流体力学实验思考题参考答案流体力学实验室静水压强实验1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？ 测压管水头指p z +，即静水力学实验仪显示的测压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，同一静止液面内的测压管水头线是一根水平线。

2．当0〈B p 时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。

0〈B p ，相应容器的真空区域包括以下三个部分：（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、气所占区域，均为真空区域。

（2）同理，过箱顶小不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，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区域。

这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。

3．若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定0γ。

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h 和0h ，由式00h h w w γγ= ，从而求得0γ。

4．如测压管太细，对于测压管液面的读数将有何影响？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γθσd h cos 4= 式中，σ为表面张力系数；γ为液体容量；d 为测压管的内径；h 为毛细升高。

常温的水，m N 073.0=σ，30098.0m N =γ。

水与玻璃的浸润角θ很小，可以认为0.1cos =θ。

于是有d h 7.29= （h 、d 均以mm 计）一般来说，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，σ减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机下班玻璃作测压管时，浸润角θ较大，其h 较普通玻璃管小。

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，互相抵消了。

5．过C 点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。

因为只有全部具有下列5个条件的平面才是等压面：（1）重力液体；（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），相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是水平面。

6、用该实验装置能演示变液位下的恒定水流吗？关闭各通气阀门，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水流。

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，医学上称这为马利奥特容器的变液位下恒定流。

文丘里实验1．本实验中，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()cm d 01.02-值取代2d 值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多少？由式 41222124⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆=d d h g d Q πμ得 h g d d Q ∆-=--244142πμ可见本实验的μ值大小与Q 、1d 、2d 、h ∆有关。

其中1d 、2d 影响最敏感。

本实验中若文丘里管1d =1.4cm ，2d =0.71cm ，通常在切削加工中2d 比1d 测量方便，容易掌握好精度，2d 不易测量准确，从而不可避免的要引起实验误差。

例如当最大流量时μ值为0.976，若2d 的误差为－0.01cm ，那么μ值将变为1.006，显然不合理。

2．为什么计算流量与实际流量不相等？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，Q 〈'Q ，即μ〈1.0。

3．文丘里流量计能否倾斜安装，为什么？如图所示⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∆γγ2211p z p z h 根据流体静力学方程γγ22231311p H h H h H H p =+∆-+∆--- 得 221121H h h H p p -∆+∆++=γγ则 )()(222211212211γγγγp z H h h H p z p z p z +--∆+∆+++=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+ 212211)()(h h H z H z ∆+∆++-+=由图可知 )()(4321h h h h h -+-=∆式中，1h 、2h 、3h 、4h 分别为各测压管的液面读数。

因此，无论文丘里流量计是否倾斜安装，对测压管读数都不影响。

4．文丘里管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6-7mH 2O 。

工程中应用文丘里管时，应检验其最大真空度是否在允许范围内。

根据你的实验成果，分析本实验文丘里管喉颈处最大真空值为多少？本实验若1d =1.4cm ，2d =0.71cm ，以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉颈断面分别为1-1、2-2计算断面，列能量方程得2122202-++=w h g v p H αγ则 2122021220222----∇-∇=--=w w h g v h g v H p ααγΘ021〉-w h ∴22.522〈-γp cmH 2O即实验中最大流量时，文丘里管喉颈处真空度22.52〉v h cmH 2O ，而由本实验实测约为60cm 。

进一步分析可知，若水箱水位高于管轴线4m 左右时，实验中文丘里管喉颈处真空度可达7mH 2O 左右。

雷诺实验1．为什么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3000-5000范围内，与操作的快慢、水箱的紊动度、外界干扰等密切相关。

有关学者做了大量实验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得到40000。

实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，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为层流。

一般实测下临界雷诺数为2100左右。

2．雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数理论值为2320，而目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2000-2300之间。

因此，从工程实用出发，教科书中介绍的圆管下临界雷诺数一般是2000。

3．圆管内液流有哪几种流动状态？它们的特点如何？结合实验现象说明。

略。

流动状态运动学特性动力学特性层流质点有规律地作分层流动流层间无质量传输断面流速按抛物线分布流层间无动量交换运动要素无脉动现象单位质量的能量损失与流速的一次方成正比紊流质点互相混渗作无规则运动流层间有质量传输断面流速按指数规律分布流层间存在动量交换运动要素发生不规则的脉动现象单位质量的能量损失与流速的（1.75-2）次方成正比5．为什么必须用一个保持溢流的恒压水箱来做雷诺实验？略。

沿程阻力损失实验 1．本实验中，沿程阻力损失就是压差计的压差，如果管道有一定的倾角，压差计的压差是否还是沿程阻力损失？为什么？现以倾斜等径管道上装设的水银多管压差计为例说明（图中A —A 为水平线）： 如图示O —O 为基准面，以1—1和2—2为计算断面，计算点在轴心处，设21v v =，∑=0j h ，由能量方程可得⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-γγ221121p Z p Z h f Θ 111222216.136.13H H h h H h h H p p +∆-∆-∆+∆+∆-∆+-=γγ 112226.126.12H h h H p +∆+∆+-=γ∴ ()()122211216.126.12h h H Z H Z h f ∆+∆++-+=-)(6.1221h h ∆+∆=这表明水银压差计的压差值即为沿程水头损失，且和倾角无关。

2．根据实测m 值判断本实验的流区。

f h lg ～v lg 曲线的斜率m=1.0～1.8，即fh 与8.10.1-v 成正比，表明流动为层流（m=1.0）、紊流光滑区和紊流过渡区（未达阻力平方区）。

3．管道的当量粗糙度如何测得？当量粗糙度的测量可用实验的方法测定λ及e R 的值，然后用下式求解：（1）考尔布鲁克公式⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∆-=λλe R d 51.27.3lg 21莫迪图即是本式的图解。

（2）S ．J 公式()[]29.074.57.ln 325.1e R d +∆=λ（3）Barr 公式 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∆-=89.01286.57.3lg 21e R d λ 其中（3）式精度最高。

在反求d ∆时，（2）式开方应取负号。

也可直接由λ～e R 关系在莫迪图上查得d∆，进而得出当量粗糙度∆值。

4．实验工程中的钢管中的流动，大多为光滑紊流或紊流过渡区，而水电站泄洪洞的流动，大多数为紊流阻力平方区，其原因何在？钢管的当量粗糙度一般为0.2mm ，常温下，s cm /01.02=ν，经济流速s cm /300，若实用管径D=（20～100）cm ，其5106⨯=e R ～6103⨯，相应的d∆=0.0002～0.001，由莫迪图可知，流动均处在过渡区。

若需达到阻力平方区，那么相应的610=e R ～6109⨯，流速应达到(5～9)m/s 。

这样高速的有压管流在实际工程中非常少见。

而泄洪洞的当量粗糙度可达(1～9)mm ，洞径一般为（2～3）m ，过流速往往在(5～10)m/s 以上，其e R 大于710，故一般均处于阻力平方区。

局部阻力损失实验1．结合实验结果，分析比较突扩与突缩圆管在相应条件下的局部阻力损失大小关系。

由式gv h j 22ζ= 及()21d d f =ζ表明影响局部阻力损失的因素是v 和21d d 。

由于有 突扩：2211⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=A A e ζ 突缩：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2115.0A A s ζ 则有 ()()212212115.0115.0A A A A A A K e s -=--==ζζ 当 5.021〈A A或707.021〈d d时，突然扩大的水头损失比相应的突然收缩的要大。

在本实验最大流量Q 下，突然扩大损失较突然缩小损失约大一倍，即817.160.3/54.6==js je h h 。

21d d 接近于1时，突然扩大的水流形态接近于逐渐扩大管的流动，因而阻力损失显著减小。