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工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论[详细讲解].doc

工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论[详细讲解]

张寒彻
2017-10-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论[详细讲解]doc》,可适用于职业岗位领域

工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论详细讲解工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论实验一流体静力学实验实验原理在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程或()式中:z被测点在基准面的相对位置高度p被测点的静水压强用相对压强表示以下同p水箱中液面的表面压强γ液体容重h被测点的液体深度。另对装有水油(图及图)U型测管应用等压面可得油的比重S有下列关系:()据此可用仪器(不用另外尺)直接测得S。实验分析与讨论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。当P<时试根据记录数据确定水箱内的真空区域。B相应容器的真空区域包括以下三部分:()过测压管液面作一水平面由等压面原理知相对测压管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。()同理过箱顶小水杯的液面作一水平面测压管中该平面以上的水体亦为真空区域。()在测压管中自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。这段高度与测压管液面低于水箱液面的高度相等亦与测压管液面高于小水杯液面高度相等。若再备一根直尺试采用另外最简便的方法测定γ。最简单的方法是用直尺分别测量水箱内通大气情况下管油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h和h由式从而求得γ。如测压管太细对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式中为表面张力系数为液体的容量d为测压管的内径h为毛细升高。常温(t=)的水=dynmm=dynmm。水与玻璃的浸润角很小可认为cosθ=。于是有(h、d单位为mm)一般来说当玻璃测压管的内径大于mm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。过C点作一水平面相对管、、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、及水箱中的液体而言这个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列个条件的平面才是等压面:()重力液体()静止()连通()连通介质为同一均质液体)同一水平面。而管与水箱之间不符合条件()因此相对管和水箱中的液体而言该水平面(不是等压面。用图装置能演示变液位下的恒定流实验吗,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流。因为由观察可知测压管的液面始终与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之为马利奥特容器的变液位下恒定流。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P=时的水箱液面作为测量基准试分析加气增压后实际压强(Hδ)与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为cm箱体内径为cm。加压后水箱液面比基准面下降了而同时测压管、的液面各比基准面升高了H由水量平衡原理有则本实验仪d=cm,D=cm,故H=于是相对误差有因而可略去不计。其实对单根测压管的容器若有Dd或对两根测压管的容器Dd时便可使。实验二不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺利方程)实验实验原理在实验管路中沿管内水流方向取n个过断面。可以列出进口断面()至另一断面(i)的能量方程式(i=,,„„,n)取a=a=„an=选好基准面从已设置的各断面的测压管中读出值测出通过管路的流量即可计算出断面平均流速v及从而即可得到各断面测管水头和总水头。成果分析及讨论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(PP)沿程可升可降线坡J可正可负。而总水头线(EE)沿程只降不升线坡JP恒为正即J>。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。测点至测点管收缩部分势能转换成动能测压管水头线降低Jp>。测点至测点管渐扩部分动能又转换成势能测压管水头线升高J<。而据能量方程E=Eh,h为损失能量是不可逆的即恒有h>Pwww故E恒小于E(EE)线不可能回升。(EE)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的渐扩段和阀门等处表明有较大的局部水头损失存在。流量增加测压管水头线有何变化,为什么,有如下二个变化:()流量增加测压管水头线(PP)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相应减的减小更加显著。小故()测压管水头线(PP)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(PP)线的起落变化就更为显著。测点、和测点、的测压管读数分别说明了什么问题,测点、位于均匀流断面(图)测点高差cmH=均为cm(偶有毛细影响相差mm)P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、在弯管的急变流断面上测压管水头差为cm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、应舍弃。试问避免喉管(测点)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)处真空的形成:()减小流量()增大喉管管径()降低相应管线的安装高程()改变水箱中的液位高度。显然()、()、()都有利于阻止喉管真空的出现尤其()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弯管后接水平段将喉管的高程降至基准高程比位能降至零比压能pγ得以增大(Z)从而可能避免点处的真空。至于措施()其增压效果是有条件的现分析如下:当作用水头增大h时测点断面上值可用能量方程求得。取基准面及计算断面、、计算点选在管轴线上(以下水柱单位均为cm)。于是由断面、的能量方程(取a=a=)有()因h可表示成此处c是管段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。w又由连续性方程有故式()可变为()式中可由断面、能量方程求得即()由此得()代入式()有(ZPγ)随h递增还是递减可由(ZPγ)加以判别。因()若(dd)c(c)>则断面上的(Zpγ)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dd=Z=Z=而当h=时实验的(ZPγ)=将各值代入式()、()可得该管道阻力系数分别为c=c=。再将其代入式()得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(ZPγ)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。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、、、、、和管称总压管。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vg绘制的。据经验资料对于园管紊流只有在离管壁约d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、、、、、和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。实验三不可压缩流体恒定流动量定律实验实验原理恒定总流动量方程为取脱离体因滑动摩擦阻力水平分离可忽略不计故x方向的动量方程化为即式中:h作用在活塞形心处的水深cD活塞的直径Q射流流量V射流的速度xβ动量修正系数。实验中在平衡状态下只要测得Q流量和活塞形心水深h由给定的管嘴直径d和活塞直径D代入上c式便可验证动量方程并率定射流的动量修正系数β值。其中测压管的标尺零点已固定在活塞的园心处因此液面标尺读数即为作用在活塞园心处的水深。实验分析与讨论、实测β与公认值(β=,)符合与否,如不符合试分析原因。实测β=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B铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面。)、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。即式中Q射流的流量V入流速度在yz平面上的分速yzV出流速度在yz平面上的分速yzα入流速度与圆周切线方向的夹角接近α出流速度与圆周切线方向的夹角r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。、通过细导水管的分流其出流角度与V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V垂直则x方向的动量方程与设置导水管与否无关。、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mm左右深的水观察活塞及液位的变化)因滑动摩擦力<墸故可忽略而不计。如第三次实验此时h=cm当向测压管内注入mm左右深的水时活塞所受的静压力增大约c为射流冲击力的。假如活动摩擦力大于此值则活塞不会作轴向移动亦即h变为cm左右并保持c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h仍恢复到cm为止。c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。、V若不为零会对实验结果带来什么影响,试结合实验步骤的结果予以说明。x按实验步骤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α大于(其V不为零)的水力现象。本实验测得作用于活塞套圆心处的水深h’=cm管嘴xc作用水头H=cm。而相应水流条件下在取下带翼轮的活塞前V=h=cm。表明V若不为xcx零对动量立影响甚大。因为V不为零则动量方程变为x()就是说h’随V及α递增。故实验中h’>h。ccc实际上h’随V及α的变化又受总能头的约束这是因为由能量方程得c()而所以从式()知能量转换的损失较小时实验四毕托管测速实验实验原理()式中:u,毕托管测点处的点流速c,毕托管的校正系数,毕托管全压水头与静水压头差。()联解上两式可得()式中:u,测点处流速由毕托管测定,测点流速系数ΔH,管嘴的作用水头。实验分析与讨论利用测压管测量点压强时为什么要排气,怎样检验排净与否,毕托管、测压管及其连通管只有充满被测液体即满足连续条件才有可能测得真值否则如果其中夹有气柱就会使测压失真从而造成误差。误差值与气柱高度和其位置有关。对于非堵塞性气泡虽不产生误差但若不排除实验过程中很可能变成堵塞性气柱而影响量测精度。检验的方法是毕托管置于静水中检查分别与毕托管全压孔及静压孔相连通的两根测压管液面是否齐平。如果气体已排净不管怎样抖动塑料连通管两测管液面恒齐平。毕托管的动压头h和管嘴上、下游水位差H之间的大关系怎样,为什么,由于且即一般毕托管校正系数c=(与仪器制作精度有关)。喇叭型进口的管嘴出流其中心点的点流速系数=。所以Δh<ΔH。本实验Δh=cmΔH=cmc=。所测的流速系数说明了什么,若管嘴出流的作用水头为H流量为Q管嘴的过水断面积为A相对管嘴平均流速v则有称作管嘴流速系数。若相对点流速而言由管嘴出流的某流线的能量方程可得式中:为流管在某一流段上的损失系数为点流速系数。本实验在管嘴淹没出流的轴心处测得=表明管嘴轴心处的水流由势能转换为动能的过程中有能量损失但甚微。据激光测速仪检测距孔口,cm轴心处其点流速系数为试问本实验的毕托管精度如何,如何率定毕托管的修正系数c,若以激光测速仪测得的流速为真值u则有而毕托管测得的该点流速为cms则ε=‰欲率定毕托管的修正系数则可令本例:普朗特毕托管的测速范围为,ms轴向安装偏差要求不应大于度试说明原因。(低流速可用倾斜压差计)。()施测流速过大过小都会引起较大的实测误差当流速u小于ms时毕托管测得的压差Δh亦有若用倾斜压差计测量此压差值因倾斜压差计的读数值差Δh为那么当有mm的判读误差时流速的相对误差可达。而当流速大于ms时由于水流流经毕托管头部时会出现局部分离现象从而使静压孔测得的压强偏低而造成误差。()同样若毕托管安装偏差角(α)过大亦会引起较大的误差。因毕托管测得的流速u是实际流速u在其轴向的分速ucosα则相应所测流速误差为α若>则为什么在光、声、电技术高度发展的今天仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器,毕托管测速原理是能量守恒定律容易理解。而毕托管经长期应用不断改进已十分完善。具有结构简单使用方便测量精度高稳定性好等优点。因而被广泛应用于液、气流的测量(其测量气体的流速可达ms)。光、声、电的测速技术及其相关仪器虽具有瞬时性灵敏、精度高以及自动化记录等诸多优点有些优点毕托管是无法达到的。但往往因其机构复杂使用约束条件多及价格昂贵等因素从而在应用上受到限制。尤其是传感器与电器在信号接收与放大处理过程中有否失真或者随使用时间的长短环境温度的改变是否飘移等难以直观判断。致使可靠度难以把握因而所有光、声、电测速仪器包括激光测速仪都不得不用专门装置定期率定(有时是利用毕托管作率定)。可以认为至今毕托管测速仍然是最可信最经济可靠而简便的测速方法。实验五雷诺实验实验原理实验分析与讨论流态判据为何采用无量纲参数而不采用临界流速,雷诺在年以前的实验中发现园管流动存在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V’V’与流体的粘性ν及园管的直径d有关即()因此从广义上看V’不能作为流态转变的判据。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用无量纲参数(vdν)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()的函数关系能用指数的乘积来表示。即()其中K为某一无量纲系数。式()的量纲关系为()从量纲和谐原理得L:αα=T:α=联立求解得α=α=将上述结果代入式()得或雷诺实验完成了K值的测定以及是否为常数的验证。结果得到K=。于是无量纲数vdν便成了适应于任何管径任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的奉献vdν定命为雷诺数。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。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与紊流的判据,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,范围内与操作快慢水箱的紊动度外界干扰等密切相关。有关学者做了大量实验有的得有的得有的甚至得。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必为层流。一般实测下临界雷诺数为左右。雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是原因何在,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,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。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速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为紊流的过程显示。分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:质点有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:质点互相混掺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(,)次方成正比实验六文丘里流量计实验实验原理根据能量方程式和连续性方程式可得不计阻力作用时的文氏管过水能力关系式式中:Δh为两断面测压管水头差。由于阻力的存在实际通过的流量Q恒小于Q’。今引入一无量纲系数µ=QQ’(μ称为流量系数)对计算所得的流量值进行修正。即水多管压差计的Δh为另由水静力学基本方程可得气实验分析与讨论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d=cm的管道而言若因加工精度影响误将(d,)cm值取代上述d值时本实验在最大流量下的μ值将变为多少,由式可见本实验(水为流体)的μ值大小与Q、d、d、Δh有关。其中d、d影响最敏感。本实验中若文氏管d=cmd=cm通常在切削加工中d比d测量方便容易掌握好精度d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值为若d的误差为,cm那么μ值将变为显然不合理。为什么计算流量Q’与实际流量Q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<。试证气水多管压差计(图)有下列关系:如图所述试应用量纲分析法阐明文丘里流量计的水力特性。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ν的因素有:文氏管进口直径d喉径d、流体的密度ρ、动力粘滞系数μ及两个断面间的压强差ΔP。根据π定理有从中选取三个基本量分别为:共有个物理量有个基本物理量可得个无量纲π数分别为:根据量纲和谐原理π的量纲式为分别有L:=abcT:=bM:=c联解得:a=b=c=则同理将各π值代入式()得无量纲方程为或写成进而可得流量表达式为()式()与不计损失时理论推导得到的()相似。为计及损失对过流量的影响实际流量在式()中引入流量系数µ计算变为Q()比较()、()两式可知流量系数µ与R一定有关又因为式()中dd的函数关系并不一定代表Qe了式()中函数所应有的关系故应通过实验搞清µ与R、dd的相关性。Qe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R及dd的关系就行了。e由实验所得在紊流过渡区的µ,R关系曲线(dd为常数)可知µ随R的增大而增大因恒有μQeQe<故若使实验的R增大µ将渐趋向于某一小于的常数。eQ另外根据已有的很多实验资料分析µ与dd也有关不同的dd值可以得到不同的µ,RQQe关系曲线文丘里管通常使dd=。所以实用上对特定的文丘里管均需实验率定µ,R的关系或者Qe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R>×使µ值接近于常数eQ。流量系数µ的上述关系也正反映了文丘里流量计的水力特性。Q文氏管喉颈处容易产生真空允许最大真空度为,mHO。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,本实验若d=cmd=cm以管轴线高程为基准面以水箱液面和喉道断面分别为和计算断面立能量方程得则><,cmHO即实验中最大流量时文丘里管喉颈处真空度而由本实验实测为cmHO。进一步分析可知若水箱水位高于管轴线m左右时实验中文丘里喉颈处的真空度可达mHO(参考能量方程实验解答六)。七沿程水头损失实验一:为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失,实验管道安装成向下倾斜是否影响实验成果,现以倾斜等径管道上装设的水银多管压差计为例(图)说明(图中AA为水平线):如图示为基准面以和为计算断面计算点在轴心处设定由能量方程可得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。二:据实测m值判别本实验的流区。(,)曲线的斜率m=,即与成正比表明流动为层流m=、紊流光滑区和紊流过渡区(未达阻力平方区)。三:实际工程中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为紊流阻力平方区其原因何在,钢管的当量粗糙度一般为mm常温()下经济流速cms若实用管径D=(,)cm其相应的=,由莫迪图知流动均处在过渡区。若需达到阻力平方区那么相应的流速应达到(,)ms。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(,)mm洞径一般为(,)m过流速往往在(,,,,)ms以上其大于故一般均处于阻力平方区。四: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同样方法测定及的值然后用下式求解:()考尔布鲁克公式()迪图即是本式的图解。()SJ公式()()Barr公式()()式精度最高。在反求时()式开方应取负号。也可直接由关系在莫迪图上查得进而得出当量粗糙度值。五:本次实验结果与莫迪图吻合与否,试分析其原因。通常试验点所绘得的曲线处于光滑管区本报告所列的试验值也是如此。但是有的实验结果相应点落到了莫迪图中光滑管区的右下方。对此必须认真分析。如果由于误差所致那么据下式分析d和Q的影响最大Q有误差时就有的误差而d有误差时可产生的误差。Q的误差可经多次测量消除而d值是以实验常数提供的由仪器制作时测量给定一般<。如果排除这两方面的误差实验结果仍出现异常那么只能从细管的水力特性及其光洁度等方面作深入的分析研究。还可以从减阻剂对水流减阻作用上作探讨因为自动水泵供水时会渗入少量油脂类高分子物质。总之这是尚待进一步探讨的问题。(八)局部阻力实验、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。v由式h,,jg,,f(dd)及vdd表明影响局部阻力损失的因素是和由于有,,(,AA)突扩:e突缩:,,(,AA)s,(,AA)s则有K,,,,AA,(,AA)e当AA,或dd,时突然扩大的水头损失比相应突然收缩的要大。在本实验最大流量Q下突扩损失较突缩损失约大一倍即。接近于时突扩的水流形态hh,,ddjejs接近于逐渐扩大管的流动因而阻力损失显著减小。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IVII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~。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。现备有一段长度及联接方式与调节阀(图)相同内径与实验管道相同的直管段如何用两点法测量阀门的局部阻力系数,两点法是测量局部阻力系数的简便有效办法。它只需在被测流段(如阀门)前后的直管段长度大于(~)d的断面处各布置一个测压点便可。先测出整个被测流段上的总h水头损失有w,h,hh,,,h,,,hhw,jjjnjif,h式中:分别为两测点间互不干扰的各个局部阻力段的阻力损失jih被测段的局部阻力损失jn两测点间的沿程水头损失。hf,然后把被测段(如阀门)换上一段长度及联接方法与被测段相同内径与管道相同的'直管段再测出相同流量下的总水头损失同样有hw,'h,hh,,,hhw,jjji,f,'所以h,h,hjnww,,R,e※、实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数如下:序号dd,试用最小二乘法建立局部阻力系数的经验公式()确定经验公式类型现用差分判别法确定。由实验数据求得等差相应的差分其一、二级差分如,x(令x,dd),y(令y,,)下表i,x,y,y二级差分为常数故此经验公式类型为,y()y,bbxbx()用最小二乘法确定系数令,,y,bbxbxii,是实验值与经验公式计算值的偏差。如用,表示偏差的平方和即n,,(),,,,y,bbxbx,,iiii,,ii,为使为最小值则必须满足,,,,,,b,,,,,,,b,,,,,,,b,于是式()分别对、、求偏导可得bbb,y,b,bx,bx,,,,iii,iii,,,,,yx,bx,bx,bx,(),,,,,iiiiiii,,i,i,,,yxbxbxbx,,,,,,,,iiiii,ii,,i,i,,列表计算如下:ix,ddy,,xxiiii总和x,y,x,x,,,,,iiiii,i,i,i,yxxyxiiiiii总和x,yx,yx,,,,iiiiii,i,i,将上表中最后一行数据代入方程组()得到,b,b,b,,,,,,,bbb(),,,b,b,b,,解得代入式()b,b,b,,有y,(,x)于是得到突然收缩局部阻力系数的经验公式为,,,(dd)A或(),,,()A※试说明用理论分析法和经验法建立相关物理量间函数关系式的途径。突扩局部阻力系数公式是由理论分析法得到的。一般在具备理论分析条件时函数式可直接由理论推演得但有时条件不够就要引入某些假定。如在推导突扩局部阻力系数时假定了“在突扩的环状面积上的动水压强按静水压强规律分布”。引入这个假定的前提是有充分的实验依据证明这个假定是合理的。理论推导得出的公式还需通过实验验证其正确性。这是先理论分析后实验验证的一个过程。经验公式有多种建立方法突缩的局部阻力系数经验公式是在实验取得了大量数据的基础上进一步作数学分析得出的。这是先实验后分析归纳的一个过程。但通常的过程应是先理论分析(包括量纲分析等)后实验研究最后进行分析归纳。九孔口管嘴实验一结合观测不同类型管嘴与孔口出流的流股特征分析流量系数不同的原因及增大过流能力的途径。据实验报告解答的实际实验结果可知流股形态及流量系数如下:园角管嘴出流的流股呈光滑园柱形u=直角管嘴出流的流股呈园柱形麻花状扭变u=园锥管嘴出流的流股呈光滑园柱形u=孔口出流的流股在出口附近有侧收缩呈光滑园柱形u=。影响流量系数大小的原因有:()出口附近流股直径孔口为其余同管嘴的出口内径=。()直角进口管嘴出流u大于孔口是因为前者进口段后由于分离使流股侧收缩而引起局部真空(实际实验实测局部真空度为cm)产生抽吸作用从而加大过流能力。后者孔口出流流股侧面均为大气压无抽吸力存在。()直角进口管嘴的流股呈扭变说明横向脉速大紊动度大这是因为在侧收缩断面附近形成漩涡之故。而园角进口管嘴的流股为光滑园柱形横向脉速微弱这是因进口近乎流线形不易产生漩涡之故所以直角管嘴比园角管嘴出流损失大u值小。()园锥管嘴虽亦属直角进口但因进口直径渐小不易产生分离其侧收缩断面面积接近出口面积(u值以出口面积计)故侧收缩并不明显影响过流能力。另外从流股形态看横向脉动亦不明显说明渐缩管对流态有稳定作用(工程或实验中为了提高工作段水流的稳定性往往在工作段前加一渐缩段正是利用渐缩的这一水力特性)。能量损失小因此其u值与园角管嘴相近。从以上分析可知为了加大管嘴的过流能力进口形状应力求流线形化只要将进口修园提高u的效果就十分显著。孔口及直角管嘴的流量系数的实验值有时比经验值偏大其主要原因亦与制作工艺上或使用上不小心将孔口、管嘴的进口棱角磨损了有关。二观察dH>时孔口出流的侧收缩率较dH<时有何不同,当dH>时观测知收缩断面直径增大并接进于孔径d这叫作不完全收缩实验测知u增大可达左右。三试分析完善收缩的锐缘薄壁孔口出流的流量系数有下列关系:其中为韦伯数。根据这一关系并结合其他因素分析本实验的流量系数偏离理论值(=)的原因。薄壁孔口在完善收缩条件下(孔口距相邻壁面距离L>d)影响孔口出流流速v的因素有:作用水头H孔径d流体的密度重力加速度g粘滞系数u及表面张力系数即()现利用定律分析流量Q与各物理量间的相互关系然后推求与流量系数相关的水力要素。因v、H、是三个量纲独立的物理量只有:根据定理得()()()()根据量纲和谐原理()式的量纲应为

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