《流体力学》实验教案全版

《流体力学》实验教案（全）

（-）不可压缩流体定常流能量方程（伯努利方程）实验

一、实验目的要求：

1、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术；

2、验证流体定常流的能量方程；

3、通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研究，进一步掌握有压管流中动水力学

的能量转换特性。

二、实验装置:

自循环伯努利方程实验装置图

本实验的装置如图所示，图中：

1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.溢流板；5.稳水孔板;

6.恒压水箱；7.测压计；8.滑动测量尺；9.测压管；10.实验管道；11.测压

点；12.毕托管13.实验流量调节阀。

三、实验原理：

在实验管路中沿水流方向取n个过水截面。可以列出进口截面（1）至截面（i）的能量

方程式（i=2,3............,n）

22

4+以+工=2,+上+2+力

pg2gpg2gwi

Z+—

选好基准面，从已设置的各截面的测压管中读出点值,测出通过管路的流量，即可

v2

计算出截面平均流速v及动压吊'，从而可得到各截面测管水头和总水头。

四、实验方法与步骤：

1、熟悉实验设备，分清各测压管与各测压点，毕托管测点的对应关系。

2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查泄水阀关闭时所有测压管水面

是否齐平，若不平则进行排气调平（开关几次）。

3、打开阀13,观察测压管水头线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间

的相互关系，观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。

4、调节阀13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（与毕

托管相连通的是演示用，不必测记读数）。

5、再调节阀13开度1〜2次，其中一次阀门开度大到使液面降到标尺最低点为限，按

第4步重复测量。

五、实验结果及要求：

1、把有关常数记入表2.1。

7_i_P

2、量测（”+晟）并记入表2.2。

3、计算流速水头和总水头。

4、绘制上述结果中最大流量下的总水头线和测压管水头线（轴向尺寸参见1柩二，总

水头线和测压管水头线可以绘在图2.2上）。

六、结果分析及讨论：

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？

3、测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？

4、试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高

或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。

5、由毕托管测量显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原

因。

表2.1有关常数计录表水箱液面高程▽（）cm,上管道轴线高程cm.

测点1*2456*8.1012*14*16*18*

编号3791113151719

管径cm1.371.371.371.371.031.371.371.371.372.001.37

两点4466413.5610291616

间距cm

注：（1）.打“*”者为毕托管测点（测点编号见图2.2）

（2）.2、3为直管均匀流段同一断面上的二个测压点，10、□为弯管非均匀流段同一截面上的二

个测点.

不

o

141618

_______/、______

151719

21060175260190175

单位：mm

图2

表2.2测记（z+菰）数值表（基准面选在标尺的零点）

ro

测点编号2345791112)3151719Q

cnr/s

实验1

2

次数3

表2.3计算数值表

（1）流速水头

33

管径dQ=(cm/s)Q=(cm/s)Q=(C〃?3/s)

(cm)AV//2gAVV2/2gAVV2/2g

7

(cm2)(cm2)

(cm/s)(cm)(c/n)(cm/s)(cm)(cm/s)(cm)

(2)总水头(Z+p/pg+v2/2g)

测点编号Q

(cm2/s)

实验1

2

次数3

五、动量法测量机翼阻力

1实验目的:

(1)了解动量法测力的原理

(2)用动量法测量机翼的阻力。

(3)了解压力扫描测试仪工作原理和使用方法。

2实验装置：

图2机翼阻力测量示意图

(1)机翼模型：在二维小风洞侧壁上安装一个NACA0012机翼模型(如图)。

(2)风速管：用于测量气流速度和压力。

(3)坐标架：安装在风洞外部，用于调节风速管位置。

(4)压力扫描测试仪：用于测量压差。

-OOS-

HDD(

I-II▲I

压差显示拨盘

测压导管连接端子群

指示数字与拨盘一一对应。

本实验中，风速管1的总压孔接

miuinu1端，静压孔接2端，风速管2的总

压孔接3端，静压孔接4端。

28252219»6131074t

3实验准备:

（1）安装机翼，调整好攻角。安装风速管，使其对准气流方向;

（2）将风速管总、静压孔分别与压力扫描测试仪相连；

（3）记录当天大气压、温度和电源频率值。

4实验步骤：

（1）记录机翼下游H—II截面离机翼距离。（以机翼后缘为基准）

（2）测来流速度：将风速管1的总、静压接头分别和压力扫描测试仪的1、2点连接，

分别测得P。|和P1的值。此时测得的压力值为相对于大气静压值（注意压力扫

描测试仪的初始读数，对测量值加以修正）O

（3）测机翼下游压力分布：将风速管2的总、静压接头分别和压力扫描测试仪的3、4

点连接，在H-II截面内改变风速管位置，每间隔5mm测量一个点，记录数据

。分别测得P02和P2的值。记录表中的Y（mm）可以用坐标架上的刻度值做参考。

（4）改变机翼攻角，按上述步骤进行。每组测量三个攻角。

（5）检查实验数据，确认无误后，风洞停车。

（6）整理实验数据，按照要求完成实验报告。

5数据处理：

（1）计算气流速度、Re数

（2）用动量法计算机翼阻力

（3）画出机翼尾流速度分布曲线

6实验报告（自行设计表格和曲线）

姓名：

室温：湿度：

大气压：

实验名称：

日期：年月日

动量法测量机具阳刀

yiPo2P2Po2-V2

(mm)(pa)(pa)(pa)(m/s)

a=°POL=(pa)Pi=(pa)Vi=(m/s)

a=°Poi=(pa)Pi=(pa)Vt=(m/s)

a=°Poi=(pa)Pi=(pa)V尸(m/s)

攻角aPol-PlP02-P2P02-PiCDRe

(0)(pa)(pa)(pa)

风速管校准

一、实验目的

1、学习使用风速管测量气流速度的方法。

2、学习校准风速管的方法，求出待校风速管的系数。

3、学习用最小二乘法处理数据。

二、实验设备

低速风洞一座，标准风速管一支，待较风速管一支，压力扫描测试仪一台

压力扫描仪结构示意图

风速管安装示意图

三、实验原理

风速管是测量气流速度的常用仪器，它上面有总压孔和静压孔（见讲义）。根据不可

压缩伯努利方程：

Po=P~\/2PV2（1）

只要测出总压和静压之差Po-P,就可以算出气流速度Mo,但是由于风速管在制作

时有误差，使得用风速管测出的速度和用伯努利方程算出的风速有一定偏差。因此，需

引入修正系数f,计算风速的公式（1）变为：

（2）

v_/2（Pd-P）T-

JP

。为气体密度，可以用当时大气压强和室温计算。

风速管的总压孔和静压孔通过导管与压力扫描测试仪的两个接头相连。压力

差Po-P通过压力扫描测试仪直接读出，单位为Pa。公式（2）变为：

v=/2(尸0一尸)R3T;(3)

产大气

每支风速管都有不同的修正系数，必须通过校准得出修正系数。具体做法是用一支标准

风速管（已知修正系数）与另一支待校风速管同时安装在低速风洞实验段的流场中。在

每一个风速下同时测出两支风速管的压差读数。改变风速，可得出一组数据，再用最小

二乘法拟合这组数据，可求出待校风速管的校准系数。（见讲义）

四、实验步骤

1、实验前制定实验步骤，确定数据处理的方法。

2、在教师指导下把风速管安装低速风洞实验段内，风速管总压孔应对准来流方向，

不得偏斜。

3、用导管连接风速管和压力扫描测试仪，注意检查导管，不得有破漏或堵塞。注意

压力扫描测试仪的初始读数。测压管连接方法：

a、将风速管两静压头通过三通与压力变送器静压接头连接（压力扫描仪0号接

头）。

b、将标准风速管总压接头与压力变送器总压接头连接（压力扫描仪1号接头）

,将待校风速管总压接头也与压力变送器总压接头连接（压力扫描仪2号接

头）。也可以选用其他接头。两者之间的切换通过转动拨盘来实现。

4、启动风洞，设定变频器频率（不小于20Hz为宜）。

5、压力扫描测试仪拨盘指针指向正确位置（与具体导管连接位置有关）记录标准风

速管的读数，改变压力扫描测试仪拨盘指针位置，再记录待校风速管的读数。

6、改变风速（电压频率），重复步骤5,记下10-15组数据。

7、关闭风洞，记录大气压强和室内温度。

8,整理仪器，实验数据交老师签字后离开实验室。

五、实验报告要求

1、每人做实验报告一份，实验数据附后。

2、实验报告包括下述内容：

a、实验名称、目的、原理和步骤。

b、数据处理方法、过程和校准曲线。

c、给出校准系数和校准系数的误差，注明实验时变频器显示的电压频率和对应

的风速变化范围。

六、思考题

1、公式(3)中的常数R的是多少？是如何得出的？如果实验气体是氮气，R是多

少？

2,你在用最小二乘法计算风速管系数时已经采取了什么假设？如果认为标准风速管

和待校风速管的误差相同，你能否提出一种处理数据的最小二乘法。

3、你在用最小二乘法处理数据时采用的是y=ax+b,还是y=ax,为什么？

四、激波管内压力测量实验

1实验目的：

(4)学习激波管工作原理。

(5)学习用压电传感器测量激波管内瞬态压力的方法。

(6)学习数据采集和处理。

2实验装置:

图1激波管装置和压力测量示意图

（1）激波管

（2）膜片：涤纶膜。

（3）压电传感器：用于测量压力。

（4）电荷放大器，示波器，微机

激波测压仪表设置

（供参考）

测速传感器（陶瓷晶体）CY-YD-203TTDS210示波器

编号1726通道CH1

压力-电荷灵敏度1550Pc/105Pa采样幅值（Y轴）2v/格

压力范围0.T100105Pa采样时间（X轴）2.5ms/格

绝缘阻抗IO10Q触发方式单次触发，

KD5002电荷放大器耦合直流

灵敏度1000

量程30注1：触发通道可以选CH1,也可以选CH2

下限频率0.3注2：触发电平根据信号大小而定，但必需

上限频率100在信号幅度范围内

测压传感器（石英晶体）CY-YD-205TDS210示波器

编号586通道CH2

压力-电荷灵敏度10.57Pc/105Pa采样幅值（Y轴）lOOmv/格

压力范围0~300105Pa采样时间（X轴）2.5ms/格

绝缘阻抗10"Q耦合直流

YE5850电荷放大器

灵敏度10

输出mv/Unit100

下限频率0.003

上限频率100

激波波后压力的测量：示波器2通道给出的压力曲线幅度大小直接反映了压力的大小，计

算方法如下：

压力unit=YE5850输出电压

mv/（100mv/unit）

分母为上表列出的YE5850电荷放大器输出量程mv/unit

3实验步骤：

1.在激波管高压段与低压段之间安装涤纶膜片；

2.压气机充压；

3.将传感器、电荷放大器、波形存储器、计算机等连接好，检查电荷放大器和示波器设

置是否正确（见上表），可根据实验结果进行调整；注意调整波形存储器采样时间、

采样幅值、触发方式、触发电平；

4.YE5850电荷放大器（工作/复位）开关置于工作状态，将示波器置于运行（Ready）

状态，（按仪器右上角（运行/停止）按钮）；

5.充气（先关闭放气阀，打开充气阀直到膜片破，然后关闭充气阀，打开放气阀）：

6.观察波形存储器记录的波形。如结果不理想，调整仪表设置后重新开始实验；

7.将示波曲线输入计算机，把压力曲线数据以电子表格格式存储以供数据分析用；使用

抓图软件把曲线存为图片。

8.从曲线上读取激波从传感器位置1运动到传感器位置2所用的时间t。用以计算激

波速度；读取传感器2的输出电压值；

9.记录当天大气压和温度。本实验低压段压力为latm,高压段破膜压力约为2.5atm»

10.整理实验数据，按照要求完成实验报告。

4数据处理：

（1）显示测量的压力波形

自行编写软件，将实验数据转换为时间和压力值。然后，以时间为横坐标，压力为

纵坐标，将两条曲线表示出来。并计算出激波速度作和激波马赫数场。

（2）与理论值比较

按讲义上激波管的计算公式计算激波速度和激波马赫数。计算传感器处理想的压力

波形，并和测量的曲线比较。

（3）与数值结果比较（选做）

根据理想一维不定常流方程组，选择一种差分格式，计算激波管内的压力分布以及

传感器处的压力波形。将计算结果与实验值、理论值比较。

5实验报告与讨论

温度大气压声速低压段压力高压段（破膜压力）

T=p=a=Pl=P4=

实验测量结果

测量点间距时间间隔激波速度激波马赫数压力曲线电压反射激波后压力

1010mm△t=二V二

WsMs=P5=

理论计算（己知P产P4=a=）

激波速度激波马赫数入射激波后压力反射激波后压力

二

WS=MsP2=P5=

（二）雷诺管实验

一、实验目的要求：

1、通过层流、湍流的流态观测和临界雷诺数的测量分析，掌握圆管流态转化规律;

2、进一步掌握层流、湍流两种流态的运动学特性与动力学特性；

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：

1

自循环雷诺实验装置图

本实验的装置如所示，图中：

1.自循环供水器；2.实验台：3.可控硅无级调器：4.恒压水箱；5.有色指

示水供给箱；6.稳水孔板；7.溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。

三、实验原理：

vmlvT

其中：Q流量；V水体积；T时间；K系数。

四、实验方法与步骤：

1、测记本实验的有关常数。

2、观测两种流态：

打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9,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

后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到湍流的水力特征，待管中出

现完全湍流后，再逐步关小调节阀，观察由湍流转变为层流的水力特征。

3、测定下临界雷诺数：

（1）将调节阀打开，使管中呈完全湍流，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刚拉成一直线状态时，即为下临界状态。每调节阀门一次，均需

等待稳定几分钟。

（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。

（4）重新打开调节阀，使其形成完全湍流，按照上述步骤重复测量不少于三次。

（5）同时由水箱中的温度计测记水温，从而查得水的运动粘度。

注意：流量不可开得过大，以免引起水箱中的水体紊动，若因水箱中水体紊动而干

扰进口水流时，需关闭阀门，静止3-5分钟，再按步骤（1）重复进行。

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湍流，当色水线刚开始散开时即为上临

界状态，测定上临界雷诺数厂2次.

五、实验结果及要求：

1、记录计算有关常数：

管径d=l.37cm,水温t=°C

运动粘度v=-----幽型——y=

1+0.03371+0.00022遥/s

计算常数k

2、记录计算表格

表5.1

实验颜色水线水体积时间流量雷诺数阀门开

次序形态T(s)Q（c〃/）凡度增（T）备注

V（）

或减（1）

注：颜色水形态指：（1）稳定直线，（2）稳定略弯曲，（3）旋转，（4）断续，（5）直线抖动，（6）完全散开

等。

六、实验分析与讨论：

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流与湍流的判据?实

测下临界雷诺数为多少？

3.雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320,而目前一般教科书中介绍采用的下

临界雷诺数是2000,原因何在？

4.试结合湍流机理实验的观察，分析由层流过渡到湍流的机理何在？

5.分析层流和湍流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？

二、平板边界层速度剖面测量

1实验目的：

了解平板边界层特性，学习测量平板边界层速度剖面的方法。

在离平板前缘不同位置处，测量平板边界层内速度分布，确定边界层厚度，并和理论

值进行比较。

2实验装置：

图1实验装置示意图

（1）平板：在三维小风洞中安装一块宽240毫米、长750毫米的尖前缘平板。平板表面

光滑，零攻角安装。沿平板中线有若干静压孔（见上图）。

（2）总压管：头部直径1毫米的总压管，用于测量边界层内总压分布。总压管安装在坐

标架上，总压管前端与静压孔齐平，小孔对准气流轴线且与平板平行。

（3）坐标架：安装在风洞上方，用于调节总压管位置。

（4）压力扫描测试仪：用于测量压差。使用时需注意仪表初始读数，以便对测量值进行

修正。仪表拨盘位置与平板上测点相对应。

3实验步骤：

（1）安装好平板，并使其表面与风洞轴线平行。安装好总压管，使其对准气流方向并与

平板平行。

（2）将总压管、静压孔分别与压力扫描测试仪相连。

（3）记录当天大气压和温度和仪表初读数。

（4）将总压管降到刚好与平板表面接触（必须反复调整总压管数次，以求找到最佳位置

这时总压管中心离平板表面的高度为yi=h/2（h为总压管，外径此时坐

标架的位置高度应为0.5毫米。

（5）启动风洞，调整到设定风速（变频器频率植）。记录仪表读数。

（6）上下移动坐标架，改变总压管位置，重复测量边界层内压力分布和总压管高度。由

于总压管较细、管道较长，压力平衡需要一定时间。实验中要等到压力平衡后再读

数。总压管上下移动步长为1mm。

（7）重复步骤（6）,直到压力计读数不再随总压管位置不同而改变为止。这时表明总压

管已经到达边界层外面。由于接近边界层外边界时速度变化很小，所以必须再要往

上移动总压管若干次，确认总压管已经到达边界层外部。

（8）改变总压管水平位置，同时转动压力扫描测试仪拨盘，使指针指向对应静压孔位置

。重复上述步骤，测量3-5个边界层速度剖面。

（9）风洞停车。

（10）整理实验数据，按照要求完成实验报告。

注：将总压管处于边界层外均匀区时测得的B一网应的气流速度作为来流速度。

4数据处理:

（1）计算边界层内速度分布，速度边界层厚度。

由于边界层速度剖面是以无量纲形式画出的，不需要计算出每一点的速度，只要计

算出相对速度就可以了。设y处的速度Uy为

边界层外缘的速度U为

其中为总压管测得的压力，p为静压孔测得的压力，（poP）,是边界层内测得

的读数。（pop）表示气流均匀区测得的读数，。为气体密度。相对速度为

Uy「/（久一

UJPO-P

当u，/U=0.99时，总压管的高度就是该处平板边界层的厚度。

（2）计算边界层位移厚度及动量厚度.

边界层位移厚度定义是

?=7Q而）

边界层位移厚度可写为

5*叫卜-丽）］•力

以n为纵坐标，以u/u为横坐标作出实验曲线。那么曲线下方的面积就是上式中的

积分。计算积分后，乘以边界层厚度就得到位移厚度。

边界层动量厚度定义是

以n为纵坐标，以u/u为横坐标作出实验曲线。积分后算出动量厚度。

（3）计算理论值

Blasius解给出，层流边界层

6=5.Ox/^Re~

S*=1.72x/麻7

尸=0.664X/W7

湍流边界层（按1/7累次速度剖面）

^=0.37x/5/Rev

S*=0.046x/匹7

3**=0.664x/匹7

（4）实验报告要求

要求每个速度剖面列出实验条件、数据表格（自行设计）、速度剖面曲线、求出边界

层厚度、边界层位移厚度和边界层动量厚度，并与理论值比较。画出沿平板的层流

边界层厚度曲线，并标出您的实验点位置。

5实验报告

姓名：

室温：湿度：

大气压：

实验名称：

日期：年月日

平板边界层

x=mm,poi-Poo=pa,Voo=m/s

序号i高度y(mm)压力p(pa)速度v(m/s)V/Voo

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

x=mm,poi-Poo=pa,Voo=m/s

序号i高度y(mm)压力p(pa)速度v(m/s)V/Voo

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

x=mm,poi-poo=pa,Voo=m/s

序号i高度y(mm)压力p(pa)速度v(m/s)V/Voo

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

氢气泡显示

实验目的

1.学习氢气泡显示的方法。

2.了解用光学方法测量流场速度的原理、步骤。

二、实验设备

1.实验在循环式水槽（见图）中进行。水槽由稳定段、蜂窝器、收缩段、阻尼网、

实验段、水泵、扩散段组成。水由轴流式水泵驱动，在水槽内循环流动。

2.氢气泡发生器提供频率可调、占空比可调、峰值在20-150伏之间的脉动方波

。阴极是一根直径为20-80um的鸨丝，阳极为碳棒或铜片。

3.片光源由幻灯机组成。

4.实验模型，CCD,计算机。

三、实验原理

根据电化学可知，水在直流电压作用下在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。当氢气

泡发生器的电压加在铝丝和碳棒上时，在铝丝上就会产生和丝直径相当的氢气泡

o这些气泡在强光的照射下成为可视的。因此就可以用这些氢气泡显示流场。当氢

气泡发生器发出的是脉冲式电压时，氢气泡也出现脉冲式的，这种被称为“时间线

”。当脉冲间隔己知时，测出时间线之间的距离，可以得到水流的速度。

四、实验步骤

1.将水槽内充满蒸储水或过滤水（一般教师已事先完成）。

2.按图所示安装模型，鸨丝和阳极，并接线。

3.打开水泵开关，调整水流速度，打开幻灯机开关。

4.打开氢气泡发生器开关和频率计开关。发生器开关放在“直流”档，调节电压输

出，得到鸨丝表面产生许多气泡。这些气泡随水一起流动。

5.调节水泵电位器，改变水流速度，直到图象清晰为止。

6.调好CCD焦距，用计算机采集图象。

7.把氢气泡发生器开关放在“方波”档，调节频率和脉宽，直到出现满意的图象为

止。

8.用计算机采集图象。

自循环流动演示仪（1套7件）

*可显示多种边界流场，包括30余种流谱

的边界层分离、旋涡、紊流扩散、射流附

壁效应等；图片

*可供实验分析局部水头损失机理，及其

与边界形状的定性关系。

流谱流线显示仪（1套3件）

图片

显示多种几何边界的平面势流流线簇。

雷诺管

用于测定水流转波临界雷诺数。

佰努利方程仪

1、用于实验分析研究管流总水头与测压管

水头的沿程变化规律及位能、压能、动

能、损失能之间的转换关系；

2、验证流体恒定总流的能量方程。

沿程阻力测量仪

用于测量管流沿程阻力系数，训练利用气-

-水压差计测量小压差和利用电测仪测量大

压差的技术；

实验研究圆管层流和紊流的沿程损失与平

均流速的定量关系。

水击演示仪

*可演示水击现象及其传递过程；

*能测得间接水击的最大升压值；

*可演示水击扬水机工作原理；

*可演示调压井消减水击压强的工作原理

虹吸原理实验仪

静压传递扬水实验仪

用以演示静压传递作用下自动扬水的水力

现象；

可供实验分析流体静压传递特性、扬水原

理及其发生条件，以及虹吸原理等。

水洞1

小型回流式水槽由有机玻璃制成，实验段

尺寸1280mmX135mmX120mm,主要用

丁流动显示。

水洞2

相位激光多普勒粒

径、流速测量仪

本仪器是在激光流速仪（LDV）的基础上功

能扩展而成，即可以测量流体速度，又可

以测量球型粒子的直径

小型超声速风洞

小型低速风洞

本实验室四个小型吹气式低速风洞，电机

功率1.1KW,由VFD-A变频器控制，可实现无

级调速。实验段尺寸分别为900mmX125mm

X320mm（二维）和900mmX240mmX240mm

（三维），风速0-23m/s可调。

小型激波风洞

该设备可用作激波管和反射型激波风洞

使用。作激波管使用时，可在低压段安装

压力传感器测量压力和激波速度，在低压

段末端安装传感器进行动态压力标定。

激波管高压段长2030mm,低压段长4045

mm,由内径67mm不锈钢管制造。激波风洞

具有二维型面喷管，实验段M数为3.0,横

截面尺寸65mmx40mm。可用于进行可压

缩流动实验。

标定激波管

主要参数

高压段500mm,低压段2000mm,

管径68mm

主要用途

激波后压力测量；激波速度测量；传感器

动态压力标定。

（四）水击实验

一、实验目的要求：

1、了解水击原理及水击产生的原因；

2、了解水击清除的方法，水击的利用;

二、实验装置：

本实验仪器由恒压水箱、供水管、调压筒、水击室、压力室、气压表、扬水机出水

管、水击发生阀、逆止阀、水泵、可控硅无级调速器、水泵过热保护器及集水箱等组成

。其装置如下图所示。

图1水击装置图

图中：

1、恒压水箱2、扬水机出水管供水管3、气压表4、扬水机截止阀5、压力室

6、调压筒7、水泵8、水泵吸水管9、供水管10、调压截止阀11、水击发生阀

12、逆止阀13、水击室14、集水箱15、底座

三、实验方法：

1、打开供水开关；

2、启动水击发生阀：启动阀11必须先向下推开，并使过水系统中的空气全部排出（

打开调压筒截止阀可排出空气）。然后松手，阀11就会自动地往复上下运动，时开时闭

而发生水击。

3、测量水击压强：测量时，应全关闭阀10和4,且应关紧不漏水。

4、水击扬水实验：应全开阀4,全关阀10。

5、调压筒实验：应全关阀4,全开阀10。

6、流量调节：可通过调控可控硅无级调速器旋钮，改变流量大小。

7、其它注意事项：若供水管、压力室或阀10下部调压筒中的滞留空气未排净，或水

质不洁等而导致逆止阀漏水，或集水箱水位偏低，都有可能使水击压强达不到额定值

。此时应按前述过程重新操作，或更换水质增加集水箱水量.

四、实验原理：

1、水击的产生和传播：

水泵能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中，水箱1设有溢流板和回水管，能使水

箱中的水位保持恒定。工作水流自水箱1经供水管9和水击室13再通过水击发生阀11的阀

孔流出，回到集水箱14。

实验时，先全关阀10和4,触发起动阀11。当水流通过阀11时，水的冲击力使阀11上

移关闭而快速截止水流，因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压。并事水击室13

同时承受到这一水击压强。水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到

达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管9末端和水击室13内发生负的水击压强。

本实验仪能通过阀11和12的动作过程观察到水击波的来回传播变化现象。即阀11关

闭，产生水击升压，使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内

,并可看到压力表3随着产生的压力波动。然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13

的压强低于压力室5,使逆止阀12关闭。同时，负水击又使阀11下移而开启。这一动作过

程既能观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验仪保持往复的自动工作状态，即当

阀11再次开启后，水流又经阀孔流出，回复到初始工作状态。这样周而复始，阀11不断

地启闭，水击现象也就不断地重复发生。

2、水击压强的定量观测：

水击可在极短的时间内产生很大的压强，尢如重锤锤击管道一般，可造成管道的破

坏。由于水击的作用时间短，升压大，通常需用复杂而昂贵的电测系统作瞬态测量，而

本仪器用简便的方法可直接地量测出水击升压值。此法的测压系统是由逆止阀12、压力

室5和气压表3组成。阀11每一开一关都能产生一次水击升压，由于作用水头、管道特性

和阀的开度均相同，故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次，都将向压力室5内注

入一定水量，因而压力室内的压力随水量的增加而增大，一直到其值达到与最大水击压

强相等时，逆止阀12才不打开，水流也不再注入压力室5,压力室内的压力也就不再增高

。这时，可从连接与压力室空腔的压力表3测量压力室5中的压强，此压强即为阀11关闭

时产生的最大水击压强，这一测量原理可用一个日常生活例子来加深理解：如一个人用

气筒每次以3kg/cm2的压强向轮胎内打气，显然，只有反复多次打，轮胎内的压强方可达

到且只能达到3kg/cm2。

本实验仪工作水头为25cm左右，气压表显示的水击压强值最大可达300mm汞柱以上，

即达到20倍左右的工作水头。表明水击有可能造成工程破坏。

3、水击的利用一水击扬水原理：

水击扬水机由图中的1、9、H、12、13、5、4、2等部件组成。水击发生阀11每关

闭一次，在水击室13内就产生一次水击升压，逆止阀12随之被瞬时开启，部分高压水被

注入压力室5,当阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。由于阀11的不断动作，

水击连续多次发生，水流亦一次一次地不断注入压力室，因而便源源不断地把水提升到

高处。这正是水击扬水机工作原理，本仪器扬水高度为37cm,即超过恒压供水箱的液面

达1.5倍的作用水头。

水击扬水虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒定律。扬水提升的

水量仅仅是流过供水管的一部分，另一部分水量通过阀11的阀孔流出了水击室。正是这

后一部分水量把自身具有的势能（其值等于供水箱液面到阀11出口处的高度差）以动量

传输的方式，提供给了扬水机扬水。由于水击的升压可达几十倍的作用水头，因而若提

高扬水机出水管2的高度，水击扬水机的扬程也可相应提高，但出水量会随着高度的增加

而减小。

4、水击危害的消除一调压筒（井）工作原理：

如上所述，水击有可利用的一面，但更多的是它对工程具有危害性的一面。例如，

水击有可能使输水管爆裂。为了消除水击的危害，常在阀门附近设置减压阀或调压筒（

井），气压室等设施。本仪器设有由阀10和调压筒6组成水击消减装置。

实验时全关阀4,全开阀10,然后手动控制阀11的开与闭。由气压表3可见，此时，

水击升压最大值约为100mm汞柱，其值仅为阀10关闭时的峰值的1/3。同时，该装置还能

演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位（以下

称库水位），而当阀11突然关闭时，调压筒中水位很快涌高并且超过库水位，并出现和

竖立U型水管中水体摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。

调压系统中的非定常流和水击的消减作用，在实验中可作如下说明：

设置了调压筒，在阀11全开下的定常流时，调压筒中维持低于库水位的固定自由水

面。当阀11突然关闭时，供水管9中的水流因惯性作用继续向下流动，流入调压筒，使其

水位上升，一直上升到高出库水位的某一最大高度后才停止。这时全管流速等于零，流

动处于暂时停止状态，由于调压筒水位高于库水位，故水体作反向流动，从调压筒流向

水库。又由于惯性作用，调压筒中的水位逐渐下降，至低于库水位，直到反向流速等于

零为止。此后供水管中的水流又开始流向调压筒，调压筒中的水位再次回升。这样，伴

随着供水管中水流的往返运动，调压筒中水位也不断上下波动，这种波动由于供水管和

调压筒的阻力作用而逐渐衰减，最后，调压筒水位稳定在正常水位。

设置调压筒后，在过流量急剧改变时仍有水击发生，但调压筒的设置建立了一个边

界条件，在相当大程度上限制或完全制止了水击向上游传播。同时水击波的传播距离因

设置调压筒而大为缩短，这样既能避免直接水击的发生，又加快了减压波返回，因而使

水击压强峰值大为降低，这就是利用调压筒消减水击危害的原理。

文丘里流量计实验

一、实验目的要求

1.通过测定流量系数，掌握文丘里流量计量测管道流量的技术和应用气一

水多管压差计量测压差的技术；

2.通过实验与量纲分析，了解与实验结合研究水力学问题的途径，进而

掌握文丘里流量计的水力特性。

二、实验装置

本实验的装置如图6.1所示。

96.1文丘1流时轴黄飘

1,自翻供水器；2.实验台；3,可龌无级触橱4.恒压水箱；5放流板；6.稳水孔板；7.文丘

里实殷管段；8.测压收岫9.测压计；10,滑尺；1】,多管压蚪；12.实麟翻节就

在文丘里流量计的两个测量断面上，分别有2个测压孔与相应的均压环连

通，经均压环均压后的断面压强由气一水多管压差计9测量（亦可用电测仪量

测）。

三、实验原理

根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文氏管过水能力关系式

_4^1____________________________________

Q*=下了y2g[(Zl+pl//)-(Z2+p2/y)J=K/ZA

K=8/^"(di/d2)4-l

&=(Z1+^)-(Z2+^)

式中：A力为两断面测压管水头差。

由于阻力的存在，实际通过的流量Q恒小于Q'。今引入一无量纲系数

u=Q/Q'(□称为流量系数)，对计算所得的流量值进行修正。

即Q=uQ'=uKVAh

另，由水静力学基本方程可得气一一水多管压差计的4h为

Ah=Ai—hi-\-hi—力4

四、实验方法与步骤

1.侧记各有关常数。

2.打开电源开关，全关阀12,检核测管液面读数为1一左+加一力4是否为0

,不为0时，需查出原因并予以排除。

3.全开调节阀12检查各测管液面是否都处在滑尺读数范围内？否则，

按下列步序调节：拧开气阀8/将清水注入测管2、3/待左=ZsQ24cm,打

开电源开关充水/待连通管无气泡，渐关阀12,并调开关3/至4=力4%

28.5cm,既速拧紧气阀8。

4.全开调节阀门12,待水流稳定后，读取各测压管的液面读数加、"

加、力4,并用秒表、量筒测定流量。

5.逐次关小调节阀，改变流量7〜9次，重复步骤4,注意调节阀门应

缓慢。

“6.把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。

7.如测管内液面波动时，应取时均值。

8.实验结束，需按步骤2校核压差计是否回零。

五、实验成果及要求

1.记录计算有关常数。

dl=cm,d2=cm,

水温t=℃,u=cm2/s，

水箱液面标尺值cm,

管轴线高程标尺值▽=cm。

2.整理记录计算表

表6.1记录表

次序测压管读数(cm)水量测量时间

h\hihi力4(cm3)(s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

表6.2计算表K=cm2,5/s

次QAh=Q'二(KVAh)

h\—电+h-力4Rei|J=Q/QZ

序(cm3/s(cm)(cm3/s)

)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3.用方格纸绘制Q〜Ah与Re〜口曲线图。分别取Ah、口为纵坐标。

六、实验分析与讨论

1.本实验中，影响管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本

实验的管道而言，若因加工精度影响，误将（d2—0.01）cm值取代上述d2值时

,本实验在最大流量下的口值将变为多少？

2.为什么计算流量Q与实际流量Q不相等？

3.试证气一一水多管压差计（图6.2）有下列关系：

△h={Z\+p\/y）—（马+必/丫）二力i—左+加一/4

4.试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。

5.文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6~7mH20o工程中应用

文氏管口寸，应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本

实验流量计喉颈最大真空值为多少？

纹影法测量气体密度

实验目的

1.了解纹影仪原理和纹影仪结构

2.掌握纹影仪的基本调节方法

二、实验设备

纹影仪、酒精灯、CCD、计算机

三、实验原理

根据讲义第九章介绍，纹影仪测量了沿刀口垂直方向的密度梯度。本实验中

用纹影仪观测酒精灯火焰形成的温度场。由于我们近似认为火焰中是等压的，因此温度T

正比于密度P。用纹影仪同样可以测量火焰的温度场。现在纹影仪测得的是刀口垂直方

向的温度梯度。

四、实验步骤

a）首先应复习讲义中有关纹影法原理的介绍。

b）安装好纹影仪两块球面反射镜和M2,确定光源S的位置，应使光