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水力学实验报告思考题答案
（一）伯诺里方程实验（不可压缩流体恒定能量方程实验）
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JP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。如图所示，测点5至测点7，管渐缩，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，JP<0。而据能量方程E1=E2+hw1-2，hw1-2为损失能量，是不可逆的，即恒有hw1-2>0，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，如图上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？
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
Q2，任一断面起始的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，QHp?Z??E?2?2gApv2p
增大，就增大，则Z?必减小。而且随流量的增加，阻力损失亦增大，管道任一过水
2g?断面上的总水头E相应减小，故Z?
p
?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
2222??v12v2Q2A2?Q2A12Q2A2p?v2有?HP??? ???Z?????2g??2g?2g2g??22??Q2A2A2???1???A2??2g
1??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，测点高差0.7cm，HP?Z?p?均为37.1cm（偶有毛细影
响相差0.1mm），表明均匀流各断面上，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。
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※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）降低相关管线的安装高程，（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）更具有工程实际意义。因为若管系落差不变，单单降低管线位置往往就可以避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90度的弯管，后接水平段，将喉管高程将至基准高程0-0，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Z?
p
?值可用能量方程求得。
取基准面及计算断面1、2、3如图所示，计算点选在管轴线上（以下水拄单位均为cm）。于是由断面1、2的能量方程（取?2??3?1）有
2v2Z1??h?Z2???hw1?2 （1）
?2gp2因hw1?2可表示成 hw1?222?l1.2?v3v3????d??e??s??2g??c1.22g
2??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。
22?d3?v3v2???又由连续方程有 ??2g?d2?2g4??d?4?v23?故式（1）可变为 Z2??Z1??h?????c1.2?3 （2） ???d2g????2??p22式中v32g可由断面1、3能量方程求得，即
22v3v3Z1??h?Z3???c1.3 （3）
2g2g?c1.3是管道阻力的总损失系数。
2由此得 v32g??Z1?Z3??h?/?1??c1.3?，代入式（2）有
4???Z?Z??h???d3p213?? Z2??Z1??h?????c1.2?????? （4） ?d1????c1.3???2????Z2?p2??随?h递增还是递减，可由??Z2?p2??/???h?加以判别。因
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?dd???c1.2 （5） ??Z2?p2???1?32???h?1??c1.34若1??d3d2???c1.2/?1??c1.3??0，则断面2上的?Z?p??随?h同步递增。反之，
4??则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。
因本实验仪d3d2?1.371，Z1?50 ，Z3??10，而当?h?0时，实验的
?Z2?p2???6，v2222g?9.42，将各值代入式（2）2g?33.19，v3、（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
??Z2?p2??1.374?1.15?1??0.267?0
???h?1?5.37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??/???h?接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强（减小负压）效果不明显。变水头实验可证明结论
正确。
5、 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。总压管液面的连线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?Z?p??值加断面平均流速水头v22g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头线偏高。
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的总水头线才更准确。
（二）雷诺实验
※1、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，发现园管流动存在着两种流态——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?、园管的直径d有关，既
''v'?f??,d? （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，得出了无量纲参数
'?vd/??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。
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可以认为式（1）的函数关系能用指数的乘积来表示。即
a1a2'v?K?d （2）
其中K为某一无量纲系数。
式（2）的量纲关系为
?LT???LT??L??12?1a1a2 （3）
从量纲和谐原理，得
L： 2a1?a2?1 T： ?a1??1 联立求解得 a1?1，a2??1 将上述结果，代入式（2），得
v?K
'?d 或
K?v'd? （4）
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/?便成了适合于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的贡献，vd/?定名为雷诺数。
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。
2、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。有关学者做了大量试验，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。本实验实测下临界雷诺数为2178。
3、雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而且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2000～2300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2000。
4、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，并随剪切流动的增大，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
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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。紊动机理实验所见到的波动?破裂?旋涡?质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变成紊流的过程显示。
5、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： 层流 运动学特性 1、 质点有规律地作分层流动 2、 断面流速按抛物线分布 3、 运动要素无脉动现象 1、 质点相互混掺作无规则运动 2、 断面流速按指数规律分布 3、 运动要素发生不规则的脉动现象 动力学特性 1、 流层间无质量传输 2、 流层间无动量交换 3、 单位质量的能量损失与流速的一次方成正比 1、 流层间有质量传输 2、 流层间存在动量交换 3、 单位质量的能量损失与流速的（1.75～2）次方成正比 紊流 （三）流体静力学实验
1、 同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？ 答：测压管水头指Z?
p
?，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。从表1.1的实测数据或实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。
2、 当pB?0时，试根据记录数据确定水箱的真空区域。 答：以当p0?0时，第2次B点量测数据（表1.1）为例，此时
pB???0.6cm?0，相应
容器的真空区域包括以下3三部分：（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、气所占的空间区域，均为真空区域。（2）同理，过箱顶小杯的液面作一水平面，测压
P管4中该平面以上的水体亦为真空区域。（3）在测压管5中，自水面向下深度为A??H??0?的一段水注亦为真空区。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
P液面高于小水杯液面高度相等，均为A??H??0。
?3、 若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定?0。
答：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hw和ho，由式?whw??oho，从而求得?o。 4、 如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？
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