水力学实验报告总结计划思考题答案全

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+hwi-2 , hwi-2 为损失能量，是不可逆的，即恒有 hwi-2 >0，故 Ea 恒小于 Ei , （

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

处，表明有较大的局部水头损失存在。



E-E）线不可

渐扩段和阀门等

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

Hp Z - E - Q^ ，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， Q

P 2gA

2

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 —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

2 2

2

2

2

2

Q2 A；

有HZ卫寫

v

QAQ A

P

2g

2g

2g

1 等

Q2 A；

2g

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



卫均为



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。

探 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 - 值可用能量方程求得。

取基准面及计算断面

1

、 、

3

如图所示

,

计算点选在管轴线上（以下水拄单位均为

cm) 。

2

于是由断面 1、2 的能量方程

( 取2

1 ) 有

2

h Z 2

P2

V2 hw1 2

(1)

亦

h.2

2

2

V3

因 hw1 2 可表示成

h w1 2

V3

d2

c1 .2 T -

亦

2g

此处 C1.2 是管段

1-2 总水头损失系数，式中

s 分别为进口和渐缩局部损失系数。

2

2

又由连续方程有

V2

d3

V3

d2

亦

亦

2

d3

故式（ 1）可变为

P2

V3

d2

c1.2

2g

式中 vf 2g 可由断面 1、 3 能量方程求得 ,

2

2

Z3

V3

V3

c1.3

(3)

2g 2g

C1.3 是管道阻力的总损失系数。

由此得

vf.2g 乙

Z3

C1.3代入式（ 2

）有

d3

4

乙 Z3 h

C1.2

d2

1

c1.3

Z2 P2.「 随 h 递增还是递减，可由 Z2 / h 加以判别。因

乙 p2

d3 d2

cl .2

(5 )

h



cl .3

4

若

1 d

d

/ 1

0

上的 Z p 随

h

同步递增。反之 ,

3.

2

C1.2

C1.3

，则断面 2

因本实验仪 d3「d2 1.37 1 ，Z1 50 ，Z3 10 ，而当 h 0 时，实验的

Z2 p 2 .



6， v；「 2g 33.19 ， vf/2g 9.42 ，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) 得则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。

Z2

p 2

4

,1.37

1.15

h

0.267

1 -

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

J Pi. / 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

：

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，

的 Z p 值加断面平均流速水头

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

※仁 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

(1)

v' f ,d

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。

可以认为式（ 1）的函数关系能用指数的乘积来表示。即

v' K W2

其中 K 为某一无量纲系数。

式（ 2）的量纲关系为

LT 1 L2T 1 3 L a2 （3）

从量纲和谐原理，得

L

T



2a1 a 2 1

:

:

a1

1

联立求解得

31

1，32

1

将上述结果，代入式（ 2），得

（4）

K=2320。于是，无量纲数

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

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

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， 因剪切流动而弓丨 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

紊流



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

（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 卫，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 po 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

（ 3）在测压管 5 中，自水面向下深度为

P

管 4 中该平面以上的水体亦为真空区域。

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

液面高于小水杯液面高度相等，均为

P A

3、 若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定

H0 °

° °

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 h

和 h

, 由式 h

h

，从而求得

o

°

w

o

w w

o o

4、 如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？

答：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

4 cos h

d

式中， 为表面张力系数； 为液体的容重； d 为测压管的内径； h 为毛细升高。常温

（

t 20 C

）的水，

7.28d yn/mm

或

0.073N/m

0.98dy n/mm

3。水与玻

，

璃的浸润角 很小，可认为 cos

1.0 。于是有

h

29 7

h、 d 单位均为 mm

d

一般说来，当玻璃测压管的内径大于

10mm寸，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。相互抵消了。

5、过 C 点作一水平面，相对管 1、2、5 及水箱中液体而言，这个水平是不是等压面？哪一 部分液体是同一等

压面？

答：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。因为只有全部具备下列 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）, 因此，相对管 5 和水箱中的液体而言，该水平面不是等 压面。

探 6、用图 1.1 装置能演示变液位下的恒定流实验吗？

答：关闭各通气阀，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 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。

探 7、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, 0 时的水箱液面作为测

量基准，试分析加气增压后，实际压强（

对误差值。本仪器测压管内径为 0.8cm, 箱体内径为 20cm。

答：加压后，水箱液面比基准面下降了 ，而同时测压管

由水量平衡原理有



H ）与视在压强 H 的相

1、2 的液面各比基准面升高了 H

2

2

D2

c d

2d H

4

则

2 -

4

H

D

本实验仪

d

0.8cm D

20cm

故

.H 0.0032

,