工程流体力学三级项目

工程流体力学课程三级项目

——变水头下的液体出流研究报告

组员：邹佳辰

刘冬冬

薛岩东

赵日东

贾闯

指导教师：刘劲军

2014-10-10

燕山大学

燕山大学工程流体力学课程三级项目指导书

1、整体思路

将工程流体力学课程中学到的基础理论知识用于分析和解决工程实践中出现的问题，使学生在项目分析中深入理解如何将所学理论知识应用于解决实际问题的方法和思路。介绍先进的计算辅助计算方法，引导学生积极思考、学会学习、主动学习，综合训练学生能力，提高学生综合运用本专业基础理论知识，分析、理解和解决本专业及相关行业的理论和实践问题的能力，并为后续其他专业课程的学习打下基础。

2、目的和意义

(1)通过基于团队的学生分工协作，在充分分析讨论的基础上，给出解决问题的方案。使学生在沟通能力、团队合作能力等方面得到锻炼和提高；

(2)学会查阅文献、阅读相关技术资料和调查研究能力；

(3)更深地了解工程实践。

3、具体实施方案

1)教学时间安排

鼓励学生利用课外时间完成项目，课堂教学安排如下：

(1) 设计内容讲解、汇报总结1学时

2)项目成绩

项目教学从属于课程教学，占本门课程总成绩的10%。成绩由二部分组成：

(1) 组内互评5分，最优分和最差分相差不得小于1分；

(2) 导师评分5分，最优分和最差分相差不得小于1分；

3)分组安排及指导老师

轧钢12－2班共25名学生，分成5个组；每个组4-5人，每组选1名组长。任课教师为指导老师。

4)课题设置

共设置5个题目，每个组随机抽取一题。

课题方向及要求：

课题四、变水头下的液体出流

一、项目目的

学习和掌握管变水头下液体出流计算方法，及其计算机求解。

二、项目要求

1)、查阅相关文献，查找符号分析方面的软件；

2)、掌握变水头下的液体出流；

3)、查找英制量纲与国标量纲的转换；

4)、计算和分析，半径为1m，高度为0.8m的倒圆锥容器装满水，在最低位开面积为24cm2的小孔，液流多长时间放尽？

5）用软件编程求解。

三、要求在项目研究过程中：

1)、每组组长对组内人员的工作进行分工，每个组内成员根据自己的分工，向组长提交相应的研究报告；

2)、每个组内成员报告完成后，组长组织成员对每个成员的报告进行评议，并打分；

3)、指导教师对每名学生的研究报告进行评议，并打分；

4)、组内每个成员的报告汇总成总研究报告，并制作汇报PPT，完成后，向指导教师提出答辩申请；

5)、组织答辩，并打分。

四、提交形式

1)、汇总研究报告；

2)、汇报PPT。

小组分工及贡献

目录

小组分工及贡献 (4)

第1章绪论 (6)

1.1课题背景 (6)

1.2MATLAB软件介绍 (6)

第2章理论计算 (7)

2.1等截面容器液体出流 (7)

2.2倒圆锥截面液体出流 (8)

第3章Matlab编程求解 (9)

结论 (10)

心得体会 (11)

参考文献 (13)

小组评分 (14)

第1章绪论

1.1 课题背景

当液体通过孔口注入容器或从容器中泄出时，其有效水头随时间改变，为孔口变水头出流。这种出流的流速、流量都随时间改变，属非恒定流。给水工程中水池的注水和放空，水床的放空，船闸闸室的充水及放水等均属变水头出流之例。一般地，当容器的面积较大或孔口的面积较小时，容器内液面高程变化缓慢，则把整个非恒定流过程分成很多微小时段，在每一个微小的时间段内，认为液面的高程不变，孔口的恒定流公式仍然适用，这样就把非恒定流的问题转化为恒定流的问题来处理。变水头出流的计算主要是计算泄空和充满所需的间，或根据出流时间反求泄流量和液面高程变化情况。

1.2 MATLAB软件介绍

MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

c

C C

ζV

C d

C dh 1H 2H ()

2

1

2222

1

H H

g

A C A

h dh g A C A

t o d o d H H

-

=

-=

? 第2章 理论计算

2.1 等截面容器液体出流

根据试验资料，收缩管嘴在全部、完善收缩情况下，各项系数列于下表

收缩系数

阻力系数

流速系数

流量系数

0.98 0.09 0.96 0.95

下面分析等截面积A 、孔口面积为 o A 形容器，水流经孔口出流放空所需的时间。

设时刻t 时孔口的水头为h ，在微小的时段dt 内流经孔口的体积为

在相同的时段内，容器内液面降落 ，则体积减少为

Adh dv -=

容器内减少的体积等于通过孔口流出的体积，即

dt gh A C Adh o d 2=-

dh

gh

A C A

dt o d 2-=

对上式积分得水头由 降至 所需的时间

dt

gh A C dt q dv o d v 2==

h

dh

g A C A

t H H o d ?

-=

2

12h

dh

g A C t H H o d ?

-=

2

12h^2*π 25/16若

02=H ，即容器放空，所用的时间为

2.2 倒圆锥截面液体出流

倒圆锥截面的横截面面积随液体高度变化函数关系：

得：

故：

代入

整理得

又有课题可知 H 1 = 0.8 ,H 2 = 0 ,取C d = 0.9 ，A 0 = 25cm 2

得 t = 117.54 s

第3章Matlab编程求解#include

#include

using namespace std;

int main(){

double R,H, C d，A0，t；

cin >>R;

cout <<“当R=1”<

cin>>C d；

cout<<“当C d=0.9”<<μ<

cin>>A0;

cout<< “当A0=2.5*10^(-4)”<< A0<

t=(5/8*π*0.8^5/2)/( C d * A0*sqrt(2*g))

cout<<“水出流时间为：”<

return 0；

最后输出得t = 117.536111s

结论

项目----变水头下的液体出流确定了之后，我们组对课题进行了仔细的分析，查阅教材发现该项目属于第八章内容，第七节讲的刚好是我们的课题。于是我们五个人就把第八章内容仔细的读了一遍，有不懂的地方我们就相互讨论、询问他人或者去图书馆查阅相关资料。

分析过课题之后，我们把项目分了两大块，一是手算求解，二是编程求解。然后对组内成员进行了明确的分工。手算求解不是什么大问题，编程求解就不同了，因为我们没有人会matlab，于是我们就去图书馆查找资料来学习matlab。经过几天的努力，最终克服了种种困难，完成了该项目。

经过这次项目，我们懂得了团队合作的重要性，并且简单掌握了matlab 的应用，总之收获很多，以后一定要更正自己的学习态度，知其然，知其所以然。

心得体会

薛岩东：

工程流体力学对于轧钢专业的我来说，属于专业必备课程，对专业后续的无论是就业还是研究生学习研究都是必备的知识。工程流体力学介绍了工业生产中的基本流体特性、流体流动的基本特性以及流体在储运设备以及管道中储存和流动时流体对储运设备的影响等相关知识。对于自己的专业来讲，工程流体力学对以后自己在选择设计承压储运工程流体设备的工作中，为不同流体对不同形式的承压储运设备的力学及性能影响提供理论依据，从而使工作顺利进行下去。

贾闯：

通过此次工程流体力学课程设计我们有很多的感触和收获，同时也学到了许多书本上没有的知识。

首先加深了对这门课程的了解。平时我们对本课程可能只有一个大致的感性认识并没有学会真正学会怎样用学到的具体原理解决实际问题但我们在项目设计过程中通过问自己为什么，怎样解决问题。通过这些过程加深了我们对所学知识的认识。学以致用是我们学习的真正目的，怎样用学到的知识解决实际问题是现代大学生必须具备的能力，此次项目的实施很好的锻炼了我们。为我们以后的学习，工作打下了良好的基础。其次我们意识到了自己所学课程的重要性，生活中许多方面用到了流体力学。我们对它产生了浓厚兴趣，这给了我们学习更多知识的动力，兴趣是成功的开始，我相信这对我们以后发展非常有益处。最后我们对团队合作的重要性有了更加深刻的体会。一个人不可能完成所有的工作，只有大家齐心合力，每个人发挥自己所擅长的能力，才能最终圆满的完成任务。我们也可以从中认识到自己的不足，学习他人的优点。团对合作在以后的工作中不可避免，只有学会工作才能更好地完成自己的任务。

邹佳辰：

通过此次三级项目，使我更加扎实的掌握了有关流体力学方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检

查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。回顾起此三级项目设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己独立思考的能力。同时认识到了团队合作的重要性，在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是在大家的努力下最终都得到了解决。

刘冬冬：

通过这次三级项目设计，我掌握了工程流体力学的基础原理。我认为，在这几日的的课程设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在课程设计过程中，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。另外在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检验修改环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次三级项目设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在全体组员不懈的努力下，终于迎刃而解。

赵日东：

通过做此次三级项目，增强了我的动手、思考的能力，加深了对本课程的理解，一些抽象的东西在实验面前都变得如此明白。另外，也是我懂得了团队的重要性，一个人做得再好，也不如一个团队合作做的好，团队合作是那么重要。

参考文献

[1]高殿荣，张伟．工程流体力学．北京：化学工业出版社．2013．

[2] 李诗久．工程流体力学．北京：机械工业出版社．1990．

[3] 高会生． MATLAB原理与工程应用．北京：电子工业出版社.2002.

小组评分

邹佳辰:

刘冬冬:

薛岩东:

赵日东:

贾闯: