A. 雷诺实验与尼姑拉兹异同
雷诺实验与尼姑拉兹异同:
雷诺实验和尼古拉兹实验是流体力学史上经典的实验。其结论为阻力的研究奠定了基础。根据尼古拉兹实验的结论,将实验曲线分为五个阻力区:层流区和紊流光滑区只与雷诺数有关;紊流过渡区与雷诺数和管壁相对粗糙度均有关;阻力平方区只与管壁相对粗糙度有关。
B. 沿程阻力系数仅与雷诺数有关的有几个区
5个区。通过尼古拉兹人工粗糙管流实验,确定出沿程阻力系数与雷诺数、相对粗糙度之间的关系,实验曲线划分沿程阻力系数仅与雷诺数有关的有5个区域,分别是层流区、临界过渡区、紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区。
C. 什么是尼古拉兹实验
尼古拉兹实验:是通过人工粗糙管流实验,确定出沿程阻力系数与雷诺数、相对粗糙度之间的关系,实验曲线被划分为5个区域,分别是层流区、临界过渡区、紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区,比较完整地反映了沿程阻力系数的变化规律,揭露了影响沿程阻力系数变化的主要因素,对沿程阻力系数和断面流速分布的测定,推导湍流的半经验公式提供了可靠的依据。
D. 什么是尼古拉兹实验
尼古拉兹实验:通过人工粗糙管流实验,确定出沿程阻力系数与雷诺数、相对粗糙度之间的关系,实验曲线被划分为5个区域,分别是层流区、临界过渡区、紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区;
比较完整地反映了沿程阻力系数的变化规律,揭露了影响沿程阻力系数变化的主要因素,对沿程阻力系数和断面流速分布的测定,推导湍流的半经验公式提供了可靠的依据。
(4)尼古拉兹实验装置扩展阅读:
尼古拉兹实验虽然不能完全用于工业管道,但是它全面揭示了不同流态情况下 λ和雷诺数re及相对粗糙度δ/d的关系,从而说明确定λ的各种经验公式和半经验公式有一定的适用范围。
以构件为研究对象,运用力学的一般规律分析和求解构件受力的情况及平衡问题,建立构件安全工作的力学条件的一门学科。为了设计符合经济原则,要求少用材料或用廉价材料。工程力学的任务就是合理地解决这一矛盾,为实现既安全又经济的设计提供理论依据和计算方法。
E. 尼古拉兹实验的条件和结论
课程辅导材料五
第5章 流动阻力和能量损失【教学基本要求】
1.熟悉层流与紊流流态的特点和形成条件,掌握流态判别标准。
2.了解流动中沿程阻力和局部阻力的两种形式,掌握沿程损失和局部损失的计算方法。【学习重点】
1.层流与紊流流态及其判别标准,雷诺数的表示方法和物理意义,
2.均匀流基本方程,圆管均匀流的流速分布规律,层流沿程阻力系数的确定,
3.尼古拉兹实验及其确定紊流沿程阻力系数的方法,紊流沿程阻力系数的计算。
4.局部阻力系数的确定。
【内容提要和学习指导】
5.1两种流态和判别标准
通过雷诺实验可以观察到运动的流体存在两种流态,即层流与紊流。层流与紊流的过渡区可以近似用过渡区下限转变点代替。用无量纲雷诺数来描述流体运动时,转变点上的雷诺数为临界雷诺数,它是两种流态的判别标准。当雷诺数小于临界雷诺数时,流态为层流;当雷诺数大于临界雷诺数时,流态为紊流。管流中临界雷诺数为2000。
在理解两种流态形成机理的基础上,掌握雷诺数 的表达式和各物理量之间的关系,弄清临界雷诺数来源,牢记管流中临界雷诺数为2000的层流与紊流的判别标准。
5.2 边界层与边界层分离现象简介
本节不要求掌握。
5.3 流动阻力与能量损失的关系
由于流体运动接触到的边壁形状不同,边壁对流体的阻碍作用不同,流体流动受到的阻力也不同。流动阻力分为两种,即沿程阻力和局部阻力,对应这两种阻力的能量损失是沿程损失和局部损失。
了解不同边壁形状与流动阻力的关系,注意区分流动系统中的沿程损失和局部损失,掌握沿程损失和局部损失的表达式和各物理量之间的关系。
5.4均匀流基本方程
根据均匀流定义、能量方程和力的平衡方程,推导出沿程损失与管径、切应力等物理量的关系。能量方程中的能量损失是过流断面的平均值,过流断面上各点的能量损失均相等,由此可以得到切应力分布与管径的线性、正比关系。这一沿程损失与管径、切应力等物理量的关系或切应力分布与管径的线性、正比关系就是均匀流基本方程。
学习中应注意方程推导的条件,每一条件产生的结论,直至最终结论。掌握文字结论和导出方程,理解各物理量的意义和它们之间的关系。
5.5层流运动
流体做层流运动时,粘性切应力与速度沿垂向梯度的关系符合牛顿内摩擦定律,引入均匀流基本方程后,得到圆管中层流的抛物线型流速分布。由此可得①圆管中过流断面的最大流速;②圆管中过流断面的平均流速;和③层流沿程阻力系数公式。
应注意层流运动中粘性切应力分布(线性)与速度分布(抛物线型)的关系,在均匀流中过流断面的平均流速是表征流动的重要物理量。层流沿程损失以平均流速表示,层流沿程阻力系数也是以平均流速表示,只是平均流速被包含在雷诺数中,即 。
5.6紊流运动
流体的紊流运动看似杂乱无章,但从数学统计规律上可以将瞬时流速分解为时均流速和脉动流速。时均的均匀流服从层流运动规律,脉动流速在某一时间周期 内平均值为零。脉动流速引起紊流惯性切应力(又称为雷诺切应力)与单位面积上的动量有关。紊流运动的紊流切应力是层流粘性切应力和紊流惯性切应力之和。根据混合长度理论和均匀流基本方程得到对数型的紊流流速分布,这一公式具有理论性和经验性,公式中的待定常数需要由实验确定。
学习本节应注意科学分析与近似理论相结合的研究方法,熟悉紊流瞬时流速的分解方法,掌握惯性切应力与粘性切应力之比为雷诺数的物理特征,了解紊流流速分布公式中的物理量意义。
5.7 紊流沿程阻力系数
尼古拉兹通过人工粗糙管流实验,确定出沿程阻力系数与雷诺数、相对粗糙度之间的关系,实验曲线被划分为5个区域,即1.层流区 2.临界过渡区3.紊流光滑区4.紊流过渡区5.紊流粗糙区(阻力平方区)。莫迪采用工业管道实际粗糙进行了相应的管流实验。将实验成果代入紊流流速分布积分式可以确定各区域的紊流流速分布公式中的代定系数和紊流沿程阻力系数公式。并给出了紊流各区的沿程阻力系数的经验公式。
工程中的理论公式需要实验成果验证和完善,本节应掌握尼古拉兹实验条件和实验结果,了解尼古拉兹实验和莫迪实验的相同和不同点,熟练运用紊流沿程阻力系数的经验公式。
5.8非圆管道流动中的沿程损失
采用圆管道流动理论计算非圆形断面管道中的流动问题,首先选取非圆管的当量直径,然后按圆形管道公式计算。当量直径是在水力半径相等的条件下得到的,明渠流中的谢才公式、曼宁公式和巴氏公式均于水力半径相关。
掌握当量直径的计算方法,了解圆管道与非圆形断面管道的区别,能应用谢才公式、曼宁公式进行计算。
5.9管道流动中的局部损失
圆管中突然放大处的局部阻力系数可以通过连续、能量和动量方程联立求解获得,更多的各种各样的局部阻力系数需要实验测定。局部损失的减阻措施为:(1)在流体内部投放极少量的某种添加剂,改变流体紊流运动的内部结构,达到降低阻力的目的。(2)大量采用的是改善边壁条件的减阻措施。
掌握圆管中突然放大处的局部阻力系数的两种表示方法,了解各种局部阻力系数的查阅方法。【思 考 题】
5-1.当输水管直径一定时,随流量增大,雷诺数是增大还是减少?当输水管流量一定时,随管径加大,雷诺数是增大还是减少?
5-2.两个不同管径的管道,通过不同粘滞性的液体,它们的临界雷诺数是否相同?
5-3.试述尼古拉兹实验成果,层流、紊流中各个流区的 与 和 的关系怎样?【解 题 指 导】
思5—1解答:根据雷诺数定义 ,雷诺数与水管直径、平均流速成正比,当输水管直径一定时,随流量增大,雷诺数增大;当输水管流量一定时,随管径加大,雷诺数增大。
思5—2解答:管流临界雷诺数为2000,无论管径和液体粘滞性如何变化,管流临界雷诺数不变,所以它们的临界雷诺数是相同的。
思5—3提示:熟记尼古拉兹实验成果的分区和 与 和 的定性关系。
F. 尼古拉兹实验中沿程阻力系数与哪些因素有关
流体速度V,粘性系数ν,表面粗糙度K,水力直径 d
G. 如何测量流体的流动阻力
尼古拉兹实验归纳总结出了流动阻力与雷诺数Re和相对粗糙度△/d的关系,将沿程阻力系数的变化归纳为五个区。
层流区:λ=f1(Re);
临界过渡区:λ=f2(Re);
光滑管区:λ=f3(Re);
湍流过渡区:λ=f(Re,k/d);
湍流粗糙区:λ=f(k/d)。
尼古拉兹实验比较完整地反映了沿程阻力系数λ的变化版规律,揭露了影响λ变化的主要因素,它对λ和断面流速分布的测定,推导湍流的半经验公式提供了可靠的依据。
尼古拉兹通过人工粗糙管流实验,确定出沿程阻力系数与雷诺数、相对粗糙度之间的关系,实验曲线被划分为5个区域,即1.层流区 2.临界权过渡区3.紊流光滑区4.紊流过渡区5.紊流粗糙区(阻力平方区)。
(7)尼古拉兹实验装置扩展阅读:
流体流动阻力:流体在管路系统中的流动可以分为在均匀直管中的流动,产生以表面摩擦为主的沿程阻力;在各种管件象阀门、弯管、设备进出口等中的流 动,由于流道变向、截面积变化、流道分叉汇合等 产生以逆压差或涡流为主的局部阻力。
流动边界的物体对流动流体的作用力。它与流体流动的方向相反,由动量传递而产生。流动阻力是粘性流体中动量传递研究的基本问题之一。流动阻力的反作用力,即流体对物体的作用力,称为曳力(drag)。对于管流,流动阻力通常用流体的压力降表示,此压力降造成的机械能(压能)降低不能再恢复,亦即部分机械能遭受损失,通称阻力损失。对于绕流,更多地注意曳力。
只要来流即物体上游流体速度均匀,流体绕过静止物体的流动,与物体在静止流体中的运动是等同的。因此,工程上常在流动流体中置入静止的模型,以模拟物体在静止流体中的运动。
H. 尼古拉兹曲线和莫迪图的主要区别
1、尼古拉兹实验曲线用的是人工圆管(为了制造出相对粗糙度符合要求的圆管,尼古拉兹进行了大量实验来筛"沙子")。我个人认为他更倾向于总结规律,而且他也确实在实验结果上总结了不少的经验半经验公式。
2、莫迪图用的是工业圆管(一听就感觉更倾向实用),而且比尼古拉兹实验曲线晚了十多年吧,莫迪图是基于克列伯洛克公式(一个适用于紊流三个区的经验公式,也可能是半经验的,记不清了)绘制的,所以莫迪图上的曲线看着非常的细致,其实用性也更强,免除了繁杂的公式计算,直接查图就行了。
要明白,莫迪图晚了尼古拉兹实验曲线整整十年,这中间有非常多的大牛提出来了,适合各区的各种经验半经验公式,尼古拉兹的实验方法也在这个过程中不断完善,所以莫迪图才能那么的实用。
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《工程流体力学》考试大纲
命题范围和要求
[第一部分 ] 绪论
1. 1. 了解流体的主要物理性质; 理解流体的粘性; 掌握容重,密度及其区别和联系; 掌握牛顿内摩察定律.
2. 2. 理解质量力和表面力, 掌握其表示方法. 理解连续介质, 实际流体,理想流体,不可压宿流体, 可压宿流体. 知道流体的研究方法.
[第二部分]流体静力学
1. 1. 理解和掌握静压强及其特性
2. 2. 会欧拉平衡微分方程的推导,理解欧拉平衡微分方程的物理意义.
3. 3. 掌握流体静压强基本方程, 掌握点压强的计算方法, 掌握压强的计算基准和表示方法, 掌握静压强分布图, 了解压强的量测方法.
4. 4. 掌握计算作用于平面上的液体总压力.
5. 5. 掌握计算作用于曲面上的液体总压力.
[第三部分] 流体运动学
1.了解描述液体运动的两种方法, 掌握迹线,流线的概念及方程, 了解质点加速度表达式.
2掌握描述流体运动的一些基本概念.
3. 3. 掌握流体运动的连续性微分方程, 总流的连续性方程.
4. 4. 理解无旋流和有旋流.
5. 5. 掌握流函数和速度势函数, 了解几种简单的平面势流, 知道势流叠加法解平面势流,的原理.
[第四部分] 理想流体动力学
1. 1. 掌握理想流体元流的伯努利方程的推导,
2. 2. 掌握理想流体元流的伯努利方程的物理意义和几何意义以及应用.
[第五部分] 实际流体动力学基础
1. 1. 了解流体质点的应力状态
2. 2. 掌握实际流体元流伯努利方程的推导, 掌握实际流体元流伯努利方程的物理意义和几何意义.
3. 3. 掌握实际流体总流伯努利方程的推导以及应用.
4. 4. 掌握实际流体的动量方程的推导以及应用.
[ 第六部分] 量纲分析和相似原理
1. 1. 理解量纲和单位的概念, 掌握瑞利法和π定理.
2. 2. 了解流动相似的概念.
[ 第七部分] 流动阻力和能量损失
1. 1. 了解雷诺实验过程, 了解层流与紊流流态的特点, 掌握流态判别标准.
2. 2. 理解流动阻力的两种形式, 掌握沿程损失和局部损失的计算方法.
3. 3. 了解圆管中层流运动的流速分布, 掌握层流沿程损失的计算公式。
4. 4. 理解尼古拉兹实验。
[ 第八部分] 有压管流
1. 1. 掌握简单短管中的恒定有压流计算
2. 2. 掌握简单长管中的恒定有压流计算
3. 3. 掌握复杂长管中的恒定有压流计算
4.了解沿程均匀泄流管道中的恒定有压流
[第九部分] 明渠流
1. 1. 了解明渠的分类,理解棱柱型渠道与非棱柱型渠道,顺坡、平坡、和逆坡渠道的概念。
2. 2. 掌握恒定明渠均匀流的特征和产生条件。
3.掌握谢才公式,曼宁公式
4.掌握水力最优断面和允许流速。
5.掌握渠道输水能力水力计算, 掌握确定渠道底坡和渠道断面尺寸的方法。
6.了解无压圆管均匀流的水力计算方法。
7.了解恒定明渠非均匀流特征及产生条件。
8.理解断面单位能量、临界水深, 掌握急流、缓流、临界流的判别标准。了解水跃的基本方程。
9.了解明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程以及水面曲线定性分析。
[第十部分] 孔口、管嘴、闸孔出流及堰流
1. 1. 掌握恒定薄壁孔口出流流量的计算方法。
2. 2. 了解圆柱形外管嘴出流流量的计算方法。
3. 3. 了解堰流的定义及其分类
4. 4. 了解矩形薄壁堰、三角形薄壁堰的流量公式。
5. 5. 了解实用堰、宽顶堰的水流特征。
[ 第十一部分]渗流
1. 1. 掌握渗流模型的实质, 掌握达西定律.
2. 2. 了解均匀渗流特性, 掌握非均匀渐变渗流断面流速分布,
3. 3. 了解渐变渗流基本微分方程和浸润曲线的概念.
4. 4. 掌握井的渗流计算.
二.参考书
工程流体力学(水力学), (上,下册). 闻德荪主编. 高等教育出版社.
三.考试形式: 闭卷
试卷构成:(1)基本概念部分: 约30分.
(2)计算题部分: 约120分.
《流体力学》考试大纲
一、考试的总体要求
考查学生对流体力学的基本概念、基本原理、基本方法,以及对流体运动的一般规律、分析方法的掌握程度,考查学生的分析问题和解决问题的能力。
二、考试的内容
1、流体力学基本概念:密度,黏度,流速,压强,表面张力,定常流,非定常流,可压缩流体,不可压缩流体,理想流体、牛顿流体,非牛顿流体。连续介质,质点加速度,质点的随体导数,流体微团运动分析。
2、基本方程:连续性方程,运动方程,能量方程,欧拉方程,伯努利方程。
3、势流运动:势流运动控制方程及求解方法。无粘性不可压缩流体无旋运动的速度势函数及其应用,平面定常无旋运动的复势及其应用。
4、流函数求解不可压缩流体的二维定常无旋流动问题。轴对称流动问题,复变函数法,保角映象法。
5、粘性流体运动:基本方程;求解途径;简单流动的解析解。
6、湍流运动:湍流特征;分类;发生过程;湍流结构;湍流方程及求解。
三、考试重点
1、质点加速度公式和质点导数,柯西-亥姆霍兹(Cauchy-Helmholtz)流体微团速度分解定理。
2、用势流叠加原理解偶极流问题。
3、用势流叠加原理解圆柱体绕流问题。
4、两平行平板间的粘性流动
5、无限长直圆管中的粘性流动
6、两同心旋转圆柱间的定常流动
四、参考书
《流体力学》,张兆顺和崔桂香编著,清华大学出版社,1999年。
《工程流体力学》,归柯庭,汪军,王秋颖编,科学出版社,2003年。
《水质工程学》考试大纲
一、 命题范围与基本要求
(1)水质与水处理概论:了解天然水体中的杂质和水质特点,熟悉水中常见的污染物及其来源,了解水体富营养化的形成原因及其危害,理解水体的自净和氧垂曲线;了解水体的生物化学物质对人体健康的影响;掌握用水水质标准和污水的排放标准。
(2)水的处理方法概论:熟悉水的物化、生化处理方法;了解反应器类型及其物料在反应器内的流动模型,了解物料在反应器内的停留时间及其分布,理解反应器的概念在水处理中的应用,了解水处理工艺流程的概念及其几种典型的给水、污水处理的工艺流程。
(3)凝聚和絮凝:掌握混凝基本的概念和混凝机理,掌握影响混凝效果的主要因素,熟悉混凝剂的种类和选用原则,理解混凝的动力学模型和混凝剂的混合过程,熟悉混凝的设备和混凝实验。
(4)沉淀:掌握杂质颗粒在水中两种沉降的基本原理;理解理想沉淀池与浅池理论的概念;掌握非凝聚性颗粒与凝聚性颗粒的沉淀过程与沉淀效率的计算;掌握平流沉淀池、斜管(斜板)沉淀池的结构与设计;了解澄清池的工作原理和两种主要形式;了解气浮作为一种特殊的沉淀方式与沉淀的区别和联系。
(5)过滤:了解慢滤池和快滤池的不同之处,掌握滤料的选择和级配;理解快滤池的运行特点和滤层的优化,理解过滤的机理和过滤理论;了解滤池的反冲洗和反冲洗最优化理论;掌握滤池的配水系统及与之相关的承托层;熟悉几种常见的滤池类型及特点。
(6)吸附:了解吸附的机理和等温吸附模型,掌握活性炭的制备和活性炭吸附性能的影响因素;熟悉活性炭功能及其吸附动力学过程,了解几种活性炭的应用及其在应用过程中需要考虑的因素;掌握活性炭的再生方法;了解除活性炭外的其他几种常用吸附剂。
(7)氧化还原和消毒:了解氧化剂化学及其消毒作用及灭活模型,掌握氯消毒过程和消毒副产物的控制,理解臭氧消毒的作用机理和臭氧处理工艺;熟悉除氯外的其他氧化和消毒方法,了解高级氧化工艺。
(8)离子交换:了解离子交换的概念,熟悉几种离子交换剂,掌握离子交换树脂的性质;
掌握离子交换反应及固定床离子交换原理,理解离子交换速度及其影响因素;掌握两种离子交换器;掌握离子交换在水的软化和除盐方面的应用。
(9)膜滤技术:了解膜滤的概念和膜滤技术的分类和膜滤过程的性能参数,了解膜污染及其预防方法;掌握微滤和超滤概念、原理和超滤的浓差极化;理解反渗透及其分离机理,熟悉反渗透的装置;掌握电渗析概念、基本原理和电渗析的基本过程,了解离子交换膜的作用机理,掌握极化现象和电渗析器工艺设计计算。
(10)水的冷却:了解水的两种冷却系统和冷却构筑物,掌握水的冷却原理,理解冷却热力学计算,了解冷却水水质和循环冷却水处理。
(11)腐蚀与结垢:了解腐蚀的几种基本类型,了解腐蚀过程和腐蚀的控制方法;掌握影响腐蚀的因素和两种重要的腐蚀形式;掌握LSI饱和指数,RSI稳定指数,了解其他的几种稳定指数,了解水质的几种稳定处理。
(12)水的其他处理方法:掌握中和的基本原理和三种中和的方法、掌握化学沉淀基本原理和三种化学沉淀方法;了解电解的基本原理和几种电解的处理工艺;了解吹脱、汽提基本原理和影响吹脱的主要影响因素;了解萃取的基本原理和萃取的工艺过程。
(13)活性污泥法:熟悉活性污泥法基本概念和基本流程,了解活性污泥的组成和形态,掌握活性污泥的增殖规律;熟悉活性污泥几个性能指标,掌握活性污泥法的设计和运行参数;理解活性污泥反应的动力学和莫诺公式的推广应用。能够熟练掌握活性污泥九种模式及其特点;掌握活性污泥法的曝气氧转移规律和曝气系统及其装置;掌握活性污泥法的脱氮除磷工艺,理解活性污泥法污泥法处理系统的过程控制与运行管理和活性污泥法的几种新工艺。
(14)生物膜法:熟悉生物膜法的基本概念和特征。理解生物膜法的净化机理,掌握生物膜的增长过程,掌握生物膜理论的重要参数;掌握生物膜反应器的重要形式:生物滤池、生物转盘、生物流化床处理工艺的特点,掌握生物膜法运行管理的注意事项。
(15)厌氧生物处理:了解厌氧生物处理发展的过程和趋势;掌握厌氧生物处理的三个阶段的基本原理;了解厌氧微生物的生态学,了解影响两种细菌的主要生态因子;掌握UASB工艺的工作原理和反应器的结构设计原理;了解两相厌氧生物处理原理技术。
(16)自然生物处理系统:掌握稳定塘净化机理和净化过程中的影响因素;熟悉稳定塘处理的技术特点;掌握好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘的特点和应用;掌握污水的土地处理系统工艺和净化作用机理,掌握人工湿地几种类型及其特点。
(17)污泥处理、处置与利用:了解污泥处理的一般原则、污泥处理处置的基本方法和基本流程,掌握污泥的成分和性质,污泥的浓缩、脱水、干化,污泥的综合利用与最终处置。重点污泥厌氧消化的机理、主要工艺以及工艺设计方法。
(18)水处理工艺系统:了解给水处理工艺系统的选择原则和地面水的常规处理工艺系统,了解水的除藻、除臭和除味,了解给水厂废水的回用和给水厂污泥的最终处理处置。
(19)特种水源水处理工艺系统:掌握高浊度水处理工艺系统,掌握地下水除铁除锰的原理,了解水的除氟和除砷技术,了解软化、除盐及锅炉水处理工艺系统。
(20)城市污水处理系统:了解城市污水处理工艺系统选择的基本思想与知道原则,掌握污水处理的工艺系统,把握污水深度处理工艺和再生水的利用。
(21)工业废水处理的工艺系统:了解工业废水的分类和几种废水的常用处理系统。
二、 主要参考教材
考试主要参考书目:
《水质工程学》,李圭白,张杰主编,中国建筑工业出版社,2005;
《给水工程》(水处理部分),严煦世、范谨初主编,中国建筑工业出版社;
《排水工程》(下册),张自杰主编,中国建筑工业出版社,2000;
《水污染控制工程》,高建耀,顾国维主编,高等教育出版社,2000。
三、考试形式及试卷构成
1、考试形式:闭卷
2、试卷构成
卷面总分150分,其中:
a.基本概念部分:约60分;
b.分析计算部分:约90分;