流体力学实验

1、-作者xxxx-日期xxxx流体力学实验【精品文档】流体力学实验莫乃榕 编著华中科技大学 力学系目录第一章 流体力学基础实验 ( )§1-1 流体静力学实验 ( )§1-2 明渠水流速度分布测量 ( )§1-3 动量方程实验 ( )§1-4 沿程水头损失实验 ( )§1-5 局部水头损失实验 ( )§1-6 文丘里流量计、孔板流量计的标定实验 ( )§1-7 孔口、管嘴实验 ( )§1-8 雷诺实验 ( )§1-9 堰流实验 ( )§1-10 闸下自由出流实验 ( )§1-11 水跃实

2、验 ( )第二章 流体力学综合实验 ( )§2-1 压力传感器的标定实验 ( )§2-2 圆柱表面压强分布的测量 ( )§2-3 紊流射流速度分布测量 ( )§2-4 热线探头的标定 ( )§2-6 圆柱体尾迹速度分布测量 ( )第一章 流体力学基础实验本章介绍流体力学的基础实验。基础实验是指用传统的测试手段测量流体运动的压强、速度、流量等基本参数。这些实验都是教学大纲要求的必做实验。§1-1 流体静力学实验1.1.1 实验目的 1观察测点的测压管水头(位置水头与压强水头之和)，加深对静压强公式的理解。2求未知液体的密度1.1.2 实

3、验装置图1.1.1 静压强实验仪图1.1.1是一种静水压强实验仪。管1为开口测压管，管2和管3，管4和管5，管6和管7各组成一个U形管。管1、2、3均与水箱接通，构成一个连通器。其中，管1与密封水箱中部某点接通。管2、3与水箱底部某点接通。管4和管6与水箱上方的气体压强接通。管4、5和管6、7分别盛有两种液体，其密度为和。水箱上方有密封阀，水箱液面上的气体与大气不相通，其压强为p0。调压箱通过软管与水箱接通。上、下移动调压管就可以改变水箱中的水位，也改变水箱中密封气体的压强p0。如果调压筒水面高于水箱的水面，水将从调压筒流入水箱，此时，水箱中的密封气体的体积将减小，压强增大。密封气体压强高于当

4、地大气压，p0>pa。反之，则p0<pa。1.1.3 实验原理流体静力学的基本方程是常数管1、管3、调压筒的液面与大气相通。虽然管1，管3与水箱的接点高低不同，但它们的液面高程相同，这就是说明静止液体内任意一点的位置水头与压强水头之和（称为测压管水头）是相同的。管2的液体与水箱的液体相通，液面气体的压强同为p0。因此管2的液面与水箱的液面高程相同。盛有两种未知密度液体的U形管，其液柱高差是由于压差p0-pa引起的，故有水的密度是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度和。1.1.4 实验步骤 1关闭密封阀，并检查密封效果。其方法是，移动调压筒至某一高程位置，这时各管的

5、液面也随之移动。如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越来越慢，并最终停止在某一高程位置，不再变化。如果密封效果不好，各管的液面总是不停升降，直至各管液面与调压筒以及水箱的液面平齐。这就说明水箱漏气。 2将调压筒形移至某高度，并用螺丝固定。待各管的液面稳定后，读取各管的液面高度读数，并填入数据表。本实验测量4组数据，其中，p0>pa（调压筒液面高于水箱液面）和p0<pa（调压筒液面低于水箱液面）的情况分别测量2组数据。1.1.6 思考题 1在什么情况下，管1，2，3的液面平齐？ 2当管2，3的液面平齐时，管4，5以及管6，7的液面是否全分别平齐？为什么？ 3管1和管5都与大气相通，

6、其液面是否处在同一个等压面上？ 图1.1.2 静水压强实验数据表4如果（z7-z6）>（z5-z4），则和哪个较大？1.1.5 数据整理及误差分析流体力学实验的数据整理是件复杂的工作，为此，可编制数据处理系统供实验课使用。图1.1.2是编者研制的数据处理系统的静水压强实验数据表界面。实验装置中的未知液体的密度值分别为，。由数据表看出，测量误差小于7%，引起误差的主要原因是仪器的水柱高度读数的精度不够。水柱高度的刻度为mm，小数点后面的值是目估的，从而引起误差。1.2 明渠水流速度分布测量1.2.1 实验目的 1掌握毕托管工作原理和使用方法2测量明渠断面的流速分布，绘制流速分布图。1.2.

7、2 实验装置及实验原理 图1.2.1 毕托管 图1.2.2 测速装置本实验用毕托管测量明渠的水流速度分布。如图1.2.1所示，毕托管由总压管0和静压管1组成。设水流某点的速度为u。当水从上游流向管口0的时候，流体作减速运动，流至0处速度为零，此处压强为p0（称为总压）。然后水流绕过毕托管继续向下游运动，水流速度逐渐增加，当水流到达管口1的时候，速度值恢复至u，此处压强为p（称为静压）。利用沿流线的伯努利方程，可得到毕托管的流速计算公式： 只要测出总压与静压的差值p0-p，便可计算流速。本实验利用倾斜式的比压计测量压差，参见图1.2.2。设比压计左、右液柱的液面高程分别为z2和z3，则有由于，z

8、0=z1，因此式中是比压计左、右液柱长度之差，是比压计的水平倾角。毕托管的流速公式为式中称为毕托管的流速系数。由于流体粘性、制造工艺等诸多因素的影响，的值小于1。工艺精细的毕托管，=0.980.99。测量时，可将毕托管上、下移动，以便测出断面上各点的水流速度，如图1.2.2所示。在渠底附近，速度变化较快，测点应布置得密一些。水面上的流速无法测量，可以认为水面流速与水面下的邻点的流速相等。1.2.3 实验步骤1.毕托管的注水及排气。毕托管的总压与静压之差是利用比压计的水柱高差计算的，因此，在使用前应该将水注入毕托管、传压胶管、比压计测压管。注水时，应打开比压计上方的密封夹，并将毕托管的管口没入明

9、渠的水中（也可以没入防水盒的水中），然后将水注入比压计的测压管。注水后，如果发现传压胶管或比压计的测压管残存气泡，应设法排除。2调节明渠流量控制阀门，调节明渠尾水闸门，将明渠水深控制在15cm左右。3用水位探针测量渠底高程和水面高程，并计算水深。4逐点测量水流速度u。渠底附近速度变化快，测点间距应为2mm，远离渠底的测点间距可取23cm。1.2.4 注意事项 1实验前应先熟悉电源开关，起动水泵电机的方法，流量计的使用方法，并注意用电安全，实验结束后立即关闭电源。 2注水、排气工作比较麻烦，自已应摸索最佳方法。 3毕托管的管口应正对来流。注意：不能将毕托管的管口露出水面。 4测量时，如果比压计液

10、面发生波动，液面读数可取平均值。1.2.6 思考题 1渠底附近的流速变化较大，这是为什么？2明渠水流的速度大致符合什么样的分布？3你认为，影响毕托管速度系数的因素有哪些？4测量时，通常调节比压计的水平倾角小于直角，<90°，这样做有什么好处？改变倾角的值，对速度u的计算值是否有影响？5比压计安放位置的高低，对测量结束是否有影响？6如何判断毕托管口是否正对来流方向？7测量时，你是从水面开始逐点往下布置测点，还是从渠底开始往上布置测点，或者是随意布置测点？为什么要这样做？你认为测点总数应为多少才比较合适？8根据各点流速的分布值用积分法可以计算断面流量，并与流量计读数比较，请估算流量

11、值的误差是多少。1.2.5 数据表 图1.2.3是流速测量数据表，图1.2.4是流速分布图。由图看出，靠近壁面的1cm范围内，流速变化比较大，这与边界层的对数分布比较接近。但近壁附近的实验点不够密，因而不能得到对数分布。如要测量近壁的速度分布，应多布置一些测点。 图1.2.3 明渠流速测量数据表 图1.2.4 明渠流速分布曲线1.3 动量方程实验1.3.1 实验目的 用杠杆法测量水流对档板的冲击力，并用动量方程计算水流对档板的作用，两者进行比较，加深对动量方程的理解。1.3.2 实验装置及实验原理 图1.3.1 动量方程实验仪图1.3.1是本实验使用的实验装置示图。水箱为实验提供稳压水源，水箱

12、的溢流板上开设若干泄流孔。开、闭这些泄流孔可以控制水位的高低。水流从设在水箱下部的管嘴射出，冲击一个轴对称曲面档板，档板将射流冲击力传递给杠杆。移动砝码到某一位置，可使杠杆保持平衡。本实验用杠杆平衡原理测量射流的冲击力。另外，再用流体力学的动量方程计算射流对档板的作用力，并比较这两个冲周力的大小，以便进行误差分析。设砝码的重量为G，作用力臂为L1，射流的作用力为F，作用力臂为L。当杠杆平衡时，有 （1.3.1）图1.3.2 动量方程用图射流的冲击力也可以由动量方程算出，图1.3.2是计算用图，设射流的偏转角度为（即入射速度矢量转到出流速度矢量所旋转的角度），射流的流量为Q，入射速度为V，则有

13、（1.3.2）本实验的射流偏角有90°，135°，180°等3种。1.3.3 实验步骤 1实验前，调节平衡锤的位置，使杠杆处于水平状态。2开启水泵，向水箱充水。调节溢流档板泄孔的开启程度，使水箱的水位保持在某一高度位置。3打开出流孔口，使水流冲击挡板。4移动砝码至适宜位置，使杠杆保持水平，记录数据。5改变水位，重复以上测量。另外，也可以更换另一种偏转角的挡板，并进行相应的测量。6实验结束后，关闭水泵，取下砝码，排空水箱。1.3.4 数据处理及误差分析图1.3.3 是数据表的界面。冲击力的实测值与计算值存在一定误差。引起误差的原因有两个，一是杠杆支座存在摩擦力，另一

14、个原因是动量方程没有考虑重力对水流的影响，认为射流的反射速度为轴对程分布。其实，在重力作用下，当板下部的反射水流速度大于上部的反射水流速度。1.1.5 思考题1. 请自己推导方程（1.3.2）2. 实验中如何确定砝码的作用力臂？3. 本实验的流量是用什么方法调节的？ 图1.3.3 动量方程实验数据表1.4 沿程水头损失实验1.4.1 实验目的 测量管流的沿程水头损失系数，绘制沿程损失系数与雷诺数的变化曲线，并与尼古拉兹曲相比较。1.3.2 实验装置 图1.4.1 沿程损失实验仪图1.4.1是本实验仪置，它由供水器、实验管段、测压计组成。流量的测量采用手工体积法，即将水接入量筒，用秒表记下接水时

15、间，体积除以时间就得到流量。现对各种装置介绍如下：1全自动高压恒定供水器由离心泵、自动压力开关、气一水压力罐式稳压器、旁通阀组成。离心式水泵将水输入稳压罐，然后再输入实验管段。稳压罐的作用是控制水泵的出水压强，使之保持恒定。当水泵的压强超高时，稳压罐的自动控制装置将切断电源，使水泵关机。当压强过低时，则能自动开启水泵。水泵的流量可利用实验段尾部的阀门进行调节。此外，由于采用全自动装置控制水泵的出水压强，因此，当流量较小时，水泵可能时停时开，从而造成供水压力的较大波动。为了避免这种情况的出现，在水泵的供水管道上设有一个与回水管接通的管道，称为旁通管。通过分流，使水泵和出水流量不至于过小，避免水泵

16、时停时开。调节旁通管上的旁通阀，就可以改变水泵的分流量。旁通阀的开启也会影响实验管段水流量的变化。旁通阀开度大，则水泵的分流量大，实验管段的流量减小，旁通阀开度小，水泵的分流量小，实验管段的流量就会增大。可见，旁通阀也是调节实验管段水流量的重要装置。实验时，要合理调节旁通阀和实验段的尾阀，才能得到合适的实验水流量。2实验管段为金属管道，管段的首、尾开设有测压管，用以测量管流的压差。3测压计有两种：液柱式压差计和电子测压仪。液柱式压差计由两支玻璃测压管组成，其上部相接通，因而这种压差计实际上是形管压差计。测压管的高度只有400mm，只能测出低于400mm水柱的压差，如果管段的压差超过400mm（

17、最大压差超过8m水柱），则必须关闭液柱式压差计，开启电子测压仪。电子测压仪由压力传感器、压强显示表、压力调压筒组成。水压先传入调压筒，再接入压力传感器。调压筒由两个密封容器组成，部分充水，水面上空是密封空气，调压筒的主要作用是排除导压胶管内的气体。当导压管出现气泡时，在压差的作用下气泡会向调压筒运动，并在筒内逸出，进入水面上的密封空间。1.4.3 实验原理对于实验管段的两个断面应用伯努利方程，则有 （1.4.1）hf由测压计测量。当使用液柱式压差计时，hf的值就是两支测压管水柱的高差。当使用电子测压表时，压差由显示表直接显示，其单位是mm水柱，这就是hf的值。管长l，管径d的值标示在仪器的标牌

18、上，重力的速度取值为gm/s2。速度V等于流量除以管道截面积，流量则用手工体积法测量。1.4.4 实验步骤 1接通电源，全开旁通阀，打开水泵的出水阀，水泵自动启动。2对管道、测量仪器进行排气，具体做法如下。实验管道：关闭旁通阀，全开水泵的供水阀。慢慢打开实验管理工作段尾阀，此时水在实验管段中流动，水流速度足够大时，管内的气泡将被水流带走。液柱式压差计：关闭实验段尾阀，打开旁通阀，松开连接测压孔与测压管的胶管上的止水夹，徐徐打开水泵的供水阀。让水进入测压管，待测压管水柱达到一定高度后，就关闭水泵供水阀，停止向测压管供水。这时，测压管内的气泡会慢慢向上运动，直至逸出，如果仍有气泡滞留在管内，则用吸

19、气球排气。调压筒：在无压的情况下（实验段的水停止流动）。调压筒的水位不低于2/3筒高。如果水位达不到这个高度，则先对调压筒充水，其方法是：关闭实验段尾阀，打开水泵供水阀，这时水会流入调压筒，倒置调压筒，待水充满4/5筒高时，将调压筒复位放正。然后重复几次，启、闭实验段尾阀，直至连通胶管内的气泡排净为止。压力传感器：关闭实验段尾阀，开启水泵出水阀，拧松排气旋钮，待旋孔溢水后再拧紧旋钮。排气是一件较为复杂的工作，需反复操作才能完成，排气工作完成后，连通胶管内不再残留气泡，液柱式压差计的两支测压管水柱在无压情况下应高度一致。3准备工作完成后，可进行实验量测工作。本实验旨在测出管流的尼古拉兹曲线。为了

20、作出此曲线，实验点不应少于10个，其中，层流段应有3-4个测点。一般来说，在层流情况下，管段的沿程水头损失hf小于2cm，因而，在hf<2cm的情况下应布置34个测点。调节流量时，待水流稳定23分钟才能读数，流量愈小，稳定时间愈长。4记录原始数据，即将测量流量所需的充水体积和充水时间、水温（水循环使用，水泵电机的热会传入水流中，导至水温增高），测压管读数填入数据表中，当使用电子测压表测量压差时，数据表中的右测压管读数可填写0。实验数据表由数据处理系统给出。利用数据处理系统，可以及时计算实验结果，如果实验结果不理想，可对某些测点进行重新测量。1.4.5 数据表及实验结果分析 图1.4.2

21、沿程损失数据表Re曲线中。由该曲线看出，层流的临界雷诺数为2267。层流上出现5个测点，近似地分布在一条直线上，但有一定的偏差，引起偏差的主要原因是hf的值比较小，用目测法判读容易引起误差。此外，流量较小时，通常需要45分钟的稳定时间，如果稳定时间达不到这样长，读数就不能反映恒定流的情况。×104，最大压差达886cm水柱，而流态只达到水力光滑区，一般来说，很难得到水力粗糙区的实验值。 图1.4.3 Re的实验曲线1.4.5 思考题 1为什么说液柱式压差计的水柱高差就是沿程水头损失hf？如果实验管倾斜放置，此结论能否成立？2试分析你的实验结果，有哪些实验点分布落在Re曲线的层流区，过

22、渡区，水力光滑区？3一般工程中的管流，多为水力光滑，水力发电的水轮机引水管道，其管流多为水力粗糙，这是为什么？4一般的实验仪器，管流很难达到水力粗糙，为了使管流能达到水力粗糙，你对实验仪器的改进有什么建议？5改变流量后，为什么要等水流稳定后才能读数？层流时，达到水流稳定须多长时间？1.5 局部水头损失实验1.5.1 实验目的测量管流中的5种局部水头损失，并确定局部损失系数。1.5.2 实验装置 图1.5.1 所示的局部水头损失实验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段，局部损失（截面实扩、截面突缩，90°弯管，180°弯管，90°折管）管件、21支测压管、回水箱组成。此外

23、，本实验用手工体积法和电子流量计两种方法测量管流的流量。21支测压管中，有些是用于测量局部水头损失，有些则用于演示管流中水流静压的变化情况。这里着重介绍电子流量计。这种流量计由量水筒，水位传感器，单板机，显示表组成。图1.5.2a表示电子流量计的工作原理。量筒左侧有玻璃水位指示管，右侧有虹吸管。水位传感器A、B用于记录水位信息。当水面上升到B时，单板机开始计时，当水面上升到A 图1.5.1 局部损失实验仪 图1.5.2 电子流量计的量筒 时，单班机结束计时，两个时间之差为充水时间，A、B之间的两筒体积（887cm3）为充水体积。体积与时间之比为流量。当水面继续上升，淹没虹吸管之后，水流在虹吸作

24、用下自动出流，直至放空，同时还发出一种排空声响。这样，每隔一段时间，量筒中的水就会自动排空，无需人为操作。测量流量时，将出水通过漏斗引入量筒。水面到达A、B的时间由单板机自动纪录并显示在流量计的面板上。 图1.5.3 电子流量计的面板流量仪表的板面上设有电源开关，控制电源的接通与断开。参见图1.5.3。板面上有“时间”、“体积”、“流量”、“测量”等四个命令按钮。当按下“测量”按钮时，仪器开始测量。如果按下“时间”、“体积”、“流量”，则仪表上显示时间、体积、流量的数值。板面上还有三个指示灯，显示仪器的工作状态。测量的指示灯点亮，表示正在测量。测量之前，先按下板面上的“测量”按钮，这时候仪表就

25、开始工作，量筒充水时，仪表连续显示充水时间（秒）。充水结束后，仪表立刻显示出流量值（单位：ml/s ）。如果要显示充水时间和充水体积，可以分别按下“时间”、“体积”按钮。电子流量计有时会发生故障。最常见的故障是虹吸管能够排水，但没有虹吸的抽水作用， 参见图1.5.2b。这种情况下，量筒以及水位器水位稳定在某些方面某一高度，充水不能自动排空。排除故障的方法，是加大管流的出水量，使虹吸管满顶，充水就能排空。1.5.3 实验原理对局部损失管件的上、下游某断面应用伯努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。突扩管：使用测压管3，8测量突扩管上、下游的压差，相应的伯努利方程为 (1.5.1)速度

26、等于流量除以管道截面积，水柱高度可直接读取，这样，由上式很容易求出局部损失系数。由流体力学，的理论值为： （1.5.2）将理论值和实测值相比较，就可以确定测量误差。突缩管：使用测压管11,12测量突缩管上、下游的压差，相应的伯努利方程是 （1.5.3）管流速度，可由流量算出，液柱高度可直接读出，因而突缩管的局部损失系数不难算出。在流体力学中，实缩管的局部损失系数的经验公式为 （1.5.4）比较实测值和经验值，就可以计算测量误差。90°弯管：计算90°弯管的局部水头损失所用的伯努利方程为 (1.5.5) 由此得到90°弯管的局部损失系数 （1.5.6） 查阅有关手册

27、， 90°弯管的局部损失系数的经验值为。 180°弯管：与90°弯管的情况相似，180°弯管的局部损失系数可由下式计算： （1.5.7）很少有文献提供180°弯管的经验公式。编者对本实验装置进行数次量测，得到局部损失系数的平均值为。90°折管：列出截面18，19的伯努利方程： （1.5.8）可见 （1.5.9）有关手册给出的90°折管的经验值为。 1.5.4 实验步骤 1启动水泵，向水箱充水，同时稍微打开尾阀，让水在管流中缓慢流动。2观察管道中，测压管内是否出现气泡，若有气泡，应设法排除。3调节尾阀，待水流稳定后，记录各测压

28、管的读数，管流的流量值。图1.5.4 局部损失数据表注意：对于实扩管，读取测压管3、8的水柱高度。对于突缩管，读取测压管11、12的水柱高度，管道流量则用手工体积法和使用电子流量计分别测量，取其平均值作为流量值。4实验结束后，立刻切断电源，关闭水泵。1.5.5 实验数据处理 利用数据处理系统计算各种数据。只要将流量，测压管水柱高度填入表格，系统自动算出各种局部损失系数，并给出误差，详见图1.5.4。1.5.6 思考题1数据表中为什么没有计算雷诺数？2当测压管、实验管段出现气泡时，你如何将其排除？3如果用测压管3、4计算实扩管的局部水头损失，将会出现什么样的误差？1.6 文丘里流量计、孔板流量计

29、的标定实验1.6.1 实验目的测量文丘里流量时，孔板流量计的流量系数1.6.2 实验装置 图1.6.1 文丘里、孔板实验仪图1.6.1是文丘里管、孔板流量计的实验仪。图中，测压管1,2用于测量文丘里流量计的压差，孔板流量计的压差比较大，因而使用由4支测压管组成的复合式测压计。 图1.6.2 文丘里流量计 图1.6.3 孔板流量计文丘里流量计和孔板流量计都属于节流式流量计。即在管流中接入文丘里管或安装一块孔板，强制地改变局部地方的管流速度和压强，测量其压差就可以计算管道流量。文丘里流量计由收缩段、喉部、扩散段组成（参见图1.6.2）。收缩角为20°25°，折角处应圆滑，尽量接

30、近流线型。喉部是文丘里流量计的断面最小的部位，此处的流线曲率半径相当大，流动可视为缓变流，扩散角一般为5°15°。孔板流量计是一块外径与管道内径相同的不锈钢板，参见图1.6.3。孔板上开设一个内孔，这个内孔迫使过流断面突然变小，流速变大，压强降低。文丘里管和孔板都是测量流量的仪器，在使用之前，要预先测量它们的流量系数，称为流量计的标定。1.6.3 实验原理为了计算管道的流量，在管道中安装一个文丘里流量计。对于图1.6.2所示的断面1.2应用的努利方程，则有 （1.6.1）利用连续性方程，上式可化为 （1.6.2）利用测压管直接测量压差，则有，于是 （1.6.3）速度与截面积

31、相乘就可以计算流量，上面的计算中没有考虑粘性的影响，因此，流量的表达式可修正为 （1.6.4）式中，称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流量计的流量系数达0.99以上。利用孔板装置也可以测量管道的流量。如图1.6.3所示，流体受到孔板的节制，在孔板的下游形成一股射流，图中的断面C是射流喉部，对断面3和断面C应用伯努利方程。 （1.6.5）利用连续性方程3，（A3为管道面积A），则得到射流喉部的流速 (1.6.6)用A0表示孔板的孔口截面积，显然，射流喉部面积AC小于孔口面积A0。即 （1.6.7）称为射流喉部的截面收缩系数。喉部的压强不能直接测出，一般用管壁上的静压p6代替。压差p3 -p

32、6很大，因而本实验采用复合式测压计测定压差p3-p6。显然。 （1.6.8）射流喉部的速度为 （1.6.9）流量，式中A0是孔的面积 （1.6.10）引入流量系数，则 （1.6.11）显示，流量系数的取值除了受到粘性的影响之外，也还取决于孔口面积与管道面积的比值。标定文丘里流量计或孔板流量计的流量系数的方法是：用体积法测出流量Q，读取测压管的液柱高度。利用式(1.6.4)或式(1.6.11)确定的值。1.6.4 实验步骤1排除测压管的气体启动水泵，向水箱充水，关闭尾阀。此时，管1，2的液面应该平齐。管3，4以及管5，6分别用胶管将其上部连接，拔开这些连接胶管，管3，6和管4，5的液面应该平齐。

33、如果不能平齐，则在测压管内存在气泡，应设法将其排除。2调节尾阀，依次增大流量，记录各测压管的液柱高度。用体积法以及用电子流量计分别测量管流的流量，取其平均值作为计算用。流量要求改变10次。改变流量时，要等待35分钟，水流稳定后方可读数。 图1.6.4 文丘里、孔板实验数据表用1.6.4是数据表的界面。由表中看出，文丘里流量计的流量系数，0.995，实验值变化较大。另外，孔板的流量系数可以进行估算。在式（1.6.10）中，取0.62，而，因而式(1.6.11)中的=0.6603。此外，还应考虑粘性的影响，用p6取代pC 也影响的值。因此，再乘一个系数0.95，则=0.6273。可以看出，孔板的流

34、量系数与实测值也有较大误差。产生误差的原因，主要是测压管读数不够精确。一方面，高度读数刻度只精确到mm，而且用人工判读也产生误差。此外，水柱液面常发生波动，其高度不易确定。1.6.6 思考题 1的值可能大于1吗？ 2影响取值的因素有哪些？ 3请推导式(1.6.8) 4请仔细观察孔板流量计。在射流喉部处是否装有测压管？测压管装在喉部的上游还是下游？这样做会对测量精度产生哪些影响？1.7 孔口、管嘴实验1.7.1 实验目的测量孔口，管嘴的流量系数1.7.2 实验装置 图1.7.1 孔口 图1.7.2 管嘴图1.7.1是孔口实验装置图，水箱里有溢流挡板，用以保持水位恒定。水箱下部开设一个孔口。孔口后

35、部有一块盖板用以关闭。图1.7.2是管嘴实验装置。管嘴与孔口开设在同一个水箱中。管嘴上有一个塞子，用于关闭。本实验用体积法及电子流量计分别测量流量，取其平均值用作数据处理。管嘴内部轴线方向的压强变化很大，本装置利用4支测压管演示这种压强变化。 1.7.3 实验原理我们先推导孔口的流量公式。设水流从孔口流出，如图1.7.1所示。射流的断面C-C的面积最小，该断面称为射流的喉部。喉部截面积AC与孔口面积A之比为，即。在喉部附近，流线的曲率半径很大，流动可视为渐变流，对于水箱液面和射流喉部断面C-C应用伯努利方程，则有 （1.7.1） （1.7.2）式(1.7.2)中的H是孔口的作用水头，称为速度流

36、量系数，通常，。由此得到孔口的流量公式 （1.7.3）称为孔口的流量系数。测出流量Q和水头H，按上式计算孔口的流量系数的实验值。管嘴自由出流时(图1.7.2)，水流也出现收缩，喉部位于管嘴内部，喉部的流速大，压强小。真空压强有利于管嘴出流，对水箱液面和管嘴出口水流断面应用伯努利方程，则有 （1.7.4）这里，V是管口的流速。其表达式可写成 （1.7.5）如果管嘴的截面积为A，则流量为 （1.7.6）称为管嘴的流量系数。测出流量Q和水头H，按上式计算管嘴的流量系数的实验值。上面提到，管嘴内部的真空压强有利于管嘴出流，因而管嘴的流量系数大于孔口的流量系数。1.7.4 实验步骤1关闭孔口和管嘴，开启

37、水泵，向水箱充水。待水位稳定后，管嘴的4支测压管的水位它与水箱水位平齐，如果情况不是这样，说明测压管内有气泡，应该设法排除。2打开管嘴，观察测压管的水柱高程，可以看出，沿管嘴轴线，压强先减小，流速增大，喉部附近的压强最低，流速最大。3.测量管嘴流量，记录管嘴的作用水头（即水箱水面高程与管嘴轴线高程的差值）。测量结果后关闭管嘴。4打开孔口，使其出流。水流稳定后，测量流量，测量孔口的作用水头（即水箱水面对面高程与孔口中心高程的差值）5测量孔口射流喉部的直径：将孔口中的活动稍移动，使之贴近射流喉部水流的外边缘，关闭孔口，停止出流，用游标卡尺测量孔口射流最小断面的直径。5测量结束，关闭水泵，关闭孔口管

38、嘴。1.7.5 数据表及实验结果分析孔口、管嘴的实验数据参见图1.7.3。孔口的收缩系数按计算，而流速系数按计算。表中，的值不足0.96，偏小。这是因为，孔口射流喉部直径dc不易测出，测量误差较大，于是影响的值。1.7.6 思考题 1孔口的流速系数不会能大于1.0，为什么？2管嘴和孔口的截面积相同。管嘴的流量系数大于的孔口的流量系数，为什么？1.8 雷诺实验1.8.1 实验目的测量管流的沿程水头损失，绘制沿程水头损失与管流速度的对数曲线，并确定管流临界雷诺数。1.8.2 实验装置 图1.8.1 雷诺仪图1.8.1的实验装置由稳压水箱，试验管段，倾斜式比压计组成。水箱向管道提供稳压水流。管段的压

39、强差用比压计测量。本实验用手工体积法测流量。1.8.3 实验原理对于图1.8.1的管段的首、尾两个断面应用伯努利方程，则有 （1.8.1）管段水平放置，流速处相同，因而 （1.8.2）用比压计测量压差p1-p2。设比压计两支测压管的液柱长度之差为l，则有 （1.8.3） （1.8.4）式中，是比压计的水平倾角。只要测出比压计两支液柱长度的差值，由式（1.8.4）便可以计算管段水流的沿程水头损失。管流速度等于流量除以截面积。流量用量筒、秒表测量。小流量的测量比较费时。充水时间往往超过1分钟。计算管流雷诺数时，需用到水的运动粘度。运动粘度与水温有关。本实验用温度计测量水温，水的运动粘度与温度的经验

40、公式可表示为 （1.8.5）式中，水温单位是，的单位是m2/s。程水头损失与速度V的函数关系与流态有关，层流时，与V的一次方成正比，紊 流时，与V20次方成正比，将实测值标在对数坐标图上。如果实验曲线斜率为45°，则说明流态为层流，否则为紊流。值得注意的是，流量从小变大的曲线与流量从大变小的曲线是不重合的。1.8.4 实验步骤1启动水泵，向水箱流水，待水位稳定后才全开尾阀，以便冲洗管道，排除管内气体。2关闭尾阀，松开倾斜比压计上端的止水夹，以使测压管内的残留气泡排出，气泡全部排出后，用打气筒向比压计的测压管打气，压迫测压管水面下降至中部，再夹紧止水夹，防止液面上升。试验管段的水不流动

41、时，比压计的两支测压管的液面应该平齐。若不平，说明测压管内残留有气泡，应该设法排除。3微微打开尾阀，让水流速度从小变大，流态从层流变为紊流。当流量达到最大值之后，慢慢关小尾阀，使流速从大变小，流态从紊流变为层流。改变流量时，待水流稳定后，测量流量，记录比压计液柱读数。层流时，水流达稳定状态所用的时间往往比较长，要耐心等待。对于本实验装置，可根据比压计读数大概地判断流态。当流态为层流时，管段的沿程水头损失0.006m。如果比压计的水平倾角，则比压计液柱长度之差。一般来说，层流的实验点应布置3-4个。总的实验点数可自行控制，本实验的目的之一是绘制形如图所示的对数曲线，实验点数在10个以上，并且尽量

42、均匀地分布。4测量结束后，关闭水泵，绘制曲线图。1.8.5 实验结果及其分析曲线图。由图看出，实验结果不 图1.8.2 雷诺实验数据表够理想，层流区的曲线斜率近似等于1，但并非直线，有略微弯曲。上临界雷诺数不足4000。下临界雷诺数2000左右。与权威实验比较，本实验结果存在一定的误差。主要原因是实验装置不够精细，尤其是实验管段长段不满足要求。例如，为了避开管流入口、出口的影响，实验段的两端应远离入口或出口的距离为管径的120倍。本实验的管径d=8mm，与进口段、出口段落的长放应超过1mm。此外，小流量时，比压计流柱长度差很少，读数误差很大，要想提高实验精度，就要提高流量测量、压差测量的精度。

43、1.8.6 思考题 1层流时，本实验的沿程水头损失的值的变化范围是多少？2比压计的刻度2:1表示什么含义？3如何判断比压计的刻度（例如2:1）与实际情况是否相符？4实验要求流量首先从小变大，再从大变小，如果使流量时而变大，时而变小，实验 图1.8.3 曲线点能连成一条光滑曲线吗？5小流量时，水流达到稳定所需的时间为什么很长？6大流量时，比压计液面波动比较明显，这种情况下应如何读取液面读数？1.9 堰流实验1.9.1 实验目的测量宽顶堰流量系数m。1.9.2 实验装置实验在有机玻璃的水槽中进行，（见图1.9.1a）实验模型为宽顶堰，用水位测针测量水面高程，水槽的流量用电子涡轮流量计测量。 图1.

44、9.1 堰流实验1.9.3 实验原理水流漫过宽顶堰时，水面下降（见图)。设宽顶上的水深为h，上游水面与堰顶的高差为H（称为作用水头），则有伯努利方程 （1.9.1）通常称为行近总水头。上式可改写为 （1.9.2）式中Q称为堰流的流速系数。由此得到堰流的流量公式 （1.9.3）通常，H0是已知数。而h值与H0以及许多因素有关。很难找出h的计算公式。为简化起见，令，则式（1.9.3）变成 （1.9.4）式中，m称为堰流的流量系数。本实验就是要测量m。由式（1.9.4）看出，堰宽b（也是水槽宽度）已知，只测量流量Q，H0就可以确定m。H0是行近总水头，它等于堰流的作用水头H与束流速度水头的和。值得注

45、意的是，上游的水深等于水面高程与渠底高程的差值。宽顶堰流量系数m经验公式是 （1.9.5）式中，hp是堰高，H是作用水头。一般地m=。式(1.9.5)是俄国学者别列津斯基根据众多实验得出的一个经验公式，这些实验点本身比较分散，不能连成光滑曲线。别列津斯基使用最小二乘法得到式(1.9.5)，只能反映实验点的变化趋势。它不是很精确的经验公式。1.9.3 实验步骤 1放水之前，用活动的水位测针测量槽底高程和堰顶高程。 2关闭水槽底部的进水闸阀。然后按通电源，启动水泵。 3打开进水闸阀，调节流量，一般来说，流量由小变大，调节进水阀门后，要等待12分钟，水流稳定后才开始测量，流量要改变68次。 4测量堰

46、的上游水面高程（测点位于堰上游与堰顶相距5H，），记录流量值。 5量测结束后，观察堰流的水面曲线，如果水槽尾部的平板闸门完全打开，下游水位较低，这时我们就会看到，水漫过宽顶堰时，水位下降，流速加大。越过宽顶堰后，水位进一步下降。直至与下游水位平齐。逐渐关小平板闸门，则下游水位逐渐抬高。当下游水位高于堰顶水位时，堰顶水深逐渐增加，水流逐渐缓慢，这时，堰顶水位与上游水位相差越来越小。1.9.5 数据表及实验结果分析 实验数据表，mhp/H关系曲线参见图1.9.2。 实验值与经验公式(1.9.5)具有相同的变化趋势。但实验点不能连成光滑曲线。这是因为堰流很不稳定，水面有波浪，这给准确测量水面高程带来

47、一定的困难。况且，式（1.9.5）也不是很精确的经验公式。 图1.9.2 堰流实验数据表1.9.6 思考题1在堰顶处水面为什么下降？2水面有波浪，你用什么方法判断水位测针已经抵达水面？3堰前水流速度V0如何计算？1.9.4 注意事项1实验前一定要关闭水槽的进水阀门，否则，接通电源后，管中水流会比较大速度冲击流量计的涡轮叶片，造成损失。2堰上游水位一定要在宽顶堰上游35倍水头以上的地方量测。3每次调节流量时，要待水流稳定（时间大约56分钟）才能测量。4时刻注意，不让水流溢出槽外。1.10 闸下自由出流实验1.10.1 实验目的 1测量平板闸门自由出流的流量系数。2绘制闸门流量系数与相对开启度的实

48、验曲线。1.10.2 实验装置图1.10.1a是实验装置，在水槽上安装有机玻璃的平板闸门。水槽尾部有尾水闸，用以调节下游水位，安装在水池中的潜水泵将水输入管道，管道上装有高精度的流量计。流量的由进水阀控制。水流由管道进入蓄水箱，然后进入水槽。平板闸门将水位提高，高水位的水流从闸下泄出，并在下游不远处形成收缩断面，然后流向水槽尾端。1.10.3 实验原理如图1.10.1b所示，对上游断面和收缩断面c-c应用伯努利方程，则有 图1.10.1 闸下出流 （1.10.1）通常， 称为行近总水头，由上式得到 （1.10.2）称为流速系数，一般地，。收缩断面的水深hc可以用收缩系数与闸门开启度e的乘积来表示，于是， （1.10.3）为简单化起见，将上式改写为 （1.10.4）称为闸门的流量系数，由实验确定。根据众多的实验资料统计分析，的经验公式为 （1.10.5）式(1.10.5)表明，流量系数与闸门的相对开启度e/H有关。 当下游水位高于收缩断面的水位时，闸门的流量将变小，这时，式（1.10.4）应该乘以一个淹没系数。1.10.4 实验步骤 1.水槽放水之前，用测针测量水槽底面的高度读数。 2.全开平板闸门和尾水闸，以防止放水时闸门过低而使水溢出。 3关闭进水阀，启动水泵。这样做可以避免水泵起动时，输水管路的水流速度过大而引起意外事故。 4转动进水阀，调节流量，待水流稳定（一般需要3-