工程流体力学实验

1、工程流体力学实验指导书谢振华编北京科技大学土木与环境工程学院2003 年9月前言工程流体力学实验是工程流体力学课程教学的重要环节。通过实验，可以对课堂讲授的理论知识加以巩固和进一步的验证， 加强理论和实践的结合，同时可以培养学生实际动手能力和分析问题、解决问题的能力，为今后的科学研究打下基础。本实验指导书是根据教学大纲的要求，并结合实验室的具体设备编写的。实验内容包括水静压强实验， 不可压缩流体定常流动动量方程实验， 雷诺实验，管路沿程阻力实验， 管路局部阻力实验， 毕托管测速实验， 文丘里流量计实验。这些实验可以使学生掌握流体力学的实验技术和测量技巧，为进行科学实验研究做准备。由于编者水平有

2、限和实验设备的限制，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。编者2003年7月目录11233648512615717p0 为：实验 1水静压强实验一、实验目的1加深理解流体静力学基本方程及等压面的概念。2理解封闭容器内静止液体表面压强及其液体内部某空间点的压强。3观察压强传递现象。二、实验装置实验装置如图1.1 所示。图 1.1水静压强实验装置图三、实验原理对密封容器（即水箱）的液体表面加压时，设液体表面压强为P0，则 P0Pa， pa 为大气压强。从 U 形管中可以看到有压差产生， U 形管与密封水箱上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。密闭水箱内液体表面压强p0p ah1

3、式中液体的重度；h U 形管中液面上升的高度。当密闭水箱内压强 P0 下降时， U 形管内的液面呈现相反的现象，即 P0 Pa，这时密闭水箱内液面压强 p0 为：p0pah式中h U 形管中液面下降的高度。四、实验步骤1关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U 形管出现压差h 。在加压的同时，观察左侧A 、B 管的液柱上升情况。由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A 、B 两点在水箱内的淹没深度h 不同，在压强向各点传递时，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。2打开排气阀

4、，使液面恢复到同一水平面上。关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器内压力下降，观察U 形管中液柱的变化情况。五、分析和讨论1液体表面压强p0 与表压强、真空度有什么关系？2用该实验装置是否可以测出其他液体的重度？为什么？2实验 2不可压缩流体定常流动动量方程实验一、实验目的1. 通过射流对水箱的反作用力和射流对平板的作用力验证不可压缩流体定常流动的动量方程。2. 通过对动量与流量、 流速、 射流角度等因素的相关性分析，进一步掌握流体的动量守恒定理。二、实验装置实验装置如图2.1 所示。图 2.1 动量方程实验装置简图1. 实验水箱 2. 控制阀门 3. 高位水孔 4. 低位

5、水孔 5. 砝码 6. 转动轴承 7. 挡板 8. 固定插销 9. 水平仪 10. 喷嘴 11. 水泵 12. 水箱 13. 挡水板 14. 实验台支架三、实验原理1 射流对水箱的反作用力原理以水箱水面，出口断面及箱壁为控制面，对水平x 轴列动量方程：Fx RxQ( 02 v2x01v1x )式中 Rx 水箱对射流的反作用；水的密度；Q 射流流量；01 ， 02 动量修正系数，取1；v1x 水箱水面的平均流速在x 轴的投影，取0；v2x 出口断面的平均流速在x 轴的投影。由对转轴计算力矩 M 求得 Rx 。3MRxLQv L式中L 出口中心至转轴的距离；v 出口流速。移动平衡砝码得到实测力矩M

6、 0 ：M0GS式中G 平衡砝码重量；SSSS0；S 出流时（动态）砝码至转轴的距离；S0 未出流时（静态）平衡砝码至转轴的距离。2射流对平面的作用力原理取喷嘴出口断面，射流表面，以及平板出流的截面为控制面，对水平x轴列动量方程：FxRxQ( 02 v2 x01v1 x )式中Rx 平板对射流的反作用力；v1x 喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速；v2 x 断面平均流速在x 轴的投影，取 0。由对转轴计算力矩 M 求得 Rx 。MRxL1Qv L1式中L1 水流冲击点至转轴的距离；v 喷嘴出口的平均流速。添加砝码得到实测力矩M 0 ：M0GL2式中G 砝码重量；L2 砝码作用点到转轴的距离。四

7、、实验步骤及注意事项1射流对水箱的反作用力实验1）实验步骤 开启进水阀门，将水箱充满水，关小阀门，使之保持较小溢流。 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（静态）砝码位置S0 。 插上插销，将出口转至高孔位置。调节阀门，使之仍保持较小溢流。 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（动态）砝码的位置S 。 用体积法测量流量，计算流速。 将出口转至低孔位置，重复步骤。2）注意事项 调节前，必须将插销插上。 拔出插销后，应用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器。2射流对平面的作用力实验41）实验步骤 在拉链端部加重量 50 克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持垂直位置，记下砝码位置，用体积法

8、测流量。 改变砝码重量，重复步骤。2 ）注意事项 应缓慢开启和调节阀门。 注意单位换算。五、实验数据记录及计算1水箱法仪器常数： L =cm，S0=m， G =NSM 0VtQvR XMM 0/ MSG SQvRx LS S0(m3 )(s)(m3/s)(m/s)(%)（ m）( N )( Nm )( m)( Nm )1高孔21低孔22. 平板法仪器常数： L1 =m，L2=mGM 0VtQvRXMM 0/ MG L2QvRx L1( N)3(s)3(m/s)( %)( Nm )(m )(m /s)(N )( Nm123六、分析和讨论分析用动量方程求得的作用力值和实测值之间产生误差的原因。5实

9、验 3雷诺实验一、实验目的1 观察流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。2 观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。3 测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数 Rec 二、实验装置实验装置如图3.1 所示。图 3.1 雷诺实验装置1. 水箱及潜水泵 2. 上水管 3. 溢流管 4. 电源 5. 整流栅 6. 溢流板 7. 墨盒 8. 墨针 9. 实验管 10. 调节阀 11. 接水箱 12. 量杯 13. 回水管 14. 实验桌三、实验原理流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头 H 不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就

10、有稳定的平均速度 v ，微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线， 其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动， 红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出6现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。流体的雷诺数 RevdQ Av ， vQ，根据连续方程：。流量 Q 用体积法测出，t 时间内流入计量水箱中流体的

11、体积V 。A即在V，d 2QAt4式中A 管路的横截面积；d 管路直径；v 流体繁荣流速；水的运动粘度。四、实验步骤1准备工作。将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度 H不变。2缓慢开启阀门 7，使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门 9，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。3开大出口阀门7，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出口阀门7，观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量，计算出下临界流速 vc 。重复做三次，即可算出下临界雷诺数。五、实验数据记录及计算d =mm水温 =实验次数V （m）（ ）（

12、/s ）vc（m/s ）/s ）Rec3t sQ32m（ m123下临界雷诺数的计算公式为：Recvcd7实验 4管路沿程阻力实验一、实验目的1 验证沿程水头损失与平均流速的关系。2 测定不同管路的沿程阻力系数。3 对照雷诺实验，观察层流和紊流两种流态及其转换过程。二、实验装置实验装置如图4.1 所示。图 4.1阻力综合实验装置1. 水泵电机2. 水泵 3. 循环储水箱 4.计量水箱5. 孔板及比托管实验管段进水阀6. 阀门阻力实验管段进水阀7.D=14mm 沿程阻力实验管段进水阀8.D=14mm 沿程阻力实验管段9.阀门阻力实验管段 10. 孔板流量计 11. 比托管 12. 测阻阀门 13

13、.测压管及测压管固定板14.D=14mm 沿程阻力实验管段出水阀15阀门阻力实验管段出水阀16.孔板及比托管实验管段出水阀17.文丘里实验管段出水阀 18.D=10mm沿程阻力实验管段出水阀19.管支架 20.D=10mm 沿程阻力实验管段21. 文丘里流量计22排水阀门三、实验原理1沿程水头损失与流速的关系对沿程阻力两测点的断面列伯努利方程p1a1v12P2 a 2 v 2 2z12gz2hl2g8因实验管段水平，且为均匀流动，所以z1z2 , d1 d 2 , v1v2 , 12 1, hlh f由此得p1p2hh fy即管路两点的沿程水头损失hf 等于测压管水头差h 。由此式求得沿程水头

14、损失， 同时根据实测流量计算平均流速v ，将所得 hf 和 v 数据绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与平均流速的关系。2沿程阻力系数的测定由上面的分析可以得到：p1 p2hh fy由达西公式：lv 2h f2gd用体积法测得流量Q ，并计算出断面平均流速v ，即可求得沿程阻力系数：2gd h2lv四、实验步骤1 沿程水头损失与流速的关系实验1）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。2 ）开启调节阀门，测读测压计水面差。3 ）用体积法测量流量，并计算出平均流速。4）将实验的 h f 与计算得出的 v值标入对数坐标纸

15、内，绘出lg h f lg v 关系曲线。5）调节阀门逐次由大到小，共测定10 次。2 沿程阻力系数的测定实验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道的实验点绘制成lg Relg 100对数曲线。五、实验数据记录及分析1沿程水头损失与流速的关系实验数据及计算如表4.1 所示， lg h flg v 关系曲线如图 4.2 所示。仪器常数： d =cm, A = cm2L=m, t=9表 4.1 数据表Noh1h2hflg h

16、 fVtQvlg v（ cm)(cm)(cm)(cm3)(s)(cm3/s)(cm/s)12345678910图 4.2 lg h flg v 关系曲线2沿程阻力系数的测定实验数据及计算如表4.2 所示， lg Re lg 100关系曲线如图 4.3所示。仪器常数：d 粗 =cm， d细 =cm， l =mt =水 =3N/m10表 4.2 数据表类hh2h汞h水VtQvlg(别1(cm3)(s)(cm3/s)(cm/s)Re lgRe100 )(cm)(cm)(cm)(cm)No12粗3管4561细234管56图 4.3lg Relg 100关系曲线11实验 5管路局部阻力实验一、实验目的1

17、 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定理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理解。二、实验装置实验装置同实验4，如图 4.1 所示。三、实验原理写出局部阻力前后两断面的伯努利方程， 根据推导条件， 扣除沿程水头损失可得局部水头损失。1 突然扩大沿程水头损失与流速的关系采用三点法计算，下式中实测hre( z1理论h f 1 2 由 h f 2 3 按流长比例换算得出：p1 )av1 2 ( z2p 2 )av2 2 h f 1 2 2 g2g2av1ehre /2ge (1

18、A1 )2 A2hreeav122 突然缩小采用四点法计算， 下式中换算得出。实测hrs( zp4)4经验2gB 点为突缩点， h f 4 B 由 h f 3 4 hf3-4 换算得出， hfB 5 由 h f 5 62p5 )2av4 ) hf 4 B) ( zav5 ) hfB52 g52g2shrsav5/2gAs 0.5(1 5 ) A312hrss2av52 g四、实验步骤1测记实验有关常数。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。4改变出水阀开度34 次，分别测记压管读数及流量。五、实验数据记录及

19、计算1 记录、计算有关常数：d1D1cm，d 2d3 d4D2cm，d 5d 6D3cm，l 1 2cm，l 2 3cm，l 3 4cm，l 4 Bcm，l B 5cm，l 5 6cm， e(1A1 ) 2 ， s0.5(1A5 )A2A32 实验数据记录见表5.1，实验数据计算结果如表5.2所示。3 将实测局部阻力系数与理论值或经验值进行比较。表 5.1实验数据记录表次序流量（ cm3/s）测压管读数 cm体积时间流量表 5.2计算表前断面后断面阻力次流量av2av2hrhr形式序3EEcm /s2gcm2gcmcmcmcmcm13突然扩大突然缩小六、分析和讨论1根据实验成果，分析比较突扩与

20、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？3现有一段与调节阀相连，内径与实验管道相同的直管段（见图4.1），如何用两点法测量阀门的局部阻力系数？14实验 6毕托管测速实验一、实验目的1 通过对管嘴淹没出流流速及流速系数的测量，掌握用毕托管测量某一点流速的技能。2 了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其测量精度，进一步明确传统流体力学测量仪器的现实作用。二、实验装置实验装置同实验4，如图 4.1 所示。三、实验原理用毕托管测量流速时，uc2g hkh式中u 毕托管测点处的流速；c 毕托管的流速校正系数；h 毕托管的全压水头与静水压水头差；k 仪器常数，kc 2g 。对管嘴出流：u2g H式中u 测点处流速，由毕托管测定；管嘴的流速系数；H 管嘴的作用水头。联立解以上两式，可得：ch /H四、实验步骤1打开水泵和出水阀，读取管嘴的上下游水位和毕托管水头。2调节出水阀，再重复步骤1）三次。五、实验数据记录及计算1计算常数。毕托管的校正系数c =，常数 k =cm0.5/s。2实验数据记录及计算见表6.1。表 6.1 数据表上下游水位差毕托管水头差测点流速实验(cm)(cm)测点流速系数u