，以1—1和2—2為計(jì)算斷面，計(jì)算點(diǎn)在軸心處，設(shè)，，由能量方程可得這說(shuō)明水銀壓差計(jì)的壓差值即為沿程水頭損失，且和傾角無(wú)關(guān)。2．根據(jù)實(shí)測(cè)值判斷本實(shí)驗(yàn)的流區(qū)?！€的斜率m=1.0～，即與成正比，說(shuō)明流動(dòng)為層流〔m=1.0〕、紊流光滑區(qū)和紊流過(guò)渡區(qū)〔未達(dá)阻力平方區(qū)〕。3．管道的當(dāng)量粗糙度如何測(cè)得？當(dāng)量粗糙度的測(cè)量可用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定及的值，然后用下式求解：〔1〕考爾布魯克公式莫迪圖即是本式的圖解?！?〕S．J公式〔3〕Barr公式其中〔3〕式精度最高。在反求時(shí)，〔2〕式開(kāi)方應(yīng)取負(fù)號(hào)。也可直接由～關(guān)系在莫迪圖上查得，進(jìn)而得出當(dāng)量粗糙度值。4．實(shí)驗(yàn)工程中的鋼管中的流動(dòng)，大多為光滑紊流或紊流過(guò)渡區(qū)，而水電站泄洪洞的流動(dòng)，大多數(shù)為紊流阻力平方區(qū)，其原因何在？鋼管的當(dāng)量粗糙度一般為0.2mm，常溫下，，經(jīng)濟(jì)流速，假設(shè)實(shí)用管徑D=〔20～100〕cm，其～，相應(yīng)的=，由莫迪圖可知，流動(dòng)均處在過(guò)渡區(qū)。假設(shè)需到達(dá)阻力平方區(qū)，那么相應(yīng)的～，流速應(yīng)到達(dá)(5～9)m/s。這樣高速的有壓管流在實(shí)際工程中非常少見(jiàn)。而泄洪洞的當(dāng)量粗糙度可達(dá)(1～9)mm，洞徑一般為〔2～3〕m，過(guò)流速往往在(5～10)m/s以上，其大于，故一般均處于阻力平方區(qū)。局部阻力損失實(shí)驗(yàn)1．結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析比擬突擴(kuò)與突縮圓管在相應(yīng)條件下的局部阻力損失大小關(guān)系。由式及說(shuō)明影響局部阻力損失的因素是和。由于有突擴(kuò)：突縮：那么有當(dāng)或時(shí)，突然擴(kuò)大的水頭損失比相應(yīng)的突然收縮的要大。在本實(shí)驗(yàn)最大流量Q下，突然擴(kuò)大損失較突然縮小損失約大一倍，即。接近于1時(shí)，突然擴(kuò)大的水流形態(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)儀演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部損失的主要部位在哪里？怎樣減小局部阻力損損失？流動(dòng)演示儀1-7型可顯示突擴(kuò)、突縮、漸擴(kuò)、漸縮、分流、合流、閥道、繞流等三十多種內(nèi)、外流的流動(dòng)圖譜。據(jù)此對(duì)于局部阻力損失的機(jī)理分析如下：從顯示的圖譜可見(jiàn)，凡流道邊界突變處，形成大小不一的漩渦區(qū)。漩渦是產(chǎn)生損失的主要根源。由于水質(zhì)點(diǎn)的無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)和劇烈的紊動(dòng)，相互磨擦，便消耗了局部水體的自儲(chǔ)能量。另外，當(dāng)這局部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，到達(dá)流速的重新組合，這也損耗了局部能量。這樣就造成了局部阻力損失。從流動(dòng)儀可見(jiàn)，突擴(kuò)段的漩渦主要發(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，漩渦區(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。而突縮段的漩渦在收縮斷面均有。突縮前僅在死角區(qū)有小漩渦，且強(qiáng)度較小，而突縮的后部產(chǎn)生了紊動(dòng)度較大的漩渦環(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。從以上分析可知，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)流線型化或晝接近流線形，以防止漩渦的形成，或使漩渦區(qū)盡可能小。如欲減小管道的局部阻力，就應(yīng)減小管徑比以降低突擴(kuò)段的漩渦區(qū)域；或把突縮進(jìn)口的直角改為圓角，以消除突縮斷面后的漩渦環(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)以后，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)閥相同，內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)管道相同的直管段(見(jiàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖)，如何用兩點(diǎn)法測(cè)量閥門(mén)的局部阻力系數(shù)？?jī)牲c(diǎn)法是測(cè)量局部阻力系數(shù)的簡(jiǎn)便有效方法。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〕的斷面處，各布置一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)便可。先測(cè)出整個(gè)測(cè)量段上的總水頭損失，有式中：----分別為兩測(cè)點(diǎn)間不干擾的各個(gè)局部阻力段的阻力損失；----被測(cè)段的局部阻力損失；----兩測(cè)點(diǎn)間的沿程阻力損失。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，同樣有所以孔口、管嘴出流實(shí)驗(yàn)1．結(jié)合觀測(cè)不同類(lèi)型管嘴與孔口出流的流股特征，分析流量系數(shù)不同的原因及增大過(guò)流能力的途徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，流股形態(tài)及流量系數(shù)如下：圓角管嘴出流的流股呈光滑圓柱形，；直角管嘴出流的流股呈圓柱形麻花狀扭變，；圓錐管嘴出流的流股呈光滑圓柱形，；孔口出流的流股在出口附近有側(cè)收縮，呈光滑圓柱形，。影響流量系數(shù)大小的原因有：〔1〕出口附近流股直徑，孔口為，，其余同管嘴的出口直徑，?！?〕直角進(jìn)口管嘴出流，大于孔口，是因?yàn)榍罢哌M(jìn)口段后由于別離，使流股側(cè)收縮而引起局部真空〔實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得局部真空度約為16〕，產(chǎn)生抽吸作用從而加大過(guò)流能力。后者孔口出流流股側(cè)面均為大氣壓，無(wú)抽吸力存在?！?〕直角進(jìn)口管嘴的流股呈扭變，說(shuō)明橫向脈速大，紊動(dòng)度大，這是因?yàn)樵趥?cè)收縮斷面附近形成漩渦這故。而圓角進(jìn)口管嘴的流股為光滑圓柱形，橫向脈速微弱，這是因?yàn)檫M(jìn)口近乎流線形，不易產(chǎn)生漩渦之故，所以直角管嘴比圓角管嘴出流損失大，值小?！?〕圓錐管嘴雖亦屬直角進(jìn)口，但因進(jìn)口直徑漸小，不易產(chǎn)生別離，其側(cè)收縮面面積接近出口面積〔值以出口面積計(jì)〕，故側(cè)收縮并不明顯影響過(guò)流能力。另外，從流股形態(tài)看，橫向脈動(dòng)亦不明顯，說(shuō)明漸縮管對(duì)流態(tài)有穩(wěn)定作用〔工程或?qū)嶒?yàn)中，為了提