工程流体力学实验报告

工程流体力学实验报告油气储运工程系流体力学综合实验台（LTZ-15）简介本实验台主要针对流体力学教学中各重要参数指标进行测定和实验。把这些单一性能的检测加以综合。它是多用途实验装置，用此实验台可进行下列实验：○1雷诺实验○2沿程阻力实验○3局部阻力实验○4能量方程（伯努利方程）实验○5文丘里流量计和孔板流量计系数的测定实验○6毕托管测流速和流量的方法实验装置如下图所示实验桌供水箱、水泵伯努利压差板雷诺实验管压差板沿程实验管局部实验管文丘里实验管伯努利实验管计量水箱回水管恒压水箱颜色罐孔板实验管毕托管层流测针实验一、水静压强仪（LSJ-10）一、演示目的1、加深理解静力学基本方程式及等压面的概念。2、观察封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点上的压力。3、观察压力传递现象。二、演示原理对密封容器的液体表面加压时，设其压力为P0，即P0P。从U形管可以看到有压差计产生，U形管与密封容器上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。由此可知液面下降的表面压力即是密闭容器内液体表面压力P0，即P0=P0+gh，h是U形管液面上升的高度。当密闭容器内压力P0下降时U形管内的液面呈现相反的现象，即F0P这时密闭容器内液面压力P0=P-gh，h为液面下降的高度。如果对密闭容的液体表面加压时，其容器内部的压力向各个方向传递测压管中，可以看到由于A、B、两点在容器内的淹没深度h不同，在压力向各点传递时，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。三、演示步骤（如图所示）0132455423166cm形管密封容器视气罐加压上升罐阀1阀2阀3阀4阀7阀5阀61、打开阀1，2，3，4和5向容器内加水（加水处即为加压上升罐）；水位加到“0”位线即可。2、向“U”型管内加水，水位加至一半再向视气罐内加水。3、顺时针关闭2、3、排气阀即可向容器内加压。4、把加压上升罐缓慢上升，U型管出现压差△h，在加压的同时，观察左侧A、B管的液柱上升情况。5、打开排气阀3，使液面恢复到同一水平面上同时可以看到气体的存在打开阀2使容器内的气体与大气相等，再关闭排气阀2、3，打开密闭容器底部放水阀门7，放出一部分水，造成容器内压力下降观察其产生的现象。实验二、雷诺实验一、实验目的1、观察层流、紊流的流态及其转换特征。2、测定临界雷诺数Reck，掌握圆管流态判别准则。3、学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。二、实验装置流体力学综合实验台（LTZ-15）三、实验原理1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流、紊流（图1）它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生掺混现象，在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。层流状态开始颤动紊流状态图12、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数Re=Vd/，d是圆管直径，V是断面平均流速，是流体的动力粘滞系数。3、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小d，减小V，加大三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定差，容易发生紊流现象。4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动力必为紊流，它很不稳定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的数值，圆管定常流动的下临界雷诺数取为Recr=2300。5、对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较，可以看出层流流速分布呈旋转抛物面，而紊流速度分布则比较均匀呈现对数或指数分布，靠近壁面流速梯度比层流时大，（图2）。层流流速分布紊流流速分布图2圆管内径向分布示意图四、实验步骤1、测记本实验的有关常数。2、观察两种流态。水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀，并注入水颜色于实验管内，使颜色水流成一直线。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，由颜色水线的变化来观察层流转变到紊流的水力现象，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现象。3、测定下临界雷诺数。（1）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小，当流量调节到使颜色水在全管刚好呈现出一稳定直线时，即为下临界状态。（2）待管中出现临界状态时，用体积法测定流量。（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2320）比较，偏离过大，需重测。（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流。按上述步骤重复测量不少于三次；【注意】a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；b、关小阀门过程中，只许关小，不许开关。4、测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，颜色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定计算上临界雷诺数1-2次。五、实验数据及整整1、记录、计算有关常数：实验管径d=14㎜水温t=℃0.017751+0.00337t+0.000221t2cm/s2运动粘度2、整理、记录计算表实验次颜色水线形态水体积V(m³)时间T(s)流量Q(cm³/s)流速V(cm/s)雷诺数Re阀门开度增（↑）或减（↓）数实测下临界雷诺数（平均值）Recr=【注】颜色水线形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。六、分析与思考1、流态判据为何采用无量纲参数。而不采用临界流速？2、为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？3、分析实验误差的原因。实验三、沿程阻力系数测定一、实验目的1、学会测定管道沿程水头损失系数λ的方法；2、掌握圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律，绘制曲线；3、掌握管道沿程阻力损失系数的测量方法和气—水压差计及电测压差计测量压差的方法。4、将实测得到的结果与莫迪图作对比分析。二、实验装置流体力学综合实验台（LTZ-15）三、实验原理1、对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为Z()hf=P1-=△h2P()Z1Pg++gP1其值为上下游量测断面的压差计读数。沿程水头损失也常表达为f=hLd·V22g=△h2g2V·dL其中：λ为沿程水头损失系数；L为上下游量测断面之间的管段长度；d为管道直；V为断面平均流速。若在实验中测得△h和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失系数。2、不同流动形态的沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。层流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的1次方成正比。紊流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的1.75～2.0次方成正比。见图1、图2。图2圆管内径向速度分布示意图紊流流速分布层流流速分布hfgllgV层流过渡区紊流n=1n=1.75～2.0图1阻力随速度变化图3、沿程水头损失系数λ是相对粗糙度△/d与雷诺数Re的函数，△为管壁的粗糙度，Re=Vd/（其中为水的运动粘滞系数）。（1）对于圆管层流流动eR/64（2）对于水力滑管紊流流动可取105Re()0.31641/4Re=可见在层流和紊流光滑管区，沿程水头损失系数λ只取决于雷诺数。（3）对于水力粗糙管紊流流动=2lg()2△d+1.74[]2沿程水头损失系数λ完全由粗糙度决定，与雷诺数无关，此时沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙管区通常也叫做“阻力平方区”。（4）对于在紊流光滑区和紊流粗糙管区之间存在过渡区，沿程水头损失系数λ与雷诺数和粗糙度都有关。四、实验步骤1、对照装置图和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查蓄水箱水位是否够高。否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数：工作管内径d和实验管长L。2、接通电源，启动水泵。打开供水阀。3、调通量测系统：（1）启动水泵排除管道中的气体。（2）关闭出水阀，排除其中的气体。随后，关闭进水阀，开出水阀，使水压计的液面降至标尺零附近。再次开启进水阀并立即关闭出水阀，稍候片刻检查水位是否齐平，如不平则需重调。（3）气－水压差计水位齐平。（4）实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在进水阀全开的前提下，逐次开大出水阀，每次调节流量时，均需稳定2-3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；测流量时间不小于8-10秒；测流量的同时，需测记压差计读数；（5）结束实验前，关闭出水阀，检查水压计是否指示为零，若均为零，则关闭进水阀，切断电源。否则，表明压力计已进气，需重做实验。五、实验数据及整理1、有关常数d=14㎜L=1000㎜水温=℃2、记录及计算3、绘图分析绘制LgV—lghf曲线，并确定指数关系值n的大小。在坐标纸上以LgV为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的LgV—lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。求坐标上直线的斜率=n-lghf2f1lgh2lgV-lgV1将从图纸上求得n值与已知各流区的n值（即层流n=1，光滑管流区n=1.75，粗糙管紊流区n=2.0，紊流过渡区1.75n2.0）进行比较，确定流态区。六、分析与思考1、为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？如果实验管道安装得不水平，是否影响实验结果？2、本次实验结果与莫迪图吻合与否？分析原因。3、实验中的误差主要由哪些环节产生？表1记录及计算常数=Kπ6d5/8Lcns/52次序体积㎝³时间s流量qv㎝³/s流速V㎝/s水温℃粘度υ㎝²/s雷诺数Re差压计㎝沿程损失hf㎝沿程损失系数λRe2320λ=64/Re1234567891011121314实验四、局部阻力系数的测定一、实验目的1、学会利用三点法量测突扩圆管局部阻力损失系数的方法。2、学会利用四点法量测突缩管路局部阻力损失系数的方法。3、加深对局部阻力损失的感性认识及对局部阻力损失机理的理解。二、实验装置流体力学综合实验台（LTZ-15）三、实验原理1、有压管道恒定流遇到管道边界局部突变的情况时，流动会分离形成剪切层，剪切层流动不稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡，造成不可逆的能量耗散。与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部分损失可以看成是集中在管道边界的突变处，单位质量流体的能量损失称为局部水头损失，参见图1。2、局部水头损失系数是局部水头损失与速度水头的比例系数，即2V12ghj=当上下游断面平均流速不同时，应明确它对应的是那个速度水头。例如对于突扩圆管就有=jh2g1V1和2V22ghj=之分。其他情况的局部水头损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。通常情况下对应下游的速度水头。3、局部水头损失的机理复杂，除了突扩圆管的情况以外，一般难于用解析方法确定，而要通过实测来得到各种局部水头损失系数。对于突扩圆管，在不考虑突扩段沿程阻力损失的前提下，可推导出局部阻力损失因数的表达式()-1=12,22=1-A2()1AA21A对于突缩圆管，局部阻力损失因数的经验公式：1-()=A12四、实验步骤1、做好实验前的各项准备工作，记录与实验有关的常数。2、往恒压水箱中充水，排除实验管道中的滞留气体。待水箱溢流后，检查泄水阀全关时，各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。3、打开泄水阀至最大开度，等流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法测量流量。4、调整泄水阀不同开度，重复上述过程5次，分别测记测压管读数及流量。5、实验完成后关闭泄水阀,检查测压管液面是否齐平，如平齐，关闭电源实验结束，否则，需重做。五、实验数据及整理d1=14㎜d2=26㎜d3=14㎜水温=℃次序流量㎝³/s测压管读数㎝体积时间流量实验数据整理表阻力形式序号流量㎝³/s后断面流速V㎝/s总阻力h㎝沿程阻力hλ㎝局部阻力hζ㎝阻力因素ζ实阻力因素ζ计突然扩大突然缩小六、分析与思考1、结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条