流体力学实验指导书

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实验一 能量转换实验

一、实验目的

1、熟悉流体在流动过程中各种能量和压头的概念及其转换关系，加深对伯努利方程的理解；

2、观察流体流速随管径变化的规律。 二、实验原理

1、总压头的分析:

总压头为测压管压头与流速压头之和，任意两截面间的能量方程为

2p2v2p1v12Z2???Z1???Hf,1?2 。

?g2g?g2g图一所示实验装置中，从实验可以观测到B截面的总压头低于A截面的总压头，这符合伯努利方程。

2、A、B截面间压强压头的分析：

由于A、B两截面处于同一水平位置，B截面面积比A截面面积大。所以B截面处的流速比A截面处小。设流体从A截面流到B截面的压头损失为Hf,A?B,在截面间列伯努利方程。

22pAvApBvB ZA???ZB???Hf,A?B

?g2g?g2gA、B两

ZA?ZB

22pBpAvAvB????Hf,A?B ?g?g2g2g2?A2?B2?A2?B即

A、B两截面处的压强压头之差，决定于2g?2g和Hf，A?B。当

2g?2g大

于Hf，A?B时，压强压头的增值为正，反之，压强压头的增值为负。

3、C、D截面间压强压头的分析：

出口阀全开时，由于C、D截面积相等,所以C、D两截面处的流速相等，即流速压头相等；设流体从C截面流到D截面的压头损失为Hf,C?D ，在C、D两截面间列伯努利方程。

22pCvCpDvDZC???ZD???Hf,C?D

?g2g?g2g1

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22vCvD ?2g2g

pDpC??ZC?ZD?Hf,C?D ?g?g即C、D两截面压强压头之差，决定于(ZC?ZD)和Hf,C?D。当(ZC?ZD)大于

Hf,C?D时，压强压头的增值为正，反之，压强压头的增值为负。

4、压头损失的计算：

以出口阀全开时，从C截面到D截面的压头损失Hf,C?D为例,在C、D两截面间

22pCvCpDvD列伯努利方程得： ZC???ZD???Hf,C?D

?g2g?g2g所以，压头损失的算法之一是用总压头来计算：

Hf,C?D22????pC?CpC?D????Z???Z??? ?C?g2g??D?g2g?????压头损失的算法之二是用测压管压头来计算：（?C??D） Hf,C?D?(ZC?三、实验装置与设备参数

1、设备参数 pCp)?(ZD?D) ?g?g 第一套 截面直径?mm? 以D截面中心 A B C D 为基准面?mm? ZD?0 14 28 14 14 ZA.、ZB、ZC?110 ZD?0 第二套 14 28 14 14 ZA.、ZB、ZC?120 2

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2、实验装置

测压管水头测量管总水头测量管高位水槽溢流离心泵出口调节阀回流阀低位水槽测试管出口调节阀离心泵 图一 能量转换实验装置图

四、实验方法与注意事项 1、实验方法：

（1）向低位水槽灌注一定数量的蒸馏水，关闭高位水槽进水调节阀门(离心泵出口调节阀)及实验测试管出口调节阀门，然后启动离心泵。

（2）逐步开大高位水槽进水调节阀，当高位水槽溢流管液体有一定溢流量后，调节测试管出口调节阀为全开位置，要保证高位水槽液面不下降。

（3）观察D截面处测压管压头测量管，在测试管出口调节阀全关位置和全开位置时的水柱高度差H。

（4）全开实验测试管出口调节阀，待流体稳定后读取A、B、C、D截面测压管压头和总压头的读数并记录数据。

（5）调节实验测试管出口调节阀，观察D截面处测压管压头的高度，使之稳定在

1H处，读取A、B、C、D截面测压管压头和总压头的读数并记录数据。 3（6）调节实验测试管出口调节阀，观察D截面处测压管压头的高度，使之稳定在2H处，读取A、B、C、D截面测压管压头和总压头的读数并记录数据。 3（7）全关实验测试管出口调节阀，读取A、B、C、D截面测压管压头和总压

头的读数并记录数据。

（8）实验结束，停止离心泵，关闭高位水槽进水调节阀门及实验测试管出口调节阀门，切断总电源。

2、注意事项：

(1)不要将高位水槽进水调节阀开得过大以免使水流冲击到高位水槽外面，同时导致高位水槽液面不稳定。

(2)当测试管出口调节阀开大时，应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下

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降时应适当开大高位水槽进水调节阀。

(3) 测试管出口调节阀须缓慢地关小，以免造成流量突然下降测压管中的水溢出管外。

(4)注意排除实验测试管内的空气泡。

(5)离心泵不要空转和在出口阀门全关的条件下工作。 五、实验数据记录

1、基本数据：使用的设备编号： 2、实验数据列表： 阀门操作 ?mm? h1 水柱 高度 A截面 B截面 C截面 D截面 HPA HAHPB HBHPC HCHPD HD 全开阀门 11阀门 (H) 3322关小阀门(H) 33关小全关阀门(H) h2 h3 h4 六、计算举例：由实验所测数据计算各截面处流速及沿流动方向上各截面间的压头损失。

七、实验结果分析与思考 1、全开阀门时：

（1）为什么HA﹥HPA，HB?HPB，HC?HPC，HD?HPD，物理意义是什么？

（2）为什么HA?HB?HC?HD，物理意义是什么？

（3）比较?HA与?HB（?HA?HA?HPA；?HB?HB?HPB），哪个大，为什么？两者之差的物理意义是什么？

（4）?HA与?HC，是否相等，为什么？

2、全关阀门时：

（1）A、B、C、D各点是否同高，为什么，物理意义是什么？ （2）比较C、D两点的测压管压头，哪个大？ 3、随着流量减少，各点的高度变化如何，为什么？

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实验二 雷 诺 实 验

一、实验目的

1、观察流体在管内流动的两种不同流动型态。 2、测定临界雷诺数Re c 。

二、实验原理

流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流）和紊流（或称湍流），这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作紊流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。

流体流动型态可用雷诺数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺数可用下式表示：

Re?式中：Re —雷诺数，无因次；

d —管子内径，m；

d??? （1）

?—流体在管内的平均流速，m／s；

?—流体密度，kg／m3；

μ—流体的动力粘滞系数；Pa·s。

层流转变为紊流时的雷诺数称为临界雷诺数，用ReK表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re<2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成紊流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是紊流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。

式（1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺数仅与流体流速有关。本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺数下流体的流动型态。

三、实验装置与设备参数

主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为?20?2mm硬质玻璃。

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2、实验装置如图一所示：

1 2 6 3 4 7 8 9 5

图一 雷诺实验装置图

1－红墨水储槽； 2－溢流稳压槽； 3－实验管； 4－转子流量计； 5－循环泵； 6－上水管； 7－溢流回水管； 8－调节阀； 9－储水槽

四、实验方法：

实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。

示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管(或注射针头)位于试验导管人口的轴线部位。

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注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。

（1）层流流动型态

试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．记录主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。

（2）紊流流动型态

缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。

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实验三 单向流动阻力实验

一、实验目的

1、学习直管摩擦阻力?Pf，直管摩擦系数?的测定方法。

2、掌握直管摩擦系数?与雷诺数Re的关系及变化规律。 3、画出Re—?关系图 二、实验原理

图一所示装置中，在被测直管段的两取压口之间列伯努利方程式，可得：

?Pf??P (1)

Lv2 hf? (2) ???gd2g ???Pf2d?Pf (3) 2L?v Re??.d (4) ?式中： d—管径?m?； L—管长?m?；

v—流速?ms?；

?Pf—直管阻力引起的压降 ?Pa?； ?—流体密度 kgm3；

???—流体运动粘度?m2s?；

?—摩擦阻力系数 ； Re—雷诺数。

三、实验装置与设备参数 1、实验装置

（1）实验装置示意图见图一。离心水泵7将储水槽16中的水抽出，送入实验系

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统，经玻璃转子流量计1测量流量，然后送入被测直管段3测量流体流动的阻力，经回流管流回储水槽16。被测直管段3流体流动阻力?P可根据其数值大小分别采用压差变送器4或空气—水倒置Ｕ型管来测量。

（2）压差传感器与直流数字电压连接方法见图二。

1517118121112133测压口810测压口161479 图一 流体力学综合实验装置示意图

1、转子流量计；2、10、18流量调节阀；3、直管阻力测试管；4、压差变送器；

5、13显示仪表；6、倒置U型管；7、离心泵；8、压力表；9、真空表；11、文氏流量计；12、压差变送器；14、功率表；15、频率计；16、水箱；17、涡轮流量计

A6接测压管接测压管B1B245C1C2图二 测压管路图

2、设备的主要技术数据：

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（1）被测直管段： 编号 1 2 3 4 5 6 管径d（m） 0.00820 0.00800 0.00800 0.00820 0.00740 0.00740 管长L（m） 1.600 1.600 1.600 1.600 1.600 1.600 材料均为不锈钢

（2）玻璃转子流量计： 型 号 LZB—25 LZB—10 型号：LXWY （4） 数显表： 型号：PD139 （5） 离心清水泵： 型号：WB70/055 电机功率：550（W） 流量：20—200（L／h） 扬程：19—13.5(m) 电流：1.35(A) 电压：380（V） 测量范围：0~200KPa 测量范围（L/h） 100~1000 10~100 精度 1.5 2.5 测量范围：200 KPa （3） 压差传感器： 四、实验方法与注意事项： 1、实验方法：

（1）向储水槽内注蒸馏水，直到水满为止。

（2）打开阀门10灌泵，使离心泵中充满水后，关闭阀门10。 （3）在面板上设置电机频率为50HZ。

（4）大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟以上，观察数字仪表的初始值并记录后按RUN键启动泵做实验。

（5）检查系统内有无气泡存在。

当流量为0时打开B1、B2两阀门，若空气—水倒置Ｕ型管内两液柱的高度差不为0，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测取数据。

赶气泡的方法：将流量调至较大，排出导管内的气泡，直至排净为止。

（5）测取数据顺序可从大流量至小流量，反之亦可，一般测15～20组数据，建议当流量读数小于300Lh时，只用空气—水倒置Ｕ型管测压差。

（6）待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停止离心泵，切断电源。 2、注意事项：

（1）利用压力传感器测大流量下?P 时，应切断空气一水倒置U型管B1、B2两阀门，否则影响测量数值。

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（2）在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。

（3）若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。 五、实验数据记录

1、基本数据：使用的设备编号： 2、实验数据列表

实验开始前水温 ℃； 实验结束后水温 ℃ ；实验平均水温 ℃ 。 压差读数初始值 kPa 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

六、计算举例：以上表中某一序号为例，写出计算过程。

七、实验结果分析：在双对数坐标纸上作出Re??的关系图并分析所得曲线是否合符课堂理论所讲。

流量 直管压差?P ?P 流速? ?Lh? ?kPa? ?mmH2O? ?Pa? ?ms? Re ? 11

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附录：

水的粘滞系数

t ? ? t ? ? ?℃? 0 5 10 15 20 25 30 35 ?10?3Pa?s 10?6m2s 1.792 1.519 1.308 1.140 1.007 0.897 0.804 0.727 ????℃? 40 45 50 60 70 80 90 100 ?10?3Pa?s 10?6m2s 0.661 0.605 0.556 0.477 0.415 0.367 0.328 0.296 ???1.792 1.519 1.308 1.140 1.005 0.894 0.801 0.723 0.656 0.599 0.549 0.469 0.406 0.357 0.317 0.284

一个大气压下水的容重和密度

温度 容重 3密度 温度 容重 3密度 温度 容重 3密度 ?℃? 0 1 2 3 4 5 6 8 10 ?kNm? ?kg9.806 9.806 9.807 9.807 9.807 9.807 9.807 9.806 9.805 m3 ??℃? ?kNm? ?kg15 20 25 30 35 40 45 50 55 9.799 9.790 9.778 9.755 9.749 9.731 9.710 9.690 9.657 m3 ??℃? ?kNm? ?kg60 65 70 75 80 85 90 95 100 9.645 9.617 9.590 9.561 9.529 9.500 9.467 9.433 9.399 m3 ?999.9 999.9 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 1000.0 999.9 999.7 999.1 998.2 997.1 995.7 994.1 992.2 990.2 988.1 985.7 983.2 980.6 977.8 974.9 971.8 968.7 965.3 961.9 958.4 12

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