流体力学实验指导书

《流体力学》课堂实验指导书课程中文名称：流体力学课程英文名称：FluidMechanics课程编号：020060150适用专业：新能源科学与工程学时数：32学分数：2课程类别：专业课程应开课学期：第四学期实验一：不可压缩流体恒定流能量方程（伯努利方程）实验实验类型：综合型实验学时：2实验要求：5人/组一、实验目的1．加深理解实际流体恒定总流的伯努利方程与能量损失之间的关系；2．通过实验对诸多水力现象进行分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性；3．掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。二、实验内容1．测定流体流动的流速、流量、压强等水力学参数；2．观察有压管流中动水力学的能量转换现象；3．建立实际流体恒定总流的伯努利方程与能量损失之间的关系。三、仪器设备本实验的装置如图1.1所示。图1.1自循环伯诺利图1.1自循环伯诺利方程实验装置图1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无线调速器；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.本仪器测压管有两种：(1)毕托管测压管（表2.1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头，须注意一般情况下与断面总水头不同（因一般），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；(2)普通测压管（表1.1未标*者），用以定量量测测压管水头。实验流量用阀13调节，流量由智能化数显流量计直接读出（以下实验类同）。四、实验原理、方法、手段和步骤1．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（i=2，3，……，n）取a1=a2=…an=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及，从而即可得到各断面测压管水头和总水头。2．实验方法和步骤(1)熟悉实验设备，分清哪些测压管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。(2)打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，整个实验过程水箱始终都要处于溢流状态。检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平，如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。(3)打开阀13，观察思考：1）：测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）：测点（2）、（3）测压管水头同否？为什么？3）：测点（10）、（11）测管水头是否不同？为什么？）4）：测点（6）、（7）测管水头怎样？为什么？5）：当流量增加或减少时测压管水头如何变化？(4)调节阀13开度，使19号测压管液面在标尺6cm上下，待流量及测压管水头高度稳定后，测记各测压管液面读数（由于所有测点都在同一基准面上，在标尺上直接读取数据），同时测记流量计所显示的流量（毕托管供演示用，不必测记读数），记入表1.2中。(5)再改变流量1次，使阀门开度开到最大（这时19号测压管在标尺上已没有读数，就记为零读数），重复上述测量，把数据记入表1.2中。(6)也就是测压管水头测记完后根据表2.3（1）的要求求出断面的速度水头，最后在表1.3（2）里叠加出总水头（）。（提示：重力加速度g取980）。五、实验结果处理(1)把有关常数记入表1.1。表2.1D1=cm；D2=cm；D3=cm测点编号1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19测点所在管道管径cm注：（1）测点6、7所在断面内径为D2，测点16、17为D3，余均为D1。（2）标“*”者为毕托管测点（3）测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。(2)量测并记入表1.2。表2.2测记数值表（基准面选在标尺的零点上）单位：cm测点编号23457913151719Qcm3/s实验次序1Q1=2Q2=(3)计算流速水头和总水头。表2.3计算数值表（1）流速水头注：g取980管径D（cm）Q1=（cm3/s）Q2=（cm3/s）A（cm2）（cm/s）（cm）A（cm2）（cm/s）（cm）D1=D2=D3=（2）总水头（）（注：）测点编号23457913151719Q（cm3/s）实验次序1Q1=2Q2=六、实验注意事项1．读取测压管液面高度时，眼睛要与液面水平，读取凹液面下端的数值；2．测流量时，至少测两次，要求两次水的流出体积同为1000mL，流出时间差不超过0.2s；3．实验开始后，先开泵，后开出口阀，而试验接受时，先关出口阀后关水泵，以保证玻璃管中充满液体。七、预习与思考题1．各个过水断面上的测压管水头高度的连线称为测压管水头线，各个过水断面上的总水头高度的连线称为总水头线。依你测量和计算的数据，想一想测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？实验二：雷诺实验实验类型：综合型实验学时：2实验要求：5人/组一、实验目的1．观察层流、紊流的流态及流体由层流变紊流、紊流变层流时的水力特征；2．测定下临界雷诺数，掌握圆管流态的判别准则；3．学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，了解其使用意义。二、实验内容1．观察液体流动时的层流和紊流现象；2．区分两种不同流态的特征，搞清两种流态产生的条件；3．分析圆管流态转化的规律；4．测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数及沿程水头损失；5．绘制沿程水头损失和断面平均流速的关系曲线，验证不同流态下沿程水头损失的规律；6．对比层流、紊流两种流态的运动学特性与动力学特性的差异性；7．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。三、仪器设备本实验的装置如图2.1所示。图2图2.1自循环雷诺实验装置图1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.有色水水管；6.稳水孔板；7.溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。.供水流量由无极调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的状态，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3~5分钟，有色水经有色水水管5注入实验管道8，可根据有色水散开与否判别流态，为防止循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理雷诺形象化揭示了两种不同的流态，而且通过大量实验，建立了一个判别流态的无量纲数——雷诺准则或雷诺数：不论什么性质的流体（，），也不论在尺寸（d）多大的管道中以多高的平均流速（v）流动，凡雷诺数的流动就是层流；当的流动就属于紊流。当实验设备未受任何干扰，而不引起水箱内液体微小扰动时，由层流向紊流过渡时，可能在很大的雷诺数下流动才变为紊流，这时的雷诺数称为上临界雷诺数Recr,上临。反之紊流变成层流时的雷诺数称为下临界雷诺数Recr,下临。2．实验方法和步骤(1)记录本实验装置的有关常数。(2)观察两种流态。打开开关3使水箱充水至溢流水位（整个实验过程水箱始终控制于溢流状态），经稳定后，微微开启调节阀9，再打开有色水水管上的止水夹，这时颜色水便注入实验管道内，颜色水流慢慢的会形成一稳定直线，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，通过颜色水直线的弯曲抖动观察层流转变到紊流的临界特征（注：当有色水线条刚开始波动变弯时，即为上临界状态只观察不测量数据）。随着阀门9的继续开大管中出现完全紊流，尔后再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。(3)测定下临界雷诺数。=1\*GB3①将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀9使流量减小，当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态。=2\*GB3②待管中出现下临界状态时，读出流量计所显示的流量记入表3.1。=3\*GB3③根据所测得的流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2000或2320）比较，偏离过大，需重测；=4\*GB3④同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。注意：a．每调节阀门一次，均需等待稳定3到5分钟；b．关小阀门过程中，只许减小，不许开大；c．随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流引发的扰动。五、实验结果处理(1)记录、计算有关常数： 管径d=1.37cm，水温T=℃ 运动粘度cm2/s 计算常数=s/cm3(2)整理、记录计算表。表3.1项目阀门开度颜色水线形态流量雷诺数测定下临界雷诺数Recr,下临Recr,下临=六、实验注意事项1．在测定层流现象时，指示液的流速必须小于或等于观察管内的流速。若大于观察管内的流速则无法看到一条直线，而是和湍流一样的浑浊现象。2．注意在实验台周围不得有外加的干扰。实验者调节好后手应该不接触