流体力学实验指导书与报告

流体力学实验

指导书与报告

所在学院：地侧学院 使用专业：安全工程

2006.6

实验一：压强、流速、流量测定实验

一、压强测定试验 知识点：

静力学的基本方程；绝对压强；相对压强；测压管；差压计。 1.实验目的与意义

1）验证静力学的基本方程；

2）学会使用测压管与差压计的量测技能；

3）灵活应用静力学的基本知识进行实际工程量测。 2.实验要求与测试内容

1）熟练并能准确进行测压管的读数；

2）控制与测定液面的绝对压强或相对压强； 3）验证静力学基本方程；

4）由等压面原理分析压差值。 3.实验原理

1）重力作用下不可压缩流体静力学基本方程： z 2）静压强分布规律：p p0 h

式中：z——被测点相对于基准面的位置高度；

p——被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；

p

c

p0——水箱中液面压强； ——液体容重；

h——被测点在液体中的淹没深度。

3）等压面原理：对于连续的同种介质，流体处于静止状态时，水平面即等

压面。

4.实验仪器与元件

实验仪器： 测压管、U型测压管、差压计

仪器元件：打气球、通气阀、放水阀、截止阀、量杯 流体介质：水、油、气 实验装置如下图： 5.实验方法与步骤

实验过程中基本操作步骤如下：

1）熟悉实验装置各部分的功能与作用；

2）打开通气阀，保持液面与大气相通。观测比较水箱液面为大气压强时各

测压管液面高度；

3）液面增压。关闭通气阀、放水阀、截止阀，用打气球给液面加压，读取

各测压管液面高度，计算液面下a、b、c各点压强及液面压强p0；

4）液面减压。关闭通气阀，打开截止阀，放水阀放出一定水量后，读取各测压管液面高度，计算液面下a、b、c各点压强及液面压强p0。 6.实验成果

实验测定与计算值如下内容：

p

p0 0，a、b、c各测压管与U型测压管液面标高 、压强水头

p

、测压管

水头z

；

p

p0 0，a、b、c各测压管与U型测压管液面标高 、压强水头

p

、测压管

水头z

；

p

p0 0，a、b、c各测压管与U型测压管液面标高 、压强水头

p

、测压管

水头z

；填入表1中。

表1 压强水头与测压管水头测量成果表 单位：

cm

7.实验分析与讨论

1）静止流体中，不同断面测压管水头线如何变化？ 2）根据等压面原理，找出几个等压面。

3）当p0 0，求出p0的绝对压强与相对压强；当p0 0，求出p0的相对压强、绝对压强和真空值。 二、流速、流量测定试验

见能量方程实验指导书。

实验2：动量定理试验

知识点

不可压缩流体恒定流的动量方程；射流；测压管。 一、实验目的与意义

1、验证不可压缩流体恒定流的动量方程； 2、了解射流的特点；

3、灵活应用静力学的基本知识，由测压管推求压力。 二、实验要求与测试内容

1、熟练进行测压管的压力测量，准确读取测压管水位； 2、观察理解射流与孔口出流的水力现象； 3、测定平板的冲击力；

4、测定不可压缩流体恒定流的射流冲击力。 三、实验原理

1、测压管的压力测量：p p0 h 2、不可压缩流体恒定流动能量方程：

z 1v2

1p 22

2v2

1

p1

2g

z2

2g

hw

3、不可压缩流体恒定流动动量方程：

F Q v 22 1v1

忽略滑动摩擦阻力，则：

2

Fx pcA h Dc

4

Q 0 1v1x

式中：D——活塞直径；

hc——活塞形心水深；

Q——管嘴出流量，即射流流量；

v1x——管嘴出流速，即射流流速；

——为动量修正系数； Fx——射流对活塞冲击力； ——液体密度。

实验中，在平衡状态下，只要测得流量Q和活塞形心水深hc，由给定的活

塞直径D，代入上式，便可验证动量方程，并率定射流的动量修正系数 值。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞圆心处的水深。 四、实验仪器与元件

实验仪器：自循环供水系统、带活塞的测压管 仪器元件：放水阀、测压管 流体介质：水 实验装置如图：

五、实验方法与步骤

实验方法与操作步骤如下：

1、熟悉实验装置各部分名称、结构特征，作用性能，记录有关常数。活塞直径D 1.990cm；

2、启动供水系统，打开调速器开关，水泵启动2～3分钟后，关闭2～3秒钟，以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气；

3、调整测压管位置。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。测该水位、流量，并改变作用水头并重复实验。

4、测读水位。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hc值。

5、测量流量。利用体积时间法，在上回水管的出口处测量射流的流量，流量时间要求在15～20秒以上，可用塑料桶等容器，通过活动漏斗接水，再用量筒测量其体积(亦可用重量法测量)。

6、验证v2 0对Fx的影响。取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位置，使反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深hc。 六、实验成果

表1 动量力（射流冲击力）测量成果表

七、实验分析与讨论

1、动量修正系数是否等于1，为什么？

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、滑动摩擦力为什么可以忽略不及？试用实验验证，记录实验结果。

实验3：能量方程实验

知识点：

均匀流断面压强分布；非均匀流断面压强分布；不可压缩流体恒定流动能量方程；比托管；文丘里流量计；测压管；差压计。 一、实验目的与意义

1、掌握均匀流的压强分布规律以及非均匀流的压强分布特性； 2、验证不可压缩流体恒定流动中各种能量间的相互转换；

3、学会使用测压管与测速管测量压强水头、流速水头与总水头； 4、理解比托管测速原理；

5、掌握文丘里流量计的测量流量的方法。 二、实验要求与测试内容

1、分析非均匀流动转弯段上过流断面的测压管水头的变化规律； 2、管路上各点的测压管水头线、总水头线、压差计液面高差的测定； 3、分析测定各断面的压强水头、流速水头与总水头值，及其相互转换； 4、测定管道实际通过流量；

5、用比托管测定相应点的点流速；

6、按文丘里管原理计算理论流量，流量系数。 三、实验原理

1、均匀流断面压强分布规律：

p p0 h

2、不可压缩流体恒定流动能量方程：

z1

p1

1v12

2g

z2

p2

2 2v2

2g

hw

3、比托管测定点流速：

u 4、文丘里管流量测量原理：

Q理论

K

Q

Q实

式中：z——被测点相对于基准面的位置高度；

p——被测点的静水压强；

p

——为压强水头；

ps——为滞止点的压强，用相对压强表示；

v2

2g

——流速水头， 为动能修正系数；

——液体容重；

hw——两断面间的水头损失；

h——两断面间的测压管水头差；

——比托管修正系数。

K——文丘里常数；

——流量系数。

四、实验仪器与元件

实验仪器： 测压管、测速管、差压计

仪器元件：自循环供水系统、滑动测量尺、放水阀、 流体介质：水、气 实验装置如图1、2：

图1

图2

五、实验方法与步骤

实验过程中基本操作步骤如下：

1、熟悉实验装置图1、2各部分的功能，记录有关常数；实验装置图1为能量方程实验，实验装置图2为文丘里流量计实验；

2、启动供水系统，检查测压管液面读数并排气；

3、逐级调节放水阀门的开度，稳定后利用体积时间法测定流量；

4、测定各点在不同流量下的测压管、测速管（实验装置图1）或差压计液面读数（实验装置图2），求得测压管水头及总水头、流速水头（实验装置图1）或测压管液面高差（实验装置图2）；

5、比较均匀流与非均匀流断面的测压管水头值（实验装置图1）；

6、分析各断面的总水头与测压管水头，从而计算沿程水头损失与局部水头损失，并比较突然扩大与突然缩小的测压管水头及其水头损失（实验装置图1）； 7、在实验装置图2中，利用文丘里管测定管道流量 六、实验成果

见表1、表2、表3和表4 七、实验分析与讨论

1、均匀流断面测压管水头、压强分布与非均匀流断面测压管水头与压强分布是否相同？

2、实际流体测压管水头沿程是否可以升高？总水头沿程变化如何？各部分能量如何进行转换？

3、当流量增加，测压管水头线是否变化？

4、如何利用现有的测压管与测速管测量某点的点流速？ 5、比托管测定的流速是否准确？原因何在？ 6、文丘里喉管中是否产生负压，根据实验如何减少文丘里管中喉管中的负压？最大可能真空有多大？

7、文丘里管中流量系数的影响因素有那些？ 8、为什么实际流量与理论流量不同？何者大？

9、沿程水头损失与局部水头损失如何测定？

表1： 测点液面读数与断面能量转换测量成果表 单位：㎝

表2： 均匀流与非均匀流的压强分布特性与能量转换表 单位：cm

表2： 均匀流与非均匀流的压强分布特性与能量转换表 单位：cm

表3： 水头损失与比托管测量表 单位：cm

表4： 文丘里流量计测量表 （图2） 单位：cm

实验4：沿程、局部阻力系数测定实验

知识点：

层流和紊流；沿程水头损失；局部水头损失；突然扩大局部阻力系数；压差计。 一、实验目的与意义

1、加深了解圆管层流和紊流的沿程损失随流速变化的规律； 2、掌握管道沿程阻力系数的量测技术及压差计的量测方法； 3、分析沿程阻力系数与雷诺数Re的关系；

4、掌握三点法、四点法量测局部阻力系数的技能；

5、验证圆管突然扩大局部阻力系数公式及突然缩小局部阻力系数经验公式； 6、加深对局部阻力损失机理的理解。 二、实验要求与测试内容

1、测压管水头的测定；

2、通过等压面原理分析压差值及能进行测压管水头差的量测； 3、水温测定并计算雷诺数；

4、采用时间体积法对管道实际通过的流量测定； 5、沿程阻力系数与损失的测算； 6、局部阻力系数与损失的测算。 三、实验原理 1、能量转换：

2

p1 1v12 p2 2v2z z 1 2 hw

2g 2g

2 p1 1v12 p2 2v2

hj z1 z 2 hf

2g 2g

lv2

2、沿程水头损失： hf

d2g沿程阻力系数： hf

层流：

2gd

lv2

64 Re

紊流： f Re

d

v2

局部水头损失： hj

2g局部阻力系数：

2ghjv2

突然扩大： hj

v v 12

2g

2

2

v12v2

1 2

2g2g

d12

1 1 2

d2

2 d2

2 2 1

d1

2

2

d12

突然缩小： 0.5 1 2

d2 式中：hf——沿程水头损失；

——沿程阻力系数；

——局部阻力系数 hj——局部水头损失；

四、实验仪器与元件

实验仪器： 测压管、U型测压管、差压计

仪器元件：自循环供水系统、水气压差计、滑动量尺、电测仪、水封器 流体介质：水、气 实验装置如图：

图1

图2

五、实验方法与步骤

实验方法与操作步骤如下：

1、熟悉实验装置图1、2各部分功能，记录有关常数； 2、启动供水系统，检查测压管液面水位并排气；

3、调节阀门开度，逐级放大流量，待水位恒定后采用时间体积法测算流量，并计算管道通过的流速；

4、量取水温，由此推求雷诺数；

5、各测压管液面读数（图2）或压差计读数（图1），分析计算沿程水头损失，并求取沿程水头损失；

6、分析个断面总能量，由此推求局部水头损失，并求取局部阻力系数（实验装置图1）。 六、实验成果

表1： 断面能量转换测量成果 单位：cm

表2：沿程水头损失测量表 单位：

cm

表3： 局部水头损失测量表 单位：cm

七、实验分析与讨论

1、为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失?如实验管道安装成倾斜，是否影响实验成果?

2、据实验资料判别本实验的流动型态和流区；

3、实际钢管中的流动，大多为光滑紊流或紊流过渡区，而水电站泄洪洞的流动，大多为紊流阻力平方区，其原因何在? 4、管道的当量粗糙度如何测得?

5、本次实验结果与莫迪图吻合与否?试分析其原因。

6、结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系； 7、不同Re的突扩ξ是否相同?

8、在管径比变化相同的条件下，其突扩ξ是否—定大于突缩ξ？

9、结合流动仪演示的水力观象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部损失阻力损失的主要部位在哪里?怎样减小局部阻力损失

?

实验5：雷诺实验

知识点：

层流与紊流；层流与紊流的判断标准；紊流形成机理；绕流阻力。 一、实验目的与意义

1、观察层流、紊流的流态；

2、测定临界雷诺数，掌握圆管流态的判断标准； 3、观察紊流形成的过程，理解紊流产生的机理；

4、观察流体在各种绕流运动中阻力的大小，分析流体流动的两种阻力形式。 二、实验要求测试内容

1、观察层流、紊流的流态；

2、测定临界雷诺数，掌握圆管流态的判断标准； 3、观察紊流形成的过程，理解紊流产生的机理；

4、理解流体绕流过程中的摩擦阻力与压差阻力的两种阻力形式。 三、实验原理

1、雷诺数：反映惯性力与粘性力的比值。

vdRe

4Qv d2

Re 4000，为紊流； Re 2000，为层流；

2000 Re 4000，为层流与紊流过度区。

2、绕流阻力：为摩擦阻力与压差阻力之和。

D CfAf

v2

2

CpAp

v2

2

式中：D——绕流阻力；

Cf——绕流摩擦阻力系数； Af——绕流摩擦阻力迎流面积； Cp——绕流压差阻力系数； Ap——绕流压差阻力迎流面积；

v——来流速度。

四、实验仪器与元件

实验仪器： 雷诺实验仪、壁挂式流动显示仪

仪器元件：自循环供水系统、颜色水箱、放水阀等 流体介质：水、颜色水 实验装置如图：

图1：雷诺实验仪 五、实验方法与步骤

实验方法与操作步骤如下：

1、熟悉实验装置各部分功能，记录有关常数； 2、观察两种流态。

打开开关使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀，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紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，

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)、将调节阀打开，使管中呈完全紊流，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呈现出一稳定直线时，即为下临界状态； (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，并与公认值(2000)比较，偏离过大，需重测；

(4)、重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；

(5)、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：

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

(3)、随出水流量减小，应适当调小开关(右旋)，以减小溢流量引发的扰动。 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紊流，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1—2次。

有关常数为：管径d=1.4cm，水温t=12.5C。运动粘性系数可用以下经验公式求得：

0.017752

0.01219cm/s 2

1 0.0337t

0.000221t

o

六、实验成果

实验记录计算表

七、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紊流的判据?实测下临界雷诺数Re与公认值偏离多少?原因何在?

3、雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，面目前有些教科书中介绍采用的下临界留诺数是2000，原因何在?

4、为什么在测定Re调小流量过程中，不许有反调?

5、分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异? 6、如何减少摩擦阻力与压差阻力？ 7、绕流阻力在实际工程的应用怎样？

实验6：孔口与管嘴出流实验

一、实验目的要求

1．掌握孔口与管嘴出流的流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数的量测技能；

2．通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析，了解进口形状对出流能力的影响及相关水力要素对孔口出流能力的影响。 二、实验装置

本实验装置如图6．1所示。

图6．1 孔口管嘴实验装置图

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，其图内小字标号1#为喇叭进口，2#为直角进口管嘴，3#为锥形管嘴，4#为孔口；8．防溅旋板；9．测量孔口射流收缩直径的移动触头；10．上回水槽；11．标尺； 12．测压管。

测压管12和标尺11用于测量水箱水位、孔口管嘴的位置高程及直角进口管嘴2#的真空度。防溅板8 用于管嘴的转换操作，当某一管嘴实验结束时，将旋板旋至进口截断水流，再用橡皮塞封口；当需开启时，先用旋板档水，再打开橡皮塞。这样可防止水花四溅。移动触头9 位于射流收缩断面上，可水平向伸缩，当两个触块分别调节至射流两侧外缘时，将螺丝固定，然后用游标卡尺测量两触块的 间距，即为射流收缩断面直径。 三、实验原理

Q

流量系数：

；

Acdc2

收缩系数； ；

Ad2

流速系数：

1 1

阻力系数：

2

四、 实验方法与步骤

1．记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。

2．打开调速器开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开1#园角管嘴，待水面稳定后，测记水箱水面高程标尺读数H1，测定流量Q（要求测量三次，时间尽量长些，以求准确），测量完毕，先旋转水箱旋板，将1#管嘴进口盖好，再塞紧橡皮塞。

3．依照上法，打开2#管嘴，测记水箱水面高程标尺读数H1及流量Q，观察和测量直角管嘴出流时的真空情况。

4．依次打开3#圆锥形管嘴，测定H及Q。

5．打开4#孔口，观察孔口出流现象，测定H1及Q，并按下述7b 的方法测记孔口收缩断面的直径（重复测量三次）。然后改变孔口出流的作用水头（可减少进口流量），观察孔口收缩断面直径随水头变化的情况。

6．关闭调速器开关，清理实验桌面及场地。 7．注意事项：

a:实验次序先管嘴后孔口，每次塞橡皮塞前，先用旋板将进口盖掉，以免水花溅开；

b:量测收缩断面直径，可用孔口两边的触头。首先松动螺丝，先移动一边触头将其与水股切向接触，并旋紧螺丝，再移动另一边触头，使之切向接触，并旋紧螺丝，再将旋板开关顺时针方向关上孔口，用卡尺测量触头间距，即为射流直径。实验时将旋板置于不工作的孔口（或管嘴）上，尽量减少旋板对工作孔口、管嘴的干扰；

c: 进行以上实验时，注意观察各出流的流股形态，并做好记录。 五、实验成果及要求

1．有关常数： 实验装置台号No 园角管嘴d1 cm， 出口高程读数z1 z2 cm， 直角管嘴d2 cm，

园锥管嘴d3 cm， 出口高程读数z3 z4 cm， 孔 口d4 cm。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ps74.html