工程流体力学实验报告(3代学生样版)

工 程 流 体 力 学 实 验

指 导 书 与 报 告

毛 根 海 编著

杭州源流科技有限公司 毛根海教授团队

2013年3月

目 录

2-1 流体静力学综合型实验 ....................................................................1 2-2 恒定总流伯努利方程综合性实验......................................................8 2-3文丘里综合型实验 ...........................................................................17 2-4 雷诺实验 ..........................................................................................23 2-5 动量定律综合型实验 ......................................................................27 2-6 孔口出流与管嘴出流实验 ..............................................................33 2-7 局部水头损失实验 ..........................................................................38 2-8 沿程水头损失实验 ..........................................................................43 2-9毕托管测速与修正因数标定实验 ...................................................49 2-10 达西渗流实验 ................................................................................54 2-11 平面上的静水总压力测量实验 ....................................................59

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2-1 流体静力学综合型实验

一、实验目的和要求

1. 掌握用测压管测量流体静压强的技能； 2. 验证不可压缩流体静力学基本方程； 3. 测定油的密度；

4. 通过对诸多流体静力学现象的实验观察分析，加深流体静力学基本概念理

解，提高解决静力学实际问题的能力。

二、实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

12345678p0A9BCcDba1011 图 .1 流体静力学综合型实验装置图

1. 测压管 2. 带标尺测压管 3. 连通管 4. 通气阀 5. 加压打气球

6. 真空测压管 7. 截止阀 8. U型测压管 9. 油柱 10. 水柱 11. 减压放水阀

说明：下述中的仪器部件编号均指实验装置图中的编号，如测管2即为图1中“2. 带标尺测压管”。后述各实验中述及的仪器部件编号也均指相应实验装置图中的编号。

2. 装置说明

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(1) 流体测点静压强的测量方法之一——测压管

流体的流动要素有压强、水位、流速、流量等。压强的测量方法有机械式测量方法与电测法，测量的仪器有静态与动态之分。测量流体点压强的测压管属机械式静态测量仪器。测压管是一端连通于流体被测点，另一端开口于大气的透明管，适用于测量流体测点的静态低压范围的相对压强，测量精度为1mm。测压管分直管型和“U”型。直管型如图1中管2所示，其测点压强p??gh，h为测压管液面至测点的竖直高度。“U”型如图中管1与管8所示。直管型测压管要求液体测点的绝对压强大于当地大气压，否则因气体流入测点而无法测压；“U”型测压管可测量液体测点的负压，例如管1中当测压管液面低于测点时的情况；“U”型测压管还可测量气体的点压强，如管8所示，一般“U”型管中为单一液体（本装置因其它实验需要在管8中装有油和水两种液体），测点气压为p??g?h，?h为“U”型测压管两液面的高度差，当管中接触大气的自由液面高于另一液面时?h为 “+”，反之?h为“-”。由于受毛细管影响，测压管内径应大于8~10 mm。本装置采用毛细现象弱于玻璃管的透明有机玻璃管作为测压管，内径为8mm，毛细高度仅为1mm左右。

(2)恒定液位测量方法之一——连通管

测量液体的恒定水位的连通管属机械式静态测量仪器。连通管是一端连接于被测液体，另一端开口于被测液体表面空腔的透明管，如管3所示。对于敞口容器中的测压管也是测量液位的连通管。连通管中的液体直接显示了容器中的液位，用mm刻度标尺即可测读水位值。本装置中连通管与各测压管同为等径透明有机玻璃管。液位测量精度为1mm。

(3)所有测管液面标高均以带标尺测压管2的零点高程为基准；

(4) 测点B、C、D位置高程的标尺读数值分别以?B、?C、?D表示，若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则?B、?C、?D亦为zB、zC、zD；

(5) 本仪器中所有阀门旋柄均以顺管轴线为开。 3. 基本操作方法：

(1)设置p0 = 0条件。打开通气阀4，此时实验装置内压强p0 = 0。

(2)设置p0 > 0条件。关闭通气阀4、放水阀11，通过加压打气球5对装置打气，可对装置内部加压，形成正压；

(3)设置p0 < 0条件。关闭通气阀4、加压打气球5底部阀门，开启放水阀11

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放水，可对装置内部减压，形成真空。

(4)水箱液位测量。在p0 = 0条件下读取测管2的液位值，即为水箱液位值。 三、实验原理

1．在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程

z?p?C 或 p?p0??gh ?g式中：

z —— 被测点相对基准面的位置高度；

p —— 被测点的静水压强（用相对压强表示, 以下同）； p0 —— 水箱中液面的表面压强；

? —— 液体密度； h —— 被测点的液体深度。 2．油密度测量原理

方法一：测定油的密度?o，简单的方法是利用图1实验装置的U型测压管8，再另备一根直尺进行直接测量。实验时需打开通气阀4，使p0 = 0。若水的密度?w为已知值，如图2所示，由等压面原理则有

?oh1? ?wH8o2h18o28p01p02h2Hop 0=0 h1AHAp02wwp01wHw(a) (b)

图 2油的密度测量方法一 图3 油密度测量方法二

w

方法二：不另备测量尺，只利用图1中测管2的自带标尺测量。先用加压打气球5打气加压使U型测压管8中的水面与油水交界面齐平，如图3(a)所示，有

p01??wgh1??ogH

再打开减压放水阀11降压，使U型测压管8中的水面与油面齐平，如图3(b)

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流冲击下带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力，提高了测力机构的灵敏度。本装置还采用了双平板狭缝出流方式，精确地引导射流的出流方向垂直于来流方向，以确保v2x＝0。

3．基本操作方法

(1)测压管定位。待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。

(2)恒压水箱水位调节。旋转水位调节阀4，可打开不同高度上的溢水孔盖，调节恒压水箱5水位，管嘴的作用水头改变。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，即可进行实验。

(3)活塞形心处水深hc测量。标尺的零点已固定在活塞园心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即为作用在活塞形心处的水深hc值。

(4)管嘴作用水头测量。管嘴作用水头是指水箱液面至管嘴中心的垂直深度。在水箱的侧面上刻有管嘴中心线，用直尺测读水箱液面及中心线的值，其差值即为管嘴作用水头值。

(5)测量流量。记录智能化数显流量仪的流量值。 三、 实验原理

恒定总流动量方程为

??? F??qV(?2v2??v 1)1取控制体如图2(b)，因滑动摩擦阻力水平分力 Ff < 0.5%Fx，可忽略不计，故x方向的动量方程可化为

Fx??pcA???ghcπ2D??qV(0??1v1x) 4

即 ?1?qVv1x?π?ghcD2?0 4式中：hc—— 作用在活塞形心处的水深；

D —— 活塞的直径；

qV—— 射流的流量； v1x—— 射流的速度；

?1 —— 动量修正因数。

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实验中，在平衡状态下，只要测得流量qV和活塞形心水深hc，由给定的管嘴直径d和活塞直径D，代入上式，便可验证动量方程，并测定射流的动量修正因数 ?1值。

四、 实验内容与方法

1．定性分析实验

(1)观察、分析本实验装置中测力机构的结构创新点。

测射流冲击力的方法很多，装置各不相同，相比之下，本装置的测力机构测量方法简便，精度最高。本装置曾获国家发明专利，主要创新点有：

1） 将射流冲击力转变为活塞所受的静水总压力，用测压管进行测量。 2） 用双平板狭缝方式精确导流，确保v2x＝0。

3） 采用动摩擦减阻减少活塞轴向位移的摩擦阻力。带翼片的平板在射流作用

下获得力矩，使活塞在旋转中作轴向位移，到达平衡位置。活塞采用石墨润滑。

4） 利用导水管a和窄槽c的自动反馈功能，自动调节受力平衡状态下的测压

管水位。

5） 利用大口径测压管内设置阻尼孔板的方法，减小测压管液位的振荡。 (2) 测定本实验装置的灵敏度。

为验证本装置的灵敏度， 只要在实验中的恒定流受力平衡状态下， 人为地增、减测压管中的液位高度，可发现即使改变量不足总液柱高度的 5‰（约0.5～1mm），活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移，开大或减小窄槽c，使过高的水位降低或过低的水位提高，恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.5%（此量值越小，灵敏度越高），亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。

(3) 验证v2x? 0对Fx 的影响。

取下平板活塞9，使水流冲击到活塞套内，便可呈现出回流与x方向的夹角

? >90?（即v2x ? 0）的水力现象[参图3(a)]。调整好位置，使反射水流的回射角度一致。以某动量实验台为例，某次实验测得作用于活塞套园心处的水深hc ?＝292mm，管嘴作用水头H0＝293.5 mm，而相应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，v2x＝0，hc＝196mm。表明v2x若不为零，对动量力影响甚大。因为v 2x不为零，

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则动量方程变为[参图3(b)]

测压管8y射流v2hc'v1xv2v1xpv2v2x

(a) (b)

图3 射流对活塞套的冲击与受力分析

π(180???)] ??ghc 'D2??qV(?2v2x??1v1x)???qV[?1v1x??2v2cos4就是说hc ?随 v2 及 ? 递增。故实验中hc ?> hc。

2. 定量分析实验——恒定总流动量方程验证与射流动量修正因数测定实验 实验方法与步骤：参照基本操作方法，分别测量高、中、低三个恒定水位下的流量、活塞作用水头等有关实验参数，实验数据处理与分析参考第五部分内容。 五、数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称： 实验台号：_________ 实 验 者：______________________ 实验日期：_________ 管嘴内径d= ?10-2m 活塞直径D= ?10-2m 2．实验数据记录及计算结果

表1 测量记录及计算表 测次 1 2 3 管嘴作用水头H0 /10-2m 活塞作用水头hc /10-2m 流量 流速 v / (10-2m/s) 动量力 F / 10-5N 动量修正因数 qV /(10-6m3/s) ? 3．成果要求

(1)回答定性分析实验中的有关问题。

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(2)测定管嘴射流的动量修正因数?。如表1所示。 (3)取某一流量，绘出控制体图，阐明分析计算的过程。 六、 分析思考题

1．实测?与公认值（?＝1.02～1.05）符合与否？如不符合，试分析原因。 2．带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响？为什么？

3．如图2，通过细导水管a的分流，其出流角度为什么需使之垂直于v1x？ 七、 注意事项

若活塞转动不灵活，会影响实验精度，需在活塞与活塞套的接触面上涂抹4B铅笔芯。

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2-6 孔口出流与管嘴出流实验

一、 实验目的和要求

1. 量测孔口与管嘴出流的流速因数、流量因数、侧收缩因数、局部阻力因数

以及圆柱型管嘴内的局部真空度；

2. 分析圆柱形管嘴的进口形状（圆角和直角）对出流能力的影响以及孔口与

管嘴过流能力不同的原因。

二、 实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

84567A10(4)(3)79(1)(2)1112151413A321图1 孔口出流与管嘴出流实验装置图 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. 溢流板 6. 稳水孔板 7. 孔口管嘴 8. 防溅旋板 9.移动触头 10. 上回水槽 11. 标尺 12. 测压管 13. 内置式稳压筒 14.传感器 15. 智能化数显流量仪

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