重庆交通大学 实验一 流体静力学实验 水力学实验 重庆交通大学 2013/6/8 重庆交通水力学实验报告 实验分析与讨论 1.同一静止液体内的测管水头线是根什么线？ 测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2.当PB0。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。测点5至测点7，管收缩，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，JP0，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2.3的渐扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。 2.流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 有 如 下 二 个 变 化 ： （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，任一断面起始时的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q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 重庆交通大学河海学院 5 式中为两个断面之间的损失系数。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，H亦增大，（P-P）线的起落变化就更为显著。 3.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（图2.2），测点高差0.7cm，HP=均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm），表明均匀流同断面上，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）降低相应管线的安装高程，（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）更具有工程实用意义。因为若管系落差不变，单单降低管线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弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程00，比位能降至零，比压能p/得以增大（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，现分析如下： 当作用水头增大h时，测点7断面上值可用能量方程求得。 取基准面及计算断面1、2、3，计算点选在管轴线上（以下水柱单位均为cm）。于是由断面重庆交通大学河海学院 6 1、2的能量方程（取a2=a3=1）有 (1) 因hw1-2可表示成此处c1.2 是管段1-2总水头损失系数，式中 e、s分别为进口和渐缩局部损失系数。 又由连续性方程有 故式（ 1）可变为 (2) 式中可由断面1、3能量方程求得，即 (3) 由此得 (4) 代入式( 2)有(Z2 +P2/)随h递增还是递减，可由(Z2+P2/)加以判别。因 (5) 若1-(d3/d2)4+c1.2/(1+c1.3)0，则断面2上的(Z+p/) 随h同步递增。反之，则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。 在实验报告解答中，d3/d2=1.37/1，Z 1=50，Z3=-10，而当h=0时，实验的(Z2+P2/)=6，将各值代入式(2)、(3)，可得该管道阻力系数分别为c1.2=1.5，c1.3=5.37。再将其代入式(5)得 重庆交通大学河海学院 7 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(Z2+P2/)接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强（减小负压）效果不显著。变水头实验可证明该结论正确。 5.由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。总压管液面的连续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v2/2g绘制的。据经验资料，对于园管紊流，只有在离管壁约0.12d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总水头线才更准确。 实验分析与讨论 1、实测与公认值(=1.021.05)符合与否？如不符合，试分析原因。 实测=1.035与公认值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼轮不转所致。为排除此故障，可用4B铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面。) 2、带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量力有无影响？为什么？ 无影响。 因带翼片的平板垂直于x轴，作用在轴心上的力矩T，是由射流冲击平板是，沿yz平面通过翼片造成动量矩的差所致。即 重庆交通大学河海学院 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； 1入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90； 2出流速度与圆周切线方向的夹角； r1,2分别为内、外圆半径。 该式表明力矩T恒与x方向垂直，动量矩仅与yz平面上的流速分量有关。也就是说平板上附加翼片后，尽管在射流作用下可获得力矩，但并不会产生x方向的附加力，也不会影响x方向的流速分量。所以x方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。 3、通过细导水管的分流，其出流角度与V2 相同，试问对以上受力分析有无影响？ 无影响。 当计及该分流影响时，动量方程为 即 该式表明只要出流角度与V1垂直，则 x方向的动量方程与设置导水管与否无关。 4、滑动摩擦力为什么可以忽略不记？试用实验来分析验证的大小，记录观察结果。(提 示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水，观察活塞及液位的变化) 因滑动摩擦力5墸，故可忽略而不计。 如第三次实验，此时hc=19.6cm，当向测压管内注入1mm左右深的水时，活塞所受的静重庆交通大学河海学院 9 压力增大，约为射流冲击力的5。假如活动摩擦力大于此值，则活塞不会作轴向移动，亦即hc变为9.7cm左右，并保持不变，然而实际上，此时活塞很敏感地作左右移动，自动调整测压管水位直至hc仍恢复到19.6cm为止。这表明活塞和活塞套之间的轴向动摩擦力几乎为零，故可不予考虑。 5、V2x若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。 按实验步骤7 取下带翼轮的活塞，使射流直接冲击到活塞套内，便可呈现出回流与x方向的夹角大于90(其V2x不为零)的水力现象。本实验测得135，作用于活塞套圆心处的水深hc=29.2cm，管嘴