流体力学实验指导书

流体力学实验流体力学实验主要目的是使学生了解流体力学的基本实验方法和研究方法。掌握基本实验技术和技能，增强对流体运动的直观认识，加深理解并掌握流体力学的基本知识和原理，通过实验训练进一步培养学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的创新意识、创新精神和创新能力，为学生今后从事环境工程领域的科学研究和技术开发工作打下坚实的基础。本实验适应环境工程、环境科学、给水排水、建筑环境工程等专业的实验教学。本实验共开设7个实验项目，分别为静水压力实验、伯诺里方程式的验证、雷诺实验、管路沿程阻力实验、管路局部阻力实验、水跃实验和宽顶堰实验。实验类型包括验证性实验和设计性实验，可根据课程教学的进度合理安排实验时间。实验以小组为单位进行，每组5～6人。实验前，学生必须认真阅读实验指导书，了解实验的目的和原理，明确本次实验中要测定什么量，最终要求什么量，用什么实验方法，使用什么仪器，控制什么条件，需要注意什么问题。实验过程中，要求学生勤于动手，敏锐观察，细心操作，准确记录原始数据，经教师检查并签名，实验及其原始数据记录才有效。本实验开始前，一些常见的共同性的的问题在此先作一下说明：1、我们认为实验中的工作液体——水是不可压缩的，即9807v牛顿/米3=常数。2、水的粘性系数随温度而变。通常我们使用的是运动粘性系数v（为水的动力粘性系数，为水的密度）。运动粘性系数v与温度的关系见实验三中所述。3、流体的压力是采用测压管来测量，读数据应正视测压管的液柱面（如水的自由表面）这样才能读数准确。因数据在大多数情况下仅读取其压差值，此时可不考虑测压管的毛细现象对读取数据的影响。4、液体流量的测定。通常在实验中采用下列方法：1）体积法：用量水桶和秒表来测定；2）重量法：用盛水桶磅秤和秒表来测定，也可用电子秤；3）差压法：用文德里管、毕托管、管中孔板或管嘴等来测定；4）堰流体：利用各种形式的水堰来测定，本室多用三角形量水堰，如下图所示。△H～Q△HQ▽水位标尺三角堰进水管▽△HHH0三角堰堰顶水位0H及水位H用水位标尺读出。当已知三角堰水头0HHH，可根据以下方法决定流量：①根据()QfH关系曲线图查得（见上图）②根据公式2.52.471.40()1.343()QHQH或应当指出，差压法、堰流法是间接测量法，事先常用体积法或重量法来校正（此工作由本室作）。另外，当需记录单向水流管道内流量的总和（非瞬时流量），可采用叶轮湿式水表超声波流量计、涡轮流量计等；对测定非浑浊液体、气体流量，可采用转子流量计；对测量各种酸、碱溶液及含有纤维或固体悬浮导电液体的流量，可采用电磁流量计。还可采用现代技术，如用恒温测速仪（缩写为CTA，即热线流速仪）、激光多普勒测速仪，测定过流断面流速分布，进而得出流量。5、实验操作时应注意的几个问题：1）因我们是作稳定流情况下（运动要素不随时间变化）的各种实验，故实验时需要有稳定的作用水头。这样流经实验设备时的水流是稳定流。2）在改变流量后，需经一段时间让水流稳定后再读取实验数据（如读取量水堰的堰前水头等），由此读取之数据才是改变流量后的真正数据。3）管路及测压管中的空气应排尽，接头处不应漏气，测压管应通畅。4）对电器设备，应熟识后才可动手操作，注意安全用电。5）实验完成后关闭电源。实验一静水压力实验一、实验目的1、测定静水中任一点的压力和真空值；2、测定有色液体的重率。二、应用的仪器设备静水压力实验器。三、仪器设备简图四、实验原理1、容器内静水中任一点K处的静水压力kP；hhhhhhhPPK)()(452110（1）式中，Pk——K点处静水压力（牛顿/米2）；P0——容器E流体表面压力（牛顿/米2）；γ——容器E中液体的重率（牛顿/米3）；γ1——U形管内有色液体的重率（牛顿/米3）；h1、h3、h5——上端开口通气的测压管读数（米）；h2、h4、h6——上端通向容器空气室的测压管读数（米）。KEhhhhE——容器E液面读数（米）；hK——K点标高（米）。2、容器内静水中任一点K处的真空值Pk真空：hhhhhhhPPk)()(541210真空（2）有色液体的重率γ1：54112()hhhh五、实验步骤1、测静水压力（或剩余压力），这时容器E液体表面压力P0大气压力Pa；1）打开容器上端的排气阀观看各测压连通管内液面是否齐平，是否在同一个水平面上，如不齐平检查各管内是否阻塞，并加以疏通。2）关紧容器上端的排气阀，抬高活动水箱至一定的高度，待水面稳定后读出各处测压管内液面的水位。3）抬高活动水箱至三个不同的高度，测量三组数据。2、测真空值（或负压），这时容器E液体表面压力P0大气压力Pa；1）打开容器上端的排气阀使压力恢复正常，使活动水箱处在最高位置。此时各测压连通管液面应齐平。关闭排气阀，并下降活动水箱至一定距离，待液面稳定后，读记各测压管内液面的水位。2）在活动水箱被抬高状态下，降至三个不同的高度，测量三组数据。六、记录及计算表格1、测量数值固定数值：K点高程hk=（米）项目实测次数测压管及容器液面水位读数h1（米）h2（米）h4（米）h5（米）hE（液面）（米）P0Pa123P0Pa1232、计算数值项目实测次数液面水位差值静水压力有色液体的重率12hh（米）Ekhh（米）54hh（米）)()(452110hhhhP（牛/米2）0KPPh（牛/米2）45()KPhhh真空（牛/米2）15412()hhhh（牛/米3）P0Pa123P0Pa123七、讨论问题1、在6个玻璃管中的液面，哪些是压力相等面？2、在连续的同一重力液体中任取两点，其pz=常数，试用实验数据阐明这个规律。3、实测K点的压力及真空值时，为什么事前都将排气阀处于打开状态，然后再关闭？实验二伯诺里方程式的验证（旧版本）一、实验目的绘制测管水头线和总水头线。二、应用的仪器设备1、自循环管路系统一套；2、测压管一组；3、测量水箱、秒表、直尺。三、实验设备示意图四、实验原理1、根据实际液体稳定渐变流动伯诺里方程：whgaPZgaPZ222222221111式中，1p及2p分别为断面1~1及2~2处的压力水头（压能）；ga2211及ga2222分别为断面1~1及2~2处的流速水头（动能）；1z及2z分别为断面1~1及2~2处的位置水头（位能）；wh为断面1~1至2~2间的水头损失。11pz为1~1断面的测管水头；gaPz221111为1~1断面的总水头。各断面测压管水头及总水头连线分别为测压管水头线及总水头线。由于实际液体流动时水流的单位能量沿程减少，所以总水头线是沿程下降的，但测管水头线则不一定，可能升高，可能降低，也可能水平。这可用实验加以验证。2、水量计算QLWHVTT式中，V——△T时间内水箱内水的容积（米3）；H——水箱内水位高度（米）；L×W（长×宽）——水箱断面面积（米2）；△T——测量时间（秒）；Q——流量（米3/秒）。五、实验步骤1、开启水泵，打开管路进水阀门A，这时水流进入恒压水箱，待水箱水满溢流后，打开管路出水阀门B，排走管路内的气体，待管道内的气体排完后，关闭阀门B。2、阀门B关闭后，开始检查各测压管水位，如果所有测压管水头水位在同一个水平面上，就证明测压管内无气泡（或没有堵塞），处于正常状态，打开阀门B开始作实验。如果某一些测压管水头高（或低）就说明这些测压管内有气泡（或堵塞）。这时就要将测压管内的气泡完全排出（或疏通）。然后检查各测压管水头是否在同一个水平面上，只有各测压管水头在同一个水平面状态下，测得的实验数据才能准确。3、检查完所有测压管水头后，情况正常，打开阀门B，开始实验。记录各测压管水头，测量流量，测量测点之间的距离。4、再次开大阀门B，重复上述步骤，在三种不同的流量下测量三组数据。六、实验设备固定常数所选管路断面管径（米）d1d1d2d2d3d3d4d414×10-314×10-324×10-324×10-314×10-314×10-314×10-314×10-3各测管的距离（米）l1～AlA～2l2～BlB～3l3～4七、记录及计算表格1、实测数值实验次数各断面测压管水头（米）各断面总水头（米）测量水箱水位H（米）测量时间T（秒）实测流量Q（米3/秒）1p2p3p4pH1H2H3H4123八、绘制测管水头线及总水头线（可任选一组数据绘图）（比例尺1∶20）九、讨论问题1、测压管水头线的坡度是否始终是沿流下降？为什么？总水头线沿流可否上升、下降或水平？2、为什么阀门B开度越大，测压管水位越下降？3、当管路系统的流量不变时，管路位置的改变，能否影响测管水头线及总水头线的形状？实验二伯诺里方程式的验证（新版本）一、实验目的1、验证理想流体恒定元流伯努利方程，掌握其基本原理；2、绘制水头线，理解实际流体恒定总流伯努利方程基本原理，掌握其各种能量和压头的相互转换关系；3、掌握一种测定流体流速的方法。二、应用的仪器设备1、伯努利方程实验仪一套（见图1）；2、测量秒表、直尺。三、实验设备示意图98673潜水泵5421储水箱测量水箱测量台（7）③②测量台恒定总流伯努利方程验证实验管道恒定元流伯努利方程验证实验管道（1）（2）（3）（5）（6）（4）①ABCDE1、溢流板；2、稳水孔板；3、上水阀；4、溢水管；5、上水管；6、回水管；7、实验台面；8、回水阀；9、流量调节阀图1伯努利方程实验仪原理示意图四、实验原理1、基本概念（1）理想流体：指无黏性而不可压缩的流体。（2）流管和流束：在流场中任取不与流线重合的封闭曲线，过曲线上各点作流线，所构成的管状表面称为流束(见图1)；因为流线不能相交，所以流体不能由流管壁出入。恒定流中流线的形状不随时间变化，所以恒定流流管、流束的形状也不随时间变化。（3）过流断面：在流束上作出的与流线正交的横断面是过流断面。过流断面相互平行的均匀流段，过流断面才是平面(见图2)。图1流束图2过流断面图图3管流的流速分布（4）元流和总流：元流是过流断面无限小的流束，几何特征与流线相同。由于元流的过流断面无限小，断面上各点的运动参数（如位置高度、流速、压强)均相同。总流是过流断面为有限大小的流束，是由无数元流构成的，断面上各点的运动参数一般情况下是不同的。（5）流量：单位时间通过某一过流断面的流体体积称为该断面的体积流量，简称流量Q(m3/s)，以dA表示过流断面的微元面积，u表示该点的速度，则：AQudA(1)（6）断面平均流速：总流过流断面上各点的流速u一般是不相等的，以管流为例，管壁附近流速较小，轴线上流速最大(见图3)。为了便于计算，设想过流断面上流速u均匀分布，通过的流量与实际流量相同，流速u定义为该断面的平均流速，即：AQudAuA(2)或QuA(3)式(2)是曲面积分的中值定理。（7）均匀流与非均匀流：流线是相互平行的直线的流动称为均匀流。这里要满足两个条件，即流线既要相互平行，又必须是直线，其中有一个条件不能满足，这个流动就是非均匀流。均匀流的概念也可以表述为液体的流速大小和方向沿空间流程不变。流动的恒定、非恒定是相对时间而言，均匀、非均匀是相对空间而言；恒定流可是均匀流，也可以是非均匀流（如渐变流），非恒定流也是如此。均匀流具有下列特征：1）过水断面为平面，且形状和大小沿程不变；2）同一条流线上各点的流速相同，因此各过水断面上平均流速相等；3）同一过水断面上各点的测压管水头为常数（即动水压强分布与静水压强分布规律相同，具有pzC的关系）。2、验证恒定元流伯努利方程当理想流体在重力作用下稳定流动时，各空间点对应的位置、压强、流速，不随时间改变，一定元流上各点的量值满足满足：22puzCg（常量）(4)或2211221222pupuzzgg(5)式（5）称为理想恒定元流伯努利方程，其中z称为位置水头，表示单位重量流体所具有的位能，1p称