流体力学实验指导书

1、第一节雷诺实验一、实验目的观察流体在管道中的两种流动状态；测定几种流速状态下的雷诺数，并学会用质量测流量Q方法；了解流态与雷诺数的关系，并验证下临界雷诺数Recr= 2000。二、 实验设备流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺实验管、阀门、颜料水 (红墨水)盒及其控制阀门、上水阀、出水阀、水泵和计量水箱等，此外，还有秒表、水杯、 电子称及温度计，如图3-1-1所示。溢流口进水一1.稳压水箱2.颜色罐3.实验管4.计量水箱5.水箱图3-1-1雷诺实验装置三、实验原理层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的各流层间的滑动 摩擦力；紊流时则有大小不等的涡体动

2、荡于各流层间。当流速较小时，会出现分层有规则的 流动状态即层流。当流速增大到一定程度时，液体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流 体互相剧烈掺混，就是紊流。反之，实验时的流速由大变小，则上述观察到的流动现象以相反程序重演，但由紊流转 变为层流的临界流速小于由层流转变为紊流的临界流速*。称*为上临界流速，为 下临界流速。雷诺用实验说明流动状态不仅和流速v有关，还和管径、流体的动力粘滞系 数以、和密度p有关。以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用Re表示。Re = pvd/fi = vd/ u(3-1-1)对应于临界流速的雷诺数称临界雷诺数，用Recr表示。Recr=pvcr d/i =

3、 2000(3-1-2)工程上，假设流速时，流动处于紊流状态，这样，流态的判别条件是层流：Re=pvd少 2000四、实验步骤1 .实验前准备工作首先，实验台的各个阀门置于关闭状态。开启水泵，全开上水阀门，使水箱注满水，再 调节上水阀门，使水箱的水位保持不变，并有少量流体溢流。其次，用温度计测量水温，并用电子称测量空杯的质量m k，并作记录。观察流态全开出水阀门，待水流稳定后，打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和 雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，这时雷诺实验管中的流动状态为紊流。随着出水阀门的不断关小，颜料水和雷诺实验管中的水掺混程度逐渐减弱，直至颜料水 在雷诺实验管中形

4、成一条清晰的直线流，这时雷诺实验管中的流动状态为层流。测定上临界雷诺数当阀门开得很小时，能看见颜料水在雷诺实验管中形成一条清晰的直线流（为层流状 态）。然后，慢慢地逐渐开大阀门，当流量大到某一程度时，管内的颜料水抖动至断裂，这 时，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量mt （水杯和流体的质量和），并测出 接流体所用的时间乙将数据记入表3-1-1。根据质流量Qm=mt-mk/T公式算出流量大小，根据流速V=4Qm/pnd2公式算出流速，最后 根据Re = Vd/u公式求出相应的上临界雷诺数。m测定下临界雷诺数调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后慢慢地逐渐关小出水阀门， 观

5、察管内颜色水流的变动情况。当流量关小到某一程度时，管内的颜料水开始成为一条直线 流，即紊流转变为层流的下临界状态。由表3-1-2中的相应数据，用公式求出下临界雷诺数 Recr，由理论可知Recr是稳定的，一般约为2000。5.观察层流状态下的流速分布关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管两到三下，使颜色水在一小段时内扩散到整 个断面。然后，再微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，这时即可观察到水在层流流 动是呈抛物线状，演示出管内水流流速分布。五、注意事项每调节阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）一次，均需等待流动速度稳定几分 钟。在关小阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）过程中，只允许逐渐

6、关小，不许开 大。随着出水量的不断减少，应调小上水阀门，以减少溢流量引起的振动。六、实验结果记录有关常数空杯质量m = kg，水温t= C，d= cm水的运动粘性系数 u= m2/s表3-1-1层流T湍流实验实验数据记录表次数(层流T湍流)盛水时间T (s)总质量mt (kg)流体质量(kg)m=m 一 m质流量(kg/s)Q =m/t m流速(m/s) V=4Qm/pnd2雷诺数Re=V / u123上临界雷诺数平均值表3-1-2湍流层流号目验实验数据记录表次数(湍流T层流)盛水时间T (s)总质量mt (kg)流体质量(kg)m=m 一 m质流量(kg/s)Q =m/t流速(m/s) V=

7、4Qm/pnd2雷诺数Re=V / u123下临界雷诺数 平均值第二节能量方程实验一、实验目的观察流体经能量方程(又称伯努利方程)实验管时的能量转化情况，并对实验中出 现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解；掌握量杯测平均流速和毕托管测流速的方法；验证流体恒定总流的能量方程。二、实验设备流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱，能量方程实验管，上水阀 门，出水阀门，水泵、测压板和计量水箱等，详见图3-2-1。1.恒压水箱2.实验管3.压差板4.计量水箱5.水箱图3-2-1能量方程实验装置简图三、实验原理能量方程实验对于总流的任意截面有能量方程z+ P +二=常数y2 g(3-2

8、-1)式中，各项值都是截面值，它的物理意义、水头名称和能量解释分述如下：z是断面对于选定基准面的高度，水力学中称为位置水头，表示单位重量的位置势 能，称单位位能。P/渥断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度，水力学中称压强水头，表示 单位重量的压强势能，称单位压能。v2/2g是以断面平均流速v为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度，流体力学 中称为流速水头，表示单位重量的动能，称为单位动能。毕托管测速实验能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当一个毕托管，可测得管内的流体速度。 由于本实验台将总测压管置于能量方程实验管的轴线，所以，测得的动压头代表了轴心处的 最大流速。毕托管求点速度公式为

9、：u =顼2 g AH(3-2-2)式中:umax为毕托管测点处的流速；H为毕托管全压水头与静压水头差。在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度，平均流速 v=0.8u 。max四、实验步骤1 .实验前准备工作首先，开启水泵，全开上水阀门使水箱注满水，在调节上水阀门，使水箱水位始终保 持不变，并有少溢流。其次，用温度计测量水温t，并用电子称测量空杯的质量外，并作记录。能量方程实验首先，关闭阀门，测定能量方程实验四组测压管的液体高度，记下各测压管的读数， 填入表3-2-1。其次，调节出水阀门至小开开度，测定能量方程实验管的四组截面测压管的液体高度。 按照从小开、中开、大开的

10、顺序改变阀门的开度，重复上述实验，并分别记下各测压管的 读数，填入表3-2-1。测流体平均速度（1）量杯法测定平均速度调节出水阀门至小开开度，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量（水杯 和流体的质量和），并用秒表测出接流体所用的时间兀 然后，按照从小开、中开、大开的 顺序改变阀门的开度，重复上述实验，并分别记下总质量1和时间乙填入下表3-2-2。根据质流量Q=m/T公式及流速v=4Qlpnd公式算出流量大小及流速，填入下表3-2-2。（2）毕托管方法计算流速根据步骤2中的测量数据，管轴中心处流速u =0g AH，其中A H=H双-H单（同一 截面两测压管之差），平均流速v=0.8uma

11、x，算出AH、umax及平均流速v,填入下表3-2-3 中。验证伯努利方程pv2根据表3-2-1、表3-2-3及总水头H = z +t + j v是质量流量计算值，计算数据填 i i y2 gi入表3-2-4。五、注意事项测压管读数据时，视线与液面保持水平，读凹液面最低点对应的数据。六、实验结果记录有关常数空杯质量m = kg，水温t=C，水密度p= kg/m3k截面I测压管（12，56，78）的直径d= mm截面II测压管（34）的直径d= mm表3-2-1各测压管读数记录(z+ p /y)表测压管读数、 (cm)阀门状态 12345678关闭各管读数相同均为小开(I)中开(II)大开(II

12、D表3-2-2量杯法测流速实验数据记录表阀门状态盛水时间T(s)总质量(水+ 杯)(kg)m t水质量(kg)m=m - m质流量(kg/s)Q =m/t平均流速v=4Qpnd截面I截面II小开中开大开表3-2-3毕托管测流速实验数据记录表实验数据阀门状态截面I (12)截面I (56)截面I (78)截面 II (34)A H(m)umax(m/s)(m/s)A H(m)umax(m/s)(m/s)A H(m)umax(m/s)(m/s)A H(m)umax(m/s)(m/s)小开中开大开表3-2-4验证粘性流体的能量方程实验数据记录表截面阀门状态各截面总水头Hm)各截面间水头损失hL1-7

13、12345678hL1-3hL1-5hL1-7hL3-5hL3-7hL5-7小开中开大开七、问题讨论运用沿总流的伯努利方程时所选取的两个断面之间是否可以有急变流？流量增加时，测压管水头线有何变化？为什么？第三节动量定律实验一、实验目的测定水流射向平板（或曲面板）时的冲击力，将测出的冲击力与用动量定律计算出的冲 击力进行比较，加深对动量方程的理解。二、实验设备实验装置如图3-3-1所示，在一有机玻璃园筒内装一喷咀，当一股稳定水流经浮子流量 计从喷咀射出射向受力板时，装在园筒侧盖板上的称杆便失去平衡。通过砝码位置调整，可 以测出水流对受力板的实际冲击力。同时，通过流量的测定，应用动量定律定律可以计

14、算出受力板上所受冲击力，加以比较， 以加深对动量方程的理解。1.进水阀2.流量计3.进水管4.平衡砝码5.刀口 6.秤杆7.缺码8.受力板9.进水口 10.筒体11排水管图3-3-1动量定律实验装置图三、实验原理在实验前，砝码位于称杆标尺零点，旋动平衡螺母调零，将标尺称杆调成水平状态。如图3-3-2所示。砝码重G,2板重G1图3-3-2实验前秤杆水平示意图对支撑点列力矩平衡方程，可得：G1 -L + G-s = G2 -L1（3-3-1）式中：G为游码重量（N）；%为受力板重量（N）；G2为砝码重量（N）；%为标尺零点到支撑点距离（cm）；A为砝码到支撑点距离（cm）；L为受力板到支撑点距离（

15、cm）。实验时，水流经喷嘴射到受力板上，标尺倾斜，此时调整游码至某一读麴位置，使标 尺恢复水平，如图3-3-3所示。对支撑点再列力矩平衡方程，可得：（G1 - F） - L + G - （% + s） = G2 - L（3-3-2）式中：F为水流对板的冲击力（N）；s为游码移动距离（cm）。比较式（3-3-1）、（3-3-2），可得：G s = F L 即F =竺L（3-3-3）由上式可见，标尺零点距支撑点距离s0最终在方程中消去，故在实验结果分析时不用 考虑。游码重G伊三飞L1板重G1及水流冲击力F（F方向向上）图3-3-3水流冲击后秤杆水平示意图在完成上述步骤同时，通过转子流量计可测出流量

16、，依喷嘴直径可求出喷咀出口截面平 均流速v0，引用动量方程，可算出射流对受力板作用力。F+=pQv0（1+cosa）（3-3-4）式中：p为水密度（kg/m3）；。为射流流量（m3/s）；%为喷嘴出口流速（m/s）；a为射流入口流速与出口流速夹角（平板a=900，曲面板a=450）（如图3-3-4）。应当指出，由于射流高度差，能量损失及其他因素，实际射流作用力尸测应小于F计。图3-3-4实验平板和曲面板图四、实验步骤记录有关数据。安装平面板，将游码移到标尺零点，调节砝码位置，使标尺处于水平状态。接通电源启动泵，缓缓打开进水阀，水流从喷嘴射出，冲击受力板，导致标尺倾斜， 调节砝码位置，使标尺恢复水平，记下标尺读数及测出此状态时的流量。改变阀门开度，重复上述步骤，测出不同流量下数据，至少应调节5次这样就可以 得到5个实验点。关闭水泵，将水箱中水排空，关闭电源，结束实验。五、实验结果记录有关常数管 嘴内 径 d=cm，冲击力臂 L=cm，游码重量G=N，喷嘴出口距受力板距离1= cm，水温t=C，水密度= kg/m3o表3-3-1平板冲击实验（a=90O）实验数据记录表次数斯 G，F计广 PQV+ cosa)，% = PQV(1+ 削)误差距零 点距 离s（cm）匕则（N）流量Q(L/h)出口速度V =坦0 兀d 2修正速度V =