哈爾濱工程大學(xué)流體力學(xué)水力學(xué)報(bào)告及答案.doc

哈爾濱工程大學(xué)工程流體力學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)一 流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理在重力作用下不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程 或 (1.1)式中： z被測點(diǎn)在基準(zhǔn)面的相對(duì)位置高度； p被測點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，用相對(duì)壓強(qiáng)表示，以下同； p0水箱中液面的表面壓強(qiáng)； 液體容重； h被測點(diǎn)的液體深度。另對(duì)裝有水油（圖1.2及圖1.3）U型測管，應(yīng)用等壓面可得油的比重S0有下列關(guān)系： (1.2)據(jù)此可用儀器（不用另外尺）直接測得S0。實(shí)驗(yàn)分析與討論1.同一靜止液體內(nèi)的測管水頭線是根什么線？測壓管水頭指，即靜水力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀顯示的測管液面至基準(zhǔn)面的垂直高度。測壓管水頭線指測壓管液面的連線。實(shí)驗(yàn)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(dāng)PB<0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)域包括以下三部分：(1)過測壓管2液面作一水平面，由等壓面原理知，相對(duì)測壓管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0。最簡單的方法，是用直尺分別測量水箱內(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h和h0，由式，從而求得0。4.如測壓管太細(xì)，對(duì)測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？設(shè)被測液體為水，測壓管太細(xì)，測壓管液面因毛細(xì)現(xiàn)象而升高，造成測量誤差，毛細(xì)高度由下式計(jì)算式中，為表面張力系數(shù)；為液體的容量；d為測壓管的內(nèi)徑；h為毛細(xì)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(rèn)為cos=1.0。于是有(h、d單 位 為mm)一般來說，當(dāng)玻璃測壓管的內(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)玻璃作測壓管時(shí)，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(duì)壓差值，則毛細(xì)現(xiàn)象無任何影響。因?yàn)闇y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？哪一部分液體是同一等壓面？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烤邆湎铝?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），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。6.用圖1.1裝置能演示變液位下的恒定流實(shí)驗(yàn)嗎？關(guān)閉各通氣閥門，開啟底閥，放水片刻，可看到有空氣由c進(jìn)入水箱。這時(shí)閥門的出流就是變液位下的恒定流。因?yàn)橛捎^察可知，測壓管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(shí)驗(yàn)時(shí)，若以P0=0時(shí)的水箱液面作為測量基準(zhǔn)，試分析加氣增壓后，實(shí)際壓強(qiáng)（H+）與視在壓強(qiáng)H的相對(duì)誤差值。本儀器測壓管內(nèi)徑為0.8cm，箱體內(nèi)徑為20cm。加壓后，水箱液面比基準(zhǔn)面下降了，而同時(shí)測壓管1、2的液面各比基準(zhǔn)面升高了H，由水量平衡原理有則 本實(shí)驗(yàn)儀d=0.8cm, D=20cm,故 H=0.0032于是相對(duì)誤差有因而可略去不計(jì)。其實(shí)，對(duì)單根測壓管的容器若有D/d10或?qū)筛鶞y壓管的容器D/d7時(shí)，便可使0.01。實(shí)驗(yàn)二 不可壓縮流體恒定流能量方程（伯諾利方程）實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)驗(yàn)管路中沿管內(nèi)水流方向取n個(gè)過斷面?？梢粤谐鲞M(jìn)口斷面(1)至另一斷面(i)的能量方程式(i=2,3,n)取a1=a2=an=1，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計(jì)算出斷面平均流速v及，從而即可得到各斷面測管水頭和總水頭。成果分析及討論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(fù)。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?yàn)樗诹鲃?dòng)過程中，依據(jù)一定邊界條件，動(dòng)能和勢能可相互轉(zhuǎn)換。測點(diǎn)5至測點(diǎn)7，管收縮，部分勢能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，測壓管水頭線降低，Jp>0。測點(diǎn)7至測點(diǎn)9，管漸擴(kuò)，部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)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(kuò)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(gè) 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?yàn)闇y壓管水頭，任一斷面起始時(shí)的總水頭E及管道過流斷面面積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，管道任一過水?dāng)嗝嫔系目偹^E相應(yīng)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?yàn)閷?duì)于兩個(gè)不同直徑的相應(yīng)過水?dāng)嗝嬗惺街袨閮蓚€(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，H亦增大，（P-P）線的起落變化就更為顯著。3.測點(diǎn)2、3和測點(diǎn)10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？測點(diǎn)2、3位于均勻流斷面（圖2.2），測點(diǎn)高差0.7cm，HP=均為37.1cm（偶有毛細(xì)影響相差0.1mm），表明均勻流同斷面上，其動(dòng)水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布。測點(diǎn)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(duì)測壓管水頭影響很大。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)，測點(diǎn)10、11應(yīng)舍棄。4.試問避免喉管（測點(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）降低相應(yīng)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)用意義。因?yàn)槿艄芟德洳畈蛔?，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(zhǔn)高程00，比位能降至零，比壓能p/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h時(shí)，測點(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，計(jì)算點(diǎn)選在管軸線上（以下水柱單位均為cm）。于是由斷面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(jìn)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/)隨h遞增還是遞減，可由(Z2+P2/)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/) 隨h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。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告解答中，d3/d2=1.37/1，Z1=50，Z3=-10，而當(dāng)h=0時(shí)，實(shí)驗(yàn)的(Z2+P2/)=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)得表明本實(shí)驗(yàn)管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步升高。但因(Z2+P2/)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）效果不顯著。變水頭實(shí)驗(yàn)可證明該結(jié)論正確。5.由畢托管測量顯示的總水頭線與實(shí)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?？倝汗芤好娴倪B續(xù)即為畢托管測量顯示的總水頭線，其中包含點(diǎn)流速水頭。而實(shí)際測繪的總水頭是以實(shí)測的值加斷面平均流速水頭v2/2g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0.12d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，所以由畢托管測量顯示的總水頭線，一般比實(shí)際測繪的總水線偏高。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)原理與方法測繪總水頭線才更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)三 不可壓縮流體恒定流動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理恒定總流動(dòng)量方程為取脫離體，因滑動(dòng)摩擦阻力水平分離，可忽略不計(jì)，故x方向的動(dòng)量方程化為即 式中： hc作用在活塞形心處的水深； D活塞的直徑； Q射流流量； V1x射流的速度； 1動(dòng)量修正系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，在平衡狀態(tài)下，只要測得Q流量和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可驗(yàn)證動(dòng)量方程，并率定射流的動(dòng)量修正系數(shù)1值。其中，測壓管的標(biāo)尺零點(diǎn)已固定在活塞的園心處，因此液面標(biāo)尺讀數(shù)，即為作用在活塞園心處的水深。實(shí)驗(yàn)分析與討論1、實(shí)測與公認(rèn)值(=1.021.05)符合與否？如不符合，試分析原因。 實(shí)測=1.035與公認(rèn)值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉(zhuǎn)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(duì)分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動(dòng)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(dòng)量矩的差所致。即式中 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； 1入流速度與圓周切線方向的夾角，接近90； 2出流速度與圓周切線方向的夾角； r1,2分別為內(nèi)、外圓半徑。該式表明力矩T恒與x方向垂直，動(dòng)量矩僅與yz平面上的流速分量有關(guān)。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(huì)產(chǎn)生x方向的附加力，也不會(huì)影響x方向的流速分量。所以x方向的動(dòng)量方程與平板上設(shè)不設(shè)翼片無關(guān)。3、通過細(xì)導(dǎo)水管的分流，其出流角度與V2相同，試問對(duì)以上受力分析有無影響？無影響。當(dāng)計(jì)及該分流影響時(shí)，動(dòng)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(dòng)量方程與設(shè)置導(dǎo)水管與否無關(guān)。4、滑動(dòng)摩擦力為什么可以忽略不記？試用實(shí)驗(yàn)來分析驗(yàn)證的大小，記錄觀察結(jié)果。(提示：平衡時(shí)，向測壓管內(nèi)加入或取出1mm左右深的水，觀察活塞及液位的變化) 因滑動(dòng)摩擦力<5墸，故可忽略而不計(jì)。如第三次實(shí)驗(yàn)，此時(shí)hc=19.6cm，當(dāng)向測壓管內(nèi)注入1mm左右深的水時(shí)，活塞所受的靜壓力增大，約為射流沖擊力的5。假如活動(dòng)摩擦力大于此值，則活塞不會(huì)作軸向移動(dòng)，亦即hc變?yōu)?.7cm左右，并保持不變，然而實(shí)際上，此時(shí)活塞很敏感地作左右移動(dòng)，自動(dòng)調(diào)整測壓管水位直至hc仍恢復(fù)到19.6cm為止。這表明活塞和活塞套之間的軸向動(dòng)摩擦力幾乎為零，故可不予考慮。5、V2x若不為零，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來什么影響？試結(jié)合實(shí)驗(yàn)步驟7的結(jié)果予以說明。按實(shí)驗(yàn)步驟7取下帶翼輪的活塞，使射流直接沖擊到活塞套內(nèi)，便可呈現(xiàn)出回流與x方向的夾角大于90(其V2x不為零)的水力現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)測得135，作用于活塞套圓心處的水深hc=29.2cm，管嘴作用水頭H0=29.45cm。而相應(yīng)水流條件下，在取下帶翼輪的活塞前，V2x=0，hc=19.6cm。表明V2x若不為零，對(duì)動(dòng)量立影響甚大。因?yàn)閂2x不為零，則動(dòng)量方程變?yōu)?(1)就是說hc隨V2及遞增。故實(shí)驗(yàn)中hc> hc。實(shí)際上，hc隨V2及的變化又受總能頭的約束，這是因?yàn)橛赡芰糠匠痰?(2)而 所以 從式(2)知，能量轉(zhuǎn)換的損失較小時(shí)，實(shí)驗(yàn)四 畢托管測速實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理 （4.1）式中：u畢托管測點(diǎn)處的點(diǎn)流速； c畢托管的校正系數(shù)； 畢托管全壓水頭與靜水壓頭差。 (4.2)聯(lián)解上兩式可得 (4.3)式中：u 測點(diǎn)處流速，由畢托管測定； 測點(diǎn)流速系數(shù)；H管嘴的作用水頭。實(shí)驗(yàn)分析與討論1.利用測壓管測量點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)，為什么要排氣？怎樣檢驗(yàn)排凈與否？畢托管、測壓管及其連通管只有充滿被測液體，即滿足連續(xù)條件，才有可能測得真值，否則如果其中夾有氣柱，就會(huì)使測壓失真，從而造成誤差。誤差值與氣柱高度和其位置有關(guān)。對(duì)于非堵塞性氣泡，雖不產(chǎn)生誤差，但若不排除，實(shí)驗(yàn)過程中很可能變成堵塞性氣柱而影響量測精度。檢驗(yàn)的方法是畢托管置于靜水中，檢查分別與畢托管全壓孔及靜壓孔相連通的兩根測壓管液面是否齊平。如果氣體已排凈，不管怎樣抖動(dòng)塑料連通管，兩測管液面恒齊平。2.畢托管的動(dòng)壓頭h和管嘴上、下游水位差H之間的大關(guān)系怎樣？為什么？由于 且 即 一般畢托管校正系數(shù)c=11（與儀器制作精度有關(guān)）。喇叭型進(jìn)口的管嘴出流，其中心點(diǎn)的點(diǎn)流速系數(shù)=0.9961。所以h<H。本實(shí)驗(yàn)h=21.1cm，H=21.3cm，c=1.000。3.所測的流速系數(shù)說明了什么？若管嘴出流的作用水頭為H，流量為Q，管嘴的過水?dāng)嗝娣e為A，相對(duì)管嘴平均流速v，則有稱作管嘴流速系數(shù)。若相對(duì)點(diǎn)流速而言，由管嘴出流的某流線的能量方程，可得式中：為流管在某一流段上的損失系數(shù)；為點(diǎn)流速系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)在管嘴淹沒出流的軸心處測得=0.995，表明管嘴軸心處的水流由勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過程中有能量損失，但甚微。4.據(jù)激光測速儀檢測，距孔口23cm軸心處，其點(diǎn)流速系數(shù)為0.996，試問本實(shí)驗(yàn)的畢托管精度如何？如何率定畢托管的修正系數(shù)c？若以激光測速儀測得的流速為真值u，則有而畢托管測得的該點(diǎn)流速為203.46cm/s，則=0.2欲率定畢托管的修正系數(shù)，則可令本例：5.普朗特畢托管的測速范圍為0.22m/s，軸向安裝偏差要求不應(yīng)大于10度，試說明原因。（低流速可用傾斜壓差計(jì)）。（1）施測流速過大過小都會(huì)引起較大的實(shí)測誤差，當(dāng)流速u小于0.2m/s時(shí)，畢托管測得的壓差h亦有若用30傾斜壓差計(jì)測量此壓差值，因傾斜壓差計(jì)的讀數(shù)值差h為，那么當(dāng)有0.5mm的判讀誤差時(shí)，流速的相對(duì)誤差可達(dá)6%。而當(dāng)流速大于2m/s時(shí)，由于水流流經(jīng)畢托管頭部時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部分離現(xiàn)象，從而使靜壓孔測得的壓強(qiáng)偏低而造成誤差。（2）同樣，若畢托管安裝偏差角（）過大，亦會(huì)引起較大的誤差。因畢托管測得的流速u是實(shí)際流速u在其軸向的分速ucos，則相應(yīng)所測流速誤差為若>10，則6.為什么在光、聲、電技術(shù)高度發(fā)展的今天，仍然常用畢托管這一傳統(tǒng)的流體測速儀器？畢托管測速原理是能量守恒定律，容易理解。而畢托管經(jīng)長期應(yīng)用，不斷改進(jìn)，已十分完善 。具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因而被廣泛應(yīng)用于液、氣流的測量（其測量氣體的流速可達(dá)60m/s）。光、聲、電的測速技術(shù)及其相關(guān)儀器，雖具有瞬時(shí)性，靈敏、精度高以及自動(dòng)化記錄等諸多優(yōu)點(diǎn)，有些優(yōu)點(diǎn)畢托管是無法達(dá)到的。但往往因其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，使用約束條件多及價(jià)格昂貴等因素，從而在應(yīng)用上受到限制。尤其是傳感器與電器在信號(hào)接收與放大處理過程中，有否失真，或者隨使用時(shí)間的長短，環(huán)境溫度的改變是否飄移等，難以直觀判斷。致使可靠度難以把握，因而所有光、聲、電測速儀器，包括激光測速儀都不得不用專門裝置定期率定（有時(shí)是利用畢托管作率定）?？梢哉J(rèn)為至今畢托管測速仍然是最可信，最經(jīng)濟(jì)可靠而簡便的測速方法。實(shí)驗(yàn)五 雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)分析與討論流態(tài)判據(jù)為何采用無量綱參數(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)存在兩種流態(tài)層流和紊流，并且存在著層流轉(zhuǎn)化為紊流的臨界流速V，V與流體的粘性及園管的直徑d有關(guān)，即 （1）因此從廣義上看，V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)，得出了用無量綱參數(shù)（vd/）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，而且還為后人用無量綱化的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究樹立了典范。用無量綱分析的雷列法可得出與雷諾數(shù)結(jié)果相同的無量綱數(shù)?？梢哉J(rèn)為式（1）的函數(shù)關(guān)系能用指數(shù)的乘積來表示。即 （2）其中K為某一無量綱系數(shù)。式（2）的量綱關(guān)系為 （3）從量綱和諧原理，得L：21+2=1T：-1=-1 聯(lián)立求解得1=1，2=-1將上述結(jié)果，代入式（2），得 或 雷諾實(shí)驗(yàn)完成了K值的測定，以及是否為常數(shù)的驗(yàn)證。結(jié)果得到K=2320。于是，無量綱數(shù)vd/便成了適應(yīng)于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)轉(zhuǎn)變的判據(jù)。由于雷諾的奉獻(xiàn)，vd/定命為雷諾數(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。為何認(rèn)為上臨界雷諾數(shù)無實(shí)際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判據(jù)？實(shí)測下臨界雷諾數(shù)為多少？根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，上臨界雷諾數(shù)實(shí)測值在30005000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)者做了大量實(shí)驗(yàn)，有的得12000，有的得20000，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。一般實(shí)測下臨界雷諾數(shù)為2100左右。 雷諾實(shí)驗(yàn)得出的圓管流動(dòng)下臨界雷諾數(shù)2320，而目前一般教科書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)長時(shí)間的穩(wěn)定情況下，經(jīng)反復(fù)多次細(xì)心量測才得出的。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20002300之間。因此，從工程實(shí)用出發(fā)，教科書中介紹的園管下臨界雷諾數(shù)一般是2000。試結(jié)合紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)的觀察，分析由層流過渡到紊流的機(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)，并隨剪切流速的增大，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?yōu)槲闪鞯倪^程顯示。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？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： 運(yùn)動(dòng)學(xué)特性: 動(dòng)力學(xué)特性: 層流: 1.質(zhì)點(diǎn)有律地作分層流動(dòng) 1.流層間無質(zhì)量傳輸2.斷面流速按拋物線分布 2.流層間無動(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)互相混摻作無規(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（1.752）次方成正比實(shí)驗(yàn)六 文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式，可得不計(jì)阻力作用時(shí)的文氏管過水能力關(guān)系式 式中：h為兩斷面測壓管水頭差。由于阻力的存在，實(shí)際通過的流量Q恒小于Q。今引入一無量綱系數(shù)=Q/Q（稱為流量系數(shù)），對(duì)計(jì)算所得的流量值進(jìn)行修正。即 另，由水靜力學(xué)基本方程可得氣水多管壓差計(jì)的h為 實(shí)驗(yàn)分析與討論本實(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)d2=0.7cm的管道而言，若因加工精度影響，誤將（d20.01）cm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)槎嗌伲坑墒?可見本實(shí)驗(yàn)（水為流體）的值大小與Q、d1、d2、h有關(guān)。其中d1、d2影響最敏感。本實(shí)驗(yàn)中若文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm，通常在切削加工中d1比d2測量方便，容易掌握好精度，d2不易測量準(zhǔn)確，從而不可避免的要引起實(shí)驗(yàn)誤差。例如當(dāng)最大流量時(shí)值為0.976，若d2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？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，從而減小過流能力，Q<Q，即<1.0。試證氣水多管壓差計(jì)（圖6.4）有下列關(guān)系：如圖6. 4所述，試應(yīng)用量綱分析法，闡明文丘里流量計(jì)的水力特性。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)的量測特性。對(duì)于平置文丘里管，影響1的因素有：文氏管進(jìn)口直徑d1，喉徑d2、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P。根據(jù)定理有從中選取三個(gè)基本量，分別為：共有6個(gè)物理量，有3個(gè)基本物理量，可得3個(gè)無量綱數(shù)，分別為：根據(jù)量綱和諧原理，1的量綱式為分別有 L：1=a1+b1-3c1T：0=- b1M：0= c1聯(lián)解得：a1=1，b1=0，c1=0，則同理將各值代入式（1）得無量綱方程為或?qū)懗蛇M(jìn)而可得流量表達(dá)式為 （2）式（2）與不計(jì)損失時(shí)理論推導(dǎo)得到的 （3） 相似。為計(jì)及損失對(duì)過流量的影響，實(shí)際流量在式（3）中引入流量系數(shù)Q計(jì)算，變?yōu)?（4）比較（2）、（4）兩式可知，流量系數(shù)Q與Re一定有關(guān)，又因?yàn)槭剑?）中d2/d1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)通過實(shí)驗(yàn)搞清Q與Re、d2/d1的相關(guān)性。通過以上分析，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Re及d2/d1的關(guān)系就行了。由實(shí)驗(yàn)所得在紊流過渡區(qū)的QRe關(guān)系曲線（d2/d1為常數(shù)），可知Q隨Re 的增大而增大，因恒有<1，故若使實(shí)驗(yàn)的Re增大，Q將漸趨向于某一小于1 的常數(shù)。另外，根據(jù)已有的很多實(shí)驗(yàn)資料分析，Q與d1/d2也有關(guān)，不同的d1/d2值，可以得到不同的QRe關(guān)系曲線，文丘里管通常使d1/d2=2。所以實(shí)用上，對(duì)特定的文丘里管均需實(shí)驗(yàn)率定QRe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)用上較適宜于被測管道中的雷諾數(shù)Re>2105，使Q值接近于常數(shù)0.98。流量系數(shù)Q的上述關(guān)系，也正反映了文丘里流量計(jì)的水力特性。文氏管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為67mH2O。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？本實(shí)驗(yàn)若d1= 1. 4cm，d2= 0. 71cm，以管軸線高程為基準(zhǔn)面，以水箱液面和喉道斷面分別為11和22計(jì)算斷面，立能量方程得則 > 0 <52.22cmH2O即實(shí)驗(yàn)中最大流量時(shí)，文丘里管喉頸處真空度，而由本實(shí)驗(yàn)實(shí)測為60.5cmH2O。進(jìn)一步分析可知，若水箱水位高于管軸線4m左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)中文丘里喉頸處的真空度可達(dá)7mH2O（參考能量方程實(shí)驗(yàn)解答六4）。