工程流体力学及流体机械实验指导书.doc

工程流体力学及流体机械 实实 验验 指指 导导 书书 王云中 杨成建 编 西安建筑科技大学 环境与市政工程实验中心 二七年四月 实验课规则实验课规则 1每次实验必须按时到达。 2实验前先预习有关实验内容，对实验目的及原理、设备图、操作步骤和方法，须 了解清楚。来实验时应携带计算工具、记录纸张、指导书等。 3实验前由指导教师抽问，对有关问题如答复不正确，不准参加操作，直至了解清 楚为止。 4实验时应听从指导人员指导，同学轮流担任各项工作，务须每人均能认真动手操 作，了解实验各项内容。对贵重、精密仪表应在教师直接指导下进行操作。 5爱护公共财物，若仪器和设备有破损时应立即报告指导教师，听候处理（按实验 室管理制度办理） 。 6实验进行时不许大声喧哗，并禁止吸烟，以保持良好的实验课秩序和环境卫生。 实验完后，整理好设备，如数完好地归还所用的仪表和工具。 7实验数据记录在实验结束前，应交指导教师查阅，经教师认为可以后方为有效， 如结果误差太大，应查明原因重做实验。 8实验报告的内容一般应当包括实验目的、实验原理、实验仪器简图、实验结果、 对实验讨论题的分析等。关于实验原理、设备图，实验步骤等，因实验指导书已有，为节 省时间，可不在实验报告中重复。 9作实验报告时，除原始记录数据外，其余皆应各人自行计算分析和作出结果，不 得互相抄袭，并按时送交报告。 10不得无故缺席，否则不能参加本课程的考试或考查。如因故缺席者，须实验前或 后，持证明报告教师，请示补作办法，否则以无故缺席论。 本规则在实施中若与校、院规定不符，则按校、院规定办理。 绪绪 言言 实验课的目的是使同学们巩固和验证所学的知识，受到实验方法和基本试验技能的训 练，养成严肃认真、实事求是的科学态度和作风，并培养处理实验数据、分析实验结果、 书写实验报告的能力。 本实验指导书是用于“工程流体力学”和“流体机械”等课程。 在工程流体力学的实验项目中，主要是其分支之一水力学方面的实验；另有专门 水力学、气体力学方面的实验。流体机械的实验项目则包括泵与通风机的实验。根据不同 专业的要求而对实验项目有所选择。 工程流体力学和流体机械都是应用科学，它们的发展同样体现了理论与实践相结合的 辩证关系。而实验则是在特定条件下的实践。由于流体的运动非常复杂，常常是用实验的 方法把自然现象在实验室内重复进行，观察其中物理本质，用实验来验证和发展理论，指 导实践，解决实际问题。而实践上升到理论又为实验提供了发展趋向。故实验在发展理论 和解决实际问题中是很重要的一种手段。 实验结果的准确决定于测量仪器设备的精确性、高度的实验技术及实事求是的科学态 度和作风。 有关每个实验的工作原理等将在各实验中分别介绍，这里仅就一些常见的共同性的的 问题作一说明： 1我们认为实验中的工作液体水是不可压缩的，即 牛顿/米 3=常数。 9807v 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（为水的动 v 力粘性系数， 为水的密度） 。运动粘性系数与温度的关系见实验 3 中所述。v 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。 三角堰堰顶水位及水位用水位标尺读出。 0 hh 当已知三角堰水头，可根据以下方法决定流量： 0 hhh 根据关系曲线图查得（见上图）()qfh 根据公式 2.52.47 1.40()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。 hq h q 水位标尺三角堰 进水管 h h h0 1 实验一实验一 静水压力实验静水压力实验 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； k p （1）hhhhhhhppk)()( 452110 式中，pkk 点处静水压力（牛顿/米 2） ； p0容器 e 流体表面压力（牛顿/米 2） ； 容器 e 中液体的重率（牛顿/米3） ； 1u 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） 。 ke hhh he容器 e 液面读数（米） ； hkk 点标高（米） 。 2 2容器内静水中任一点 k 处的真空值 pk 真空： （2） hhhhhhhppk)()( 541210真空 有色液体的重率1： 54 1 12 ()hh hh 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 p0pa 3 1 2p0pa 3 1 2p0100000。谢才系数 c 可用曼宁公式计算 2 8g c e r 建议取 0.011，水力半径 r 的单位以米计） 。 1/6 1 cr n 对于给排水工程旧钢管和旧铸铁管的水力计算，还常采用舍维列夫公式： 紊流过渡区（1.2 米/秒）： 11 0.3 0.3 0.07190.867 1 d 紊流粗糙区（1.2 米/秒）： 0.3 0.021 d 式中为管道内径，单位以米计。d 五、实验步骤 1开启水泵，打开进水阀门 a 及出水阀门 b，以排除管路及测压管中的空气。 2全开阀门 a、b，使水流达最大流量。 3待水流稳定后读取测压管水头值，并测量流量（流量测法与实验二相同） 。 4调节出水阀门 b，使流量逐渐减小，顺序改变 5 次，每次改变后重复步骤 3。 5测定水温、断面距离 l 及内管径。d 六、计算步骤 1计算平均流速：根据测得的测量水箱水位及时间 t 计算流量 q。由此得平h 均流速（米/秒） 2 4q d 2计算阻力损失 j h 3计算阻力系数值 4计算雷诺数 e r e r d v 式中运动粘性系数见实验三。v 5用上述布拉修斯、莫迪等公式验证。 七、记录计算表格 管 路 两断面 间距离 l（米） 管路内径 （米）d 管路断 面面积 a（米 2） 水温 （）t 水的粘 性系数 v（米 2/秒） 量水水箱 水位读数 h（米） 测量 时间 （秒）t 已 定 数 值 1 2010-3 12 2 1410-3 3 1010-3 实验项目计 算 项 目 1 p (米) 2 p (米) h (米) t (秒) 流量 q (米 3/秒) 流速 a q (米/秒) 水头 损失 hf (米) 实测阻力系数 2 2 l gd hf 雷 诺 数 re 流动 所属 区域 0.25 0.316 re = 0.0055 = ) re 10 20000(1 3 1 6 d k 比较 8 项 11 项 和 12 项 实 验 次 数 123456789101112 1 2 3 4 5 6 平均值 八、讨论问题 1沿程水头损失与哪些影响因素有关？ 2将实验得到的、re 值标注在教材中的莫迪图或尼古拉兹图上，分析、re 和 的关系。 k d 13 实验报告完成日期 年 月 日 实验设备号数 指导教师(签字) 14 实验四实验四 管路局部阻力实验管路局部阻力实验 一、实验目的 测定管路中突然扩大，突然缩小的局部阻力系数值。 二、应用的仪器设备 1管路设备一套，如下图所示。 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实际液体运动时，由于局部阻力而产生能量损失，称为局部水头损失hj，其表达式 为： g hj 2 2 式中，局部阻力系数（无因次数） ； 产生局部阻力后的管中平均流速（米/秒） ； g重力加速度，9.8 米/秒2。 15 于是可得局部阻力系数的计算式： 2 2 g hj 关于 hj值，可由产生局部阻力的前后断面的伯诺里方程式决定，即 （忽略沿程损失） g aapp zzhj 2 2 22 2 1121 21 一般取 12 1aa= g pp hj 2 2 2 2 121 可见局部水头损失 hj的值，即为产生局部阻力前后两断面的测压管水头差和流速水头 差。 五、实验步骤 1开启水泵，待水泵运转正常后，全开阀门 a，部分开启出水阀门 b，并打开稳压 罐上的排气阀 d，排除实验管路系统内的气体。待气体排完后关闭阀门 d。 2微关阀门 b，检查各测压管内是否有气泡，如果没有气泡开始进行实验测量，如 果存有气泡，必须排除气泡，然后才能进行实验。 3全开阀门 b，开始第一组实验数据测量。依次逐渐关小阀门 b，在不同流量下测 量三组实验数据，即共测三次。 4记录 1-1、2-2 等断面的测压管水头，记录水箱水位，及秒表数，测量实验段长度 和管径，计算流量（流量计算同实验二） 。 5实验完毕后，整理仪表，关闭水泵。 六、计算步骤 1由产生局部阻力前后断面的测压管读数 h1及 h2，决定压力水头值。 12 pp - 2计算产生局部阻力前后断面（其面积 a1，a2）平均流速、。 1 2 ， 1 1 a q 2 2 a q 同时计算流速水头及其差值，假设 a1= a2 =1 gg aa 22 2 2 2 1 2 22 2 11 16 3计算。 g pp hj 2 2 2 2 121 4计算局部阻力系数值。 七、记录及计算表格 管路内径（米） 突然扩大突然缩小 d1d2d1d2 测量水箱断面 面积（米 2） 已 定 数 值 1410-32010-32010-31410-30.20.2 产生局部阻力前后断面 1-1 及 2-2 上的测管水位读数（米）实测流量 突然扩大突然缩小 11221122 实 验 次 数 h1h2h1h2 测量水 箱水位 h （米） 测量 时间 t （秒） 流量 q (米 3/秒) 1 2 3 4 5 流速水头差 测管 水头差 局部水头损失 局部阻 力系数 细管流速水头粗管流速水头 实 验 次 数 流量 q 米 3/