北航流体力学实验
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思考题全解答
(雷诺实验、不可压缩流体定常流动量定律实验、不可压缩
流体定常流动能量方程实验)
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不可压缩流体恒定流能量方程实验 1.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(P-P)沿程可升可降，线坡J可正可负。而总水头线(E-E)沿程只降不升，线坡JP
恒为正，即J>0。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，Jp>0。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，J<0。而据能量方程E=E+h, h为损失能量，是不可逆的，即恒有h>0，P12w1-2w1-2w1-2故E恒小于E，(E-E)线不可能回升。(E-E) 线下降的坡度越大，即J越大，
表
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明单位流程上的水头损失21
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
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，H=均为37.1cm(偶有毛细影响相差0.1mm)，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。
不可压缩流体恒定流动量定律实验 1、实测β与公认值(β=1.02,1.05)符合与否,如不符合，试分析原因。
实测β=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
式中 Q——射流的流量;
V——入流速度在yz平面上的分速; yz1
V——出流速度在yz平面上的分速; yz2
α——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90?;1
α——出流速度与圆周切线方向的夹角; 2
r——分别为内、外圆半径。 1,2
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V相同，试问对以上受力分析有无影响, 2
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。 1
雷诺实验
?流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速,
雷诺在1883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
(1)
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(vd/ν)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(1)的函数关系能用指数的乘积来表示。即
(2)
其中K为某一无量纲系数。
式(2)的量纲关系为
(3)
从量纲和谐原理，得
L:2α+α=1 12
T:-α=-1 1
联立求解得α=1，α=-1 12
将上述结果，代入式(2)，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=2320。于是，无量纲数vd/ν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，vd/ν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3000,5000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12000，有的得20000，有的甚至得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必为层流。一般实测下临界雷诺数为2100左右。
?雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数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,
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