重慶交通大學 實驗一 流體靜力學實驗 水力學實驗 重慶交通大學 2013/6/8 重慶交通水力學實驗報告 實驗分析與討論 1.同一靜止液體內的測管水頭線是根什么線？ 測壓管水頭指，即靜水力學實驗儀顯示的測管液面至基準面的垂直高度測壓管水頭線指測壓管液面的連線實驗直接觀察可知，同一靜止液面的測壓管水頭線是一根水平線 2.當PB<0時，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定水箱內的真空區(qū)域 ，相應容器的真空區(qū)域包括以下三部分： (1)過測壓管2液面作一水平面，由等壓面原理知，相對測壓管2及水箱內的水體而言，該重慶交通大學河海學院 2 水平面為等壓面，均為大氣壓強，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，過箱頂小水杯的液面作一水平面， 測壓管4中，該平面以上的水體亦為真空區(qū)域 (3)在測壓管5中，自水面向下深度某一段水柱亦為真空區(qū)這段高度與測壓管2液面低于水箱液面的高度相等，亦與測壓管4液面高于小水杯液面高度相等 3.若再備一根直尺，試采用另外最簡便的方法測定γ 0 最簡單的方法，是用直尺分別測量水箱內通大氣情況下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h和h0，由式，從而求得γ0。

4.如測壓管太細，對測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？ 設被測液體為水，測壓管太細，測壓管液面因毛細現(xiàn)象而升高，造成測量誤差，毛細高度由下式計算 式中，為表面張力系數(shù)；為液體的容量；d為測壓管的內徑；h為毛細升高常溫(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm水與玻璃的浸潤角很小，可認為cosθ=1.0于是有(h、d單 位 為mm) 一般來說，當玻璃測壓管的內徑大于10mm時，毛細影響可略而不計另外，當水質不潔時，減小，毛細高度亦較凈水小；當采用有機玻璃作測壓管時，浸潤角較大，其h較普通玻璃管小 如果用同一根測壓管測量液體相對壓差值，則毛細現(xiàn)象無任何影響因為測量高、低壓強時均有毛細現(xiàn)象，但在計算壓差時，互相抵消了 5.過C點作一水平面，相對管1、2、5及水箱中液體而言，這個水平面是不是等壓面？哪一部分液體是同一等壓面？ 重慶交通大學河海學院 3 不全是等壓面，它僅相對管1、2及水箱中的液體而言，這個水平面才是等壓面因為只有全部具備下列5個條件的平面才是等壓面：（1 ）重力液體；（2）靜止；（3）連通；（4）連通介質為同一均質液體；（5）同一水平面而管5與水箱之間不符合條件（4），因此，相對管5和水箱中的液體而言，該水平面不是等壓面。

6.用圖1.1裝置能演示變液位下的恒定流實驗嗎？ 關閉各通氣閥門，開啟底閥，放水片刻，可看到有空氣由c進入水箱這時閥門的出流就是變液位下的恒定流因為由觀察可知，測壓管1的液面始終與c點同高，表明作用于底閥上的總水頭不變，故為恒定流動這是由于液位的降低與空氣補充使箱體表面真空度的減小處于平衡狀態(tài)醫(yī)學上的點滴注射就是此原理應用的一例，醫(yī)學上稱之為馬利奧特容器的變液位下恒定流 7.該儀器在加氣增壓后，水箱液面將下降而測壓管液面將升高H，實驗時，若以P0=0時的水箱液面作為測量基準，試分析加氣增壓后，實際壓強（H+δ）與視在壓強H的相對誤差值本儀器測壓管內徑為0.8cm，箱體內徑為20cm 加壓后，水箱液面比基準面下降了，而同時測壓管1、2的液面各比基準面升高了H，由水量平衡原理有 則 本實驗儀 d=0.8cm, D=20cm, 故 H=0.0032 于是相對誤差有 重慶交通大學河海學院 4 因而可略去不計 其實，對單根測壓管的容器若有D/d 10或對兩根測壓管的容器 D/d7時，便可使0.01 1.測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什么？ 測壓管水頭線（P-P）沿程可升可降，線坡JP可正可負。

而總水頭線（E-E ）沿程只降不升，線坡J恒為正，即J>0這是因為水在流動過程中，依據(jù)一定邊界條件，動能和勢能可相互轉換測點5至測點7，管收縮，部分勢能轉換成動能，測壓管水頭線降低，Jp>0測點7至測點9，管漸擴，部分動能又轉換成勢能，測壓管水頭線升高，JP<0而據(jù)能量方程E1=E2+hw1-2, hw1-2為損失能量，是不可逆的，即恒有hw1-2>0，故E2恒小于E1，（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2.3的漸擴段和閥門等處，表明有較大的局部水頭損失存在 2.流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？ 有 如 下 二 個 變 化 ： （1）流量增加，測壓管水頭線（P-P）總降落趨勢更顯著這是因為測壓管水頭，任一斷面起始時的總水頭E及管道過流斷面面積A為定值時，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，管道任一過水斷面上的總水頭E相應減小，故的減小更加顯著 （2）測壓管水頭線（P-P）的起落變化更為顯著 因為對于兩個不同直徑的相應過水斷面有 重慶交通大學河海學院 5 式中為兩個斷面之間的損失系數(shù)管中水流為紊流時，接近于常數(shù)，又管道斷面為定值，故Q增大，H亦增大，（P-P）線的起落變化就更為顯著。

3.測點2、3和測點10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？ 測點2、3位于均勻流斷面（圖2.2），測點高差0.7cm，HP=均為37.1cm（偶有毛細影響相差0.1mm），表明均勻流同斷面上，其動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布測點10、11在彎管的急變流斷面上，測壓管水頭差為7.3cm，表明急變流斷面上離心慣性力對測壓管水頭影響很大由于能量方程推導時的限制條件之一是“質量力只有重力”，而在急變流斷面上其質量力，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算斷面在繪制總水頭線時，測點10、11應舍棄 4.試問避免喉管（測點7）處形成真空有哪幾種技術措施？分析改變作用水頭（如抬高或降低水箱的水位）對喉管壓強的影響情況 下述幾點措施有利于避免喉管（測點7）處真空的形成： （1）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）降低相應管線的安裝高程，（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）更具有工程實用意義因為若管系落差不變，單單降低管線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彎管，后接水平段，將喉管的高程降至基準高程0—0，比位能降至零，比壓能p/γ得以增大（Z），從而可能避免點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： 當作用水頭增大h時，測點7斷面上值可用能量方程求得 取基準面及計算斷面1、2、3，計算點選在管軸線上（以下水柱單位均為cm）于是由斷面重慶交通大學河海學院 6 1、2的能量方程（取a2=a3=1）有 (1) 因hw1-2可表示成此處c1.2 是管段1-2總水頭損失系數(shù)，式中 e、s分別為進口和漸縮局部損失系數(shù) 又由連續(xù)性方程有 故式（ 1）可變?yōu)? (2) 式中可由斷面1、3能量方程求得，即 (3) 由此得 (4) 代入式( 2)有(Z2 +P2/γ)隨h遞增還是遞減，可由(Z2+P2/γ)加以判別因 (5) 若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0，則斷面2上的(Z+p/γ) 隨h同步遞增反之，則遞減文丘里實驗為遞減情況，可供空化管設計參考 在實驗報告解答中，d3/d2=1.37/1，Z 1=50，Z3=-10，而當h=0時，實驗的(Z2+P2/γ)=6，，將各值代入式(2)、(3)，可得該管道阻力系數(shù)分別為c1.2=1.5，c1.3=5.37。

再將其代入式(5)得 重慶交通大學河海學院 7 表明本實驗管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步升高但因(Z2+P2/γ)接近于零，故水箱水位的升高對提高喉管的壓強（減小負壓）效果不顯著變水頭實驗可證明該結論正確 5.由畢托管測量顯示的總水頭線與實測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壓管有1、6、8、12、14、 16和18管，稱總壓管總壓管液面的連續(xù)即為畢托管測量顯示的總水頭線，其中包含點流速水頭而實際測繪的總水頭是以實測的值加斷面平均流速水頭v2/2g繪制的據(jù)經(jīng)驗資料，對于園管紊流，只有在離管壁約0.12d的位置，其點流速方能代表該斷面的平均流速由于本實驗畢托管的探頭通常布設在管軸附近，其點流速水頭大于斷面平均流速水頭，所以由畢托管測量顯示的總水頭線，一般比實際測繪的總水線偏高 因此，本實驗由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，只有按實驗原理與方法測繪總水頭線才更準確 實驗分析與討論 1、實測β與公認值(β=1.02～1.05)符合與否？如不符合，試分析原因 實測β=1.035與公認值符合良好如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉所致。

為排除此故障，可用4B鉛筆芯涂抹活塞及活塞套表面) 2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量力有無影響？為什么？ 無影響 因帶翼片的平板垂直于x軸，作用在軸心上的力矩T，是由射流沖擊平板是，沿yz平面通過翼片造成動量矩的差所致即 重慶交通大學河海學院 8 式中 Q——射流的流量； Vyz1——入流速度在yz平面上的分速； Vyz2——出流速度在yz平面上的分速； α1——入流速度與圓周切線方向的夾角，接近90°； α2——出流速度與圓周切線方向的夾角； r1,2——分別為內、外圓半徑 該式表明力矩T恒與x方向垂直，動量矩僅與yz平面上的流速分量有關也就是說平板上附加翼片后，盡管在射流作用下可獲得力矩，但并不會產(chǎn)生x方向的附加力，也不會影響x方向的流速分量所以x方向的動量方程與平板上設不設翼片無關 3、通過細導水管的分流，其出流角度與V2 相同，試問對以上受力分析有無影響？ 無影響 當計及該分流影響時，動量方程為 即 該式表明只要出流角度與V1垂直，則 x方向的動量方程與設置導水管與否無關。

4、滑動摩擦力為什么可以忽略不記？試用實驗來分析驗證的大小，記錄觀察結果提 示：平衡時，向測壓管內加入或取出1mm左右深的水，觀察活塞及液位的變化) 因滑動摩擦力<5墸，故可忽略而不計 如第三次實驗，此時hc=19.6cm，當向測壓管內注入1mm左右深的水時，活塞所受的靜重慶交通大學河海學院 9 壓力增大，約為射流沖擊力的5假如活動摩擦力大于此值，則活塞不會作軸向移動，亦即hc變?yōu)?.7cm左右，并保持不變，然而實際上，此時活塞很敏感地作左右移動，自動調整測壓管水位直至hc仍恢復到19.6cm為止這表明活塞和活塞套之間的軸向動摩擦力幾乎為零，故可不予考慮 5、V2x若不為零，會對實驗結果帶來什么影響？試結合實驗步驟7的結果予以說明 按實驗步驟7 取下帶翼輪的活塞，使射流直接沖擊到活塞套內，便可呈現(xiàn)出回流與x方向的夾角α大于90°(其V2x不為零)的水力現(xiàn)象本實驗測得135°，作用于活塞套圓心處的水深hc'=29.2cm，管嘴。