流体力学实验

实验四流动状态实验 雷诺实验一、实验目的观察层流和紊流的流态及其转换特征;通过临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则;学习在流体力学中应用无量纲参数进行试验研究的方法，并了解其使用意义。二、实验原理1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有，如图1所示。2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷诺根据大量实验资料，将影响流体流动状态的因素归纳成一个无因次数，称为雷诺数Re，作为判别流体流动状态的准则Re=式中u 流体断面平均流速，cmsd——圆管直径,cmY 流体的运动粘度,cm2：s在本实验中，流体是水。水的运动粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托克斯提出的经验公式计算0.0178Y=1+0.0337t+0.0002212式中Y 水在t°C时的运动粘度，cm2/s；t——水的温度，°C。3、判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速，从紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。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，对应于上、下临界速度的雷诺数，称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必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。而且极不稳定，只要稍有干扰，流态即发生变化。上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不同有所不同。因此，上临界雷诺数在工程技术中没有实用意义。有实际意义的是下临界雷诺数，它表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值。通常均以它作为判别流动状态的准则，即Re<2320时，层流Re>2320时，紊流该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，工程实际中一般取Re=2000。5、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v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性差，容易发生紊流现象。6、由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十分必要的。圆管中恒定流动的流态为层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的1.75〜2.0次方成正比，如图2所示。7、通过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，而紊流流速分布则比较均匀，壁面流速梯度和切应力都比层流时大，如图3所示。Ighj开始顱动111层流状态层流流速分布紊流流速分布"【劉紊流层流rIghj开始顱动111层流状态层流流速分布紊流流速分布"【劉紊流层流r区【n-l.75-2.0紊隸态图1三种流态示意分布三、实验装置图图1三种流态示意分布三、实验装置图2三种流态曲线图3圆管断面流速宜\红墨水可移动描针\图4图4雷诺实验装置图四、实验步骤记录本实验的有关常常数（标记于恒压水箱正面）观察两种流态打开开关，使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启流量调节阀，并注入颜色水于实验管内，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，然后逐步开大流量调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水利特征。测定下临界雷诺数（1）将流量调节阀打开，使管道中流体呈完全紊流，再逐步关小流量调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管内刚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，用体积法或电测法测定流量；（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）重新打开流量调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；（5）同时用水箱中的温度计测量记录水温，从而求得水的运动粘度。每调节流量调节阀门一次，均需等待稳定几分钟关小阀门过程中，只允许逐渐减小，不允许开大随出水量减小，应适当调小调速器开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。测定上临界雷诺数。逐步开启流量调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1~2次。五、实验数据记录仪器编号： 有关常数：管径d= 25期,量水箱断面积A= cm2,

水温T= °C, 运动粘性系数：v= cm2/s表1数据记录表格六、分析思考问题1、 为什么本实验要特别强调实验环境安定的重要性？2、 流态判据为何采用无量纲参数,而不采用临界流速？3、 在工程中为何认为上临界雷诺数没有实际意义,而采用下临界雷诺数作为流态的判别标准？4、 雷诺实验得到的圆管中的下临界雷诺数是2320,而目前工程设计中常采用的是2000,原因何在？七、注意事项注意保持实验环境的安定，实验时一定要待水流恒定后，才能量测数据。两个以上同学参加量测实验，读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。注意爱护秒表等仪器设备。实验结束后，将上游阀门关闭。实验五伯努利方程实验一、 实验目的1．观察恒定流条件下，通过管道水流的位置势能、压强势能和动能的沿程转化规律，加深理解能量方程的物理意义及几何意义。2．学习用比托管和体积法测量流速的技能。3．学习使用测压管、总压管测水头的实验技能及绘制水头线的方法。4．验证流体定常流的伯努利方程。二、实验原理1、理想流体的运动方程（欧拉方程）在恒定流、质量力仅有重力、pu2z+—+——=const流体不可压条件下有伯努利积分： F2g （沿流线）。2、 伯努利积分的物理意义是：对于不可压理想流体的恒定流动，总水头（位置水头、压强水头和速度水头之和）或单位重量液体的总机械能（位置势能、压强势能和动能之和）沿流线是保持不变的。3、 伯努利积分可直接运用于恒定元流，重力场中，理想、不可压流体恒定元流的1-1、2-2两个断面上，总水头相等，即：©+竺+呸=勺+空+三_y2g r2go4、 毕托管利用测压管和总压管（测速管）测得总水头和测管水头之差-速度水头，可用来测量流场中某点的流速，即u=；2gAh。5、 在渐变流的过水断面上，惯性力的分量为零，质量力与压差力的分量在此平面上相互平衡，所以渐变流的过水断面上，压强分布规律与静水中是一样的，即测管水头为常数。6、理想、不可压流体恒定总流的能量方程为其中1-1、2-2两个过水断面应处于渐变流段中S分别是两断面的动能修正系数。若考虑实际（粘性）流体流动时的能量损失，则22引+冬*込予+空+*+乩r2g r2g断面1-1是上游断面，断面2-2是下游断面，也为断面1-1、2-2之间单位重量流体的能量损失，包括沿程和局部损失。

图2实验原理图7、 定常总流能量方程的各项都是长度量纲，所以可将它们沿程变化的情况几何表示出来，称为水头线。可分别画出测管水头线和总水头线。三、实验装置实验装置如图3所示，在自循环恒定管道流上串联变截面圆管和弯管。在A，B，C，D四个断面管壁上的不同位置各接出四个毕托管，其中的测压管接在管壁上，总压管迎着来流方向放置在管轴处。管中流速可用尾阀来调节，设置专用量水箱进行流量的量测。

图3实验装置示意图伯努利实验组件相关参数值（如图所示,单位：mm）185—[玄£0声©」3LD[3可刖图4伯努利实验组件相关参数四、实验步骤1．认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。查阅用测压管量测压强、毕托管测流速的原理和步骤。2．对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动抽水机，打开进水开关，给水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。3．检查下游阀门全关时，各个测压管和总压管的液面是否处于同一水平面上。如不平，则需排气调平。4．核对设备编号。记录有关常数。5．开启下游阀门，待水流恒定后，再进行数据的量测，并登录到数据记录表的相应位置。6．改变阀门开度，待水流恒定后，重复上述步骤，并按序登录数据。本实验要求做二个流量。7．检查数据记录表是否有缺漏？是否有数据明显地不合理？若有此情况，进行补正。8．根据量测数据绘出水头线。9．阅读思考问题，作简要回答。五、实验数据记录仪器编号：—,有关常数：量水箱断面积S二(36.5*23.5)cm2,S二(36.5*4.5)cm2。0大 0小管道直径：d=19诲,d=30 ,d= 25匚m,d=A B c D19沁。表1实验数据记录表格开度VA(cm)V'A(cm)VB(cm)V'B(cm)VC(cm)V'C(cm)VD(cm)V'D(cm)时间t(s)深度h(cm)12六、实验结果计算断面A、B、C、D点的平均流速和毕托管测点流速。绘制测压管水头线和总水头线。表2实验数据处理表格开度各断面数据计算断面编号平均流速v（cm/s）毕托管测点流速u（cm/s）测压管水头Z+左（cm）r总压管水头Z+厂2g（Cm）1ABCD2ABCD七、实验思考题为什么测压管开口方向应与流速垂直，而总压管（测速管）开口方向则应迎着流速方向？使用能量方程时，为什么上下游断面都必须选在渐变流段中？总水头线沿程是否下降？为什么？而测压管总水头线有时下降有时上升？为什么在实验中要反复强调保持水流恒定的重要性？八、实验注意事项尾阀开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，不要使测压管水面下降太多，以免空气倒吸入管路系统，影响实验进行。每次改变流量，量测必须在水流恒定后方可进行。流速较大时，测管水面会有脉动现象，读数时要读取时均值实验结束后，关闭电源开关、拔掉电源插头。实验八离心泵特性曲线测定实验1、实验目的学习离心泵特性曲线（Q—H曲线，Q—N曲线和Q—n曲线）的测定方法。2、实验原理和方法该实验使用1#泵（左侧泵）实验测试系统，水流经吸水阀门I及其管道进入1#泵，再流经出口阀门I、逆止阀I、总出口阀门、流量计及其相应管路回到水箱，完成水流循环。按照“启动”条款中叙述的顺序，启动1#泵，保持出口总阀门全开，调节出口阀门I的开度大小，得到泵的一个工况点，读出该工况点的I#真空表、I#压力表、流量计、I#功率表、I#转速表等仪表读数，记录数据，计算对应该工况点泵的扬程H和流量Q参数。调节出口阀门I的开度大小，可以测得不同工况点的数据，经计算绘制出泵的Q—H、Q—N和Q—n等特性曲线。。由功率表读出的是电机的输入功率N，电机效率约61%,由此可得出泵的相应

m输入功率N。1） 扬程H的测试和计算：U2_U2

H二M+M+h+ L1 2 0 2g式中：M] 压力表I的读数，MPaM2——真空表I读数，MPa均换算成水柱高，mh0——压力表I与真空表I表盘的高差，h=0（m）u]，u2——泵的进出口流速进口和出口的管径相同，d2=d],u]=u2所以U2一U2 1-二02g由此： H=M1+M22） 流量Q的测试由电磁流量计可以直接读出流量Q的数值。3）泵的输入功率N和泵效率n的测试和计算。由功率表测定泵的驱动电机的输入功率n，再将此n乘以电机效率n，即得m m m

kW)出泵的输入功率NkW)N=n•nmmn=61%m而泵在一定的工况下的效率n：n=£QH102N式中：p——流体密度kg/m3Q 泵的流量（m3/s）H 泵的扬程（m）N—在此工况下的输入功率3、实验步骤（1）实验前准备1） 检查实验台各部分是否正常。2） 将水箱充满水。（2）启动水泵1）用手拨动电机风叶，叶轮应无卡磨现象，转动灵活。2）打开出口阀门I和注水漏斗阀门，关闭吸水入口阀门I、联络阀门和出口阀门II,注水到满为止，关闭出口阀门I和注水漏斗阀门，打开吸水入口阀门I,全开总出水口阀门。3） 接通实验桌侧面的1#泵电源和控制电源。4） 按变频器上的运行扭，然后按1#泵的I速（全速）按钮，点动电机，转向正确即可，若转向错误，再次按1#泵的I速（全速）按钮停止水泵，改变三相电源相序，重新启动。5） 当泵达到正常转速，逐渐打开出口阀门，注意观察仪表读数，检查轴封泄漏情况，正常时机械密封泄漏量小于3滴/分。电机轴承处温升小于70度。发现异常，及时处理。（3）实验1） 关闭出口阀门I,为零流量状态，测读压力表I、真空表I、流量计、功率表I、转速表I的读数。2） 略开出口阀门I,水泵开始出水，再测读上述仪表读数。3） 逐渐开大出口阀门I,增大流量，重复上述步骤测读各相应工况的M］、M2、N、no实验数据可记录在如下的表格中。m

（4）结束实验，逐渐关闭出口阀门I,按照与启动相反