流体力学实验指导书1

流体力学（水力学）实验指导书黎强张永东编西南大学工程技术学院建筑系二零零八年九月1流体力学综合实验台简介流体力学综合实验台为多用途实验装置，其结构示意图如图1所示。图1流体力学综合试验台结构示意图1.储水箱2.上、回水管3.电源插座4.恒压水箱5.墨盒6.实验管段组7.支架8.计量水箱9.回水管10.实验桌利用这种实验台可进行下列实验：一、雷诺实验；二、能量方程实验；三、管路阻力实验；1．沿层阻力实验2．局部阻力实验；四、孔板流量计流量系数和文丘里流量系数的测定方法；五、皮托管测流速和流量的方法。2一、雷诺实验1．实验目的（1）观察流体在管道中的流动状态；（2）测定几种状态下的雷诺数；（3）了解流态与雷诺数的关系。2．实验装置本实验的实验装置为：（1）流体力学综合实验台；（2）雷诺实验台。在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺数实验管、阀门、伯努力方程实验管道、颜料水（蓝墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀，水泵和计量水箱等，秒表及温度计自备。雷诺实验台部件种类同综合实验台雷诺实验部分。3．实验前准备（1）、将实验台的各个阀门置于关闭状态。开启水泵，全开上水阀门，把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不变。（2）、用温度计测量水温。4．实验方法（1）、观察状态打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，此时雷诺实验管中的流动状态为紊流；随着出水阀门的不断的关小，颜料水与雷诺实验管中的水渗混程度逐渐减弱，直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流，此时雷诺实验管中的流动为层流。（2）测定几种状态下的雷诺系数全开出水阀门，然后在逐渐关闭出水阀门，直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一个状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。实验数据处理举例：设某一工况下具体积流量Q=3.467×10-5m3/s，雷诺实验管内径d=0.014m，实验水温T=5℃，查水的运动粘度与水温曲线，可知微v=1.519×10-6m2/s。3水流t=5度流速smFQV/255.0014.0410467.325Re雷诺数207510519.1/225.0014.0/Re6vdVm3)10(5Q图2雷诺数与流量的关系曲线根据实验数据和计算结果，可绘制出雷诺数与流量的关系曲线（图2）。不同温度下，对应的曲线斜率不同。3）测定下临界雷诺数调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后缓慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。当关小某一程度时，管内的颜料水开始成为一条线流，即为紊流转变为层流的下临界状态。记录下此时的相应的数据，求出下临界雷诺数。4）观察层流状态下的速度分布关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管二到三下，使颜料水在一小段管内扩散到整的断面。然后，在微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，这是即可观察到水在层流流动时呈抛物状，演示出管内水流流速分布。注：每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。关小阀门过程中，只许渐小，不许开打。随着出水流量减小，应当调小上水阀门，以减少溢流流量引发的振动。4二、能量方程实验1、实验目的（1）、观察流体流经能量方程实验管时的能量转化情况，并对实验中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解。（2）、掌握一种测量流体流速的原理。2、实验装置流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱、能量方程实验管、上水阀门、出水阀门、水泵、测压管板（图中未给出）和计量水箱等。3、实验前准备工作开启水泵，全开水阀门使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱水位始终保持不变，并有少量溢出。4、实验方法（1）、能量方程实验调节出水阀门至一定开度，测定能量方程实验管的四个断面四组测压管的液柱高度，并利用计量水箱和秒表测定流量。改变阀门的开度，重复上面方法进行测试。根据测试数据的计算结果，绘出某一流量下各种水头线（如图3），并运用能量方程进行分析，解释各测点各种能头的变化规律。可以看出，能量损失沿着流体流动方向增大的；Ⅰ与Ⅲ比较，两点管径相同，所以动能头基本相同，但Ⅲ点的压力能头比Ⅰ增大了，这是由于位置能转化而得来的；Ⅰ与Ⅱ比较，其位置能头相同，但Ⅱ点比Ⅰ点的压力能头大，这是图3各种水头线由于管径变粗；速度减慢，动能头转化为压力能头；Ⅲ与Ⅳ比较，位置能头相同，但压力能头小了，可明显看出，是压力能头转化为速度能头了。实验结果还清楚的说明了连续方程，对于不可压缩的流体稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。52）测速能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当与一个皮托管，可测得管内的流体速度。由于本实验台将总测压管置与能量方程实验管的轴线，所以测得的动压水头代表了轴心处的最大速度。皮托管求点速度的公式为：hkhgcu2gck2式中u---毕托管测点处的点速度；c---毕托管的教正系数；h---毕托管全压水头与静水压水头差。Hgu2联立上两式可得Hhc/''式中u---测点处流速，有毕托管测定；''---测点流速系数；H---管嘴的作用水头；在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度。测试结果记入表二中，如果用皮托管求出所在截面的理论平均速度，可根据该截面中心处的最大流速。雷诺数与平均流速的关系，参考有关流体力学求出。表2-1ⅠⅡⅢⅣ流量左右左右左右左右m3/s⒈总水头压力水头速度水头能量水头⒉总水头压力水头速度水头能量水头能量方程管断面的中心线距几厂基准线高测点编号液住高或差工况6(mm)能量方程管内径d(mm)静水头(mmH2O)表2-2Ⅰd1(mm)Ⅱd2(mm)Ⅲd3(mm)Ⅳd4(mm)轴心速度)/(smVB平均速度)/(smV测点号流速项目7三沿程水头损失与流速的关系1．实验目的1）验证沿程水头损失与平均流速的关系。2）对照雷诺实验，观察层流和紊流两种流态及其转换过程。2．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。3．实验原理对沿程阻力两测点的断面列能量方程whguapgPZguapgPZ2//2//2211112222因实验管段水平，切为均匀流动：rwhhuuddZZ;;;212121得：hpgPpgPhr//21上式中：wh：测压管水头差即为沿程水头损失。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wh，V数据点绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与流速的关系。4．实验步骤1）开启调节阀门，测读测压计水面差；2）用体积法测量流量，并计算出平均流速；3）将实验的wh与计算得出的u值标入对数坐标纸内，绘出lghr-lgu关系曲线；4）调节阀门逐次由大到小，共测定10次；5．实验数据及曲线绘制仪器常数：d=cm,A=cm2L=m,t=℃表3-1Noh1(cm)h2(cm)hf(cm)V(cm3)lghf(cm3)t(s)q(cm3/s)v(cm/s)lgv1283456789109四沿程阻力系数的测定单1实验原理对沿程阻力两点的端面列能量方程得hpgPpgPhr//21由达西公式：gudLhr2//2用体积法测得流量，并计算出断面平均流速，即可求得沿程阻力系数2/2uLgdhr2实验步骤及要求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首的实验点绘制成lg$e-lg100对数曲线。绘图：10实验数据记录：d粗=cm，L=mvd细=cm，t=c水Kg/cm2表4-1类别Noh1(cm)h2(cm)h汞(cm)h水(cm)t(s)qv(cm3/s)v(cm/s)RclgRdlg(100)粗管123456表4-2类别Noh1(cm)h2(cm)h汞(cm)h水(cm)t(s)qv(cm3/s)v(cm/s)RclgRdlg(100)粗管123456细管12345611五局部阻力损失实验1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公式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理的解释；2实验原理写出局部阻力前后两断面的能量方程根据曲线推导条件，扣除沿程水头损失可得：1）突然扩大采用三点法计算，下式中21fh由32fh按流长比例换算得出：]]2/)/[(]2/)/[(2122222111fiehgauypZgauypZh]2//[21gauhiee理论221)/1(AAegauheis2/252）突然缩小采用四点法计算，下式中B点为突缩点，hf4-B由hf3-4换算得出，hfB-5由hf5-6换算得出。实测])2/)/[())2/)/[(5255542444fBBffshgauYPZhgauYPZh]2//[25gauhiss经235)/1(5.0AAegauheis2/253实验方法与步骤1）测记实验有关的常数。2）打开水泵，排除实验管道中的滞留气体及测压管气体。3）打开出水阀至最大开度，等流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法计量流量。124）打开出水阀开度3-4次，分别测记压管读数及流量。4实验分析与讨论1）分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系2）结合流动演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在那里？怎样减小局部阻力损失。表5-1次序流量（cm3/s）测压管读数cm体积时间流量表4-2阻力形式次序流量cm3/s前剖面后剖面cmhjcmhjcmgav22cmEcmgav22cmE突然扩大突然缩小13六阀门局部阻力系数的测定1实验目的1）测定阀门不同开度时：全开，30o,45o三种的阻力系数。2）掌握局部阻力系数的测定方法。2实验原理对Ⅰ,Ⅳ两断面列能量方程式，可求得阀门的局部水头损失与2(I1+I2)长度上沿程水头损失之和，用hw1表示，则有下式：1411/)(hpgPPhw同理对Ⅱ,Ⅲ两断面列能量方程式，可求得阀门局部水头损失与L+L2长度上的沿程水头损失之和，用hw2表示：2322/)(hpgPPhw所以阀们的局部水头损失h应为122hhh亦12222/hhg所以阀门的局部阻力系数应为：212/2)2(ghh式中：为管道断面的平均流速。3实验步骤及要求1）本实验共进行三组实验，阀门全开，30o,45o每组做三个实验点。2）开启进水阀门，是压差达到测压计可测量的最大高度。3）测读压差，同时用体积法测量流量。4）每组各个实验点的压差值不要太接近。5）变换阀门开启角度重复上述步骤。6）绘制)(fa曲线。阀门局部阻力系数实验记录表6-1：14七文丘里流量计实验一实验目的1）通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术。2）验证能量方程的正确性。二实验原理根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用的文氏管过水能力关系式hKPZPZgdddQ)]()[(21)(4'221142121其中：1)(442121dddK)()(2211PZPZh式中：h为两断面测压管水头差由于阻力的存在，实际通过流量Q恒小于Q’。引入无量纲系数'QQ(称为文丘里流量修正系数)hKQQ'四实验方法与步骤1测计各有关常数2打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达到测压计可测量的最大高度。3测读压差，同时用体积法测量流量。4逐次关小调节阀，改变流量7~9次，注意调节阀门应缓慢。5把测量值记录在实验表格内，并进行