实习报告之工程力学

实习报告之工程力学（共6篇）

实习报告之工程力学 篇1

工程流体力学实验报告之分析与讨论

实验一 流体静力学实验

实验分析与讨论

1.同一静止液体内的测管水头线是根什么线？

测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测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。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，确定水箱内的真空区域。，相应容器的真空区域包括以下三部分：

(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，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。

(3)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。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液面高于小水杯液面高度相等。3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ0。

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h0，由式，从而求得γ0。

4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？

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

式中，为表面张力系数；为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛细升高。常温(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0。于是有

(h、d单 位 为mm)一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，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，互相抵消了。

5.过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？

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。

6.用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？

关闭各通气阀门，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。

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P0=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（H+δ）与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm，箱体内径为20cm。

加压后，水箱液面比基准面下降了，而同时测压管1、2的液面各比基准面升高了H，由水量平衡原理有

则

本实验仪

d=0.8cm, D=20cm, 故

H=0.0032 于是相对误差有

因而可略去不计。

其实，对单根测压管的容器若有D/d10或对两根测压管的容器D/d7时，便可使0.01。

实验二 不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺利方程）实验

成果分析及讨论

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J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，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，HP=

均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm），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。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）降低相应管线的安装高程，（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）更具有工程实用意义。因为若管系落差不变，单单降低管线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弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程0—0，比位能降至零，比压能p/γ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

值可用能量方程求得。

取基准面及计算断面1、2、3，计算点选在管轴线上（以下水柱单位均为cm）。于是由断面1、2的能量方程（取a2=a3=1）有

(1)因hw1-2可表示成此处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。又由连续性方程有

故式（1）可变为

(2)式中可由断面1、3能量方程求得，即

(3)

由此得

(4)代入式(2)有(Z2+P2/γ)随h递增还是递减，可由(Z2+P2/γ)加以判别。因

(5)若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0，则断面2上的(Z+p/γ)随h同步递增。反之，则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。

在实验报告解答中，d3/d2=1.37/1，Z1=50，Z3=-10，而当h=0时，实验的(Z2+P2/γ)=6，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

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/γ)接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强（减小负压）效果不显著。变水头实验可证明该结论正确。

5.由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。总压管液面的连续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值加断面平均流速水头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，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总水头线才更准确。

实验三 不可压缩流体恒定流动量定律实验

实验分析与讨论

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；

Vyz1——入流速度在yz平面上的分速；

Vyz2——出流速度在yz平面上的分速；

α1——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90°；

α2——出流速度与圆周切线方向的夹角；

r1,2——分别为内、外圆半径。

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V2相同，试问对以上受力分析有无影响？ 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V1垂直，则x方向的动量方程与设置导水管与否无关。

4、滑动摩擦力为什么可以忽略不记？试用实验来分析验证的大小，记录观察结果。(提示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水，观察活塞及液位的变化)

因滑动摩擦力<5墸，故可忽略而不计。

如第三次实验，此时hc=19.6cm，当向测压管内注入1mm左右深的水时，活塞所受的静压力增大，约为射流冲击力的5。假如活动摩擦力大于此值，则活塞不会作轴向移动，亦即hc变为9.7cm左右，并保持不变，然而实际上，此时活塞很敏感地作左右移动，自动调整测压管水位直至hc仍恢复到19.6cm为止。这表明活塞和活塞套之间的轴向动摩擦力几乎为零，故可不予考虑。

5、V2x若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。

按实验步骤7取下带翼轮的活塞，使射流直接冲击到活塞套内，便可呈现出回流与x方向的夹角α大于90°(其V2x不为零)的水力现象。本实验测得135°，作用于活塞套圆心处的水深hc’=29.2cm，管嘴作用水头H0=29.45cm。而相应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，V2x=0，hc=19.6cm。表明V2x若不为零，对动量立影响甚大。因为V2x不为零，则动量方程变为

(1)就是说hc’随V2及α递增。故实验中hc’> hc。

实际上，hc’随V2及α的变化又受总能头的约束，这是因为由能量方程得

(2)而

所以

从式(2)知，能量转换的损失较小时，实验四 毕托管测速实验

实验分析与讨论

1.利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验排净与否？

毕托管、测压管及其连通管只有充满被测液体，即满足连续条件，才有可能测得真值，否则如果其中夹有气柱，就会使测压失真，从而造成误差。误差值与气柱高度和其位置有关。对于非堵塞性气泡，虽不产生误差，但若不排除，实验过程中很可能变成堵塞性气柱而影响量测精度。检验的方法是毕托管置于静水中，检查分别与毕托管全压孔及静压孔相连通的两根测压管液面是否齐平。如果气体已排净，不管怎样抖动塑料连通管，两测管液面恒齐平。

2.毕托管的动压头h和管嘴上、下游水位差H之间的大关系怎样？为什么？ 由于

且

即

一般毕托管校正系数c=11‰（与仪器制作精度有关）。喇叭型进口的管嘴出流，其中心点的点流速系数=0.9961‰。所以Δh<ΔH。

本实验Δh=21.1cm，ΔH=21.3cm，c=1.000。3.所测的流速系数说明了什么？

若管嘴出流的作用水头为H，流量为Q，管嘴的过水断面积为A，相对管嘴平均流速v，则有

称作管嘴流速系数。

若相对点流速而言，由管嘴出流的某流线的能量方程，可得

式中：为流管在某一流段上的损失系数；为点流速系数。

本实验在管嘴淹没出流的轴心处测得=0.995，表明管嘴轴心处的水流由势能转换为动能的过程中有能量损失，但甚微。

4.据激光测速仪检测，距孔口2－3cm轴心处，其点流速系数为0.996，试问本实验的毕托管精度如何？如何率定毕托管的修正系数c？

若以激光测速仪测得的流速为真值u，则有

而毕托管测得的该点流速为203.46cm/s，则ε=0.2‰ 欲率定毕托管的修正系数，则可令

本例：

5.普朗特毕托管的测速范围为0.2－2m/s，轴向安装偏差要求不应大于10度，试说明原因。（低流速可用倾斜压差计）。

（1）施测流速过大过小都会引起较大的实测误差，当流速u小于0.2m/s时，毕托管测得的压差Δh亦有

若用30倾斜压差计测量此压差值，因倾斜压差计的读数值差Δh为，那么当有0.5mm的判读误差时，流速的相对误差可达6%。而当流速大于2m/s时，由于水流流经毕托管头部时会出现局部分离现象，从而使静压孔测得的压强偏低而造成误差。

（2）同样，若毕托管安装偏差角（α）过大，亦会引起较大的误差。因毕托管测得的流速u是实际流速u在其轴向的分速ucosα，则相应所测流速误差为

α若>10，则

6.为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器？

毕托管测速原理是能量守恒定律，容易理解。而毕托管经长期应用，不断改进，已十分完善。具有结构简单，使用方便，测量精度高，稳定性好等优点。因而被广泛应用于液、气流的测量（其测量气体的流速可达60m/s）。光、声、电的测速技术及其相关仪器，虽具有瞬时性，灵敏、精度高以及自动化记录等诸多优点，有些优点毕托管是无法达到的。但往往因其机构复杂，使用约束条件多及价格昂贵等因素，从而在应用上受到限制。尤其是传感器与电器在信号接收与放大处理过程中，有否失真，或者随使用时间的长短，环境温度的改变是否飘移等，难以直观判断。致使可靠度难以把握，因而所有光、声、电测速仪器，包括激光测速仪都不得不用专门装置定期率定（有时是利用毕托管作率定）。可以认为至今毕托管测速仍然是最可信，最经济可靠而简便的测速方法。

实验五 雷诺实验

实验分析与讨论

⒈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：2α1+α2=1 T：-α1=-1

联立求解得α1=1，α2=-1 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。

⒉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。

⒊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？

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。⒋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，并随剪切流速的增大，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为紊流的过程显示。

⒌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：

运动学特性:

动力学特性:

层流: 1.质点有律地作分层流动

1.流层间无质量传输

2.断面流速按抛物线分布

2.流层间无动量交换

3.运动要素无脉动现象

3.单位质量的能量损失与流速的一次方成正比

紊流: 1.质点互相混掺作无规则运动

1.流层间有质量传输

2.断面流速按指数规律分布

2.流层间存在动量交换

3.运动要素发生不规则的脉动现象

3.单位质量的能量损失与流速的（1.75～2）次方成正比

实验六 文丘里流量计实验

521实验分析与讨论

⒈本实验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对d2=0.7cm的管道而言，若因加工精度影响，误将（d2－0.01）cm值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多少？ 由式

可见本实验（水为流体）的μ值大小与Q、d1、d2、Δh有关。其中d1、d2影响最敏感。本实验中若文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm，通常在切削加工中d1比d2测量方便，容易掌握好精度，d2不易测量准确，从而不可避免的要引起实验误差。例如当最大流量时μ值为0.976，若d2的误差为－0.01cm，那么μ值将变为1.006，显然不合理。

⒉为什么计算流量Q’与实际流量Q不相等？

因为计算流量Q’是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流能力，Q

如图6.4所述，⒋试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。

运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式，然后结合实验成果，便可进一步搞清流量计的量测特性。

对于平置文丘里管，影响ν1的因素有：文氏管进口直径d1，喉径d2、流体的密度ρ、动力粘滞系数μ及两个断面间的压强差ΔP。根据π定理有

从中选取三个基本量，分别为：

共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲π数，分别为：

根据量纲和谐原理，π1的量纲式为

分别有

L：1=a1+b1-3c1

T：0=-b1 M：0= c1 联解得：a1=1，b1=0，c1=0，则

同理

将各π值代入式（1）得无量纲方程为

或写成

进而可得流量表达式为

（2）

式（2）与不计损失时理论推导得到的

（3）

相似。为计及损失对过流量的影响，实际流量在式（3）中引入流量系数µQ计算，变为

（4）比较（2）、（4）两式可知，流量系数µQ与Re一定有关，又因为式（4）中d2/d1的函数关系并不一定代表了式（2）中函数所应有的关系，故应通过实验搞清µQ与Re、d2/d1的相关性。

通过以上分析，明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径，只要搞清它与Re及d2/d1的关系就行了。由实验所得在紊流过渡区的µ（d2/d1为常数），可知µ因恒有μQ～Re关系曲线Q随Re 的增大而增大，<1，故若使实验的Re增大，µQ将渐趋向于某一小于1 的常数。

另外，根据已有的很多实验资料分析，µQ与d1/d2也有关，不同的d1/d2值，可以得到不同的µQ～Re关系曲线，文丘里管通常使d1/d2=2。所以实用上，对特定的文丘里管均需实验率定µQ～Re的关系，或者查用相同管径比时的经验曲线。还有实用上较适宜于被测管道中的雷诺数Re>2×105，使µQ值接近于常数0.98。

流量系数µQ的上述关系，也正反映了文丘里流量计的水力特性。

⒌文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6～7mH2O。工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？

本实验若d1= 1.4cm，d2= 0.71cm，以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉道断面分别为1—1和2—2计算断面，立能量方程得

则

> 0

<－52.22cmH2O，而由本实验实测为60.5cmH2O。即实验中最大流量时，文丘里管喉颈处真空度进一步分析可知，若水箱水位高于管轴线4m左右时，实验中文丘里喉颈处的真空度可达7mH2O（参考能量方程实验解答六—4）。

实习报告之工程力学 篇2

一、结合工程实践, 培养学生的学习兴趣, 让学生充分认识到学习工程力学的重要性

(1) 可以组织学生到工厂见习, 了解冲床、剪床等机械设备的运动情况, 设备破坏的特点及危害, 现场提出一些与课本关系密切的力学问题让学生思考, 激发学生的好奇心, 培养良好的学习动机, 激励强烈的学习欲望, 培养良好的意向动力。这样, 才能为顺利完成教学任务铺平道路。

(2) 采用计算机辅助教学。针对中职学生抽象思维差, 形象思维强的这一特点, 采用多媒体教学, 形象直观, 多媒体计算机可以生动、形象和充分的提供图文声像等信息, 使教学内容动静相兼、形象直观。吸引学生的注意力, 激发学生的学习兴趣。

(3) 充分利用教具, 对学生来说, 力是抽象的、概念是空洞的。因此, 在教学中要重视运用案例、教学模型导向, 充分利用实物、力学模型、电化教具等富有针对性的协助教学手段, 增加学生的感性认识, 从而加深对理论的认识。多举一些现实而具体的例子, 要结合机械等实物分析问题, 帮助学生加深理解, 让学生思考, 并尽可能把例子描述得生动具体, 把抽象的力分析成具体的力。

(4) 加强实验是提高教学质量和学生职业能力的重要环节。通过实验我们可以开拓学生的思维、培养动手能力, 是力学教学的重要组成部分。因此要充分利用教具做好力学实验。要让学生通过分组操作以培养团队合作精神, 让他们在操作中有所创造、有所发现。实验要写好实验报告, 评价成绩, 提高文字表达能力。

二、以人为本, 提高有效课堂教学, 改革教学方法

(1) 有效的课堂应该是学生“听得懂、学得会”的课堂。所有的课堂教学首先应该是“听得懂”的课堂, 即在学生付出一定努力, 可以理解和掌握的课堂, 只有听得懂才能学得会。一般来说, 中职学校招收的学生, 力学基础差, 分析计算能力都不高, 无法接受一般难度以上的课程教学。最根本的还是与教学内容有关, 这就需要优化我们的教学内容。

(2) 有效的课堂应该是“轻松的、愉快的, 乐于接受”的课堂, 因此, 必须要改革传统的教学方法, 以人为本, 让学生成为课堂的主人, 让学生在轻松、快乐、感性的氛围中获取知识!职校生由于初中的学习经历, 对纯粹的知识学习不感兴趣, 教学是否有趣, 虽与教学内容有关, 但是更多的还是与教学方法有关。在和学生的交流中发现, 学生的学习负担小, 但学生普遍反映学得累, 学得吃力, 这与传统的老师一味教授为主的教学方法有很大的关系。传统以教师讲授为主的教学方法是我们学生不喜欢的, 在课堂观察中我们发现, 这样的教学学生很少参与课堂活动, 教学气氛沉闷。在每个月的学生评教中我们发现学生更喜欢那些充满活力的、阳光的、乐观积极、能和他们沟通的老师, 而不喜欢那些课堂气氛沉闷、上课无趣的老师。

(3) 教给学生“有用”的东西。很多学生对现有课堂教学中的教学内容持否定的态度, 他们认为过多的理论学习是没有用的。对于中职学生来说, 他们知道将来基本上不会去做研究工作, 所以他们觉得学了没用, 他们所学的东西要有用, 这是学生的客观需求, 在和学生的交流中我们发现有的学生更希望学一些“课程外的东西”, 如何创业、如何做人、如何做事, 为他们将来在社会上立足作好准备。

总之, 脱离实际的课程都是没有用的, 怎样使课堂有效呢?应该减少理论性教学, 增加实践性教学, 并且教学要与当今发展的科技相结合, 与行业的实践相结合。

(4) 从严治学, 抓规范。轻松、快乐的课堂并不是让学生放任自流, 对学生严格要求, 是指在工程力学课堂上要求学生做题时分析要条理化, 步骤要规范化, 绘图要正规化, 选好习题, 培养学生提高解决问题的能力。表达能力是能力的一个重要方面, 作业题又是培养锻炼学生使用文字、图形、计算来表达思维能力的重要方法。

三、抓好考核评价环节

考试过程也是学习过程。一次成功的考试不但能够全面评价教师的工作效果, 还能考核学生的学习效率, 考试要能真正考出学生水平, 我认为合理而科学的考核评价方法是必要的。考试方法应多样, 如口试、笔试、开卷、闭卷、能力测试等。其次还应注重过程性评价、阶段性的评价。

当然, 要提高工程力学的教学质量远不止以上谈到的几点, 作为一名专业课老师应不断提高教育教学能力, 提高自身的业务水平, 才能适应不断提高教学质量的要求, 否则是满足不了学生愿望的, 也不能启发学生的智慧。

参考文献

士力学与基础工程教学之环保理念 篇3

士力学与基础工程教学之环保理念

环境问题是目前全球关注的热点问题,也是影响人类生存的至关重要的`问题.在非环境类课程的教学中渗透环保理念是高等学校教师的应尽职责.从事“土力学与基础工程”课程教学的教师要在初步介绍环境与岩土的交叉学科--一环境岩土工程的内涵的基础上,以案例的形式将环保理念融入理论教学、试验教学和实习教学中,强化学生的环保理念.

作 者：王凤池 赵俭斌 贾连光 胡海明 作者单位：沈阳建筑大学,辽宁沈阳,110168刊 名：教育与教学研究英文刊名：JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY(EDUCATIONAL SCIENCES EDITION)年，卷(期)：24(5)分类号：G642关键词：高等教育 环保理念 理论教学 试验教学 实习

实习报告之工程力学 篇4

工程流体力学水力学实验报告 实验一 流体静力学实验

实验原理

在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程

或

(1.1)

式中： z被测点在基准面的相对位置高度；

p被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；

p0水箱中液面的表面压强；

γ液体容重；

h被测点的液体深度。

另对装有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面可得油的比重S0有下列关系：

(1.2)据此可用仪器（不用另外尺）直接测得S0。实验分析与讨论

1.同一静止液体内的测管水头线是根什么线？

测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测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。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，确定水箱内的真空区域。，相应容器的真空区域包括以下三部分：

(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，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。(3)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。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液面高于小水杯液面高度相等。3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ0。

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h0，由式，从而求得γ0。

4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？

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

式中，为表面张力系数；为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛细升高。常温(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0。于是有

(h、d单 位 为mm)

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一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，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，互相抵消了。

5.过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？

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。

6.用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？

关闭各通气阀门，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。

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P0=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（H+δ）与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm，箱体内径为20cm。

加压后，水箱液面比基准面下降了，而同时测压管1、2的液面各比基准面升高了H，由水量平衡原理有

则

本实验仪

d=0.8cm, D=20cm, 故

H=0.0032 于是相对误差有

因而可略去不计。

其实，对单根测压管的容器若有D/d10或对两根测压管的容器D/d7时，便可使0.01。

实验二 不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺利方程）实验

实验原理

在实验管路中沿管内水流方向取n个过断面。可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的能量方程式(i=2,3,„„,n)

取a1=a2=„an=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及，从而即可得到各断面测管水头和总水头。

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成果分析及讨论

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J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，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，HP=

均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm），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。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）降低相应管线的安装高程，（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）更具有工程实用意义。因为若管系落差不变，单单降低管线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弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程0—0，比位能降至零，比压能p/γ得以增大（Z），从而可能避免点7处的真

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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

值可用能量方程求得。

取基准面及计算断面1、2、3，计算点选在管轴线上（以下水柱单位均为cm）。于是由断面1、2的能量方程（取a2=a3=1）有

(1)因hw1-2可表示成此处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。又由连续性方程有

故式（1）可变为

(2)式中可由断面1、3能量方程求得，即

(3)由此得

(4)代入式(2)有(Z2+P2/γ)随h递增还是递减，可由(Z2+P2/γ)加以判别。因

(5)若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0，则断面2上的(Z+p/γ)随h同步递增。反之，则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。

在实验报告解答中，d3/d2=1.37/1，Z1=50，Z3=-10，而当h=0时，实验的(Z2+P2/γ)=6，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

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/γ)接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强（减小负压）效果不显著。变水头实验可证明该结论正确。

5.由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。总压管液面的连续即为毕托

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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值加断面平均流速水头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，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总水头线才更准确。

实验三 不可压缩流体恒定流动量定律实验

实验原理

恒定总流动量方程为

取脱离体，因滑动摩擦阻力水平分离

即

式中：

hc——作用在活塞形心处的水深；

D——活塞的直径；

Q——射流流量；

V1x——射流的速度；

β1——动量修正系数。

实验中，在平衡状态下，只要测得Q流量和活塞形心水深hc，由给定的管嘴直径d和活塞直径D，代入上式，便可验证动量方程，并率定射流的动量修正系数β1值。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的园心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞园心处的水深。实验分析与讨论

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；

Vyz1——入流速度在yz平面上的分速；

Vyz2——出流速度在yz平面上的分速；

α1——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90°；

α2——出流速度与圆周切线方向的夹角；

r1,2——分别为内、外圆半径。，可忽略不计，故x方向的动量方程化为

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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V2相同，试问对以上受力分析有无影响？ 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V1垂直，则x方向的动量方程与设置导水管与否无关。

4、滑动摩擦力为什么可以忽略不记？试用实验来分析验证的大小，记录观察结果。(提示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水，观察活塞及液位的变化)

因滑动摩擦力<5墸，故可忽略而不计。

如第三次实验，此时hc=19.6cm，当向测压管内注入1mm左右深的水时，活塞所受的静压力增大，约为射流冲击力的5。假如活动摩擦力大于此值，则活塞不会作轴向移动，亦即hc变为9.7cm左右，并保持不变，然而实际上，此时活塞很敏感地作左右移动，自动调整测压管水位直至hc仍恢复到19.6cm为止。这表明活塞和活塞套之间的轴向动摩擦力几乎为零，故可不予考虑。

5、V2x若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。

按实验步骤7取下带翼轮的活塞，使射流直接冲击到活塞套内，便可呈现出回流与x方向的夹角α大于90°(其V2x不为零)的水力现象。本实验测得135°，作用于活塞套圆心处的水深hc’=29.2cm，管嘴作用水头H0=29.45cm。而相应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，V2x=0，hc=19.6cm。表明V2x若不为零，对动量立影响甚大。因为V2x不为零，则动量方程变为

(1)就是说hc’随V2及α递增。故实验中hc’> hc。

实际上，hc’随V2及α的变化又受总能头的约束，这是因为由能量方程得

(2)而

所以

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从式(2)知，能量转换的损失实验原理 较小时，实验四 毕托管测速实验

（4.1）

式中：u－毕托管测点处的点流速；

c－毕托管的校正系数；

－毕托管全压水头与静水压头差。

(4.2)

(4.3)

联解上两式可得

式中：u －测点处流速，由毕托管测定；

－ 测点流速系数；

ΔH－管嘴的作用水头。

实验分析与讨论

1.利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验排净与否？

毕托管、测压管及其连通管只有充满被测液体，即满足连续条件，才有可能测得真值，否则如果其中夹有气柱，就会使测压失真，从而造成误差。误差值与气柱高度和其位置有关。对于非堵塞性气泡，虽不产生误差，但若不排除，实验过程中很可能变成堵塞性气柱而影响量测精度。检验的方法是毕托管置于静水中，检查分别与毕托管全压孔及静压孔相连通的两根测压管液面是否齐平。如果气体已排净，不管怎样抖动塑料连通管，两测管液面恒齐平。

2.毕托管的动压头h和管嘴上、下游水位差H之间的大关系怎样？为什么？ 由于

且

即

一般毕托管校正系数c=11‟（与仪器制作精度有关）。喇叭型进口的管嘴出流，其中心点的点流速系数=0.9961‟。所以Δh<ΔH。

本实验Δh=21.1cm，ΔH=21.3cm，c=1.000。3.所测的流速系数说明了什么？

若管嘴出流的作用水头为H，流量为Q，管嘴的过水断面积为A，相对管嘴平均流速v，则有

称作管嘴流速系数。

若相对点流速而言，由管嘴出流的某流线的能量方程，可得

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式中：为流管在某一流段上的损失系数；为点流速系数。

本实验在管嘴淹没出流的轴心处测得=0.995，表明管嘴轴心处的水流由势能转换为动能的过程中有能量损失，但甚微。

4.据激光测速仪检测，距孔口2－3cm轴心处，其点流速系数为0.996，试问本实验的毕托管精度如何？如何率定毕托管的修正系数c？

若以激光测速仪测得的流速为真值u，则有

而毕托管测得的该点流速为203.46cm/s，则ε=0.2‰ 欲率定毕托管的修正系数，则可令

本例：

5.普朗特毕托管的测速范围为0.2－2m/s，轴向安装偏差要求不应大于10度，试说明原因。（低流速可用倾斜压差计）。

（1）施测流速过大过小都会引起较大的实测误差，当流速u小于0.2m/s时，毕托管测得的压差Δh亦有

若用30倾斜压差计测量此压差值，因倾斜压差计的读数值差Δh为，那么当有0.5mm的判读误差时，流速的相对误差可达6%。而当流速大于2m/s时，由于水流流经毕托管头部时会出现局部分离现象，从而使静压孔测得的压强偏低而造成误差。

（2）同样，若毕托管安装偏差角（α）过大，亦会引起较大的误差。因毕托管测得的流速u是实际流速u在其轴向的分速ucosα，则相应所测流速误差为

α若>10，则

6.为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器？

毕托管测速原理是能量守恒定律，容易理解。而毕托管经长期应用，不断改进，已十分完善。具有结构简单，使用方便，测量精度高，稳定性好等优点。因而被广泛应用于液、气流的测量（其测量气体的流速可达60m/s）。光、声、电的测速技术及其相关仪器，虽具有瞬时性，灵敏、精度高以及自动化记录等诸多优点，有些优点毕托管是无法达到的。但往往因其机构复杂，使用约束条件多及价格昂贵等因素，从

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而在应用上受到限制。尤其是传感器与电器在信号接收与放大处理过程中，有否失真，或者随使用时间的长短，环境温度的改变是否飘移等，难以直观判断。致使可靠度难以把握，因而所有光、声、电测速仪器，包括激光测速仪都不得不用专门装置定期率定（有时是利用毕托管作率定）。可以认为至今毕托管测速仍然是最可信，最经济可靠而简便的测速方法。

实验五 雷诺实验

实验原理

实验分析与讨论

⒈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：2α1+α2=1 T：-α1=-1

联立求解得α1=1，α2=-1 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。

⒉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。

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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。

⒊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？

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。⒋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，并随剪切流速的增大，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为紊流的过程显示。

⒌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：

运动学特性:

动力学特性:

层流: 1.质点有律地作分层流动

1.流层间无质量传输

2.断面流速按抛物线分布

2.流层间无动量交换

3.运动要素无脉动现象

3.单位质量的能量损失与流速的一次方成正比

紊流: 1.质点互相混掺作无规则运动

1.流层间有质量传输

2.断面流速按指数规律分布

2.流层间存在动量交换

3.运动要素发生不规则的脉动现象

3.单位质量的能量损失与流速的（1.75～2）次方成正比

实验六 文丘里流量计实验

实验原理

根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文氏管过水能力关系式

式中：Δh为两断面测压管水头差。

由于阻力的存在，实际通过的流量Q恒小于Q’。今引入一无量纲系数µ=Q/Q’（μ称为流量系数），对计算所得的流量值进行修正。即

另，由水静力学基本方程可得气—水多管压差计的Δh为 实验分析与讨论

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⒈本实验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对d2=0.7cm的管道而言，若因加工精度影响，误将（d2－0.01）cm值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多少？ 由式

可见本实验（水为流体）的μ值大小与Q、d1、d2、Δh有关。其中d1、d2影响最敏感。本实验中若文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm，通常在切削加工中d1比d2测量方便，容易掌握好精度，d2不易测量准确，从而不可避免的要引起实验误差。例如当最大流量时μ值为0.976，若d2的误差为－0.01cm，那么μ值将变为1.006，显然不合理。

⒉为什么计算流量Q’与实际流量Q不相等？

因为计算流量Q’是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流能力，Q

如图6.4所述，⒋试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。

运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式，然后结合实验成果，便可进一步搞清流量计的量测特性。

对于平置文丘里管，影响ν1的因素有：文氏管进口直径d1，喉径d2、流体的密度ρ、动力粘滞系数μ及两个断面间的压强差ΔP。根据π定理有

从中选取三个基本量，分别为：

共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲π数，分别为：

哈尔滨工程大学

根据量纲和谐原理，π1的量纲式为

分别有

L：1=a1+b1-3c1

T：0=-b1 M：0= c1 联解得：a1=1，b1=0，c1=0，则

同理

将各π值代入式（1）得无量纲方程为

或写成

进而可得流量表达式为

（2）

式（2）与不计损失时理论推导得到的

（3）

相似。为计及损失对过流量的影响，实际流量在式（3）中引入流量系数µQ计算，变为

（4）

比较（2）、（4）两式可知，流量系数µQ与Re一定有关，又因为式（4）中d2/d1的函数关系并不一定代表了式（2）中函数所应有的关系，故应通过实验搞清µQ与Re、d2/d1的相关性。

哈尔滨工程大学

通过以上分析，明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径，只要搞清它与Re及d2/d1的关系就行了。由实验所得在紊流过渡区的µQ～Re关系曲线（d2/d1为常数），可知µ因恒有μQ随Re 的增大而增大，<1，故若使实验的Re增大，µQ将渐趋向于某一小于1 的常数。

另外，根据已有的很多实验资料分析，µQ与d1/d2也有关，不同的d1/d2值，可以得到不同的µQ～Re关系曲线，文丘里管通常使d1/d2=2。所以实用上，对特定的文丘里管均需实验率定µQ～Re的关系，或者查用相同管径比时的经验曲线。还有实用上较适宜于被测管道中的雷诺数Re>2×105，使µQ值接近于常数0.98。

流量系数µQ的上述关系，也正反映了文丘里流量计的水力特性。

⒌文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6～7mH2O。工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？

本实验若d1= 1.4cm，d2= 0.71cm，以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉道断面分别为1—1和2—2计算断面，立能量方程得

则

> 0

实习报告之工程力学 篇5

姓名：蒋雷

一、实验目的掌握Word排版，表格制作与编辑，Powerpoint的制作，常用数学公式的输入与编辑，三线表的制作，化学表达式的输入与编辑。

二、实验准备

1、准备好需要输入的表达式以及其他数据

2、打开计算机，打开office软件，并熟悉office的一个主观页面

3、先读懂题意，再进行输入，要先明白我们需要做什么

三、操作步骤

1、按照要求打开office软件，输入数据

2、如果是进行数据处理，一般是打开excel软件，将数据按列输入，再进行数据处理

3、如果是画图，则也是打开Excel软件，选中需要画图的部分，并进行插图操作

4、如果是画表格，则一般是打开Word软件，在论文中一般使用三线表，如： 表3.1-1 NO标准曲线制作的实验数据

NO2浓度0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5（ug/ml）

吸光度（A）0.000 0.101 0.200 0.297 0.388 0.482 学号：2010042034班级：环工101级

5、如果是输入化学或数学的表达式时，则也是用Word进行编辑，如： QCdAPMK2RTk1k1k16、如果用于演讲，则用ppt制造

四、结果讨论

1、通过使用office软件，我们可以很快的输入一些数学公式，并进行计算，从而提高计算效率

2、可以便捷的输入化学、数学公式用于演讲

实习报告之工程力学 篇6

笔者在2014年, 由文献[3-12]总结, 初步建立“非饱和土有效应力的大气张力公式与新概念土力学”的构架[2]。要点有, 应该用有效应力的概念代替经典有效应力原理, 即有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力;非饱和土有五相;自由水和孔隙气具有等效压缩刚度 (等效压缩模量和等效压缩系数) ;有效应力的实质是自由水和孔隙气没有抗剪能力;大气张力抗拉强度, 揭示了非饱和土的“吸力”之谜;大气张力库仑抗剪强度, 展示了经典凝聚力的全貌;应该用绝对压强论述土力学[2]。

该文将在文献[2-12]的基础上, 用上述土力学的新概念揭开非饱和土力学之谜。

1 有效应力的新概念与抗剪极限状态的大气张力公式

1.1 抗剪极限状态的非饱和土有效应力的大气张力公式

笔者指出, 图1是非饱和土的中间带的角部孔隙水的3种情况[2]。由角部向外, 见图1 (a) , 粘土之间:结合水膜-角部毛细水-表面张力收缩膜-孔隙气。没有自由水时, 结合水膜-表面张力收缩膜-孔隙气 (未画图) 。

见图1 (b) , 砂类土之间:角部毛细水-表面张力收缩膜-孔隙气。

见图1 (c) , 砂类土与粘土之间: (砂) 粉土颗粒与粘土颗粒结合水膜间被自由水隔开-角部毛细水-表面张力收缩膜-孔隙气。

还提出抗剪极限状态非饱和土的有效应力的大气张力公式[10]

其中, σ为总应力, σs′为颗粒接触有效应力, σc′为结合水膜有效应力 (结合水膜项还包括由碳酸盐、石膏及包围在颗粒外部的盐类薄膜[3]) , σF为表面张力垂直分量贡献有效应力, X为饱和度系数, Bu为非饱和土的自由水通道率, Uwa为计算点处绝对压强下的自由水压力, 作用在同一平面的自由水上, 按重力水、毛细水、角部毛细水的区别有不同的计算式[4], Ua为计算点处 (绝对) 孔隙气压力, 作用在同一平面的孔隙气上。

1.2 有效应力的新概念与问题解答

对于式 (1) , 问题1:σc′为什么是有效应力之一, 为什么要从孔隙水压力中分出来?问题2:σF远离颗粒接触点, 为什么也是有效应力之一?

笔者提出了“有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力”的新概念[9], 可以解答上述问题:在抗剪极限状态, 绝对自由水压力Uwa和绝对孔隙气Ua作用处不提供抗剪强度, 而颗粒接触点的σs′是法向压力, 其作用处切向提供由滑动摩擦和咬合摩擦产生的抗剪强度, 膜的σc′和σF是法向拉力, 其作用处切向直接提供真凝聚力, 所以σs′-σc′-σF就是有效应力[10]。由式 (1) 得非饱和土的有效应力

1.3 绝对压强与“负的”孔隙水压力Uwa

见式 (1) 的Uwa, 称为计算点处绝对压强下的自由水压力, 按经典非饱和土力学, 常称为“负的”孔隙水压力, 在这里还是“负的”吗?不是。

见文献[13]的第83-87页, 对于将玻璃管插入水槽时, 玻璃管内的毛细水柱:“在绝对压强下, 再没有负孔隙水压力之说。毛细水柱在上升过程中始终作用着正的压力。其上升的原因是由于表面张力的存在, 使下表面的压力>上表面的压力加上毛细水柱的重力, 总的合力向上[13]。”见图1, 同样可以说, 角部毛细水:“在绝对压强下, 再没有负自由水压力之说。角部毛细水上始终作用着正的压力。但由于收缩膜的表面张力的存在, 角部毛细水压力总是小于土中孔隙气压力。”

这里应该注意, 角部孔隙水还包括结合水膜和表面张力收缩膜, 在抗剪极限状态, 他们传递拉力, 是真的“负的”孔隙水压力。

2 大气张力抗拉强度, 揭开了非饱和土的“吸力”之谜

2.1 有趣的挂衣钩问题

见百度作业帮:有一种用塑料或橡皮制造的挂衣钩, 中间是一个空的“皮碗”, 可以把它按在光滑的墙或玻璃上, 在钩上再挂上几件衣服也不会掉下来, 这是因为:

A.墙对它有吸力B.玻璃对它有吸力C.衣钉对墙或玻璃有附着力D.大气压的作用

答案是D。这是由于按下“皮碗”, “皮碗”与墙或玻璃之间的空气被排出, 内部没有压力, 而“皮碗”外面被大气压强压住, 外部压力大于于内部压力, 所以“皮碗”紧贴着墙或玻璃不会掉下来。所以, 通常说“皮碗”被墙或玻璃吸住了, 是上了大气压强的当。

2.2 大气张力抗拉强度与“吸力”之谜

笔者提出, 忽略土自重, 对应直接抗拉强度试验的大气张力抗拉强度[5]

σs′为颗粒摩擦或咬合抗拉强度。按最不利, 优先在颗粒最小摩擦或咬合的位置破坏, 所以该项可以忽略不计。σc′为结合水膜抗拉强度, σF为表面张力收缩膜抗拉强度, {Pa-[BuUwa+ (1-X) Ua]}为水气不抵大气压强抗拉强度:是土体中自由水、孔隙气的浮力 (绝对压力) 不能全部抵消地面大气压力所导致的抗拉强度。

由式 (3) 和图1, 非饱和土的“吸力”是显而易见的, 共有4项:第一项σs′颗粒摩擦或咬合抗拉强度是摩擦力, 第二项结合水膜抗拉强度σc′, 主要是粘粒电场中的极性水分子的正极与负极或极性水分子的负极与阳离子相互吸引产生的吸引力;第三项表面张力收缩膜抗拉强度σF, 是由于水气交界面“张紧”的水分子之间相互吸引产生的吸引力;第四项是水气不抵大气压强抗拉强度{Pa-[BuUwa+ (1-X) Ua]}, 见图1, 直接抗拉强度试验的非饱和土样通常是角部孔隙水土样, 通常Ua等于大气压强, 由于表面张力的存在, Uwa小于大气压强, 且结合水膜和表面张力收缩膜占据了截面的部分面积, 所以通常地面大气压强Pa大于[BuUwa+ (1-X) Ua], 使土样压紧, 形成假的“吸力”。

简言之, 非饱和土的“吸力”有4项, 颗粒摩擦或咬合抗拉强度是摩擦力, 不是真正的“吸力”, 结合水膜和表面张力收缩膜抗拉强度是分子力, 是真正的吸引力;而水气不抵大气压强抗拉强度也不是真正的“吸力”, 是压力, 是土体中自由水、孔隙气的浮力 (绝对压力) 不能全部抵消地面 (或说土样外表面) 大气压力所导致的压紧土样的力。

2.3 为什么粉质粘土的抗拉强度 (“吸力”) 随含水量的减小而增大

表1为某原状黄土土样的物理力学性质, 骆亚生等[14]对其按一组不同含水量进行单轴拉伸试验, 得到结论:原状黄土的抗拉强度随含水量的增大而减小, 随含水量的减小而增大[14]。为什么?按上述非饱和土的后3项“吸力”回答如下:

随着含水量的减少, 第二项结合水膜吸引力加大:两个粘粒互相倾倒及靠近, 分子力的电场加强, 即强结合水接触区加大和接近。第三项表面张力收缩膜吸引力加大:越多的小粉粒处自由水由饱和变为不饱和, 增加了表面张力收缩膜的数量。第四项水气不抵大气压强抗拉强度 (假吸力) 加大:表面张力收缩膜的数量增加, 使角部毛细水的压力减少, 再加上强结合水膜的面积的增加, 使土体内部自由水和孔隙气的作用面积减少, 总的是土体中自由水、孔隙气的浮力抵消土样外表面大气压力的能力减弱。

应该注意的是, 粉质粘土的抗拉强度随含水量的减小而增大的现象并不是绝对的。事实上, 含水量减少到塑限, 粘粒之间的表面张力收缩膜会消失, 因为其仅存在强结合水;含水量减少到塑限以后, 强结合水膜会不断减少, 抗拉强度 (“吸力”) 减少, 直至土体开裂。

2.4 经典非饱和土力学的“吸力”之谜

张鹏程等[15]指出:基质吸力表示土壤吸水的趋势, 强调的是土颗粒与水之间的相互作用, 并非土颗粒间的相互作用, 与有效应力概念的本质不符, 是Bishop和Fredlund强度理论中分别存在着物理意义不明确参数x和φb的根本原因;广义吸力虽然考虑了结构吸力的作用, 但仍将基质吸力作为有效应力的一部分, 使原本“实用、简化”的目标更加复杂化;附加内压力将基质吸力以及表面张力的作用进行叠加, 存在力作用大小上的重复, 同时未考虑结构吸力的作用;张力吸力将表面张力沿两土颗粒连线方向的分量———张力吸力和基质吸力进行叠加, 一是仍将基质吸力作为有效应力的一部分, 二是同样未考虑结构吸力的作用;粒间吸力 (湿吸力和结构吸力) 考虑了因土体结构性引起的结构吸力作用, 同时也考虑了气液界面上收缩膜的效应———湿吸力的作用, 基于粒间吸力的非饱和土有效应力及强度理论不仅符合有效应力定义的本质, 而且合理地解释了非饱和土中诸如收缩膜张力的方向性、土中应力概念的平均性、土体物理本质的唯一性、随含水率变化的连续性以及对不同类型土的适应性等众多现象。因此, 从粒间吸力的角度出发来研究非饱和土的有效应力原理是正确、可行的[15]。

可见, 经典非饱和土力学的“吸力”, 有基质吸力、广义吸力、附加内压力、张力吸力、粒间吸力 (湿吸力和结构吸力) 等等。相比大气张力抗拉强度, 显得种类多而互相矛盾、本质不符、重复、缺项、甚至神秘。就拿粒间吸力与大气张力抗拉强度的4项相比较, 湿吸力就是表面张力收缩膜抗拉强度加上其效应, 结构吸力就是结合水膜加上颗粒摩擦或咬合抗拉强度, 少了一项水气不抵大气压强抗拉强度。这是由于经典非饱和土力学用相对压强, 而不是用绝对压强来研究土力学造成的。可以说, 经典非饱和土力学的不妥之一, 是上了大气压强的当, 没法弄清楚“吸力”的全部。还可以说, “吸力”是不齐全的有效应力。

3 大气张力库仑抗剪强度, 展示了经典凝聚力及抗剪强度的全貌

3.1 大气张力库仑抗剪强度

笔者提出, 对应直接剪切试验, 初始抗剪强度[5]

其中:C0为真凝聚力, 即结合水膜和表面张力收缩膜的凝聚力之和, Cσ0为初始摩擦抗剪强度, 来源于斜向结合水膜抗拉强度、水气不抵大气压强抗拉强度、斜向表面张力贡献抗拉强度产生的初始法向应力。进一步, 提出大气张力库仑抗剪强度公式[5]

其中, C为初始抗剪强度, 包括真凝聚力和初始摩擦抗剪强度, σ为法向应力, φ为内摩擦角。

那么, 大气张力库仑抗剪强度公式与库伦抗剪强度定律比较, 有什么不同呢?

答案是:经典凝聚力c变成了初始抗剪强度C, 包括2部分:

1) 真凝聚力C0为结合水膜和表面张力收缩膜直接提供的吸引力, 基本等同于c。

2) 初始摩擦抗剪强度Cσ0为结合水膜和表面张力收缩膜对土粒有捆绑作用, 水气不抵大气压强抗拉强度的存在, 都在土粒接触点处产生初始, 所以有初始摩擦抗剪强度。

3.2 大气张力库仑抗剪强度公式的Cm形式

笔者提出, 当求主动土压力时, 天然半无限土体处于抗剪极限强度状态的情况如图2所示, 其中, 膜指结合水膜加上表面张力收缩膜。定义膜的抗剪强度贡献[12]

膜对土粒有捆绑作用, 在土粒接触点处产生法向应力, 从而产生膜的摩擦抗剪强度贡献。图2中, σ1是天然土竖向有效应力σz、, σ3是相应的水平有效应力σx、。在实际工程中, 应根据具体试验得到的大气张力库仑抗剪强度, 先求出膜的抗剪强度贡献。例如, 采用普通三轴仪, 角部孔隙水土层, 应减去大气作用和相对自由水压力, 剩下的就是膜的贡献, 得:Cm=C-{Pa-[BuUwa+ (1-X) Ua]}tanφ, 而如果是饱和土层, 仅应减去大气作用, 得:Cm=C-{Pa-[BuUa+ (1-X) Ua]}tanφ。

求得Cm后, 由图2得, 大气张力库仑抗剪强度公式的Cm形式[12]为

见图2, σ与{Pa-[BuUwa+ (1-X) Ua]}+q+Σγjhj有关, 即与水气不抵大气压强自重应力和重力有关。

那么, 大气张力库伦抗剪强度, 与具体试验方法有关系吗?答案是有关系。参见文献[12]的表1, 当角部孔隙水土层, 做普通三轴仪剪切试验, 初始抗剪强度中C, 已经包括了结合水膜、表面张力收缩膜、水气不抵大气压强自重应力的因素, 所以求膜的抗剪强度贡献Cm, 就应该减去[BuUwa+ (1-X) Ua]tanφ。而如果是饱和土层, 取土后, 土样失去相对自由水压力, 土样饱和水上只有大气作用, 其余同角部孔隙水土层, 所以, 求Cm应该减去Pa-[BuUa+ (1-X) Ua]}tanφ。

还有, 大气张力郎肯土压力、大气张力库伦土压力、大气张力土坡稳定等等强度计算, 应该用什么抗剪强度公式?见图2, 很显然, 应该用大气张力库仑抗剪强度公式的Cm形式, 即式 (6) 。

3.3 非饱和土抗剪强度的全貌

天然非饱和土抗剪强度由什么构成?

见图2和式 (6) , 由大气张力库仑抗剪强度公式的Cm形式可知, 由4部分构成:

1) 膜的抗剪强度贡献Cm:膜指结合水膜和表面张力收缩膜, 首先, 膜直接提供凝聚力, 其次, 膜对土颗粒的捆绑作用, 在土粒接触点产生法向压力, 从而产生摩擦抗剪强度。

2) 水气不抵大气压强自重应力{Pa-[BuUwa+ (1-X) Ua]}的抗剪强度贡献:计算截面处的绝对自由水和孔隙气浮力, 不能完全抵消地面大气压力, 在土粒接触点产生法向压力, 从而产生摩擦抗剪强度。

3) 土自重应力 (Σrjhj) 的抗剪强度贡献:土自重应力 (包括土中水和气的重力) , 在土粒接触点产生法向压力, 从而产生摩擦抗剪强度。

4) 附加重力q的抗剪强度贡献:附加重力, 在土粒接触点产生法向压力, 从而产生摩擦抗剪强度。

3.4 种类繁多的经典非饱和土抗剪强度

张常光等[16]指出:1) 单从非饱和土抗剪强度来看, Bishop有效应力抗剪强度公式和Frediund双应力状态变量抗剪强度公式的差别仅在于分别采用了有效应力参数χ和角φb两种不同的参数形式, 但在力学意义上却有着本质的不同, 前者属于有效应力公式, 后者属于双应力状态变量公式。2) 将非饱和土抗剪强度公式分为结合土-水特征曲线、数学拟合、分段函数、总应力指标及其他形式5类, 由基质吸力产生的吸附强度表达式的不同, 导致了非饱和土抗剪强度公式的多样性, 这都是为了更好地表达非饱和土的强度非线性特征[16]。

简言之, 经典非饱和土抗剪强度公式, 是建立在经典非饱和土力学的“吸力”之上的。“吸力”本身种类多而互相矛盾、本质不符、重复、缺项、甚至神秘, 也就决定了其抗剪强度公式是种类繁多。而大气张力库仑抗剪强度公式的Cm形式与其相比, 唯一、真实、简洁、明确。

4 不要再用有效应力或吸力去主导非饱和土的压缩变形及固结

4.1 再论影响土的压缩变形的是总应力而不是仅取决于有效应力

笔者指出:土颗粒先柔后刚, 自由水先刚后柔, 对立统一构成饱和土总刚度, 渗流固结完成实现土体更密实的飞跃。孔隙气、自由水既然有刚度 (等效压缩模量及等效压缩系数) 就必然参与抵抗压缩变形。由于太沙基一维固结理论, 一开始就设定了-de/dσ′=ɑ, 即有效应力原理, 所以造成了用常规的总应力压缩系数α代替超自由水压力的等效压缩系数ɑw的错误[10]。还指出, 总应力压缩模量与渗流水等效压缩模量的曲线相似;有效应力压缩模量起加劲作用, 而不是起决定性作用。土的压缩变形计算中应用有效应力原理是错误的[17]。

4.2 经典非饱和土的压缩变形及固结计算, 一开始就有错

殷宗泽等[18]总结了非饱和土本构模型当前研究的新进展, 包括弹性模型、巴塞罗那模型的各种改进, 其它形式包含吸力的应力变量模型、膨胀土弹塑性模型、损伤力学模型、热力学模型、浸水变形计算模型等。应用非饱和土本构模型计算土体的应力和变形, 一个重要问题是确定吸力。吸力是变量之一, 不管用有效应力原理还是双应力变量方法, 都须知道吸力。吸力的确定有3种方法:实测、渗流计算、固结计算[18]。

经典非饱和土的压缩变形及固结计算, 一开始就有错。由于影响土的压缩变形的是总应力而不是仅取决于有效应力, 所以, 上述经典非饱和土的压缩变形模型, 如同太沙基一维固结理论一样, 一开始就应用经典有效应力原理, 或用吸力作为主要变量, 都是错误的。可以说, 经典土力学的开始常常是很不合理的。例如基质吸力Ua-Uw=2Ts/R, 来源于土壤学, 其原意是指土壤吸水的能力或趋势, 即基质势[16], 在图1中就是收缩膜的表面张力。用收缩膜来代替整个a-a截面上还有结合水膜、自由水、孔隙气的作用, 肯定是错误的。又例如, 见文献[19]的107-108页, 太沙基的一维渗流固结理论。一次加载开始的一瞬间, 水来不及排出 (压缩模量无穷大) , 附加应力全部由水承担;然后, 水不断排出 (压缩模量不断变小) , 土体不断压缩, 水承担的附加应力逐渐交给土骨架;最后, 孔隙水压力为零, 附加应力全部交给土骨架。但得出的结论却是土的压缩变形仅取决于有效应力[18]。先是饱和土渗流固结的主角是孔隙水, 但最后的结论渗流固结与孔隙水无关, 自相矛盾。

简言之, 经典非饱和土的压缩变形及固结计算, 一开始就有错。抛开简单的平衡方程, 通过繁琐的物理和数学手段, 进行求解。门槛似乎很高, 但未必能解决实际问题[3]。

4.3 应该用总应力模式分析土的压缩变形及固结

殷宗泽等[18]指出, 饱和土的变形主要受应力影响, 其本构关系是指应力-应变关系。非饱和土的变形除了受应力影响外, 还与土体中水分含量有关, 非饱和土的本构关系是指应力、水分与应变的关系[18]。既然主导土的压缩变形及固结的不是有效应力而是总应力, 所以, 饱和土的本构关系应该用总应力-总应变关系, 非饱和土的本构关系应该是指总应力、水分与总应变的关系。另外, 土的变形及固结常需要较长时间, 土力学问题经常是动态的, 所以, 本构关系经常还应包括时间因素。还有, 自然界的温度变化相差很大, 对土中水及空气的影响有时不可忽略, 本构关系有时还应包括温度因素。不管怎样, 总应力与总应变是常规试验容易实现的, 用总应力模式分析土的压缩变形及固结, 不仅纠正了原来的错误, 还将加快土力学研究的速度。

5 结论

该文用土力学的新概念解答了有效应力、吸力、经典凝聚力、抗剪强度、土的压缩变形及固结等等问题, 得到以下结论:

a.在抗剪极限状态, 由于颗粒接触点提供摩擦和咬合抗剪强度、结合水膜和表面张力收缩膜直接提供凝聚力, 所以其对应项是有效应力;而自由水和孔隙气没有抗剪强度, 所以其对应项不是有效应力。在绝对压强下, 再没有负的土中自由水压力之说, 但由于收缩膜的表面张力的存在, 土中自由水压力总是小于土中孔隙气压力。

b.非饱和土的“吸力”有4项, 颗粒摩擦或咬合抗拉强度是摩擦力, 不是真正的“吸力”, 结合水膜和表面张力收缩膜抗拉强度是真正的吸引力;而水气不抵大气压强抗拉强度也不是真正的“吸力”, 是土体中自由水、孔隙气的浮力 (绝对压力) 不能全部抵消地面 (或说土样外表面) 大气压力所导致的压紧土样的力。

c.经典凝聚力等价于初始抗剪强度, 包括2部分:真凝聚力———结合水膜和表面张力收缩膜直接提供的吸引力;初始摩擦抗剪强度———结合水膜和表面张力收缩膜对土粒有捆绑作用, 水气不抵大气压强抗拉强度的存在, 都在土粒接触点处产生初始法向应力, 从而产生初始摩擦抗剪强度。

d.天然非饱和土抗剪强度由4部分构成:膜、水气不抵大气压强自重应力、土自重应力、附加重力的抗剪强度贡献。