1、习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载流体力学实验思考题解答（一）流体静力学实验1、 当 时，试根据记录数据确定水箱的真空区域。0Bp答：以当 时，第 2 次 B 点量测数据（表 1.1）为例，此时 ，相应0 06.cmpB容器的真空区域包括以下 3 三部分：（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、气所占的空间区域，均为真空区域。 （2）同理，过箱顶小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，自水面向下深度为的一段
2、水注亦为真空区。这段高度与测压管 2 液面低于水箱液面的高度相等，0HAP亦与测压管 4 液面高于小水杯液面高度相等，均为 。0HAP2、 若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定 。0答：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 和 ，由式 ，从而求得 。whoowho3、 如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？答：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 dhcos4式中， 为表面张力系数； 为液体的容重； 为测压管的内径； 为毛细升高。常温 h（ ）的水， 或 ， 。水与Ct
3、20myn/28.7mN/073. 3/98.0mdyn玻璃的浸润角 很小，可认为 。于是有.1cosdh9h单 位 均 为、一般说来，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， 减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机玻璃作测压管时，浸润角 较大，其 较普通玻璃管小。h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。相互抵消了。4、 过 C 点作一水平面，相对管 1、2、5 及水箱中液体而言，这个水平是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？答：不全是等压面，它仅相对管 1、2 及水箱中的液体而言，这
4、个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列 5 个条件的平面才是等压面：（1） 重力液体；习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载（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） ，因此，相对管 5 和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。6、用图 1.1 装置能演示变液位下的恒定流实验吗？答：关闭各通气阀，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由 C 进入水箱。这时阀门的出流就是变液位下的恒定流。因为由观察可知，测压管 1 的液面始终与 C 点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒定流动。这是由于液位的
5、的降低与空气补充使箱体表面真空度的减小处于平衡状态。医学上的点滴注射就是此原理应用的一例，医学上称之为马利奥特容器的变液位下恒定流。7、该仪器在加气增压后，水箱液面将下降 而测压管液面将升高 H，实验时，若以时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强（ ）与视在压强0p H 的相对误差值。本仪器测压管内径为 0.8cm,箱体内径为 20cm。答：加压后，水箱液面比基准面下降了 ，而同时测压管 1、2 的液面各比基准面升高了H，由水量平衡原理有则 422DHd 2DdH本实验仪 ， 故 cm8.0c003.于是相对误差 有2.1H因而可略去不计。对单根测压管的容器若有 或对两根测压管的
6、容器 时，便可使10dD7dD。01.（二）伯诺里方程实验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 JP 可正可负。而总水头线(E-E)沿程只降不升，线坡 JP恒为正，即 J0。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。如图所示，测点 5 至测点 7，管渐缩，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，J P0，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，如图上的渐
7、扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。2、习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载3、 流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？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，任一断面起始的总水头 E 及管道过流断面面积 A 为定值时，2gAQEpZHpQ 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v2pZ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 gAQgAQvgvpZHP 2222121 221式中 为两个断
8、面之间的损失系 9 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， 亦增大， 线的起落变化更为显著。HP4、 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，测点高差 0.7cm， 均为 37.1cm（偶有毛细影pZHP响相差 0.1mm） ，表明均匀流各断面上，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
9、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）降低相关管线的安装高程， （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）更具有工程实际意义。因为若管系落差不变，单单降低管线位置往往就可以避免真空。例如可在水箱出口接一下垂 90 度的弯管，后接水平段，将喉管高程将至基准高程 0-0，比位能降至零，比压能得以增
10、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，p现分析如下：当作用水头增大 时，测点 7 断面上 值可用能量方程求得。hpZ习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载取基准面及计算断面 1、2、3 如图所示，计算点选在管轴线上（以下水拄单位均为cm） 。于是由断面 1、2 的能量方程（取 ）有132（1）2121 whgvpZh因 可表示成 21whdlcsew 32.132.121 此处 是管段 1-2 总水头损失系数，式中 、 分别为进口和渐缩局部损失系数。2.1ces又由连续方程有 gvdv2342故式（1）可变为 （2）gvh
11、Zpc23.142312 式中 可由断面 1、3 能量方程求得，即gv23（3）gvZhc23.1231是管道阻力的总损失系数。3.1c由此得 ，代入式（2）有3.13123/chgv（4）3.12.14212 cchZdZp随 递增还是递减，可由 加以判别。因2ZhpZ/2（5）3.1.432cp若 ，则断面 2 上的 随 同步递增。反之，01/13.2.423 ccdpZh则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。因本实验仪 ， ， ，而当 时，实验的7.2351Z1030， ， ，将各值代入式（2） 、 （3） ，可得该管62pZ9gv4.23gv道阻力系数分别为 ， 。再将其代
12、入式（5）得.2.1c.1c习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载0267.3.51742 hpZ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 接近hpZ/2于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强（减小负压）效果不明显。变水头实验可证明结论正确。5、 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。总压管液面的连线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 绘制的。据经验资料，对于园管紊流，只有
13、pZgv2在离管壁约 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d12.0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头线偏高。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的总水头线才更准确。（五）雷诺实验1、流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？雷诺在 1883 年以前的实验中，发现园管流动存在着两种流态层流和紊流，并且存在着层流转化为紊流的临界流速 ， 与流体的粘性 、园管的直径 有关，既v d（1）df,因此从广义上看，
14、 不能作为流态转变的判据。v为了判别流态，雷诺对不同管径、不同粘性液体作了大量的实验，得出了无量纲参数 作为管流流态的判据。他不但深刻揭示了流态转变的规律。而且还为后人用无量/vd纲化的方法进行实验研究树立了典范。用无量纲分析的雷列法可得出与雷诺数结果相同的无量纲数。可以认为式（1）的函数关系能用指数的乘积来表示。即（2）21 adKv其中 为某一无量纲系数。K式（2）的量纲关系为（3）211aLTL从量纲和谐原理，得： 121： Ta习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载联立求解得 ，1a2将上述结果，代入式（2） ，得或 （4）dKv dv雷诺实验完成了 值的
15、测定，以及是否为常数的验证。结果得到 K=2320。于是，无量纲数 便成了适合于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的贡献，/vd定名为雷诺数。随着量纲分析理论的完善，利用量纲分析得出无量纲参数，研究多个物理量间的关系，成了现今实验研究的重要手段之一。2、为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流和紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？根据实验测定，上临界雷诺数实测值在 30005000 范围内，与操作快慢，水箱的紊动度，外界干扰等密切相关。有关学者做了大量试验，有的得 12000，有的得 20000，有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为
16、不定值，无实际意义。只有下临界雷诺数才可以作为判别流态的标准。凡水流的雷诺数小于下临界雷诺数者必为层流。本实验实测下临界雷诺数为 2178。3、雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为 2320，而且前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是 2000，原因何在？下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关。雷诺实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量实验很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在 20002300 之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍的园管下临界雷诺数一般是 2000。4、试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？从
17、紊动机理实验的观察可知，异重流（分层流）在剪切流动情况下，分界面由于扰动引发细微波动，并随剪切流动的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以至于间断面破裂而形成一个个小旋涡。使流体质点产生横向紊动。正如在大风时，海面上波浪滔天，水气混掺的情况一样，这是高速的空气和静止的海水这两种流体的界面上，因剪切流动而引起的界面失稳的波动现象。由于园管层流的流速按抛物线分布，过流断面上的流速梯度较大，而且因壁面上的流速恒为零。相同管径下，如果平均流速越大，则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于是就容易产生紊动。紊动机理实验所见到的波动 破裂 旋涡 质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变成紊流的过程显示。5、分
18、析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面的差异如下表：运动学特性 动力学特性层流 1、 质点有规律地作分层流动2、 断面流速按抛物线分布3、 运动要素无脉动现象1、 流层间无质量传输2、 流层间无动量交换3、 单位质量的能量损失与流速的一次方成正比紊流 1、 质点相互混掺作无规则运动 1、 流层间有质量传输习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载2、 断面流速按指数规律分布3、 运动要素发生不规则的脉动现象2、 流层间存在动量交换3、 单位质量的能量损失与流速的（1.752）次方成正比（六）文丘里流量计实验1、 本实
19、验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验的管道而言，若因加工精度影响，误将 （ d2-0.01） cm 值取代上述 d2值时，本实验在最大流量下的 值将变为多少？答：由式 得1/244211dhgdQ4可见本实验（水为流体）的 值大小与 、 、 、 有关。其中 、 影响最敏感。Q12h1d2本实验的文氏管 ， ，通常在切削加工中 比 测量方便，容易cmd4.1cd7.02掌握好精度， 不易测量准确，从而不可避免的要引起实验误差。例如本实验最大流量时2值为 0.976，若 的误差为-0.01cm，那么 值将变为 1.006，显然不合理。2、 为什么计算流量 Q与实际流
20、量 Q 不相等？答：因为计算流量 Q是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流能力， ，即 。0.13、 试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。答：运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式，然后结合实验成果，便可进一步搞清流量计的量测特性。对于平置文丘里管，影响 的因素有：文氏管进口直径 ，喉径 、流体的密度 、1v1d2动力粘滞系数 及两个断面间的压强差 。根据 定理有p（1）0212 dvf、 从中选取三个基本量，分别为：01MTL1v103共有 6 个物理量，有 3 个基本物理量，可得 3 个无量纲 数，分别为：1121/cba
21、vd21习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载3313/cbavdp根据量纲和谐原理， 的量纲式为1113cbaMLTL分别有 ： 11： 0b: 1c联解得： ， ， ，则1a1， 同理 ， 12d12vd213vp将各 值代入式（1）得无量纲方程为0)(2112vpf，或写成)(1221vdfpv，)(/)(/ 123121 ee RfpgRdfv 、， 进而可得流量表达式为（2）)(241231efhQ、（3）)(/41221 dgd相似。为计及损失对过流量的影响，实际流量在式（3）中引入流量系数 计算，变为Q（4）1)(/24421dhgdQ比较（2） 、
22、 （4）两式可知，流量系数 与 一定有关，又因为式（4）中 的函数QeR12d关系并不一定代表了式（2）中函数 所应有的关系，故应通过实验搞清 与 、3f QeR习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载的相关性。12d通过以上分析，明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径，只要搞清它与 、eR的关系就行了。12由本实验所得在紊流过渡区的 关系曲线（ 为常数） ，可知 随 的QeR12dQe增大而增大，因恒有 ，故若使实验的 增大， 将渐趋向于某一小于 1 的常数。1Q另外，根据已有的很多实验资料分析， 与 也有关，不同的 值，可以122d得到不同的 关系曲线，文丘里管
23、通常使 。所以实用上，对特定的文丘QeRd里管均需实验率定 的关系，或者查用相同管径比时的经验曲线。还有实用上较适宜于被测管道中的雷诺数 ，使 值接近于常数 。5102eQ98.0流量系数 的上述关系，也反映了文丘里流量计的水力特性。Q4、文丘里管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为 6-7mH2O。工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？答：本实验 ， ，以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉道断面cmd4.1cd71.02分别为 1-2 和 2-2 计算断面，立能量方程得2120whgvpH则 2102102 wwhgvv
24、p21whOcmHp2.5即本实验最大流量时，文丘里管喉颈处真空度 ，而由实验实测为OcmHhv25。OcmH25.60进一步分析可知，若水箱水位高于管轴线 4m 左右时，本实验装置中文丘里管喉颈处的真空度可达 。27习题解析网，免费资料下载 http:/ 各科教材课后习题答案免费下载（八）局部阻力实验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。由式 gvhj2及 )(1df表明影响局部阻力损失的因素是 和 ，由于有v21d突扩： )(Ae突缩： 5.021s则有 21215.0)(AAKes 当 5.021或 7d时，突然扩大的水头损失比相应突然收缩的要大。在本实验最
25、大流量 Q 下，突扩损失较突缩损失约大一倍，即 。 接近于 1 时，突扩的水流形态817.60.3/54jseh2d接近于逐渐扩大管的流动，因而阻力损失显著减小。 2.结合流动演示仪的水力现象，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 I-VII 型可显示突扩、突缩、渐扩、渐缩、分流、合流、阀道、绕流等三十余种内、外流的流动图谱。据此对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，形成大小不一的旋涡区。旋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，相互摩擦，便消耗了部分水体的自储能量。另外，当这部分
26、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，突扩段的旋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，旋涡区也越大，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。而突缩段的旋涡在收缩断面前后均有。突缩前仅在死角区有小旋涡，且强度较小，而突缩的后部产生了紊动度较大的旋涡环区。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尽量接近流线型，以避免旋涡的形成，或使旋涡区尽可能小。如欲减小本实验管道的局部阻力，就应减小管径比以降低突扩段的旋涡区域；或把突缩进口的直角改为园角，以消除突缩断面后的旋涡环带，可使突缩局部阻力系数减小到原来的 1/21/10。突然收缩实验管道，使用年份长后，实测阻力系数减小，主要原因也在这里。
