流体力学实验指导书(雷诺伯努利)

工程流体力学实验指导书河北理工大学给排水实验室编者：杨永2014.5.12适用专业：给排水工程专业、建筑环境与设备工程专业实验目录：实验一：雷诺实验实验二：伯努利方程实验实验三：阻力及阻力系数测定实验实验四：孔口管嘴实验实验操作及实验报告书写要求：一、实验课前认真预习实验要求有预习报告。二、做实验以前把与本次实验相关的课本理论内容复习一下。三、实验要求原始数据必须记录在原始数据实验纸上。四、实验报告一律用标准实验报告纸。五、实验报告内容包括：1.实验目的；2.实验仪器；3.实验原理；4.实验过程；5.实验数据的整理与处理。六、实验指导书只是学生的指导性教材，学生在写实验报告时指导书制作为参考，具体写作内容由学生根据实际操作去写。七、根据专业不同以及实验学时，由任课教师以及实验老师选定实验内容。建筑工程学院给排水实验室编者：杨永2014.5实验一雷诺实验指导书一、实验目的：（一）观察实验中实验线的现象。（二）掌握体积法测流量的方法。（三）观察层流、临界流、紊流的现象。（四）掌握临界雷诺数测量的方法。二、实验仪器：实验中用到的主要仪器有：雷诺实验仪、1000mL量筒、秒表、10L水桶等三、实验原理：有压管路流体在流动过程中，由于条件的改变（例如，管径改变、温度的改变、管壁的粗糙度改变、流速的改变）会造成流体流态的变化，会出现层流、临界流、紊流等现象。英国科学家雷诺（Reynolds）在1883年通过系统的实验研究，首先证实了流体的流动结构有层流和紊流两种形态。层流的特点是流体的质点在流动过程中互不掺混呈线状运动，运动要素不呈现脉动现象。在紊流中流体的质点互相掺混，其运动轨迹是曲折混乱的，运动要素发生脉动现象。雷诺等人经过大量的实验发现临界流速与过流断面的特征几何尺寸管径d、流体的动力粘度和密度有关，即、、dfuk。由以上四个量组成一个无量纲数，称为雷诺数eR,即ududRe其中：u为流速，为流体的密度，为流体的动力粘度，为运动粘度。雷诺数可以作为判别流态的准则。雷诺数公式右边的分母、分子分别反映了流动流体的惯性力和粘滞力的比值。eR小，反映了粘滞力作用大，对流体质点运动起约束作用，到一定程度，质点互不掺混，呈层流；反之，则呈现紊流状态。四、实验步骤：打开开关使水箱充水至水位溢流，经稳定后，微开启调节阀，并注颜色水人玻璃管内，便颜色水流成一直线，通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态;然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征;待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。打开出水阀门让水流经实验管路，在此过程中有小到大逐渐开打阀门。在阀门开起比较小的情况下，水流在管路中成一条线性流动，水流在横向断面上没有掺混的现象，这种状态下就是层流状态。然后随着阀门的不断开大，水流开始产生一定的波动现象，出现比较稳定的脉动现象，这时水流达到临界状态，此时的临界雷诺数值达到2000—20000，数值变化范围比较大，没有实际应用价值。将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减少(不许增大)，当流量调到使颜色水在全管中刚刚呈现为一稳定直线时，即为下临界状态。注意:每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟，并且流量不可开得太大，以免水箱中的水体引起紊动。若因水箱中的水体紊动而干扰进口水流时需关闭阀门，静置3~5min，再按步骤重复进行实验。a.待管中出现临界状态时，用体积法测定流量，此操作重复两次。b.根据所测流量计算下临界雷诺数。c.重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤测量下临界雷诺数3次。d.同时由水箱中的温度计测量水温，根据公式求得水的运动黏度。e.记录实验管路的管径，量测水温。重复以上操作3-5次（要求每位同学最少调试一次），然后关闭进水阀、出水阀、墨水的阀门。五、实验数据整理及数据处理：实验数据需要记录当时做实验的水温，管路管径，出水体积以及时间。根据公式ududRe计算临界值雷诺数。运动粘度可以根据水温通过以下公式进行计算。2000221.00377.0101775.0tt表1-1管路管径：mm水温：℃次数体积V（ml）时间t（s）流量Qml/s流速m/s平均流速m/s雷诺数12345总平均雷诺数六、实验问题：1.实验中常常会出现临界水流不稳定的现象2.实验流量的计量用体积法记录，量桶刻度观察时，要放在比较平的地方。七、实验中应当注意的事项：1.实验中因为临界状态的不稳定，因此要求在实验过程中，不能碰实验仪器。2.在实验过程中可以打开实验管路下面灯箱的管灯，但是应当注意不要使水流进灯箱。八、实验报告要求：1.实验报告必须按照实验要求写全所有的项目2.实验报告必须用标准的实验报纸3.实验的原始数据写在实验报告原始数据记录纸上，注意实验原始数据是没有经过处理的原始记录数据。4.实验数据的处理要求有根据，注意和实验原始数据区分开。九、实验原始数据记录表格：表1-1管路管径：mm水温：℃组数次数体积V（ml）时间t（s）流量Qml/s（一）12（二）12（三）12（四）12（五）12实验二伯努利方程综合实验一、实验目的：1.加深对伯努利方程的理解。2.观察流体流经能量方程实验管的能量转化情况。3.对实验中出现的能量转化的现象进行分析。4.掌握一种测量液体流速的原理。5.验证静压原理。6.掌握数据的记录、整理、处理的方法。7.了解伯努利方程实验的实验原理。8.掌握浮子法测流量的方法。二、实验内容：1.验证静压原理同时进行压力管的校正。2.掌握毕托管测定流速的原理和方法。3.掌握运用体积法测定平均流量的方法。4.验证伯努力方程。三、实验原理：在实验管路中沿管内水流方向取i个过水断面，可以列出进口断面l至另一断面i的能量方程式：iwiiiiwhgvgpzhgvgpzgvgpz~122~122222211112223.1取α１＝α２＝Λ＝１，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出管路的流量，即可算出断面平均流速v及从而即可得到各测压管水头和总水头(α为各断面动能修正系数)。四、实验装置：伯努力方程实验装置图五、实验方法与步骤：①熟悉实验设备，了解各测压管与各测点的对应关系，以及普通测压管与毕托管测压管的区别。②打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查泄水阀关闭时所有测压管水面是否齐平；若不平则需查明原因，并加以排除直至调平。③打开出水阀观察测压管线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系，观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。④调节出水阀的开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量。⑤调节出水阀的开度1~2次，按步骤④重复测量，并使其中一次为阀门的最大开度。六、实验数据记录及处理：1.验证静压原理：打开进水阀门，是水箱内的溢流堰口出水，以保证水箱内水位稳定，保持一个定水头。关闭出水阀门以及进水阀门，此时能量方程测压管上各个测柱的高度应该相等。因为水在管路中没有流动，没有能量损失，因此根据静压压力传递原理各个液柱的高度应该相等。即在静止不可压缩、均匀分布重力流体中，任意点单位重量的总能量保持不变。但实际中，由于各种实际条件的不同，使得液柱高度不同，因此需要对液柱进行校正。关闭和打开出水端水口时观察测压管液柱的升降速度，即观察测压管内液柱哪个先上升，哪个先下降。表2-1静压强液柱校正数据液柱号12345678910左右左右左右左右左右左右左右左右左右左右液柱高度校正值2.毕托管测速原理：毕托管是广泛应用于测量水流和气流中流速的一种仪器，管段前段开一小孔正对水流方向。内部通过一条管路连接到测压管上。管的侧壁开若干小孔，小孔通过管壁的环路连另一个测压管。当测定水流时两管连接的测压管的水面差反映了开口处的压力差。液体流进正对水流的开口段，水流开始由于压强的存在水柱液面上升，直到液柱高度停止上升，读取此时的压力值。毕托管测速是根据伯努力方程推导得出。2~1222222111122whgvgpzgvgpz3.2式中：⑴⑸本实验中认为开口在一个水平面上，因此式子两端的Z值认为相等。⑵gp1，gp2通过测压管的制读出来。⑶正对水流的进口处由于管路的作用，此处的动能转化为势能体现在测压管上；侧避开孔所连接的测压管，由于对水流没有阻挡作用因此此处的总能量有水流的动能以及此处的静压。⑷2~1wh在实验中水头损失不考虑因此通过上述分析，2.2式可以化简为：gvgpgp2222213.3gpgpgv2122223.4因此可以运用毕托管测量流速：gpgpgu2123.5因此可以运用2.5公式进行速度的求解。要求有计算过程和计算数值（见表2-2中平均流速）3.流量测定原理：⑴浮子法测定流量原理：毕托管测量流速测得的为管路中点的流速，由于有压管路中阻力的存在，根据层流状态知道，水流在有压管路中流态呈抛物线。根据数学微分方程求积分知道平均流速为最大点流速的2倍。本实验中流量的测量运用浮子法求流量，然后根据连续流原理，求解管路的平均流速。当水的液面增长到下面的小浮子的时候，由于小浮子的感压会传输信号给记录装置，当上面小浮子感受压力以后，产生传输信号给记录装置停止记录数据。记录装置回在一定的体积下记录实验时间，从而计算出流量。tVQ3.6241DQAQu3.7⑵文丘里管测定流量的原理：在文丘里管流量计入口取1-1断面，在其喉部收缩断面处取2-2断面，由于流量计水平放置，因此z1=z2，则可以列能量方程（不计水头损失，因为喉部为光滑曲面，局部水头损失较小，同时由于文丘里管较短，沿程水头损失可忽略）22112222ppgg……………………………3.8式根据连续性方程得到：1122wwQ……………………………3.9式解（6）式（7）式，可以得出计算流量的公式21222121wppQgww或212421421dppQgdd式中：12pp——两断面间测压管水头差，也就是测压管内的液面高度差Δh。令2421421dKgdd，因此，测出测压管水位高度差Δh以后，就可以求出流量Q。要求有计算过程和计算数值（见表2-2中点流速）表2-2平均流速、点流速实验数据记录次数ⅠⅡⅢⅣⅤhhhhh12345次数ⅥⅦⅧⅨⅩhhhhh123454.伯努力方程实验原理：2~1222222111122whgvgpzgvgpz……………3.10伯努力方程应该满足一下条件：流体运动是恒定流；流体运动符合连续原理；作用于流体上的质量力只有重力；所取过水断面1-1，2-2在渐变流或均匀流区域，但是两个断面间不必都是渐变流或均匀流；所取过水断面间没有流量流入或流出，也没有能量的输入与输出。验证伯努力方程时，首先要分析现象，建立运动的流线几何图形。选好计算点和基准面。压强的表示法，一般都以相对压强计，也可以用绝对压强，但是同一个方程中必须一致；所取单位要一致。全面考虑和分析所选取两个过水断面间的能量损失。一类是沿程损失，一类是局部损失。绘制水头线时，一般先绘制总水头线，因为在没有能量输入输出时，他一定是沿流程下降的。然后绘制压管水头线。已经测得的过水断面上的总水头端点和测压管水头端点可以作为水头线的控制点。实验不同流量下的总水头线：表2-3水头线数据记录次数ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩh1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h212345原始数据记录表：表2-1静压强液柱校正数据液柱号12345678910左右左右左右左右左右左右左右左右左右左右液柱高度(mm)校正值(mm)原始数据记录表：表2-4液柱高度记录水箱体积：V=L；水温：T=℃；位置水头差ΔZ=cm次数Ⅰ(mm)Ⅱ(mm)Ⅲ(mm)Ⅳ(mm)Ⅴ(mm)Ⅵ(mm)Ⅶ(mm)Ⅷ(mm)Ⅸ(mm)Ⅹ