流体力学实验指导书20151007

实验一 实验二 实验三 总成绩

工 程 流 体 力 学

实验指导与实验报告

姓 名： 学 号： 班 级：

西南科技大学

制造科学与工程学院中心实验室

二零一五年十月

西南科技大学 流体力学实验指导书

目 录

实验说明 .................................................................................................................................................. I TXZH-3型流体力学综合实验装置说明.............................................................................................. II

一、装置组成 ................................................................................................................................. II 二、实验内容 ................................................................................................................................. II 三、实验台参数 ............................................................................................................................. II 四、实验装置组成 ........................................................................................................................ III 实验一 雷诺实验 ................................................................................................................................ 1 一、实验目的 .................................................................................................................................. 1 二、实验装置 .................................................................................................................................. 1 三、实验原理 .................................................................................................................................. 1 四、实验方法与步骤 ...................................................................................................................... 1 实验报告一 雷诺实验 ....................................................................................................................... 4 1. 实验数据表 ................................................................................................................................. 4 2. 计算过程 ..................................................................................................................................... 4 3. 实验结果分析 ............................................................................................................................. 5 4. 思考题 ......................................................................................................................................... 5 实验二 伯努利方程实验 ................................................................................................................... 6 一、实验目的 .................................................................................................................................. 6 二、实验装置 .................................................................................................................................. 6 三、实验原理 .................................................................................................................................. 6 四、实验方法和步骤 ...................................................................................................................... 7 五、实验数据记录 .......................................................................................................................... 8 实验报告二 伯努利方程实验 ........................................................................................................... 9 1. 实验数据表 ................................................................................................................................. 9 2. 计算过程 ..................................................................................................................................... 9 3. 实验结果分析 ........................................................................................................................... 10 4. 思考题 ....................................................................................................................................... 11 实验三 文丘里实验 ......................................................................................................................... 12 一、实验目的 ................................................................................................................................ 12 二、实验装置 ................................................................................................................................ 12 三、实验原理 ................................................................................................................................ 12 四、实验操作与步骤 .................................................................................................................... 13 五、实验数据记录 ........................................................................................................................ 13 实验报告三 文丘里实验 ................................................................................................................. 14 1. 实验数据表 ............................................................................................................................... 14 2. 计算过程 ................................................................................................................................... 14 3. 实验结果分析 ........................................................................................................................... 15 4. 思考题 ....................................................................................................................................... 15

I

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实验说明

工程流体力学实验作为《液压与气压传动》课程的随课实验，开设该实验的目的是通过本实验的教学，使学生初步了解流体力学的研究方法，学习流体力学实验中有关参数（如温度、流量、水位、测压管水头、总水头等）的测量；培养学生观测实验现象、正确记录与处理数据和运用所学知识分析实验结果的可靠性的能力。通过实验验证工程流体力学主要理论的正确性，巩固加深对这些理论的理解。培养学员严肃、认真的科学态度和严格、细致的工作作风。

本实验包括三个基础实验，包括雷诺实验、努伯利方程和文丘里实验，所用学时为2学时，实验数据及实验报告要求如下：

1） 实验过程中，认真观察实验现象，及时记录实验结果； 2） 上交一份实验报告，包括实验中所作的三个实验内容； 3） 实验报告应撰写清晰，数据处理过程详细； 4） 允许双面打印，所有数据处理及记录都应手写。

I

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TXZH-3型流体力学综合实验装置说明

流体力学是力学的一个独立分支，主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。

流体力学研究的主要内容：

（1）建立流体平衡和运动规律的基本方程；

（2）确定流体流经各种通道时速度、压强的分布规律； （3）探求流体运动中的能量转换及各种能量损失的计算方法； （4）解决流体与限制其流动的固体壁面间的相互作用力。 一、装置组成

本实验装置主要由储水箱、实验水箱、自制简易毕托管、文丘里流量计、孔板流量计、涡街流量计、局阻阀门、水泵、压力表、压差传感器、功率表、气液分离器、测压系统管件、管道阀门、实验台及电控箱等组成。 二、实验内容

TXZH-3型流体力学综合实验装置可完成下述实验：

实验一、雷诺实验 实验二、伯努利方程实验

实验三、毕托管实验 实验四、沿程阻力实验(包括光滑管和粗糙管) 实验五、局部阻力实验 实验六、文丘里实验 实验七、孔板实验 实验八、突缩突扩演示实验 实验九、离心泵实验 三、实验台参数

实验台总尺寸：长×宽×高=2000mm×590mm×1900mm。 潜水泵：型号HQB-2500。 增压泵：型号PB088-EA。

实验水箱：长×宽×高=370mm×280mm×400mm。

实验管路1：管径Φ20×2mm，测定粗糙管沿程阻力管长为1m，测定阀门局部阻力管长为0.17m，总长约1.5m。可以完成粗糙管沿程阻力实验。

实验管路2：总长约1.5 m，管径Φ20×0.6mm，长约0.84m；中间接有突扩突缩实验管，管径Φ40×1mm，长约0.46m。可完成突缩、突扩现象的演示实验。

实验管路3：管径Φ20×2mm，测定光滑管沿程阻力管长为0.7m，测定阀门局部阻力管长为0.17m，总长约1.5m。可以完成光滑管沿程阻力及局部阻力的测试实验。

实验管路4：管径Φ20×2mm，总长约1.5m，实验管上装有孔板流量计和文丘里流量计，可以完成文丘里、孔板流量计的测试实验。

实验管路5：管内径Φ14mm，上管轴线高225mm，中管轴线高0.14m，下管轴线高90mm，总长约1.2m。可以完成毕托管测速及伯努利方程实验，实验水位：H=340mm可调。

II

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实验管路6：管内径Φ14mm，管长1 m。可以完成雷诺实验。 四、实验装置组成

1. 系统一由水泵P102供水经管路1、2、3及4流入水箱2中，再返回到水箱1中循环使用。

2. 系统二由潜水泵P101供水到实验水箱3，水箱内液体分别由管路5和6流入水箱2，再返回到水箱1中循环使用。

3. 雷诺实验中颜色水容器中的颜色水经显色剂调节阀门，进入管路6，随管路6内的流动水一起流动，显示有色的流线；经节流阀F1-4流入到水箱2再返回到水箱1中循环使用。当水箱2中水微红时，将消色剂储器中的消色剂（白醋）加入少量进其中，使有色水变清。

4. 实验中基准水平面的选取：用本实验装置做以上各项实验时，其基准水平面一律选择为工作台面板的上平面。

5. 实验装置流程如图1-1所示。

图0-1 流体力学综合实验装置示意图

III

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实验一 雷诺实验

一、实验目的

1．观察液体流动时的层流和紊流现象，区分两种不同流态的特征。 2．测定临界雷诺数，加深对雷诺数的理解。

3．学习雷诺数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

图1-1 雷诺实验流程

三、实验原理

雷诺数是区别流体流动状态的无量纲数。对圆管流动，其下临界雷诺数Rec为 2300～2320。小于该临界雷诺数的流体为层流流动状态，大于该临界雷诺数则为紊流流动状态。工程上，在计算流体流动损失时，不同的Re范围，采用不同的计算公式。因此观察流体流动的流态，测定临界雷诺数，是流体力学课程实验的重要内容。

流体流速 ??Q (1-1)

?d24式中Q—流体流量，用容积法测量，m3/s；

d—管径，本实验装置中d＝0.0158(m)。

?d (1-2)

雷诺数 Re??0.01775式中ν—流体运动粘度，?＝?10?4(m2/s)； 21?0.0337t?0.000221tt—水温，℃。

四、实验方法与步骤

1．观察两种流态：

1)准备工作：（量杯、秒表、管径d＝0.0158(m)） 1

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①关闭水箱1的排水阀F2-2，将循环水箱1加水至约2/3处； ②消色：将白醋加到消色剂容器中对水消色；

③关闭颜色水流量调节阀，将配置好的颜色水（酚酞、氢氧化钠、水的混合物，配比可视水质情况而定，其中水最好为去离子水）加入到颜色水容器中至液位约2/3处。

④调节溢流杯的位置，使上杯沿口位于250mm处。 2)排气及实验操作：

①打开阀门F1-1、F1-2、F1-4，其余阀门闭合，启动潜水泵P101，使实验水箱充水至溢流水位，排出管路中的空气；

②排气结束后，调节阀F1-1，使实验水箱始终保持微溢流状态，以保证管路6进水的稳定度；

③待稳定后，微微开启阀F1-4和颜色水流量调节阀，注入颜色水于管路6内，使颜色水线呈一条直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态；

④显色剂经导入管注入管路6，调节阀F1-4和颜色水流量调节阀，使颜色水流线形态清晰可见，观察颜色水线的状态变化(稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等)。

⑤然后逐渐开大节流阀F1-4，观察颜色水直线的变化，记录层流转变为紊流的水力特征。 ⑥待管中出现完全紊流后，再逐步关小节流阀F1-4，观察由紊流转变为层流的水力特征 (显色剂的流量也应根据节流阀F1-4的开度大小相应调大或调小) 。 ⑦视水箱2内颜色是否变红，通过消色剂流量调节阀加入适量消色剂。 2．测定下临界雷诺数：

①将阀F1-4打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小节流阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一条稳定直线时，即为下临界状态；

②待管中出现临界状态时，用容积法测出流量（使用量杯和秒表测量）； ③测记恒压水箱内水温计读数(以备计算水的运动粘度ν)；

④根据所测流量，计算出管中的平均流速，并根据所测的实验水温求出水的运动粘度，求出下临界雷诺数Rec，并与公认值比较。若偏离过大，需重测。

⑤重测步骤与上述1)～4)的操作相同，根据重测数据再次计算Rec值，直到Rec的值在2000～2300之间。

3．实验结束后断开电源，整理实验台。 注意事项：

①每调节阀门一次，均需等待稳定5分钟； ②关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；

③颜色水由氢氧化钠水溶液和酚酞配比而成，因氢氧化钠具有很强的腐蚀性，使用时请注意安全，如皮肤接触到，请用大量清水冲洗；

2

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4．随出水流量减小，应适当调小进水节流阀F1-1的开度，以减小溢流量引发的扰动。 五、实验数据记录

仪器编号：

有关常数：管径d＝ cm， 水温T＝ ?C，运动粘滞系数?＝ cm/s

表1-1 雷诺实验记录表 2序号 1 颜色水形态 计量体积V(mL) 计量时间τ(s) 雷诺数 3

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实验报告一 雷诺实验

学号 日期 同组同学 1. 实验数据表

仪器编号：

有关常数：管径d＝ cm， 水温T＝ ?C，运动粘滞系数?＝ cm/s

表1-1 雷诺实验记录表 2 姓名 指导教师 班级 成绩 序号 1 颜色水形态 计量体积V(mL) 计量时间τ(s) 雷诺数

2. 计算过程

选取一组数据进行计算，写出完整的计算过程，其余计算结果列表格展示：

4

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表1-2 雷诺实验结果表 序号 1

3. 实验结果分析

颜色水形态 计量体积V(mL) 计量时间τ(s) 雷诺数 （对得到的实验结果进行分析讨论；主要分析雷诺数与流动形态之间的关系。）

4. 思考题

⑴为什么颜色水的形态不稳定影响，实验效果的原因有哪些？ ⑵ 实验水箱内中间隔板的有何作用？

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实验二 伯努利方程实验

一、实验目的

1．验证流体恒定流动时的总流伯努利方程； 2．进一步掌握有压管流中，流动液体能量转换特性；

3．掌握流速、流量、压强等动水力学水流要素的实际量测技能。 二、实验装置

图2-1 伯努利方程实验流程图

实验管路5：管内径Φ14mm，上管轴线高225mm，中管轴线高140mm，下管轴线高90mm，总长约1.2m。可以完成毕托管测速及伯努利方程实验，实验水位：H=340mm可调。 三、实验原理

液体流动时的机械能，以位能、压力能和动能三种形式出现，这三种形式的能量可以互相转换，在无流动能量损失的理想情况下，它们三者总和是一定的。伯努利方程表明了流动液体的能量守恒定律。对不可压缩流体恒定流动的理想情况，总流伯努利方程可表示为：

2p1?1?12p2?2?2z1???z2???C (C为常数) (2-1)

?g2g?g2g对实际液体要考虑流动时水头损失，此时方程变为：

2p1?1?12p2?2?2z1???z2???hf1?2 (2-2)

?g2g?g2g式中z1、z2 —流体位压头，m；

p—流体静压头，m； ?g??2—流体动压力，m； 2gρ—流体密度，kg/m3；

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g—重力加速度，m/s2； υ1、υ2—流体平均流速，m/s；

hF2-2—两个过流断面之间的单位重量流体的水头损失，m；以热能的形式消失掉的，

在管路中是不能再恢复的。

α1、α2—动能修正系数，无量纲。

选测压点2、4、6、8、10，从相应各测压管的水面读数测得z?22p????测点速度水头，并将各过流断面处的z?与相加。

2g2g?gp值，并分别计算各?gα值(动能修正系数)可参考表2-1，根据雷诺数Re的范围确定。 雷诺数Re 最大速度与平均速度之比动能修正系数α 4×103 2.3×104 1.1×105 1.1×106 ?max ?1.26 1.11 1.24 1.07 1.22 1.06 1.17 1.03 表2-1 水力光滑管紊流速度分布规律及动能修正系数

[说明]

（1）各测量截面上的两个测压管， 一个测压管测定的是相应截面的总水头线，另一

p个测压管测定的是同一截面上的测压管压头z?，把这些实验数据直接记入实验记录表?g的相应栏目中。

（2）测速：

能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流体点速度，本试验已将测压管开口位置在能量方程试验管的轴心，故所测得的动压为轴心处的，即最大速度。

毕托管求点速度公式： VB?2gh

利用这一公式和求平均流速公式（V?Q/F）计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速。

四、实验方法和步骤

1．准备工作：关闭水箱1的排水阀F2-2，将水箱1加水至约2/3处，调节溢流杯上沿口至340mm处。

2．排气及实验操作：打开阀门F1-1、F1-2、F1-3，其余阀门闭合，启动潜水泵P101， 使实验水箱充水至溢流水位，排出管路中的空气。排气结束后，关闭阀F1-3，调节阀F1-1，使实验水箱始终保持微溢流状态，检查测压管1～10水面是否平齐(以工作台面为基准)。如不平，则应仔细检查，找出故障原因(连通管受阻、漏气、有气泡) ，并加以排除，直至所有测压管水面平齐。

3．打开节流阀F1-3，观察测压管2、4、6、8、10的水位变化趋势，观察流量增大或

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减小时测压管水位如何变化。

4．当节流阀F1-3的开度固定后，记录各测压管液位高度，同时用体积法测量出管路5中的流量。

5．测记实验水箱实验水温(以备计算ν用)。

6．记录测压管2、4、6、8、10的液位高度，并记录于表2-2中。 6．改变流量再做一次。

7．实验结束后断开电源，整理实验台。 五、实验数据记录

仪器编号：

有关常数：管径d＝ cm，

表2-2 测压管高度表 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 V 速度 T 流量 直径 测点编号3H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 （ml） (s) m/s （mm） （m/s） 实验 1 次数 2 8

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实验报告二 伯努利方程实验

学号 日期 同组同学 1. 实验数据表

仪器编号：

有关常数：管径d＝ cm， 液面高度： mm

表2-1 测压管高度记录表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V 速度 T 流量 直径 测点编号3H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 （ml） (s) m/s （mm） （m/s） 实验 1 次数 2 姓名 指导教师 班级 成绩

表2-2 动能修正系数α

测点编号 项目 管中内径（mm） 点速度Vs（m/s） 平均速度（m/s） 动能修正系数α（查表） 1 2 3 4 6 6 7 8 9 10

2. 计算过程

选取一组数据，写出完整的计算过程，其余计算结果列表格展示：

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表2-3 伯努利实验记录表 工 测 点 编 号 液 柱 高 或 况 差 序 号 测压管压头（测压管读数） p z??g速度水头2 4 6 8 10 流量 m3/s ?? 2g2 1 总压头（计算值） p??2 z???g2g 压头损失hf 测压管压头（测压管读数） p z??g ??2速度水头 2g2 总压头（计算值） p??2 z???g2g 压头损失hf 能量方程实验管中心线距基准线的高度(位压头)z (mm) 3. 实验结果分析

（对得到的实验结果进行分析讨论）

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4. 思考题

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．流量增大时，测压管水头线有何变化？

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实验三 文丘里实验

一、实验目的

1．掌握流量计性能测试的一般实验方法；

2．验证文丘里流量计的孔流系数Cv与雷诺数Re的关系曲线。 二、实验装置

图3-1 文丘里流量计校核流程图

三、实验原理

流体流过文丘里流量计时，都会产生一定的压差，而这个压差与流体流过的流速存在着一定的关系。

对非标准化的各种流量仪表在出厂前都必须进行流量标定，建立流量刻度标尺（如转子流量计）、给出孔流系数（如涡轮流量计）、给出校正曲线（如孔板流量计）。使用者在使用时，如工作介质、温度、压强等操作条件与原来标定时的条件不同，就需要根据现场情况，对流量计进行标定。

1．文丘里流量计的标定

流体在管内的实际流量V实可用体积法测量。

文丘里流量计测得的流量Q理可用以下公式计算：

Ql理?0.4996gR (3-1) 式中Q理—文丘里流量计的计算流量，m3/h。

R—文丘里流量计的压差读数（R=R11-R12），m。 2．孔流系数CV与雷诺数Re关系测定

流体在管内的流量和被测流量计的压差R存在如下的关系：

V=CV?42 (3-2) d2gR于是文丘里流量计的孔流系数

CV?4V (3-3)

2?d2gR式中d——文丘里流量计的孔径，本实验中文丘里流量计喉径d=0.010618m；

Cv——文丘里流量计的孔流系数； g——重力加速度，g=9.807m/s2。

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又知

Re?式中Re——雷诺数；

du? (3-4)

d——流体管径，本实验中d =0.016m； u——水管内流体流速，（m/s）； ν—— 流体的运动粘度，（m2/s）。 其中

u?4V (3-5)

?d2根据实验所测到的R和流量V值，即可算出一系列的CV～Re值，将这些计算结果分别标绘在单对数坐标纸上（Re取对数坐标），便可得到Cv～Re关系曲线。 四、实验操作与步骤

1．准备工作：关闭阀F2-2，将水箱1加水至约2/3处。

2．排气及实验操作：打开阀F2-1、F2-15、F2-16、F2-19，其余阀门闭合，启动增压泵P102，排出管路中的空气。排气结束后，调节阀F2-19，使测压管11、12保持液面平齐，检查有无漏气漏液现象，若有则加以排除。

3．调节阀F2-19到一定流量（注意：不要使测压管11、12溢出），待管中流量稳定后，同时关闭阀门F2-15、F2-16，读取测压管11、12的液位差，并用容积法测出流量，并记录实验数据。

4．重复步骤3，约5～6次，调节阀F2-19开度应由小到大，液面高度均匀缓慢变化。数据记录到表3-1所示。

5. 实验结束后整理实验台，断电。 注意事项：

1．每个实验项目测试前都应对测压管进行排气；

2．因水的波动缘故，读取压差时，应同时关闭阀门F2-15、F2-16。 五、实验数据记录

表3-1 文丘里实验记录表 序号 水温t/℃ 计量体积V/mL 计量时间τ/s 1 2 3 4 5 测压管11读数（m） 测压管12读数（m） ΔR11-12/m 13

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实验报告三 文丘里实验

学号 日期 同组同学 1. 实验数据表

仪器编号： 有关常数：管径d＝ cm， 序号 水温t/℃ 计量体积V/mL 计量时间τ/s 1 2 3 4 5 姓名 指导教师 班级 成绩 测压管11读数（m） 测压管12读数（m） ΔR11-12/m 2. 计算过程

1.（列出一组完整的计算过程并整理实验结果，得出流量计在不同流量下的ΔR11-12、Q理、Q实、绘制Cv～Re关系曲线）

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理论流量Q理 m3/s 实际流量Q实 m3/s 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ΔR11-12/m 流速m/s 粘度 Cv Re

3. 实验结果分析

分析讨论孔流系数CV的可能影响因素。

4. 思考题

1．如果不用体积法还可以用什么方法来校正流量计？

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