工程流體力學實驗報告
實驗一流體靜力學實驗
實驗原理
在重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程
或1.1)
式中： z被測點在基準面的相對位置高度；
p被測點的靜水壓強，用相對壓強表示，以下同；
p0水箱中液面的表面壓強；
γ液體容重；
h被測點的液體深度。
另對裝有水油（圖1.2及圖1.3）u型測管，應用等壓面可得油的比重s0有下列關係：
1.2)
據此可用儀器（不用另外尺）直接測得s0。
實驗分析與討論
1.同一靜止液體內的測管水頭線是根什麼線？
測壓管水頭指，即靜水力學實驗儀顯示的測管液面至基準面的垂直高度。測壓管水頭線指測壓管液面的連線。實驗直接觀察可知，同一靜止液面的測壓管水頭線是一根水平線。
2.當pb<0時，試根據記錄資料，確定水箱內的真空區域。
，相應容器的真空區域包括以下三部分：
(1)過測壓管2液面作一水平面，由等壓面原理知，相對測壓管2及水箱內的水體而言，該水平面為等壓面，均為大氣壓強，故該平面以上由密封的水、氣所佔的空間區域，均為真空區域。
(2)同理，過箱頂小水杯的液面作一水平面，測壓管4中，該平面以上的水體亦為真空區域。
(3)在測壓管5中，自水面向下深度某一段水柱亦為真空區。這段高度與測壓管2液面低於水箱液面的高度相等，亦與測壓管4液面高於小水杯液面高度相等。
3.若再備一根直尺，試採用另外最簡便的方法測定γ0。
最簡單的方法，是用直尺分別測量水箱內通大氣情況下，管5油水介面至水面和油水介面至油麵的垂直高度h和h0，由式，從而求得γ0。
4.如測壓管太細，對測壓管液面的讀數將有何影響？
設被測液體為水，測壓管太細，測壓管液面因毛細現象而公升高，造成測量誤差，毛細高度由下式計算
式中，為表面張力係數；為液體的容量；d為測壓管的內徑；h為毛細公升高。常溫(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm，=0.
98dyn/mm。水與玻璃的浸潤角很小，可認為cosθ=1.0。
於是有(h、d單位為mm)
一般來說，當玻璃測壓管的內徑大於10mm時，毛細影響可略而不計。另外，當水質不潔時，減小，毛細高度亦較淨水小；當採用有機玻璃作測壓管時，浸潤角較大，其h較普通玻璃管小。
如果用同一根測壓管測量液體相對壓差值，則毛細現象無任何影響。因為測量高、低壓強時均有毛細現象，但在計算壓差時，互相抵消了。
5.過c點作一水平面，相對管1、2、5及水箱中液體而言，這個水平面是不是等壓面？哪一部分液體是同一等壓面？
不全是等壓面，它僅相對管1、2及水箱中的液體而言，這個水平面才是等壓面。因為只有全部具備下列5個條件的平面才是等壓面：（1）重力液體；（2）靜止；（3）連通；（4）連通介質為同一均質液體；（5）同一水平面。
而管5與水箱之間不符合條件（4），因此，相對管5和水箱中的液體而言，該水平面不是等壓面。
6.用圖1.1裝置能演示變液位下的恆定流實驗嗎？
關閉各通氣閥門，開啟底閥，放水片刻，可看到有空氣由c進入水箱。這時閥門的出流就是變液位下的恆定流。因為由觀察可知，測壓管1的液面始終與c點同高，表明作用於底閥上的總水頭不變，故為恆定流動。
這是由於液位的降低與空氣補充使箱體表面真空度的減小處於平衡狀態。醫學上的點滴注射就是此原理應用的一例，醫學上稱之為馬利奧特容器的變液位下恆定流。
7.該儀器在加氣增壓後，水箱液面將下降而測壓管液面將公升高h，實驗時，若以p0=0時的水箱液面作為測量基準，試分析加氣增壓後，實際壓強（h+δ）與視在壓強h的相對誤差值。本儀器測壓管內徑為0.
8cm，箱體內徑為20cm。
加壓後，水箱液面比基準面下降了，而同時測壓管1、2的液面各比基準面公升高了h，由水量平衡原理有
則本實驗儀 d=0.8cm, d=20cm,
故h=0.0032
於是相對誤差有
因而可略去不計。
其實，對單根測壓管的容器若有d/d10或對兩根測壓管的容器d/d7時，便可使0.01。
實驗二不可壓縮流體恆定流能量方程（伯諾利方程）實驗
實驗原理
在實驗管路中沿管內水流方向取n個過斷面。可以列出進口斷面(1)至另一斷面(i)的能量方程式(i=2,3,……,n)
取a1=a2=…an=1，選好基準面，從已設定的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速v及，從而即可得到各斷面測管水頭和總水頭。
成果分析及討論
1.測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什麼？
測壓管水頭線（p-p）沿程可公升可降，線坡jp可正可負。而總水頭線（e-e）沿程只降不公升，線坡j恒為正，即j>0。這是因為水在流動過程中，依據一定邊界條件，動能和勢能可相互轉換。
測點5至測點7，管收縮，部分勢能轉換成動能，測壓管水頭線降低，jp>0。測點7至測點9，管漸擴，部分動能又轉換成勢能，測壓管水頭線公升高，jp<0。而據能量方程e1=e2+hw1-2, hw1-2為損失能量，是不可逆的，即恒有hw1-2>0，故e2恆小於e1，（e-e）線不可能回公升。
(e-e) 線下降的坡度越大，即j越大，表明單位流程上的水頭損失越大，如圖2.3的漸擴段和閥門等處，表明有較大的區域性水頭損失存在。
2.流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什麼？
有如下二個變化 ：
（1）流量增加，測壓管水頭線（p-p）總降落趨勢更顯著。這是因為測壓管水頭，任一斷面起始時的總水頭e及管道過流斷面面積a為定值時，q增大，就增大，則必減小。而且隨流量的增加阻力損失亦增大，管道任一過水斷面上的總水頭e相應減小，故的減小更加顯著。
（2）測壓管水頭線（p-p）的起落變化更為顯著。
因為對於兩個不同直徑的相應過水斷面有
式中為兩個斷面之間的損失係數。管中水流為紊流時，接近於常數，又管道斷面為定值，故q增大，h亦增大，（p-p）線的起落變化就更為顯著。
3.測點2、3和測點10、11的測壓管讀數分別說明了什麼問題？
測點2、3位於均勻流斷面（圖2.2），測點高差0.7cm，hp=均為37.
1cm（偶有毛細影響相差0.1mm），表明均勻流同斷面上，其動水壓強按靜水壓強規律分布。測點10、11在彎管的急變流斷面上，測壓管水頭差為7.
3cm，表明急變流斷面上離心慣性力對測壓管水頭影響很大。由於能量方程推導時的限制條件之一是「質量力只有重力」，而在急變流斷面上其質量力，除重力外，尚有離心慣性力，故急變流斷面不能選作能量方程的計算斷面。在繪製總水頭線時，測點10、11應捨棄。
4.試問避免喉管（測點7）處形成真空有哪幾種技術措施？分析改變作用水頭（如抬高或降低水箱的水位）對喉管壓強的影響情況。
下述幾點措施有利於避免喉管（測點7）處真空的形成：
（1）減小流量，（2）增大喉管管徑，（3）降低相應管線的安裝高程，（4）改變水箱中的液位高度。
顯然（1）、（2）、（3）都有利於阻止喉管真空的出現，尤其（3）更具有工程實用意義。因為若管系落差不變，單單降低管線位置往往就可完全避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90彎管，後接水平段，將喉管的高程降至基準高程0—0，比位能降至零，比壓能p/γ得以增大（z），從而可能避免點7處的真空。
至於措施（4）其增壓效果是有條件的，現分析如下：
當作用水頭增大h時，測點7斷面上值可用能量方程求得。
取基準面及計算斷面1、2、3，計算點選在管軸線上（以下水柱單位均為cm）。於是由斷面1、2的能量方程（取a2=a3=1）有
1)因hw1-2可表示成此處c1.2是管段1-2總水頭損失係數，式中e、s分別為進口和漸縮區域性損失係數。
又由連續性方程有
故式（1）可變為
2)式中可由斷面1、3能量方程求得，即
3)由此得
4)代入式( 2)有(z2+p2/γ)隨h遞增還是遞減，可由(z2+p2/γ)加以判別。因
5)若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0，則斷面2上的(z+p/γ) 隨h同步遞增。反之，則遞減。文丘里實驗為遞減情況，可供空化管設計參考。
在實驗報告解答中，d3/d2=1.37/1，z1=50，z3=-10，而當h=0時，實驗的(z2+p2/γ)=6，，將各值代入式(2)、(3)，可得該管道阻力係數分別為c1.2=1.
5，c1.3=5.37。
再將其代入式(5)得
表明本實驗管道喉管的測壓管水頭隨水箱水位同步公升高。但因(z2+p2/γ)接近於零，故水箱水位的公升高對提高喉管的壓強（減小負壓）效果不顯著。變水頭實驗可證明該結論正確。
5.由畢託管測量顯示的總水頭線與實測繪製的總水頭線一般都有差異，試分析其原因。
與畢託管相連通的測壓管有1、6、8、12、14、16和18管，稱總壓管。總壓管液面的連續即為畢託管測量顯示的總水頭線，其中包含點流速水頭。而實際測繪的總水頭是以實測的值加斷面平均流速水頭v2/2g繪製的。
據經驗資料，對於園管紊流，只有在離管壁約0.12d的位置，其點流速方能代表該斷面的平均流速。由於本實驗畢託管的探頭通常布設在管軸附近，其點流速水頭大於斷面平均流速水頭，所以由畢託管測量顯示的總水頭線，一般比實際測繪的總水線偏高。
因此，本實驗由1、6、8、12、14、16和18管所顯示的總水頭線一般僅供定性分析與討論，只有按實驗原理與方法測繪總水頭線才更準確。
實驗三不可壓縮流體恆定流動量定律實驗
實驗原理
恆定總流動量方程為
取脫離體，因滑動摩擦阻力水平分離，可忽略不計，故x方向的動量方程化為
即式中： hc——作用在活塞形心處的水深；
d——活塞的直徑；
q——射流流量；
v1x——射流的速度；
1——動量修正係數。
實驗中，在平衡狀態下，只要測得q流量和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑d，代入上式，便可驗證動量方程，並率定射流的動量修正係數β1值。其中，測壓管的標尺零點已固定在活塞的園心處，因此液面標尺讀數，即為作用在活塞園心處的水深。
實驗分析與討論
1、實測β與公認值(β=1.02～1.05)符合與否？如不符合，試分析原因。
實測β=1.035與公認值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉所致。為排除此故障，可用4b鉛筆芯塗抹活塞及活塞套表面。)
2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流衝擊無翼片的平板沿x方向的動量力有無影響？為什麼？
無影響。
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