船舶流体力学实验指导书

船舶流体力学实验指导书工程机械系船舶与海洋工程教研室目录实验1静水压力实验……………………………………………………………………1实验2烟风洞及水槽流线实验…………………………………………………………3实验3伯努利方程实验…………………………………………………………………4实验4雷诺实验…………………………………………………………………………7实验5动量方程实验……………………………………………………………………9实验6管路综合实验……………………………………………………………………121静水压力实验装置图实验1静水压力实验一、实验目的1．测定矩形平面上的静水总压力。2．验证静水压力理论的正确性。3．观察压强传递现象。二、实验装置实验装置如图所示。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烟风洞及水槽流线观察实验一、实验目的1.在烟风洞利用烟流法观察烟流绕过物体周围的流动图形；观察各种几何边界变化条件下产生的旋涡现象，搞清楚旋涡产生的原因与条件；2.通过对各种边界下旋涡强弱的观察，分析比较局部损失的大小；3.观察绕流现象、分离点及卡门涡街现象。二、实验装置小型风洞，实验稳定速度大于5m/s。。小型水槽，水流稳定速度大于5m/s。机翼型实验试件、圆柱形试验件。三、实验原理1．流体在流动过程中遇到其他物体时要发生绕流现象，流线形状会产生变化。当绕过的物体曲率较大时，会产生边界层分离，产生明显漩涡。当绕过圆柱形物体时，在物体的后方将产生卡门涡街。四、实验步骤1．烟风洞流线观察实验实验步骤①点燃蜡烛，将其平稳置于风洞前部，距离试验段1米左右。②将机翼型试验件平稳安放于试验段中，攻角为0度。③启动风洞风机，调节流速达到2m/s，待烟流线稳定后，观察机翼型试件处流线情况。④改变攻角至15度，观察机翼型试件处流线情况。⑤改变攻角至30度，观察机翼型试件处流线情况。⑥将攻角改回0度，调节流速达到4m/s,待烟流线稳定后，观察机翼型试件处流线情况。⑦重复步骤④⑤；⑧关闭风机，更换另一规格的机翼型试件，重复步骤②~⑦。⑨关闭风机，实验用品归位，实验结束。2．水槽流线观察实验实验步骤①将圆柱形试件平稳固定于水槽内；②启动水槽水泵，调节流速达到1m/s，观察试样后的漩涡情况。③调节流速达到3m/s,观察试样后的漩涡情况。④调节流速达到5m/s,观察试样后的漩涡情况。⑤关闭水泵，实验用品归位，实验结束。五、分析和讨论分析不同流速，不同攻角下流线的形状变化情况，讨论漩涡产生的原因和条件。分析不同流速下水槽总流线的变化情况，讨论卡门涡街的产生原因。4实验3伯努利方程实验一、实验目的1、测量位置势能与速度之间的关系，观察能量之间的转换关系；2、计算流体流动的速度、速度与位置的关系。二、实验装置伯努利方程试验仪1.水箱及潜水泵2.上水管3.溢流管4.整流栅5.溢流板6.定压水箱7.实验细管8.实验粗管9.测压管10.调节阀11.接水箱12.量杯13.回水管14.实验桌三、实验原理伯努利方程中22pvzCg三部分之和在整条流线上保证常数。从物理意义来看，z表示单位质量流体的位置势能，p表示压力能，22vg项表示动能，整个方程表示单位质量流体在流线上能量守恒。本实验通过在仪器的某些位置测量高度、压力、速度，以验证上式的成立。四、实验步骤实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量流水流出，使槽内液面平稳不变，最后，设法排尽设备内的气泡。1．关闭实验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下个测试点（a、b和c三点）的压强。2．开启实验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下测试点的压头变化。53．缓慢开启实验导管的出口条件阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动压头和损失压头。实验过程中必须注意如下几点：(1)实验前一定要将实验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会影响准确性。(2)开启进水阀或调节阀时，一定要缓慢，并随时注意设备内的变化。(3)实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。(4)为观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。五、实验数据记录及计算1．测量并记录实验基本参数实验导管内径：dA=20mm；dB=30mm；dC=20mm;实验系统的总压头：h=mmH2O2．非流动体系的机械能分布及其转换3．流动体系的机械能分布及其转换实验序号温度，Τ/℃密度，ρ/kgm-3静压头OmmH,g/P2AOmmH,g/P2BOmmH,g/P2C压强pA,PapB,Pa水温密度各测试点的静压头各测试点的静压强Τ/℃ρ/kgm-3pA/ρgpB/ρgpC/ρgpA/PapB/PapC/Pa6pC,Pa动压头OmmH,g2/u22AOmmH,g2/u22BOmmH,g2/u22C流速UA，m·s-1UB，m·s-1UC，m·s-1损失压头Hf(1-A)，mmH2OHf(1-B)，mmH2OHf(1-C)，mmH2O验证流动流体的机械能恒算方程：7实验4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雷诺实验装置8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Re9实验5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。LQvLRMx式中L——出口中心至转轴的距离；10v——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1）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11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。12实验6管路综合实验（一）沿程阻力系数测定实验一、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、实验装置管路综合试验仪。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