工程流体力学实验报告讲解

1、工程流体力学实验报告 .com专业年级14秋姓名万军生学号油气储运工程系流体力学综合实验台（LTZ-15）简介本实验台主要针对流体力学教学中各重要参数指标进行测定和实验。把这些 单一性能的检测加以综合。它是多用途实验装置，用此实验台可进行下列实验: 雷诺实验 沿程阻力实验 局部阻力实验（能量方程（伯努利方程）实验 文丘里流量计和孔板流量计系数的测定实验 毕托管测流速和流量的方法实验装置如下图所示局部实验管文丘里实验管伯努利压差板伯努利实验管雷诺实验管颜色罐孔板实验管毕托管计量水箱层流测针回水管实验桌供水箱、水泵压差板沿程实验管恒压水箱实验一、水静压强仪（LSJ-10）一、演示目的1、加深理解静

2、力学基本方程式及等压面的概念。2、观察封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点上的压力。3、观察压力传递现象。二、演示原理对密封容器的液体表面加压时， 设其压力为P0,即P0> P。从U形管可以 看到有压差计产生，U形管与密封容器上部连通的一面，液面下降，而与大气相 通的一面，液面上升。由此可知液面下降的表面压力即是密闭容器内液体表面压 力P0,即P0= P0+gh，h是U形管液面上升的高度。当密闭容器内压力 P0下降 时U形管内的液面呈现相反的现象，即 F0< P这时密闭容器内液面压力 P0= P - - ?gh，h为液面下降的高度。如果对密闭容的液体表面加压时，其容器内部

3、的压力向各个方向传递测压 管中，可以看到由于 A B两点在容器内的淹没深度 h不同，在压力向各点传 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。三、演示步骤（如图所示）形管加压上升罐密封容器视气罐1、打开阀 1，2， 3 ，4和 5 向容器内加水（加水处即为加压上升罐） ；水位 加到“ 0”位线即可。2、向“U'型管内加水，水位加至一半再向视气罐内加水。3、顺时针关闭 2、 3、排气阀即可向容器内加压。4、把加压上升罐缓慢上升，U型管出现压差 h,在加压的同时，观察左侧 A、 B 管的液柱上升情况。

4、5、打开排气阀 3，使液面恢复到同一水平面上同时可以看到气体的存在打 开阀 2 使容器内的气体与大气相等，再关闭排气阀 2、 3，打开密闭容器底部放 水阀门 7，放出一部分水，造成容器内压力下降观察其产生的现象。实验二、雷诺实验、实验目的1、观察层流、紊流的流态及其转换特征。2、测定临界雷诺数Reck,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、实验装置流体力学综合实验台（LTZ-15）三、实验原理1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流、紊流（图 1）它们的区别 在于：流动过程中流体层之间是否发生掺混现象，在紊流流动中存在随机变

5、化的脉动量，而在层流流动中则没有。层流状态开始颤动2、 圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数 Re = Vd / 、，d是圆管直径，V 是断面平均流速，是流体的动力粘滞系数。3、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小d，减小V,加大三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小 雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定差，容易发生紊流现象。4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上 临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动力必为 紊流，它很不稳定，跨越一个较大的

6、取值范围。有实际意义的是下临界雷诺 数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的数值，圆管定常流动的下 临界雷诺数取为Recr =230005、对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较，可以看出层流 流速分布呈旋转抛物面，而紊流速度分布则比较均匀呈现对数或指数分布， 靠近壁面流速梯度比层流时大，（图2）。四、实验步骤1、测记本实验的有关常数。2、观察两种流态。水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀，并注入水颜色于实验管 内，使颜色水流成一直线。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，由颜色水线的变化来观察层流转变到紊流的水力现象，待管 中出现完全紊流后

7、，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力现象。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好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，用体积法测定流量。（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。按上述步骤重复测量不少于三次；【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，只许关小，不许开关。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，颜色水线刚开始散开时， 即为上临界状态

8、，测定计算上临界雷诺数 1-2次。五、实验数据及整整1、记录、计算有关常数：实验管径d = 14 mm 水温t=°C运动粘度0.017752 =cm2 /s1+0.00337t+0.000221t 22、整理、记录计算表实 验 次颜色 水线 形态水体积V（m3时 间T(s)流量Q(c m3s)流速V(cm/s)雷诺数Re阀门开度增（T）或减（J）数实测下临界雷诺数（平均值）电cr二【注】颜色水线形态指：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、分析与思考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

9、流与紊 流的判据？实测下临界雷诺数为多少？3、分析实验误差的原因。实验三、沿程阻力系数测定一、实验目的1、学会测定管道沿程水头损失系数入的方法；2、掌握圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律，绘制曲线；3、掌握管道沿程阻力损失系数的测量方法和气一水压差计及电测压差计测量压 差的方法。4、将实测得到的结果与莫迪图作对比分析。二、实验装置流体力学综合实验台（LTZ-15）三、实验原理1、对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为hf =（乙 +）善-（Zi +）暮= h其值为上下游量测断面的压差计读数。沿程水头损失也常表达为u . L V2 h师=可可产d 2g其中：入为沿程水头损失系

10、数；L为上下游量测断面之间的管段长度；d为 管道直；V为断面平均流速。若在实验中测得 h和断面平均流速，则可直接得 到沿程水头损失系数。2、不同流动形态的沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。层流流动中 的沿程水头损失与断面平均流速的1次方成正比。紊流流动中的沿程水头损失与 断面平均流速的1.752.0次方成正比。见图1、图2。igv3、沿程水头损失系数入是相对粗糙度厶/d与雷诺数Re的函数，为管壁的粗 糙度，Re=Vd人(其中.为水的运动粘滞系数)。(1) 对于圆管层流流动九=64/ Re(2) 对于水力滑管紊流流动可取0.3164Re1/45(Re<10可见在层流和紊流光滑管区，

11、沿程水头损失系数入只取决于雷诺数。(3) 对于水力粗糙管紊流流动1= 2-2lg (寻 +1.74沿程水头损失系数入完全由粗糙度决定，与雷诺数无关，此时沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙管区通常也叫做“阻力平方区”。(4) 对于在紊流光滑区和紊流粗糙管区之间存在过渡区，沿程水头损失系数入 与雷诺数和粗糙度都有关。四、实验步骤1、对照装置图和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查蓄水箱水位是否够高。否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数：工作管内径d和实验管长L。2、接通电源，启动水泵。打开供水阀。3、调通量测系统：(1) 启动水泵排除管道中的气体。(2) 关闭出

12、水阀，排除其中的气体。随后，关闭进水阀，开出水阀，使水压计的液面降至标尺零附近。再次开启进水阀并立即关闭出水阀， 稍候片刻检查 水位是否齐平，如不平则需重调。(3) 气水压差计水位齐平。(4) 实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在进水阀全开的前提下，逐次开大出水阀，每次调节流量时，均需稳定 2-3分钟，流量愈小，稳定时间愈 长；测流量时间不小于8-10秒；测流量的同时，需测记压差计读数；(5) 结束实验前，关闭出水阀，检查水压计是否指示为零，若均为零，则 关闭进水阀，切断电源。否则，表明压力计已进气，需重做实验。五、实验数据及整理1、有关常数d = 14 mm L=1000 mm水温=&#

13、176;C2、记录及计算3、绘图分析绘制LgV Ighf曲线，并确定指数关系值n的大小。在坐标纸上以LgV为横 坐标，以Ighf为纵坐标，点绘所测的LgV- Ighf关系曲线，根据具体情况连成 一段或几段直线。求坐标上直线的斜率Igh f2 - Igh fin =IgV2 - IgVi将从图纸上求得n值与已知各流区的n值（即层流n=1，光滑管流区n=1.75，粗 糙管紊流区n=2.0，紊流过渡区1.75<n<2.0 ）进行比较，确定流态区。六、分析与思考1、为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？如果实验管道安装得不水平，是 否影响实验结果？2、本次实验结果与莫迪图吻合与否？分析原因

14、。3、实验中的误差主要由哪些环节产生？表1记录及计算常数 k= n6d5/ 8L cn5/ s2次序体 积 cm3时间s流里qvcm3/s流速Vcm/s水温C粘 度Ucm2/s雷诺 数Re差压计cm沿程损失hfcm沿程 损失 系数入Re<2320 入=64/ Re1234567891011121314实验四、局部阻力系数的测定一、实验目的1、学会利用三点法量测突扩圆管局部阻力损失系数的方法。2、学会利用四点法量测突缩管路局部阻力损失系数的方法。3、加深对局部阻力损失的感性认识及对局部阻力损失机理的理解。二、实验装置流体力学综合实验台（LTZ-15）三、实验原理1、有压管道恒定流遇到管道边

15、界局部突变的情况时，流动会分离形成剪切层，剪切层流动不稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡，造成不可逆 的能量耗散。与沿程因摩擦造成的分布损失不同， 这部分损失可以看成是集中在 管道边界的突变处，单位质量流体的能量损失称为局部水头损失，参见图1。2、局部水头损失系数是局部水头损失与速度水头的比例系数，即当上下游断面平均流速不同时，应明确它对应的是那个速度水头。 例如对于 突扩圆管就有1=耳2g 和 2" 2g之分。其他情况的局部水头损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这 一点。通常情况下对应下游的速度水头。3、局部水头损失的机理复杂，除了突扩圆管的情况以外，一般难于用解析

16、 方法确定，而要通过实测来得到各种局部水头损失系数。对于突扩圆管，在不考虑突扩段沿程阻力损失的前提下，可推导出局部阻 力损失因数的表达式1=( 1 - )A22 =对于突缩圆管，局部阻力损失因数的经验公式:四、实验步骤1、做好实验前的各项准备工作，记录与实验有关的常数2、往恒压水箱中充水，排除实验管道中的滞留气体。待水箱溢流后，检查 泄水阀全关时，各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。3、打开泄水阀至最大开度，等流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积 法测量流量。4、调整泄水阀不同开度，重复上述过程5次，分别测记测压管读数及流量5、实验完成后关闭泄水阀，检查测压管液面是否齐平，如平齐，关

17、闭电源 实验结束，否则，需重做。五、实验数据及整理d1= 14 mm d2=26 mm d3=14 mm水温=°C次序流 量cm3/s测压管读数cm体积时间流量实验数据整理表阻力形式序号流量cm3/s后断面流 速Vcm /s总阻 力hcm沿程阻 力h入cm局部阻 力hZcm阻力因 素Z实阻力因 素Z计突然扩大突然缩小六、分析与思考1、结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下下的局部损失大小2、结合流动仪演示的水力现象，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因素是哪些？怎样减小局部阻力损失？3、将实验测得到的Z值与理论公式计算值（突扩）与经验公式值（突缩）相比较

18、，并对结果作出分析。实验五、伯努利方程实验一、实验目的1、验证流体恒定总流的能量方程;2、通过对流体力学诸多水力现象的实验分析研究，进一步掌握有压管流体动力学的能量转换特性；3、掌握流速、流量、压强等要素的实验量测技能。二、实验装置流体力学综合实验台(LTZ-15)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(1=2,3 ,n )+旦+hLz+旦+虫g -g g -g+ hw取：1= 2=:n=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出Z+(P/p)值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速V及:V2/2g，从而即可得到各

19、断面测压管水头和总水头四、实验步骤1、熟悉实验设备，分清哪些管是静压管，哪些是毕托管测压管，以及两者 功能的区别。2、供水使水箱充满水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有全压管水面是 否齐平。如不平则需查明故障原因(例如连通管受阻、漏气或夹气泡等)并加以 排除，直至调平。3、打开调节阀，观察思考(1) 测压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) 流量增加或减少时测管水头如何变化？4、调节阀开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流 量。5、改变流量2次，重复上述测量五、实验数据及整理1、记录有关常数d1=14 mm d2=26 mm根据以上公式

20、计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速填入表格，可验证出 连续性方程。对于不可压缩流体稳定的流动， 当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。序号项目1234点速度Vp( m/s)平均速度V( m/s)管内径(mm)(3)观察和计算流体、流径，能量方程实验管对能量损失的情况：在能量方程实验管上布置四组测压管，每组能测出全压和静压，全开阀门， 观察总压沿着水 流方向的下降情况，说明流体的总势能沿着流体的流动方向是减少的， 改变给水 阀门的开度，同时计量不同阀门开度下的流量及相应的四组测压管液柱高度， 进 行记录和计算。能量方程实验管工况点实验数据记录:'、液柱高 序号1234流

21、量rr3/S全压静压全压静压全压静压全压静压一一一二二二能量方程管 中心高位置水头能量方程管内径mmd1= ©14 mmd1= *26 mm静水头六、分析与思考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？实验六、文丘里流量计和孔板流量计系数的测定实验、实验目的1、掌握文丘里流量计的工作原理和修正系数的测量方法；2、掌握压差计的使用方法和体积法测流量的实验技能；3、掌握能量方程和连续性方程的使用原则；4、学会用孔板流量计测量流量。二、实验装置流体力学综合实验台（LTZ-15）三、实验原理1、文丘里流量计是一种常用的管道流量的测量仪，

22、见图1,属压差式流量计。它由“收缩段”、“喉部”、和“扩散段”三部分组成，安装在需要测定流量 的管路上。在收缩段进口断面1-1和喉部断面2-2上设测压孔，并接上比压计， 通过测量两个断面的测管水头差 h。就可计算管道的理论qv,再经修正得到实 际流量qvs。2、理论流量：不考虑水头损失，速度水头的增加等于测管水头的减小（即 比压计液面高差厶h）通过测得的 h，建立两断在平均流速V1和V2之间的一个 关系： h = h1 - h2 =( Z 1)Z2 +P2"g上 2V2-(Z 2 谒AV =A2V2,即V2如果我们假设动能修正系数：1=2=1，则V2=-g另一方面，由恒定总流连续方程有所以于是解得竺-兰卫1 -（畫-g最终得到理论流量为bv 二V2A二n d：d2 4 ； 2gA h = C h 4d；d：式中2 2C= n 萼;2g 4di-d23、际流量：用量筒测量水的实际流量 qvs。4、流量因数：丿皿ybv<i（1）流量计流过实际流体时，两断面测管水头差中包括了粘性造成的水头 损失，这导致计算出的理论流量偏大。（2） 对于某确定的流量计，流量因数还取决于流动的雷诺数：Re=V2d2/， 但当雷诺数较大（流速较高）时，流量因数基本不变。5、孔板流量计的原理流体