工程流体力学实验指导书

工程流体力学实验指导书谢振华编北京科技大学土木与环境工程学院2003年9月前言工程流体力学实验是《工程流体力学》课程教学的重要环节。通过实验，可以对课堂讲授的理论知识加以巩固和进一步的验证，加强理论和实践的结合，同时可以培养学生实际动手能力和分析问题、解决问题的能力，为今后的科学研究打下基础。本实验指导书是根据教学大纲的要求，并结合实验室的具体设备编写的。实验内容包括水静压强实验，不可压缩流体定常流动动量方程实验，雷诺实验，管路沿程阻力实验，管路局部阻力实验，毕托管测速实验，文丘里流量计实验。这些实验可以使学生掌握流体力学的实验技术和测量技巧，为进行科学实验研究做准备。由于编者水平有限和实验设备的限制，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。编者2003年7月目录实验1水静压强实验……………………………………………………………………1实验2不可压缩流体定常流动动量方程实验…………………………………………3实验3雷诺实验…………………………………………………………………………6实验4管路沿程阻力实验………………………………………………………………8实验5管路局部阻力实验………………………………………………………………12实验6毕托管测速实验…………………………………………………………………15实验7文丘里流量计实验………………………………………………………………171图1.1水静压强实验装置图实验1水静压强实验一、实验目的1．加深理解流体静力学基本方程及等压面的概念。2．理解封闭容器内静止液体表面压强及其液体内部某空间点的压强。3．观察压强传递现象。二、实验装置实验装置如图1.1所示。三、实验原理对密封容器（即水箱）的液体表面加压时，设液体表面压强为P0，则P0Pa，ap为大气压强。从U形管中可以看到有压差产生，U形管与密封水箱上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。密闭水箱内液体表面压强0p为：hppa02式中——液体的重度；h——U形管中液面上升的高度。当密闭水箱内压强P0下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即P0＜Pa，这时密闭水箱内液面压强0p为：hppa0式中h——U形管中液面下降的高度。四、实验步骤1．关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差h。在加压的同时，观察左侧A、B管的液柱上升情况。由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在水箱内的淹没深度h不同，在压强向各点传递时，先到A点后到B点。在测压管中反应出的是A管的液柱先上升，而B管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A、B两点在同一水平面上。2．打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器内压力下降，观察U形管中液柱的变化情况。五、分析和讨论1．液体表面压强0p与表压强、真空度有什么关系？2．用该实验装置是否可以测出其他液体的重度？为什么？3实验2不可压缩流体定常流动动量方程实验一、实验目的1.通过射流对水箱的反作用力和射流对平板的作用力验证不可压缩流体定常流动的动量方程。2.通过对动量与流量、流速、射流角度等因素的相关性分析，进一步掌握流体的动量守恒定理。二、实验装置实验装置如图2.1所示。图2.1动量方程实验装置简图1.实验水箱2.控制阀门3.高位水孔4.低位水孔5.砝码6.转动轴承7.挡板8.固定插销9.水平仪10.喷嘴11.水泵12.水箱13.挡水板14.实验台支架三、实验原理1．射流对水箱的反作用力原理以水箱水面Ⅰ—Ⅰ，出口断面Ⅱ—Ⅱ及箱壁为控制面，对水平x轴列动量方程：)(101202xxxxvvQRF式中xR——水箱对射流的反作用；——水的密度；Q——射流流量；01，02——动量修正系数，取1；xv1——水箱水面的平均流速在x轴的投影，取0；xv2——出口断面的平均流速在x轴的投影。由对转轴计算力矩M求得xR。4LQvLRMx式中L——出口中心至转轴的距离；v——出口流速。移动平衡砝码得到实测力矩0M：SGM0式中G——平衡砝码重量；S——0SSS；S——出流时（动态）砝码至转轴的距离；0S——未出流时（静态）平衡砝码至转轴的距离。2．射流对平面的作用力原理取喷嘴出口断面Ⅰ—Ⅰ，射流表面，以及平板出流的截面Ⅱ—Ⅱ为控制面，对水平x轴列动量方程：)(101202xxxxvvQRF式中xR——平板对射流的反作用力；xv1——喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速；xv2——Ⅱ—Ⅱ断面平均流速在x轴的投影，取0。由对转轴计算力矩M求得xR。11LQvLRMx式中1L——水流冲击点至转轴的距离；v——喷嘴出口的平均流速。添加砝码得到实测力矩0M：20LGM式中G——砝码重量；2L——砝码作用点到转轴的距离。四、实验步骤及注意事项1．射流对水箱的反作用力实验1）实验步骤①开启进水阀门，将水箱充满水，关小阀门，使之保持较小溢流。②拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（静态）砝码位置0S。③插上插销，将出口转至高孔位置。调节阀门，使之仍保持较小溢流。④拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（动态）砝码的位置S。⑤用体积法测量流量，计算流速。⑥将出口转至低孔位置，重复步骤③~⑤。2）注意事项①调节前，必须将插销插上。②拔出插销后，应用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器。2．射流对平面的作用力实验51）实验步骤①在拉链端部加重量50克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持垂直位置，记下砝码位置，用体积法测流量。②改变砝码重量，重复步骤①。2）注意事项①应缓慢开启和调节阀门。②注意单位换算。五、实验数据记录及计算1．水箱法仪器常数：L=cm，0S=m，G=NS（m）S0SS(m)0MSG(Nm)V(m3)t(s)Q(m3/s)v(m/s))(NQvRXMLRx(Nm)MM/0(%)高孔12低孔122.平板法仪器常数：1L=m，2L=mG(N)0M2LG(Nm)V(m3)t(s)Q(m3/s)v(m/s))(NQvRXM1LRx(NmMM/0(%)123六、分析和讨论分析用动量方程求得的作用力值和实测值之间产生误差的原因。6实验3雷诺实验一、实验目的1．观察流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。2．观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。3．测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数cRe二、实验装置实验装置如图3.1所示。1.水箱及潜水泵2.上水管3.溢流管4.电源5.整流栅6.溢流板7.墨盒8.墨针9.实验管10.调节阀11.接水箱12.量杯13.回水管14.实验桌三、实验原理流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均速度v，微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出图3.1雷诺实验装置7现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。流体的雷诺数vdRe，根据连续方程：AvQ，AQv。流量Q用体积法测出，即在t时间内流入计量水箱中流体的体积V。tVQ，42dA式中A——管路的横截面积；d——管路直径；v——流体繁荣流速；——水的运动粘度。四、实验步骤1．准备工作。将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度H不变。2．缓慢开启阀门7，使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门9，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。3．开大出口阀门7，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出口阀门7，观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量，计算出下临界流速cv。重复做三次，即可算出下临界雷诺数。五、实验数据记录及计算d=mm水温=℃实验次数V（m3）t（s）Q（m3/s）cv（m/s）（m2/s）cRe123下临界雷诺数的计算公式为：dvccRe8实验4管路沿程阻力实验一、实验目的1．验证沿程水头损失与平均流速的关系。2．测定不同管路的沿程阻力系数。3．对照雷诺实验，观察层流和紊流两种流态及其转换过程。二、实验装置实验装置如图4.1所示。1.水泵电机2.水泵3.循环储水箱4.计量水箱5.孔板及比托管实验管段进水阀6.阀门阻力实验管段进水阀7.D=14mm沿程阻力实验管段进水阀8.D=14mm沿程阻力实验管段9.阀门阻力实验管段10.孔板流量计11.比托管12.测阻阀门13.测压管及测压管固定板14.D=14mm沿程阻力实验管段出水阀15阀门阻力实验管段出水阀16.孔板及比托管实验管段出水阀17.文丘里实验管段出水阀18.D=10mm沿程阻力实验管段出水阀19.管支架20.D=10mm沿程阻力实验管段21.文丘里流量计22排水阀门三、实验原理1．沿程水头损失与流速的关系对沿程阻力两测点的断面列伯努利方程lhgvaPzgvapz222211112222图4.1阻力综合实验装置9因实验管段水平，且为均匀流动，所以flhhvvddzz,1,,,21212121由此得hpyphf21即管路两点的沿程水头损失fh等于测压管水头差h。由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速v，将所得fh和v数据绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与平均流速的关系。2．沿程阻力系数的测定由上面的分析可以得到：hpyphf21由达西公式：gvdlhf22用体积法测得流量Q，并计算出断面平均流速v，即可求得沿程阻力系数：22lvhgd四、实验步骤1．沿程水头损失与流速的关系实验1）实验前准备工作。将实验台个阀门置于关闭状态，开启实验管道阀门，将泵开启，检验系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。2）开启调节阀门，测读测压计水面差。3）用体积法测量流量，并计算出平均流速。4）将实验的fh与计算得出的v值标入对数坐标纸内，绘出vhflglg关系曲线。5）调节阀门逐次由大到小，共测定10次。2．沿程阻力系数的测定实验1）本实验共进行粗细不同管径的两组实验，每组各作出6个实验。2）开启进水阀门，使压差达到最大高度，作为第一个实验点。3）测读水柱高度，并计算高度差。4）用体积法测量流量，并测量水温；5）用不同符号将粗细管道的实验点绘制成100lgRelg对数曲线。五、实验数据记录及分析1．沿程水头损失与流速的关系实验数据及计算如表4.1所示，vhflglg关系曲线如图4.2所示。仪器常数：d=cm,A=cm2L=m,t=℃10表4.1数据表Noh1（cm)h2(cm)hf(cm)fhlgV(cm3)t(s)Q(cm3/s)v(cm/s)vlg123456789102．沿程阻力系数的测定实验数据及计算如表4.2所示，100lgRelg关系曲线如图4.3所示。仪器常数：d粗=cm，d细=cm，l=mt=℃水=N/m3图4.2vhflglg关系曲线11表4.2数据表类别Noh1(cm)h2(cm)h汞(cm)h水(cm)V(cm3)t(s)Q(cm3/s)v(cm/s)RelgRelg(100)粗管123456细管123456图4.3100lgRelg关系曲线12实验5管路局部阻力实验一、实验目的1．掌握三点法、四点法测量局部阻力系数的技能。2．通过对圆管突扩局部阻力系数的包达定理和突缩局部阻力系数的经验公式的实验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径。3．加深对局部阻力损失机