《流体力学》实验指导书

教学实验 2012-10

流体力学

实验指导书

目 录

能量方程实验 雷诺数实验 沿程阻力实验 局部阻力实验 文丘里流量计实验孔板流量计实验 皮托管测速实验 离心泵综合实验

实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八

实验一 能量方程实验

1、实验目的

观察流体流经能量方程实验管时的 能量转化情况，并对实验中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解。

2、实验装置

图1 能量方程实验装置示意图

1.储水箱 2.上水调节阀 3.溢流回水管 4.实验管段5.背后恒压水箱 6.测压管组7. 测压管固定板 8.静压及全压测点接头 9.流量调节、切断阀10.计量水箱11.接水杯12.量筒

3、实验前准备工作

开启水泵，全开上水阀门使水箱注满水；打开调节阀门，排除管内气体；关闭调节阀门，再调节上水阀门，使水箱水位始终保持不变，并有少量溢出。检查各个测压管液面高度是否相同，如不同，首先排除测压管及连接的胶皮管中空气，确保测压管中无空气泡时，检查各个测压管液面高度是否相同，如还不同，则应调整标尺，使各个测压管液面高度相同。检查实验过程调节流速的调节阀门9，其应该调节灵活。

4、实验方法

（1）、能量方程实验

调节出水阀门至一定开度，使测压管组各液柱在测压板适当位置，测定能量方程实验管的六个断面六组测压管的液柱高度，并用体积法测定流量。

改变阀门的开度，重复上面方法进行测试。

根据测试数据的计算结果，绘出某一流量下各种水头线（如图2-2），并运用能量方程进行分析，解释各测点各种能头的变化规律。

1

C1C2C3C4C5C6

图2-2水头线

可以看出，能量损失沿着流体流动方向增大的；C1与C6比 较，两点管径相同，所以动能头基本相同，但C6点的压力能头比C1增大了，这是由于位置能转化而得来的；C1与C4比较，其位置能头相同，但C4点比C1点的压力能头大，这是由于管径变粗；速度减慢，动能头转化为压力能头；C5与C4比较，位置能头相同，但压力能头小了，可明显看出，是压力能头转化为速度能头了。

实验结果还清楚的说明了连续方程，对于不可压缩的流体稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。 2）测速

能量方程实验管上的六组测压管的任一组都相当于一个皮托管，可测得管内的流体速度。由于本实验台将总测压管置与能量方程实验管的轴线，所以测得的动压水头代表了轴心处的最大速度。

皮托管求点速度的公式为：u?c2g?h?k?h k?c2g 式中 u---毕托管测点处的点速度； c---毕托管的教正系数；

?h---毕托管全压水头与静水压水头差。

Q 管内的平均流速 V?

FQ）。测试结果F记入表二中，如果用皮托管求出所在截面的理论平均速度，可根据该截面中心处的最大流速计算，

在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度（V??并可求出其流量系数。

也可以测定时，用量杯接实验时间段容积水，用秒表记录下实验时间段容积水的接水时间，从而计算实验过程中的流量并把其作为标准流量，计算管道某个工况流速，并与其用比托管所测流速进行比较求出流量系数。 （3）结束实验

关闭电源，把管道内的水放掉，然后关闭各阀门。

2

5、实验数据

表2-1 实验数据表

测点 全压次数 cm 1 2 3 4 5 管中心与基线高㎝ 管内径mm 1 静压cm 全压cm 2 静压cm 全压cm 3 静压cm 全压cm 4 静压cm 全压cm 5 静压cm 全压cm 6 静压cm Q cm3/s 总压头 ㎝ 表2-2 断面速度计算列表

测点 1 项目 点速度V（ sm/s）平均速度（m/s） 2 3 4 5 6 6．分析讨论

用表2-2给出两个工况的全部实验数据根据以上数据和计算结果，绘出能量曲线图。就图中现象回答如下问题：

（1）为什么能量损失时沿着流动的方向增大的？

答:因为在流动方向要不断地克服沿程阻力和局部阻力,故能量损失越来越大。 （2）为什么C4断面比C1断面静压力能头小？

答:由于C4断面管径变粗流速减慢，动能头转变为压力能头 （3）为什么C5比C4位置能头相同但压力能头小了？

答：因为其管径变小,速度变大,压力能头转化成速度能头了。

（4）为什么C6比C5压力能头增大了？

答：因为尽管两点管径相同，动能头相等，但因位置变化所以压力能头大了。

3

实验二 雷 诺 数 实 验

一、 实验目的

1、 观察液体在不同流动状态时流体质点的运动规律 2、 观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过度过程 3、 测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数Rec2

二、 实验原理及实验设备

流体在管道中流动，由两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。雷诺数的物理意义，可表征为惯性力与粘滞力之比。

在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。如果管路中出口阀门

开启较小，在管路中就有稳定的平均速度v，微启红色水阀门，这是红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态微紊流运动。

图1雷诺数实验台示意图

1.水箱及潜水泵 2.接水盒 3. 上水管 4. 接水管5.溢流管 6. 溢流区 7.溢流板8.水位隔板9. 整流栅实验管 10. 墨盒 11. 稳水箱 12. 输墨管 13. 墨针 14.实验管15.流量调节阀

雷诺数表达式Re?v?d?，根据连续方程：A=vQ ，v?Q A流量Q用体积法测出，即在Δt时间内流入计量水箱中流体的体积ΔV。

Q?4

?V tA??d24

式中：A—管路的横截面积；d—实验管内径；V—流速；ν—水的粘度。

三、实验步骤

1、

准备工作：将水箱充满，将墨盒装上墨水。启动水泵，水至经隔板溢流

流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，并保持溢流，以保持水位高度H不变。

2、缓慢开启阀门7，使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门9，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。

3、开大出口阀门15，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，在逐渐关小出口阀门15，观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量。重复三次，即可算出下临界雷诺数。

四、实验内容

（1）观察两种流态

启动水泵供水，使水箱充水至溢流状态，经稳定后，微微开启调节阀，并注入颜色水于实验管道内，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，可观察到由紊流转变为层流的水力特征。

（2）测定临界雷诺数，再现当年雷诺实验全过程。 a.测定下临界雷诺数

开启调节阀，使管中完全紊流，再逐步关小调节阀，注意，调节过程中只许关小、不许开大阀门，且每调节一次流量（即关小一次阀门）后，需待稳定一段时间再观察其形态，直至使颜色水流刚好成一直线，即表明由紊流刚好转为层流，此时可测得下临界雷诺数值为2000~2300之间。而雷诺在实验时得出圆管流动的下临界雷诺数为2320，原因是下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关，雷诺进行实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量实验由于受环境干扰因素影响，很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在2000~2300之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍的圆管下临界雷诺数一般是2000。如果测得雷诺数太小，应开阀至紊流后再重新测量。

b. 测定上临界雷诺数

5

开启水泵，水箱溢流后，微开调节阀使管中出现层流，逐渐开大调节阀，注意，只许开大，不许关小阀门，待颜色水流刚好散开，表明由层流刚好转为紊流，即有上临界雷诺值。根据实验测定，上临界雷诺数实测值在3000~5000范围之内，与操作的快慢，水箱的紊动度，及外界的干扰等密切相关。有关学者做了大量试验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。

（3）层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面的差异如下表： 流态 1、质点有规律地作分层流动。 层流 2、断面流速按抛物线分布。 3、运动要素无脉动现象。 1、流动间无质量传输。 2、流层间无动量交换。 3、单位质量的能量损失与流速的一次方成正比。 1、质点互相混掺作无规则运动。 1、流层间有质量传输。 紊流 2、断面流速按指数规律分布。 3、运动要素发一不规则的脉动现象。 （4）雷诺数的物理意义。

雷诺数可以看作为液流惯性与粘滞力的比值。要理解这一点可以从惯性力与粘滞力的量纲进行分析。惯性力=ma=?V?dv，其中体积V为特征长度L的立方，即dt运动学特性 动力学特性 2、流层间存在动量交换。 3、单位质量的能量损失与流速的（1.75~2）次方成正比 [V]=[L]3；加速度惯性力的量纲为

dv的量纲用特征流速与时间的量纲之比来表示，即dt?dv?[v]?dt??[t]所以??粘滞力T??Adu2，其中面积A的量纲为特征长度L的平方，即?A???L?，流速dn梯度

du的量纲可用特征流速和特征长度L的量纲之比来表示，即dn?du??v?所以粘????dn??L?滞力的量纲为

6

????L??惯性力和粘滞力量纲的比值为

2?????L?

???????L???惯性力?????粘滞力??????L??v?2?t??????L??????L??L???v??L?

????L????????t?????t????3上式的量纲与雷诺数的量纲相同，式中的特征长度L在管流中用直径d表示，在明渠中则用水力半径R表示。

由以上分析可知，雷诺数可表征惯性力和粘滞力之比。

五、记录与计算

次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ΔV（m3） T（s） Q（m3/s） vC（m/s） Rec2 d= mm 水温= ℃

7

Rec2=

vc?d?=

由于临界流速有两个，故临界雷诺数也有两个。当流量由零逐渐开大，产生一个上临界雷诺数Rec1，Rec1?vc2dvc1d?；当流量由大逐渐关小，产生一个临界雷诺数Rec2，

Rec2??。

上临界雷数受外界干扰，数值不稳定，而下临界雷诺数Rec1值比较稳定，雷诺反复测试，测得圆管水流下临界雷诺数Rec2值为2320。因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。当ReRec=2320时，管中液流为紊流。

附：水的密度与粘度计算公式：

31、 密度：???0.003589285 t2?0.0872501 t?1001.44 [kg/m]

式中：t——水的平均温度

22、 粘度：??0.01779/(1+0.03368t+0.0002210t? )[ Pas ]??式中：t——水的平均温度

六、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湍流的判据?实测下临界雷诺数为多少?

3．雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在?

4．试结合湍流机理实验的观察，分析由层流过渡到湍流的机理何在? 5．分析层流和湍流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异?

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三、流体力学综合实验

流体力学综合实验台为多用途实验装置，利用这种实验台可进行下列实验： 一、沿程阻力实验； 二、局部阻力实验；

三、文丘里流量系数的测定方法； 四、孔板流量计流量系数

五、皮托管测流速和流量的方法。

其结构示意图如图1所示。

62

图1 流体力学综合试验台结构示意图

1.储水箱 2.上水管 3. 溢流水管 4.上水箱 5.孔板整流栅6.恒压水箱7.标尺组8.测压管固定板 9. 流量调节阀10.接水箱 11. 回水管

实验装置采用自循环流程。水箱中的水由潜水泵泵出，流经上水管至上水箱，一部分水通过孔板整流栅进入恒压水箱。另一部分多流出的水通过溢流板、溢流水管回到储水箱。恒压水箱使水位保持恒定，恒压水箱下部有一个出水孔，流出的水通过实验装置，然后通过接水水箱、回水管流回至储水箱，水循环使用。

实验装置流量计量采用体积法。用塑料水杯接水，然后用量杯测量体积，用秒表计量接水的时间，计算出体积流量。

实验装置用尺子测量各个计算断面的测压管水头。 更换需要实验的另一实验管段，做下一内容的实验。

等实验全部结束后，关闭水泵开关，计量水箱的水排完后，关闭总电源开关。

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实验三 沿程阻力实验

（一）沿程阻力系数的测定

1、实验目的

1． 掌握沿程阻力系数的测定技能； 2． 了解紊流时沿程阻力的规定。

2、实验设备

实验设备同实验三。

3、实验原理

在实验管段测压管连接的两个断面列1-2断面能量方程

P21av1P2av2Z21??g?2g?Z2??g?2g+hw

因为实验管段水平设置，管径沿程不变，所以Z1?Z2,v1?v2,hw?hP1f??g?P2?g??h???2?????hd2g hLvf???Lv2d2g??4、 实验步骤及要求

1）本实验宜进行多工况实验；

2）开启进水阀门，使压差达到最大高度，作为第一个实验点； 3）测读水柱高度，并计算高度差； 4）用体积法测量流量

10

h，f于是

5、实验数据及成果

实验数据记录：

d = cm， L= cm

实验次数 1 2 3 4 5 6 h1 h2 ?h?hf V ?t Q ? ? cm cm cm cm3 cm cm3/s cm/s 6、思考题

（1） 分析影响?值的因素有哪些？

答：主要有雷诺数和相对粗糙。 （2） 各次实验?值不同的原因。

答：各次实验?值不同的原因有：①读数时存在误差；②测量流量时存误差误差；③在不同的阻力区，?值会有不同的变化。在紊流过渡区，?既与相对粗糙有关，又与Re数有关，而在阻力平方区，?只与相对粗糙有关。

11

（二）沿程水头损失与流速的关系 1．实验目的

验证沿程水头损失与平均流速的关系。

2．实验前准备工作

在综合实验台上安装沿程阻力测试管，将实验台个阀门置于关闭状态，开启实验管道阀门，将泵开启，检验系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。

3．实验原理

图3-1 沿程水头损失与平均流速的关系实验管段 对沿程阻力两测点的断面列能量方程

2p1?1v12p2?2v2 Z1???Z1???hw

?g2g?g2g 因实验管段水平，且为均匀流动：

?Z1?Z2;d1?d2;v1?v2;hw?hr

得： hr?p1p2???h ?g?g 上式中： hw ：测压管水头差即为沿程水头损失。

由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速V，将所得hw，V数据点绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与流速的关系。 4．实验步骤

1）开启调节阀门，测读测压计水面差； 2）用电测法测量流量，并计算出平均流速；

3）将实验的hw与计算得出的?值标入对数坐标纸内，以横座标为流速，纵座标为沿程阻力损失，绘出lghr-lg?关系曲线；

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4）调节阀门逐次由大到小，共测定10次；使流速经过紊流区、过渡区、和层流区。

5．实验数据及曲线绘制

仪器常数：d= cm, A= cm2

表 3-1 No 1 2 3 4 5 6 7 8 h1(cm) h2(cm) hf(cm) V(cm3) lghf(cm3) t(s) q(cm3/s)

L= m, t= ℃

vlgv (cm/s)

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实验四 局部阻力实验

（一）局部阻力损失实验

1、实验目的

1. 掌握三点法、四点法测量局部阻力系数的技能

2. 通过对圆管突扩、突缩局部阻力的测定，验证突扩局部阻力和突缩局部阻

力系数的经验公式。 3. 加深对局部阻力的认识。

2、实验原理

1. 经验公式

突扩局部阻力系数： ?1e'?(1?AA)2 22突缩局部阻力： hvje'??e'12g 突缩局部阻力系数： ?s'?0.5(1?A5A) 32突缩局部阻力：hvjs'??s'52g 3、实验原理：

图1 突扩突缩的局部水头损失测压管段

突扩局部阻力： 列1-2断面能理方程：

14

1）

2） 3）4） （ （

（ （

2PavP12 Z1? e?1?Z2??fh?1?2jh?g2g?g变换为:

Pav12P2av221hje?[(Z1?)?]?[(Z2?)??hf1?2]

?g2g?g2g其中?h?h1?h2?(Z1?PP1)?(Z2?2) 为1-2断面测压管液面高差。 ?g?ghf1?2?hf2?3?h2?h3

?e?hjev122g

同理：突缩局部阻力：

P3av32P4av42 hjs?[(Z3?)??hf3?B]?[(Z4?)??hfB?4]

?g2g?g2g?s?hjsv52

2g4、 实验步骤

1. 记录仪器常数

2. 调节仪器,使仪器处于待测状态。

3. 逐次调节调节阀,改变流量,读取各测压管的液面读数,同时用秋表、量筒 测定流量。 4. 分析结果

5、实验数据与结果

d0?d1?D1?1.0cm,d2?d3?D2?1.9cm,d4?d5?D3?1.0cm l1?2?10cm,l2?3?20cm,l3?B?10cm,lB?4?10cm,l4?5?10cm

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实Q 验次数 1 2 3 4 5 6

测压管读数cm 断面1断面2断面5av52cm2gV cm3 T s cm3/s 0 1 2 3 4 5 av12av22cmcm2g2g hje ?e cm hje'hjs ?s cm hjs'cm cm cm cm

6、思考题

（1）结合旋涡演示的水力现象，分析局部阻力损失的产生机理。

答：流体流经突然扩大、缩小等局部阻碍时，因惯性作用，主流与壁面脱离，其间形成旋涡区。局部水头损失同旋涡区的形状有关，这是因为在旋涡区内质点旋涡运动集中耗能。同时旋涡运动的质点不断被主流带到下游，加剧下游一定范围内主流的紊动强度，从而加大能量损失。除此之外，局部阻碍附近、流速分布不断改变也将造成能量损失。

（2）结合实验结论，考察在相同的条件下（A1/A2相同），突扩与突缩的局部损失的大小。

答：一般条件下，局部阻力系数只决定局部阻碍的形状，所以在相同的条件下，突扩的局部阻力系数比突缩的局部阻力系数要大。

（3）结合旋涡仪演示的水力现象，分析如何减小局部阻力损失。

答：减小局部阻力损失的方法有：○1把突扩突缩等改成渐扩渐缩等

2减小流体的速度。 ○

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（二） 阀门局部阻力系数的测定

1、实验目的

1）测定阀门不同开度时：全开，<30o, <45o三种的阻力系数。

2）掌握局部阻力系数的测定方法。

2、阀门阻力实验原理

图2 阀门的局部水头损失测压管段

对1、2两断面列能量方程式，可求得阀门的局部水头损失及（L1+ L2）长度上的沿程水头损失，以hw1表之，则

hw1?h1?h2

对2、3两断面列能量方程式，可求得阀门的局部水头损失及L3长度上的沿程水头损失，以hw2表之，则

hw2?h2?h3 又L3=L1+L2

∴阀门的局部水头损失h1应为：

hm?hw1?hw2?h1?h3?2h2

v22亦即 ??h1?h3?2h 22g∴阀门的局部水头损失系数为：

??(h1?h3?2h2)式中v为管道的平均流速

2g 2v2、实验步骤及要求

1）本实验共进行三组实验，阀门全开，<30o, <45o每组做三个实验点。 2）开启进水阀门，是压差达到测压计可测量的最大高度。

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No 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11

M(Mpa) V(Mpa) N (W) n(转/分) Q（m3/s） 备注 根据测试数据，在坐标系中点出测试点，最后光滑地绘制出H—Q，N—Q和η—Q曲线。（可以在一张图上绘出）。

η

坐标纸

饱和水蒸气压力表（按压力排列）

34

比容 压力P （M Pa） 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.0070 0.0080 0.0090 0.0100 0.0150 0.020 0.025 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.100

饱和温度ts (℃) 6.982 17.511 24.098 28.981 32.90 36.18 39.02 41.53 43.79 45.83 54.00 60.09 64.99 69.12 75.89 81.35 85.95 89.96 93.51 96.71 99.63

饱和水ν/ （m3/kg） 0.0010001 0.0010012 0.0010027 0.0010040 0.0010052 0.0010064 0.0010074 0.0010084 0.0010094 0.0010102 0.0010140 0.0010172 0.0010199 0.0010223 0.0010265 0.0010301 0.0010333 0.0010361 0.0010387 0.0010412 0.0010434 饱和蒸汽ν“ （m3/kg） 129.208 67.006 45.668 34.803 28.196 23.742 20.532 18.106 16.206 14.676 10.025 7.6515 6.2060 5.2308 3.9949 3.2415 2.7329 2.3658 2.0879 1.8701 1.6946 35

3）测读压差，同时用体积法测量流量。 4）每组各个实验点的压差值不要太接近。 5）变换阀门开启角度重复上述步骤。 6）绘制a?f(?)曲线。

3、实验结果

开度 次h1 h2 h3 V cm3 T Q cm/s 3H 数 cm 1 cm cm s cm ? I 2 3 1 II 2 3 1 III 2 3

4、问题讨论：

（1）同一开启度，不同流量下，ζ值为定值还是变值，何故？

答：ζ为基本不变，其主要取决于阻碍形状。

（2）不同开度时，如把流量调至相等，ζ值是否相等？ 答：ζ不相等，它与局部阻碍的形状有关。

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实验五 文丘里流量计实验

1、 实验目的

1）通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术。 2）验证能量方程的正确性。

2、实验原理：

图8 文丘里测试简图

在文丘里流量计上取断面1-1，2-2列能量方程，令a1?a2?1 ,不计水头损失，可得

PvPvZ1?1?1?Z2?2?2 （1）

?g2g?g2g由连续性方程

22v1A1?v2A2 （2）

得： v2?v1A1d?v1(1)2 A2d2代入（1）式，可得流量的计算公式如下：

?Q?PP4?2g[(Z1?1)?(Z2?2)]

?g?gd14()?1d2d12式中(Z1?P1P)?(Z2?2)为两断面测压管水头差?h。 ?g?g?令：k?4?2g并定义为仪器常数。 d14()?1d2d12于是Q?K?h

20

但在实际测量中，由于水头损失的存在。实际流量Q0略小于计算流量Q。令??Q0为流量常数。则实际流量为Q0??Q。 Q实验数据：d1?1.4cm，d2?0.85cm

3、 实验方法与步骤

（1）测量各有关常数

（2）打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达到测压计可测量的最大高度。

（3）测读压差，同时用体积法测量流量。

（4）逐次关小调节阀，改变流量7~9次，注意调节阀门应缓慢。 （5）把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。 （6）如测管内液面波动时，应取平均值。

4、 实验结果及要求

（1）记录计算有关数据。 实验装置台No d1=1.4 cm, d2= 0.85 cm, 水温 t= ℃

实验数据记录列表

测压管读数(cm) 实验次数 h?10?2 h?10?2 21（m） 1 2 3 4 5 6 7 (m) 平均

实验结果表明该文丘里流量修正系数为

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V?10?6 t(s) Q0?10?6 Δh=h1-h2 Q?k?h (m3/s) (10-2m) (10-6m3/s) ??(m3) Q0 Q 5、实验分析回答思考题

（1）文丘里流量计在安装时是否必须保持水平，如不水平，上述计算公式是否仍可应用？

答：文丘里流量计不必保持水平，根据能量方程

PvPv测压管的高差?h始终不变，而KZ1?1?1?Z2?2?2 对于同一流量，

?g2g?g2g仅与流量计几何尺寸有关，不受测量时的安放平否影响，故公式Q?K?h仍可应用。

（2） 能量方程和连续性方程的应用条件是什么？本实验是否满足这些条件？

答：能量方程的应用条件：恒定流动，质量力只有重力，不可压缩流体，所取的过流断面为渐变流断面。连续性方程的应用条件：不可压缩流体。本实验满足上述条件。

22

22

实验六 孔板流量计实验

一、 实验目的

1 学习并掌握用板孔式流量计测量流量。

二、 实验原理

1 孔板流量计的原理。

流体流过板孔时，板孔前后产生压力差，起差值随流量而变，而两者之间有确定的关系，因此可通过测量来测定流量。

图8 孔板流量计测试简图

对1，2两面列能量方程（水平放置，势能头相等）得：

22PVPV1?1?2?2?h? （1） ?g2g?g2gV 式中：h???00为流经薄壁小孔时的能量损失，?0为出流局部损失系数。

2g 又有连续性方程

2qv?V1A1?V2A2 （2）

联立（1）（2）式得：

V2?2g?H(1?A2A122 （3）

??0)2g?H

??0)

qv?V2A2?(1?A2A2A123

22

本实验仪器经实验校准测流量的公式如下：

其中：

?：流量系数 e ：系数

d ：小孔直径 mm ?H：压差 mm

q?0.01252???ed2?H （m3/h）

三、 实验步骤

1、准备工作

（1）测计各有关常数

（2）打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达到测压计可测量的最大高度。

（3）测读压差，同时用体积法测量流量。

（4）逐渐关小进水阀门，读出10个测压点的测压高度，共测三次。 （5）实验过程中如测压管液面波动不稳，应取平均值。

（6）每次调节流量应缓慢，调节后应稳定一段时间后进行测读。

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实验七 毕托管测速实验

一、 实验目的

1 通过实际流速的测量，掌握用毕托管测量点流速的技能。

2 了解普朗特型毕托管的构造和使用性，并检验其测量精度，进一步明确传统

流体力学测量仪器的现实作用。 二、实验原理

u?c2g?h?k?h

K?c2g

其中 u——毕托管测点的点流速； c——毕托管的校正系数；

?h——毕托管全压水头与静水压水头差。 u?V FV F 联立解上两式得：k?h?

k?VF?h

其中 V——流量，由体积法测定； F——测点管断面积；

计录计算表 k= cm0.5/s

毕托管水头差 实测流量 实验次序 H1

测点流速系数 (cm) H2 ?h k?V F u VF?h 25

实验八 离心泵综合实验

一、 实验目的

掌握离心泵主要工作运行特性；通过对水泵汽蚀现象的观察，加深对水泵汽蚀产生原因的理解；通过对水泵串并联运行时相互之间的关系及其特性曲线的测定方法，进而加深对多台离心水泵联合运行性能的理解。

二、 实验原理

离心泵的重要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和使用泵的主要依据。 1、泵的流量

泵的流量即泵的输送液体的能力，是指单位时间内泵所排出的液体体积。泵的流量可直接有一定时间t内排出液体的体积V或m来测定。

VQ? m3/s （1）

t若泵的输送系统中安装有流量计时，泵的流量可由流量计直接测出。 2、泵的扬程

泵的扬程即总压头，表示单位重量液体从泵中所获得的机械能。

若以泵的压出管路中装有压力表处为1截面，以吸入管路中装有真空压力表处为2截面，在离心泵的入口和出口压力表处分别取1－1和2－2过水断面，列伯诺里方程如下：

p?p?z1?1?1?H?z2?2?2?hl （2）

?g2g?g2g 式中，H为离心泵的扬程，z2－z1＝Δz为离心泵进、出口的高差，即位置水头；p2p?H2 为离心泵出口的测压管高度；1?H1 为离心泵入口的真空度，?g?g22即泵入口真空表读数；由于泵的进出口管径相同，由连续性方程可知v1=v2，hl为1－1和2－2过水断面之间的沿程阻力，因很小可忽略。于是

H?H1?H2??z

式中：hm由压力表读值P1直接求得，hv由真空压力表读值P2直接求得，Δz为仪器常数，当进出口表安装位置等高时，Δz=0。

He?H1?H2 （3）

3、泵的功率

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在单位时间内液体从泵中实际所获得的功，为泵的有效功率。即

Ne?QeHe?g （4）

式中：Ne— 液体从泵中实际所获得的功，W；

Qe—泵的流量，m3/s；

He—泵的扬程，m；

?—所输送液体的密度，Kg/m3； g —重力加速度9.81m/s2。

泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送的液体所获得，其中部分消耗于泵内的各种能量损失。

而电动机所消耗的功率又大于泵轴所作的实际功率。电动机所消耗的功率可由输入的电压和电流测得，或直接由功率表测得：

N?IU=W [W] （5）

式中：I—电流， A； U—电压，V。

4、泵的总效率

泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出：即

??Ne （6） N5、泵的汽蚀

离心泵的叶轮旋转工作时，在入口处的压强会低于大气压，于是后续液体才不断的导入泵内。如果泵内某处压强低至该处液体温度下的气化压力，部分液体就开始气化，形成气泡；与此同时由于压强的降低，原来溶解于液体的某些活泼气体，如水中的氧也会逸出而成为气泡。这些气泡随液流进入泵内高压区，由于该处压强高，气泡迅即破灭。于是在局部地区产生高频率、高冲击力的水击，不断打击泵内部件，使其表面部位蜂窝状或海绵状。此外，在凝结热的助长下，活泼气体还会对金属发生化学腐蚀，以致金属表面逐渐脱落而破坏，这种现象就是气蚀。

气蚀如持续发展，气泡大量产生，就会影响正常流动，噪声和振动剧增，甚至造成断流现象。此时，泵的扬程、流量和效率都显著下降。因此，泵在运行中应当严格防止气蚀。 7、泵的特性曲线

上述各项泵的特性参数并不是孤立的，而是互相制约的。因此，为了准确全面的表征离心泵性能，须在一定的转速下，将实验测得的各项参数即：He、N、

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?与Q之间的变化关系标绘成一组曲线。这组关系曲线称为离心泵特性曲线，如

图1所示。

mBn%WQ图1 离心泵特性曲线

Q以同样的方式测出离心式水泵联合运行工况下的工作特性曲线，对离心泵操作性能具有十分重要的意义，由此曲线可确定泵的最适宜操作状况。 8、泵的并联特性曲线

当需要增加系统中的流量时，宜采用并联方式运行。见图2。

mBBBBQ图2 离心泵并联特性曲线

QQQ两台水泵分别单独运行时所提供的的流量Q1及Q2都小于两机联合运行的

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流量QA，说明联合运行可以满足增加流量的要求。同时，Q1?Q2?QA，单机运行的压头均低于联合运行的压头值。所以联合运行一般不能充分发挥两泵的能力。并联运行是否经济合理，要研究各机的效率才能决定 。

9、泵的串联特性曲线

当管路系统的性能曲线较陡，单机不能提供所需扬程时，应当按串联方式

运行。见图3。

mBBBBQ图3 离心泵并联特性曲线

Q这时第一台泵的出口与第二台泵的吸入口相连。两台水泵串联运行的特点

是通过两台泵的流量相等，而扬程或压头等于两台设备的扬程或压头之和。

三、实验装置

本实验装置可以进行离心泵特性曲线测定实验、离心泵汽蚀实验和离心泵串并联实验的一种多功能综合实验台。

试验台的系统如图4所示。

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FFFL1FL2BppBMMZsDppFFF

图4实验台系统图

Zs—转速传感器； M1、M2—水泵电机（1）、水泵电机（2）；B1 、B2—水泵（1）、水泵（2）；F1—水泵（1）入口阀门；F2—水泵（2）串、并联管路切换阀阀门；F3—水泵串联管路切换阀门；F4—水泵（1）出口阀门；F5—流量工况调节阀门；F7—方水箱与圆水箱之间的联通阀门；F8—排气阀；P1—水泵（1）入口真空压力表；P2—水泵（1）出口压力表；P3—水泵（2）入口真空压力表；P4—水泵（2）出口压力表； L1、L2—泵1流量计、泵2流量计。

方水箱仅起到接水的作用。方、圆水箱之间设联通阀门，分别界至两个计量水箱上；圆水箱上设有调试排空阀及放水阀。

实验台主要由水泵1（用以测泵特性及串并联实验）、水泵2（用以测泵的汽蚀余量和串并联实验）。实验时，利用各阀门的开、关和调节，形成泵1的单台泵工作回路，在不同流量下，测定一组相应的压力表、真空表、和流量计的读数，以及电机的转速n,电功率，即可得出一组泵的流量Q、扬程H,实用功率N等数据，可以绘出泵的H-Q,N-Q和η-Q等特征曲线。进行泵的汽蚀实验时，利用相应阀门的开、闭和调节，形成泵2的单泵工作回路，并使水箱成为的封闭的容器，水泵抽水时，使水箱由于水的抽出而产生真空，从而使泵的进口压力减少，直到发生汽蚀，测出泵的汽蚀余量ΔH。再进行泵的串联或并联回路，测定串联和并联时运行特性。

实验台的主要指标和参数 离心泵参数：

型号： 设计扬程： m 最大流量： m3/h 泵进口管径： mm 电机额定功率： W 电机额定转速： 转/分

电测用户涡轮流量计参数：

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涡轮流量计流量范围：

常规体积法测流量水箱参数：

方计量水箱截面尺寸： × m2

四、实验要求

1、学生根据试验目的，依据基本原理和实验条件，确定实验内容。 2、确定试验数据采集点，以获得必要的试验数据。

3、拟定实验步骤和操作方法，经试验指导老师同意后开始试验操作。4、按拟定的实验步骤进行试验，在测得必要的数据后，经试验指导老师同意，停止试验操作。

5、整理试验数据，写试验报告。

五、实验基本操作步骤

1.泵的特性实验 （1）试验前准备 ①将水箱注满水

②拧开圆水箱上排气阀F7，向方水箱充水，直到圆水箱内充满水且方水箱内有2/3水为止。 ③关闭阀门F2、F3、；打开阀门F1、F4、F5、F7、F8。

（2）进行试验

①启动泵B1。泵运转后，即打开阀门F1，再关闭阀门F4。此时，流量为0，为空载状态。测量压力表P2，真空压力表P1的读数，并测出电机转速n和电机功率。

②打开阀门F4至一定开度，水泵开始给水，再测读压力表P2、真空压力表P1、流量计L的读数，并测定电机的转速n和电机功率。泵的流量可以用流量计（特殊订购）也可用计量水箱和秒表（用户自备）来测量。 ③逐步开大阀门F1，改变泵的流量（一般改变10-15次），在每一流量下，测量并记录上述试验数据。

这样，可以测得相应于不同流量下的试验数据，从而就可以绘出泵的特性曲线。

2.水泵的汽蚀试验

临界汽蚀余量(NPSH)。通过汽蚀试验测得的NPSH临界值。该临界值是在给定的流量下，在第一级内引起第一级扬程或效率下降(2+k/2)%时的NPSH值（k-型式系数）；或者在给定的扬程下，在第一级内引起流量或效率下降(2+k/2)%时的NPSH值。

2??(Q?)1/2K? 3/460(gH?) 31

Q?—每一吸入口的流量；

H?—泵的单机扬程。

（1）试验前的准备 ①将水箱注满水后，用排气阀F8排气后关闭排气阀。 ②打开F1、F2、F4、向两个水泵充水。 ③关闭阀门F1、F2、F5、F8，打开阀门F3、F4。 （2）进行试验

①启动水泵B1、B2，泵运转后，即打开阀门F5。 ②调节阀门F5，调至某一流量Q。

1③在此流量下，将阀门F7由开启向关闭方向逐步调节，使水箱内的真空度逐步增大，每调节一次，同时测读流量计读数、真空压力表P3的读数Hs和压力表P4读数H（扬程）。继续调节阀门F7，直至真空压力表P3的指针发生剧烈颤动或急剧下降为止（即发生汽蚀）。这样，可以读出一组试验数据，并确定在此流量下的汽蚀余量Δh。

（4）将阀门F5调至另一开度，重复上述步骤，测定此流量Q2下的汽蚀余量Δhc。

如此，进行3-5个流量下的试验，测得3-5组试验数据，即可测定泵的汽蚀特性曲线。

3、两台泵的串联运行试验

（1）在相同流量下，测出单台泵运行时的泵B1和泵B2的扬程H1和H2。其试验步骤和方法可参照泵的特性试验方法。

（2）在与单台泵运行时的相同的流量下，测出两台泵的串联时的扬程 H可以得出H串= H1+ H2。具体步骤如下：

串

①打开阀门F3、F4；关闭阀门F1、F2、。 ②接通电源，首先启动泵B2，再启动泵B1，待运行正常后，然后打开阀门F5。 ③调节阀门F5，使流量指示与单台泵运行时相同。 ④在压力表P3、P4、P1和P2上进行扬程H串读值。

4.两台泵的并联运行试验

（1）在相同的扬程下，测出单台水泵进行时泵B1和泵B2的流量Q1和Q2。 （2）在与单台泵运行时的相同的扬程下，测出两台泵并联时的流量Q并，得出：Q并 = Q1+ Q2。具体步骤如下： ① 开阀门F1、F4、F2、F5、F7、F8；关闭阀门F3。

② 首先启动泵B2，再启动泵B1，待运行正常后，然后打开阀门F5。 ③ 调节阀F2、F4，使压力表P4和P2的扬程一致，并与单台泵运行使相同。 ④ 用流量计或计量水箱进行流量Q并测量。

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六、试验台的保养和维护

1. 在接电运转前，必须做好下列准备工作：仔细检查各阀门、接头和表头等

有无松动，如有松动，应加以紧固；用橡胶管将文丘里的测压口与压差计相连接；将水箱注满水，并使泵内全部充满水。完成上述安装工作以后，即可接电试运转。启动水泵，观察有无漏水现象，如漏水，应设法处理。 2. 量水箱应保持清洁明亮；

3. 流量计的差压计，应注意防尘，以免影响测量精度。不用时，应盖上塑料

布或特制小盖；将测力矩力臂用限位装置锁住；

4. 易锈零部件，应注意防锈；

5. 实验前要认真考虑试验内容，确保其正确，确定各个阀门开、关到位； 6. 泵要封闭启动，即关闭F5后启动电机；

7. 观察泵气蚀现象时，要快速操作，防止泵损坏；

8. 泵运转时要注意安全，防止触电。要特别注意防止袖角、衣角及长发卷入

泵电机的转动部件内，防止发生事故。设备运转如有不正常现象，要立即停车，与指导教师讨论愿因，及时处理后方可继续作试验。 说明：

1、做H—Q曲线时，应注意v1,v2 —泵进口流速，一般进口和出口管径相同，d2?d1,v2?v1 所以

2v2?v12?0 2g2．η—Q曲线

利用H—Q和N—Q曲线，任取一个Qn值可以得出相应的Hn和Nn值，由此可得该流量下得相应效率?n值：

?1?r?Qn?Hn

102?Nn取若干个Qn值，并求得相应Hn和Nn值，即可算出其相应的?n值，在Q—η坐标系中可光滑地连出泵的η—Q总效率曲线。

3.实验数据记录表格：

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