流体力学实验报告

流体力学实验报告海洋环境学院流体力学实验室二零零七年九月不可压缩流体恒定流能量方程（伯努力方程）实验一、实验目的要求1、验证流体恒定总流的能量方程；2、通过对动水力学现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性；3、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。二、实验装置本仪器测压管有两种：1、毕托管测压管（表2.1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头'H（22puZg），须注意一般情况'H于断面总水头H（22pvZg）不同（因一般uv），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；2、普通测压管（表2.1未标*者），用以定量量测测压管水头。实验流量用阀13调节，流量由体积时间法（量筒、秒表另备）、重量时间法（电子称另备）或电测法测量。三、实验原理在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面（1）至另一断面（i）的能量方程式（i＝2，3，……，n）122111122iiiiiwpvpvZZhgg取12n1…＝，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出pZ值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及22vg，从而即可得到各断面测管水头和总水头。四、实验方法与步骤1、熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。1.自循环供水器2.实验台3.调速器4.溢流板5.稳水孔板6.恒压水箱7.测压计8.滑动测量尺9.测压管10.实验管道11.测压点12.毕托管13.流量调节阀3、打开阀13，观察思考1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位置水头、压强水头之间的相互关系；3）测点（2）（3）测管水头同否？为什么？4）测点（12）（13）测管水头是否不同？为什么？5）当流量增加或减少时测管水头如何变化？4、调节阀13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（毕托管供演示用，不必测记读数）。5、改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。五、实验成果及要求1、记录有关常数均匀段1Dcm缩管段2Dcm扩管段3Dcm水箱液面高程0＝cm上管道轴线高程z＝cm表2.1管径记录表测点编号1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管径cm两点间距cm4466413.5610291616注：（1）测点6、7所在断面内径为2D，测点16、17为3D，余均为1D。（2）标“*”者为毕托管测点（测点编号见图2.2）。（3）测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。2、记录各点液面高程。3、测量（pZ）并记入表2.2。表2.2测记（pZ）数值表{基准面选在标尺的零点上}单位cm测点编号234579101113151719Qcm3/s实验次序1233、计算流速水头和总水头4、绘制上述成果中最大流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P（轴线尺寸参见图2.2，总水头线和测压管水头线可以绘在图2.2上）。提示：1．P-P线依表2.2数据绘制，其中测点10、11、13数据不用；2．E-E线依表2.3（2数据绘制，其中测点10、11数据不用；3．在等直径管段E-E与P-P平行。六、成果分析及讨论1．测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同?为什么？2．流量增加，测压管水头线有何变化?为什么？3．测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？4．试问避免喉管（测点7）处形成真空优哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。5．毕托管所显示的总水头线与实测制的水头线一般都略有差异，试分析其原因。表2.3计算数值表（1）流速水头管径d（cm）Q＝（cm3/s）Q＝（cm3/s）Q＝（cm3/s）A(cm2)v(cm/s)22vg(cm)A(cm2)v(cm/s)22vg(cm)A(cm2)v(cm/s)22vg(cm)(2)总水头（22pvZg）单位：cm测点编号Q（cm3/s）实验次序图2.2不可压缩流体恒定流动量定律实验一、实验目的要求1．验证不可压缩流体恒定流的动量方程；2．通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研讨，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理；3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，进一步启发与培养创造性思维的能力。二、实验装置自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控制。水流经供水管供给恒压水箱5，溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴6的水流形成射流，冲击带活塞和翼片的抗冲平板9，并以与入射角成90°的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管8中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深ch可由测压管8测得，由此可求得射流的冲力，即动量力Fo冲击后的弃水经集水箱7汇集后，再经上回水管10流出，最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。为了自动调节测压管内的水位，以使带活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影响，本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术，其构造如下：带活塞和翼片的抗冲平板9和带活塞套的测压管8如图所示，该图是活塞退出活塞套时的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a，进口端位于平板中心，出口端伸出活塞头部，出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片b活塞套上设有窄槽c。工作时，在射流冲击力作用下，水流经导水管a向测压管加水。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽c关小，水流外溢减小，使测压管内水位升高，水压力增大。反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测压管内水位降低，水压力减小。在恒定射流冲击下，经短时段的自动调整，即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上，过a流进测压管的水量和过c外溢的水量相等。由于平板上设有翼片b，在水流冲击下，平板带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平衡状态下，人为地增减测压管中1.自循环供水器2.实验台3.可控硅无级调速器4.水位调节阀5.恒压水箱6.管嘴7.集水箱8.带活塞的测压管9.带活塞和翼片的抗冲平板10.上回水管的液位高度，可发现即使改变量不足总液柱高度的±5‰（约0.5~1mm），活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移，开大或减小窄槽c，使过高的水位降低或过低的水位提高，恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.5%，亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。三、实验原理恒定总流动量方程为2211()FQvv因滑动摩擦阻力水平分力0.5%xxfF，可忽略不计，故x方向的动量方程化为211(0)4xccxFpAhDQv即21104xcQvhD式中：ch——作用在活塞形心处的水深；D——活塞的直径；Q——射流流量；1xv——射流的速度；1——动量修正系数。实验中，在平衡状态下，只要测得流量Q和活塞形心水深ch，由给定的管嘴直径d活塞直径D，代入上式，便可率定射流的动量修正系数1值，并验证动量定律。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞圆心处的水深。四、实验方法与步骤1．准备熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。2．开启水泵打开调速器开关，水泵启动2~3分钟后，关闭2~3秒钟，以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气。3．调整测压管位置待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。4．测读水位标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即ch值。5．测量流量用体积法或重量法测流量时，每次时间要求20秒左右。均需重复测三次再取平均值。6．改变水头重复实验逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按3-5步骤重复进行实验。五、实验成果及要求1．记录有关常数。管嘴内径d=cm，活塞直径D=cm。2．设计实验参数记录、计算表，并填入实测数据。六、实验分析与讨论1．实测（平均动量修正系数）与公认值（=1.02~1.05）符合与否，如不符合，试分析原因。2．带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响？为什么？3．若通过细导水管的分流，其出流角度与2v相同，对以上受力分析有无影响？4．滑动摩擦力xf为什么可以忽略不计？试用实验来分析验证xf的大小，记录观察结果。（提示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水量，观察活塞及液位的变化）。测次体积V时间T管嘴作用水头0H活塞作用水头ch流量Q流速v动量力F动量修正系数1123雷诺实验一、实验目的要求1.观察层流、紊流的流态及其转换特征；2.测定临界雷诺数，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、实验装置供水流量由无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3-5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。三、实验原理4Re;vdQKQd4Kd四、实验方法与步骤1、测记本实验的有关常数。2、观察两种流态。打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一条直线。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，在逐步管小调节阀，观察有紊流转变为层流的水力特征。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，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，按照上述步骤重复测量不少于三次；（5）同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。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，只需渐小，不许开大；c、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。1.自循环供水器2.实验台3.可控硅无级调速器4.恒压水箱5.有色水水管6.稳水孔板7.溢流板8.实验管道9.流量调节阀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，当色水线刚开始散开时，即为上临界雷诺状态，测定上临界雷诺数1~2次。五、实验成果及要求1、记录、计算有关常数：实验装置台号No管径d=cm，水温t=℃运动粘度20.0177510.03370.000221tt=2/cms计算常数K=3/scm2、整理、记录计算表实验次序颜色水线形态水体积V(3cm)时间T(s)流量Q(3/cms)雷诺数Re阀门开度增()或减()备注实测下临界雷诺数（平均值）ecR=注：颜色水形态指：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、实验分析与讨论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.雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？绕流圆柱表面压头分布的测量（一）实验目