不可壓縮流體動量方程驗證畢業(yè)論文.doc

青海民族大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計不可壓縮流體動量方程驗證畢業(yè)論文目 錄前言1實驗一 伯努利方程實驗1一、實驗?zāi)康暮鸵?二、實驗裝置2三、實驗原理4四、實驗內(nèi)容與方法4五、數(shù)據(jù)處理及成果要求6六、注意事項9七、實驗分析與討論9實驗二 不可壓縮流體動量方程驗證10一、實驗?zāi)康呐c要求10二、實驗裝置簡介10三、實驗原理12四、實驗方法與步驟12五、實驗記錄與數(shù)據(jù)處理13六、分析與思考題14實驗三 畢托管測速實驗15一、實驗?zāi)康暮鸵?5二、實驗裝置15三、實驗原理16四、實驗方法與步驟16五、實驗結(jié)果及要求17六、實驗分析與討論19實驗四 雷諾實驗20一、實驗?zāi)康暮鸵?0二、 實驗裝置20三、 實驗原理21四、 實驗內(nèi)容與方法22五、數(shù)據(jù)處理及成果要求23六、 分析思考題23七、 注意事項24實驗五 文丘里流量計實驗25一、實驗?zāi)康暮鸵?5二、實驗裝置25三、 實驗原理25四、實驗方法與步驟27五、實驗成果27六、實驗結(jié)果及分析28實驗六 管道沿程水頭損失實驗29一、 實驗?zāi)康暮鸵?9二、 實驗裝置29三、 實驗原理31四、 實驗內(nèi)容與方法32五、實驗成果及要求32六、 注意事項32實驗七 局部阻力損失實驗34一、實驗?zāi)康囊?4二、實驗裝置34三、實驗原理錯誤！未定義書簽。四、實驗方法與步驟35五、實驗報告要求36六、分析與思考題37實驗八 孔口管嘴出流實驗38一、實驗?zāi)康囊?8二、實驗裝置38三、實驗原理錯誤！未定義書簽。四、實驗方法與步驟39五、實驗成果及要求40六、分析思考題41實驗九 平面靜水總壓力實驗42一、實驗?zāi)康暮鸵?2二、實驗裝置42三、實驗原理44四、實驗內(nèi)容與方法45五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理45六、分析思考題47七、 注意事項47實驗十 水面曲線實驗49一、實驗?zāi)康囊?9二、實驗裝置49三、實驗原理 49四、實驗方法與步驟49五、實驗成果及要求錯誤！未定義書簽。六、分析思考題錯誤！未定義書簽。實驗十一 堰流實驗50一、實驗?zāi)康暮鸵?2二、實驗原理52三、實驗儀器設(shè)備的組合形式53四、實驗方法與步驟54五、實驗成果及要求55六、分析思考題60實驗十二 水躍實驗61一、實驗?zāi)康囊?61二、實驗設(shè)備61三、實驗原理62四、實驗方法與步驟63五、實驗成果及要求64六、分析與思考題67實驗十三 消能池實驗68一、實驗?zāi)康囊?8二、實驗設(shè)備68三、實驗原理68四、實驗方法與步驟71五、實驗成果及要求72六、實驗分析與思考題73實驗十四 消能坎(墻)實驗74一、實驗?zāi)康囊?4二、實驗設(shè)備74三、實驗原理74四、實驗方法與步驟75五、實驗成果及要求76六、實驗分析與思考題78實驗十五 挑流消能實驗79一、實驗?zāi)康呐c要求79二、實驗裝置79三、實驗原理 80四、實驗方法與步驟 81五、實驗成果及要求 81六、實驗分析與思考題83實驗十六 單泵特性曲線測定實驗84一、實驗?zāi)康呐c要求84二、儀器簡介84三、實驗原理85四、實驗步驟與方法87五、實驗成果及要求88六、試驗分析與計論89實驗十七 雙泵串聯(lián)實驗91一、實驗?zāi)康呐c要求91二、儀器簡介91三、實驗原理91四、實驗步驟與方法92五、實驗成果及要求93六、試驗分析與計論93實驗十八 雙泵并聯(lián)實驗96一、實驗?zāi)康呐c要求96二、儀器簡介96三、實驗原理96四、實驗步驟與方法97五、實驗成果及要求98六、試驗分析與思考題98致 謝101參考文獻(xiàn)102前言 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)本科教學(xué)計劃中最后一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是對自身綜合應(yīng)用所學(xué)的水利水電基礎(chǔ)理論的培養(yǎng)，也是進(jìn)行水利水電工程設(shè)計或科學(xué)研究的綜合訓(xùn)練，是前面各個教學(xué)環(huán)節(jié)的繼續(xù)、深化和拓寬，是培養(yǎng)自身綜合素質(zhì)和工程實踐能力的重要階段。畢業(yè)設(shè)計的目的在于所學(xué)專業(yè)的綜合訓(xùn)練，有利于向工作崗位過渡。 本次設(shè)計題目是水力學(xué)實驗要求利用我院實驗室新進(jìn)的所有水力學(xué)實驗設(shè)備，完成包括伯努利實驗、不可壓縮流體恒定流動量定律實驗、畢托管實驗、雷諾實驗、文丘里流量計實驗、沿程水頭損失實驗、局部水頭損失實驗、孔口與管嘴出流實驗、平面上的靜水總壓力測量實驗、水面曲線實驗、堰流實驗、水躍實驗、消能池實驗、消能坎實驗、挑流消能實驗、單泵泵特性曲線、雙泵泵特性曲線等實驗的實驗操作和數(shù)據(jù)記錄處理，并完成實驗報告。 限于時間和經(jīng)驗等方面的原因，在設(shè)計中難免有不盡合理和完善之處，敬請指正。實驗一 伯努利方程實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?. 通過定性分析實驗，提高對動水力學(xué)諸多水力現(xiàn)象的實驗分析能力；2. 通過定量測量實驗，進(jìn)一步掌握有壓管流中動水力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換特性，驗證流體恒定總流的伯努利方程，掌握測壓管水頭線的實驗測量技能與繪制方法；二、實驗裝置1實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。圖1 伯努利方程實驗裝置圖1. 自循環(huán)供水器 2. 實驗臺 3. 可控硅無級調(diào)速器 3. 溢流板 5. 穩(wěn)水孔板6. 恒壓水箱 7. 實驗管道 8. 測壓點- 9. 彎針畢托管 10. 測壓計11. 滑動測量尺 12. 測壓管- 13. 實驗流量調(diào)節(jié)閥 14.回水漏斗 15. 穩(wěn)壓筒 16.傳感器 17. 智能化數(shù)顯流量儀2裝置說明(1) 流量測量智能化數(shù)顯流量儀智能化數(shù)顯流量儀系統(tǒng)包括實驗管道內(nèi)配套流量計、穩(wěn)壓筒15、高精密傳感器16和智能化數(shù)顯流量儀17（含數(shù)字面板表及A/D轉(zhuǎn)換器）。該流量儀為管道式瞬時流量儀，測量精度一級。流量儀的使用方法，需先排氣調(diào)零，待水箱溢流后，間歇性全開、全關(guān)管道出水閥13數(shù)次，排除連通管內(nèi)氣泡。再全關(guān)閥13，待穩(wěn)定后將流量儀調(diào)零。測流量時，水流穩(wěn)定后，流量儀所顯示的數(shù)值即為瞬時流量值。 (2) 測流速彎針管畢托管彎針管畢托管用于測量管道內(nèi)的點流速。為減小對流場的干擾，本裝置中的彎針直徑為f1.61.2 mm（外徑內(nèi)徑）。圖2 彎針管畢托管類型 實驗表明只要開孔的切平面與來流方向垂直，彎針管畢托管的彎角從90-180均不影響測流速精度，如圖2所示。(3) 本儀器測壓點有兩種：1) 畢托管測壓點，圖1中標(biāo)號為、（后述加*表示），與測壓計的測壓管連接后，用以測量畢托管探頭對準(zhǔn)點的總水頭值，近似替代所在斷面的平均總水頭值，可用于定性分析，但不能用于定量計算；2) 普通測壓點，圖1中標(biāo)號為、，與測壓計的測壓管連接后，用以測量相應(yīng)測點的測壓管水頭值。(4) 測點*、所在喉管段直徑為d2，測點*、所在擴管段直徑為d3，其余直徑均為d1。3基本操作方法（1）測壓管與穩(wěn)壓筒的連通管排氣。打開開關(guān)供水，使水箱充水，待水箱溢流，間歇性全開、全關(guān)管道出水閥13數(shù)次，直至連通管及實驗管道中無氣泡滯留即可。再檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測壓管水面是否齊平，如不平則需查明故障原因（例連通管受阻、漏氣或夾氣泡等）并加以排除，直至調(diào)平。（2）恒定流操作。全開調(diào)速器，此時水箱保持溢流，閥門13開度不變情況下，實驗管道出流為恒定流。（3）非恒定流操作調(diào)速器開、關(guān)過程中，水箱6無溢流情況下，實驗管道出流為非恒定流。（4）流量測量。實驗流量用閥13調(diào)節(jié)，記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值。三、實驗原理1伯努利方程。在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過水?dāng)嗝?，在恒定流動時，可以列出進(jìn)口斷面(1)至另一斷面(i)的伯努利方程式(i=2,3,n)取a1a2an1，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速v及，從而可得到各斷面測管水頭和總水頭。2過流斷面性質(zhì)。均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規(guī)律，即在同一斷面上，但在不同過流斷面上的測壓管水頭不同，；急變流斷面上。四、實驗內(nèi)容與方法1定性分析實驗(1) 驗證同一靜止液體的測壓管水頭線是根水平線。閥門全關(guān)，穩(wěn)定后，實驗顯示各測壓管的液面連線是一根水平線。而這時的滑尺讀數(shù)值就是水體在流動前所具有的總能頭。 (2) 觀察不同流速下，某一斷面上水力要素變化規(guī)律。以測點*、所在的斷面為例，測管的液面讀數(shù)為該斷面的測壓管水頭。測管*連通畢托管，顯示測點的總水頭。實驗表明，流速越大，水頭損失越大，水流流到該斷面時的總水頭越小，斷面上的勢能亦越小。(3) 驗證均勻流斷面上，動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布。觀察測點和，盡管位置高度不同，但其測壓管的液面高度相同，表明。 (4) 觀察沿流程總能坡線的變化規(guī)律。加大開度，使接近最大流量，若穩(wěn)定后各測管水位如圖3所示，圖中A-A為管軸線。 圖3 測壓管水位示例縱觀帶畢托管的測點*、*、*、*、*、*、*的測管水位（實驗時可加入雷諾實驗用的紅色水，使這些管呈紅色，如圖3中以較深顏色表示的測壓管），可見各測管的液面沿流程是逐漸降低而沒有升高的，表明總能量沿流程只會減少，不會增加，能量損失是不可能逆轉(zhuǎn)的。 (5) 觀察測壓管水頭線的變化規(guī)律?？傋兓?guī)律：縱觀測壓點、的測壓管水位，可見沿流程有升也有降，表明測壓管水頭線沿流程可升也可降。沿程水頭損失：從、點可看出沿程水頭損失的變化規(guī)律，等徑管道上，距離相等，沿程損失相同。勢能與動能的轉(zhuǎn)換：以測點、為例，測點所在流段上高程相等，管徑先收縮后擴大，流速由小增大再減小。測管到測管的液位發(fā)生了陡降，表明水流從測點斷面流到測點斷面時有部分壓力勢能轉(zhuǎn)化成了流速動能。而測管到測管測管水位回升了，這正和前面相反，說明有部分動能又轉(zhuǎn)化成了壓力勢能。這就清楚驗證了動能和勢能之間是可以互相轉(zhuǎn)化的，因而是可逆的。位能和壓能的轉(zhuǎn)換：以測點與所在的兩斷面為例，由于二斷面的流速水頭相等，測點的位能較大，壓能（測管液位離管軸線的高度）很小，而測點的位能很小，壓能卻比點大，這就說明了水流從測點斷面流到測點斷面的過程中，部分位能轉(zhuǎn)換成了壓能。 (6) 利用測壓管水頭線判斷管道沿程壓力分布。測壓管水頭線高于管軸線，表明該處管道處于正壓下；測壓管水頭線低于管軸線，表明該處管道處于負(fù)壓下，出現(xiàn)了真空。高壓和真空狀態(tài)都容易使管道破壞。實驗顯示（參圖3），測點的測管液面低于管軸線，說明該處管段承受負(fù)壓（真空）；測壓管的液位高出管軸線，說明該處管段承受正壓。2. 定量分析實驗伯努利方程驗證與測壓管水頭線測量分析實驗實驗方法與步驟：在恒定流條件下改變流量2次，其中一次閥門開度大到使號測管液面接近可讀數(shù)范圍的最低點，待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時測記實驗流量（畢托管測點供演示用，不必測記讀數(shù)）。實驗數(shù)據(jù)處理與分析參考第五部分內(nèi)容。五、數(shù)據(jù)處理及成果要求1記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：伯努利方程試驗儀 實驗臺號：No2均勻段d1=1.38cm 喉管段d2=1.03cm 擴管段d3=2.00cm（基準(zhǔn)面選在標(biāo)尺的零點上）2 實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果27 表1 管徑記錄表測點編號*管徑d /cm1.381.381.381.381.031.381.381.381.3821.38注：（1）測點6、7所在斷面內(nèi)徑為d2,測點16、17為d3,余均為d1。（2）標(biāo)“*”者為畢托管測點（測點編號見圖1）。（3）測點2、3為直管均勻流段同一個斷面上的兩個測壓點，10、11位彎管非均勻流段同一斷面上的兩個測點 表2 測壓管水頭hi，流量測記表（其中，單位cm，i為測點編號）實驗次數(shù)h2h3h4h5h7h9h10h11h13h15h17h19qV/(cm3/s)148.748.648.648.548.148.248.24847.947.847.947.726.9248.148.14847.946.146.646.646.146.245.545.745.149.6345.545.545.144.836.939.139.236.937.535.23633.2106.5 表3 計算數(shù)值表 (1) 流速水頭管徑d/cm26.9/(cm3/s)49.6/(cm3/s)106.5/(cm3/s)A/cm2v/(cm/s)/cmA/cm2v/(cm/s)/cmA/cm2v/(cm/s)/cm1.381.5017.930.161.5033.070.551.5071.002.521.030.8332.410.520.8359.761.790.83128.318.232.003.148.570.043.1415.800.123.1433.920.58 (2) 總水頭Hi 實驗次數(shù)H2H4H5H7H9H13H15H17H19/(cm3/s)148.8648.7648.6648.6248.3648.0647.9647.9447.8626.9248.6548.5548.4547.8947.1546.7546.0545.8245.6549.6348.0247.6247.3245.1341.6240.0237.7236.5835.72106.53成果要求(1) 回答定性分析實驗中的有關(guān)問題。(2) 計算流速水頭和總水頭。見表3六、注意事項 1.各自循環(huán)供水實驗均需注意：計量后的水必須倒回原實驗裝置的水斗內(nèi)，以保持自循環(huán)供水（此注意事項后述實驗不再提示）。2. 穩(wěn)壓筒內(nèi)氣腔越大，穩(wěn)壓效果越好。但穩(wěn)壓筒的水位必須淹沒連通管的進(jìn)口，以免連通管進(jìn)氣，否則需擰開穩(wěn)壓筒排氣螺絲提高筒內(nèi)水位；若穩(wěn)壓筒的水位高于排氣螺絲口，說明有漏氣，需檢查處理。3.傳感器與穩(wěn)壓筒的連接管要確保氣路通暢，接管及進(jìn)氣口均不得有水體進(jìn)入，否則需清除。4.智能化數(shù)顯流量儀開機后需預(yù)熱35分鐘。七、實驗分析與討論1流量增加，測壓管水頭線線有何變化？為什么？答：有如下兩個變化： （1）流量增加，測壓管水頭線，總降落趨勢更顯著。這是因為測壓管水頭這，管道過流斷面面積A為 定值時，Q增大，就增大，而且隨流量的增加阻力損失也增大，管道任一過水?dāng)嗝嫔系目偹^E相應(yīng)減小，故 的減小更加顯著。 （2）測壓管水頭線的起落變化更為顯著。因為對于兩個不同直徑的相應(yīng)過水?dāng)嗝嬗?式中為兩個斷面之間的損失系數(shù)。管中水流為紊流時，接近于常數(shù)，又管道斷面為定值，故Q增大，H亦增大。實驗二 不可壓縮流體動量方程驗證一、實驗?zāi)康呐c要求1.驗證不可壓縮流體恒定流的動量方程；2.通過對動量與流速、流量、出射角度、動量距等因素間相關(guān)性的分析研討,進(jìn)一步掌握流體動力學(xué)的動量守恒定理;3.了解活塞式動量定律實驗儀原理構(gòu)造，進(jìn)一步啟發(fā)與培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的能力。二、實驗裝置簡介本實驗的裝置如圖1所示。圖1動量定律實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器； 2.實驗臺； 3.可控硅無級調(diào)速器； 4.水位調(diào)節(jié)閥； 5.恒壓水箱； 6.管嘴； 7.集水箱； 8.帶活塞的測壓管； 9.帶活塞和翼片的抗沖平板；10.上回水管。自循環(huán)供水裝置1由離心式水泵和蓄水箱組合而成。水泵的開啟、流量大小的調(diào)節(jié)均由調(diào)速器3控制。水流經(jīng)供水管供給恒壓水箱5，溢流水經(jīng)回水管流回蓄水箱。流經(jīng)管嘴6的水流形成射流，沖擊帶活塞和翼片的抗沖平板9，并以與入射角成90的方向離開抗沖平板?？箾_平板在射流沖力和測壓管8中的水壓力作用下處于平衡狀態(tài)?；钊涡乃羁捎蓽y壓管8測得，由此可求得射流的沖力，即動量力F。沖擊后的棄水經(jīng)集水箱7匯集后，再經(jīng)上會水管10流出，最后經(jīng)漏斗和下回水管流回蓄水箱。為了自動調(diào)節(jié)測壓管內(nèi)的水位，以使帶活塞的平板受力平衡并減小摩檫阻力對活塞的影響，本實驗裝置應(yīng)用了自動控制的反饋原理和動摩檫減阻技術(shù)，其構(gòu)造如下：帶活塞和翼片的抗沖平板9和帶活塞套的測壓管8如圖2所示，該圖是活塞退出活塞套時的分部件示意圖。活塞中心設(shè)有一細(xì)導(dǎo)水管a，進(jìn)口端位于平板中心，出口端伸出活塞頭部，出口方向與軸向垂直。在平板上設(shè)有翼片b，活塞套上設(shè)有窄槽c。 圖2 圖3 工作時，在射流沖擊力作用下，水流經(jīng)導(dǎo)水管a向測壓管內(nèi)加水。當(dāng)射流沖擊力大于測壓管內(nèi)水柱對活塞的壓力時，活塞內(nèi)移，窄槽c關(guān)小，水流外溢減少，使測壓管內(nèi)水位升高，水壓力增大。反之，活塞外移，窄槽開大，水流外溢增多，測管內(nèi)水位降低，水壓力減小。在恒定射流沖擊下，經(jīng)短時段的自動調(diào)整，即可達(dá)到射流沖擊力和水壓力的平衡狀態(tài)。這時活塞處在半進(jìn)半出、窄槽部分開啟的位子上，過a流進(jìn)測壓管的水量和過c外溢的水量相等。由于平板上設(shè)有翼片b，在水流沖擊下，平板帶動活塞旋轉(zhuǎn)，因而克服了活塞在沿軸向滑移時的靜摩擦力。為驗證本裝置的靈敏度，只要在實驗中的恒定流受力平衡狀態(tài)下，人為地增減測壓管中的液位高度，可發(fā)現(xiàn)即使改變量不足總液柱高度的5（約0.51mm），活塞在旋轉(zhuǎn)下亦能有效地克服動摩擦力而作軸向位移，開大或減小窄槽c，使過高的水位降低或過低的水位提高，恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。這表明該裝置的靈敏度高達(dá)0.5%，亦即活塞軸向動摩擦力不足總動量力的5。三、實驗原理恒定總流量方程為取脫離體如圖3所示,因滑動摩擦阻力水平分力0.5%,可忽略不計,故x方向的動量方程化為 即式中：作用在活塞形心處的水深； D活塞的直徑； Q射流流量 射流的速度； 動量修正系數(shù)實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得流量Q和活塞形心水深，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可率定射流的動量修正系數(shù) 值，并驗證動量定律。其中，測壓管的標(biāo)尺零點已固定在活塞的園心處，因此液面標(biāo)尺讀數(shù)，即為作用在活塞園心處的水深。四、實驗方法與步驟 1.準(zhǔn)備 熟悉實驗裝置各部分名稱、結(jié)構(gòu)特征、作用性能，記錄有關(guān)常數(shù)。 2.開啟水泵 打開調(diào)速器開關(guān)，水泵啟動23分鐘后，關(guān)閉23秒鐘，以利用回水排除離心式水泵內(nèi)滯留的空氣。 3.調(diào)整測壓管位置 待恒壓水箱滿頂溢流后，松開測壓管固定螺絲，調(diào)整方位，要求測壓管垂直、螺絲對準(zhǔn)十字中心，使活塞轉(zhuǎn)動松快。然后旋轉(zhuǎn)螺絲固定好。4.測讀水位 標(biāo)尺的零點已固定在活塞園心的高程上。當(dāng)測壓管內(nèi)液面穩(wěn)定后，記下測壓管內(nèi)液面的標(biāo)尺讀數(shù)，即值。5.測量流量 用體積或重量法則流量時，每次時間要求大于20秒，若用電測儀測量時，則須在儀器量程范圍內(nèi)。均需重復(fù)測三次再取均值.6.改變水頭重復(fù)實驗 逐次打開不同高度上的溢水孔蓋，改變管嘴的作用水頭。調(diào)節(jié)速器，使溢流量適中，待水頭穩(wěn)定后，按3-5步驟重復(fù)進(jìn)行實驗。7.驗證對的影響 取下平板活塞，使水流沖擊到活塞套內(nèi)，調(diào)整好位置，使反射水流的回射角度一致，記錄回射角度的目估值、測壓管作用水深和管嘴作用水頭。五、實驗記錄與數(shù)據(jù)處理1.記錄有關(guān)常數(shù)。 實驗裝置臺號No1 管嘴內(nèi)徑d =1.205cm 活塞直徑D = 1.995cm表1 設(shè)計實驗參數(shù)記錄、計算表 測次管嘴作用水頭H0(cm)活塞作用水頭Hc(cm)流量Q()流速v()動量力F(N)動量修正系數(shù)1135.119.0256.0224.60.591.03229.515.3229.4201.20.471.02324.311.8202.0177.20.361.01435.119.2256.0224.60.591.03529.515.3228.9200.80.471.02624.111.6201.4176.70.361.00735.118.9256.3224.80.581.01829.315.2228.9200.80.471.02924.011.6201.1176.40.351.001035.119.1255.6224.20.581.021129.215.2227.7199.70.471.031224.111.6200.9176.20.351.001335.119.1255.6224.20.581.021429.215.2227.7199.70.471.031524.111.6200.3175.70.361.01=1.02六、分析與思考題1、實測與公認(rèn)值(=1.021.05)符合與否？如不符合，試分析原因。答：實測=1.02與公認(rèn)值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉(zhuǎn)致。)實驗三 畢托管測速實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?.通過對管嘴淹沒出流點流速及點流速系數(shù)的測量，掌握用畢托管測量點流速的技能；2.了解普朗特型畢托管的構(gòu)造和適用性，并檢驗其量測精度，進(jìn)一步明確傳統(tǒng)流體力學(xué)量測儀器的現(xiàn)實作用。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖1所示。圖1畢托管實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器；2.實驗臺；3.可控硅無級調(diào)速器；4.水位調(diào)節(jié)閥；5.恒壓水箱；6.管嘴7.畢托管；8.尾水箱與導(dǎo)軌；9.測壓管；10.測壓計；11.滑動測量尺（滑尺）；12.上回水管。 說 明：經(jīng)淹沒管嘴6，將高低水箱水位差的位能轉(zhuǎn)換成動能，并用畢托管測出其點流速值。測壓計10的測壓管1、2用以測量低水箱位置水頭，測壓管3、4用以測量畢托管的全壓水頭和靜壓水頭，水位調(diào)節(jié)閥4用以改變測點的流速大小。圖 2 畢托管結(jié)構(gòu)示意圖三、實驗原理圖3 畢托管測速原理圖 式中：畢托管測點處的點流速；畢托管的校正系數(shù)；畢托管全壓水頭與靜水壓頭差。 聯(lián)解上兩式可得 式中：測點處流速，由畢托管測定；測點流速系數(shù)；管嘴的作用水頭。四、實驗方法與步驟1、準(zhǔn)備 (a)熟悉實驗裝置各部分名稱、作用性能，搞清構(gòu)造特征、實驗原理。(b)用醫(yī)塑管將上、下游水箱的測點分別與測壓計中的測管1、2相連通。(c)將畢托管對準(zhǔn)管嘴，距離管嘴出口處約2-3cm，上緊固定螺絲。2、開啟水泵 順時針打開調(diào)速器開關(guān)3，將流量調(diào)節(jié)到最大。3、排氣 待上、下游溢流后，用吸氣球（如醫(yī)用洗耳球）放在測壓管口部抽吸，排除畢托管及各連通管中的氣體，用靜水匣罩住畢托管，可檢查測壓計液面是否齊平，液面不齊平可能是空氣沒有排盡，必須重新排氣。4、測記各有關(guān)常數(shù)和實驗參數(shù)，填入實驗表格。5、改變流速 操作調(diào)節(jié)閥4并相應(yīng)調(diào)節(jié)調(diào)速器3，使溢流量適中，共可獲得三個不同恒定水位與相應(yīng)的不同流速。改變流速后，按上述方法重復(fù)測量。6、完成下述實驗項目：（1）分別沿垂向和沿流向改變測點的位置，觀察管嘴淹沒射流的流速分布；（2）在有壓管道測量中，管道直徑相對畢托管的直徑在6-10倍以內(nèi)時，誤差在2-5%以上，不宜使用。試將畢托管頭部伸入到管嘴中，予以驗證。7、實驗結(jié)束時，按上述3的方法檢查畢托管比壓計是否齊平。五、實驗結(jié)果及要求 實驗裝置臺號NO3 校正系數(shù)c=0.99 k=44.12表1實驗記錄表格實驗次數(shù)上、下游水位計畢托管測壓計測點流速(cm/s)測點流速系數(shù)h1(cm)h2(cm)D(cm)h3(cm)h4(cm)D(cm)136.615.321.336.515.321.2203.10.994231.215.216.031.215.315.9175.90.993325.815.210.625.715.210.547.40.991436.415.221.236.415.221.2203.10.996531.215.216.031.115.315.8175.40.990625.815.210.625.615.210.4142.30.987736.415.221.236.415.221.2203.10.996831.015.115.931.015.315.7174.80.990925.715.210.525.615.210.4142.30.9911036.515.321.236.415.221.2203.10.9961131.115.215.931.115.315.8175.40.9931225.815.210.625.615.310.3141.60.9821336.515.321.236.415.221.2203.10.9961431.215.216.031.115.215.9175.90.9931525.715.110.625.715.310.4142.30.987畫出管嘴淹沒射流速度分布： 圖2畫出管嘴淹沒射流速度分布由圖2可看出，成拋物線分布，結(jié)果準(zhǔn)確。六、實驗分析與討論1. 利用測壓管測量點壓強時，為什么要排氣？怎樣檢驗排凈與否？答：畢托管、測壓管及其連通管只有充滿被測液體，即滿足連續(xù)條件，才有可能測得真值， 否則如果其中夾有氣柱， 就會使測壓失真， 從而造成誤差。 誤差值與氣柱高度和其位置有關(guān)。對于非堵塞性氣泡，雖不產(chǎn)生誤差，但若不排除，實驗過程中很可能變成堵塞性氣柱而影響 量測精度。 檢驗的方法是畢托管置于靜水中， 檢查分別與畢托管全壓孔及靜壓孔相連通的兩根測壓 管液面是否齊平。如果氣體已排凈，不管怎樣抖動塑料連通管，兩測管液面恒齊平。 2. 畢托管的壓頭差和管嘴上下游水位差之間的大小關(guān)系怎樣？為什么？答：小于，本實驗在管嘴淹沒出流的軸心處測得過程中有能量損失，但甚微。3. 所測的流速系數(shù)說明了什么？答：實驗存在一定的誤差，但誤差很小。4. 據(jù)激光測速儀檢測，距孔口2-3 cm軸心處，其點流速系數(shù)為0.996，試問本實驗的畢托管精度如何？如何確定畢托管的矯正系數(shù)c ？答：若以激光測速儀測得的流速為真值 u，則有為 0.996， 而畢托管測得的該點流速為 208.6cm/s，精度還行，則欲率定畢托管的修正系數(shù)，則可令C=0.996/1.023=0.97。實驗四 雷諾實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?. 觀察層流、湍流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換過程；2. 測定臨界雷諾數(shù)，掌握園管流態(tài)判別準(zhǔn)則；3. 學(xué)習(xí)應(yīng)用量綱分析法進(jìn)行實驗研究的方法，確定非圓管流的流態(tài)判別準(zhǔn)數(shù)。二、 實驗裝置1實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。101112圖1 雷諾實驗裝置圖1. 自循環(huán)供水器 2. 實驗臺 3. 可控硅無級調(diào)速器 4. 恒壓水箱 5. 有色水水管 6. 穩(wěn)水孔板 7. 溢流板 8. 實驗管道 9. 實驗流量調(diào)節(jié)閥10. 穩(wěn)壓筒 11.傳感器 12. 智能化數(shù)顯流量儀2. 裝置說明與操作方法供水流量由無級調(diào)速器調(diào)控，使恒壓水箱4始終保持微溢流的程度，以提高進(jìn)口前水體穩(wěn)定度。本恒壓水箱設(shè)有多道穩(wěn)水隔板，可使穩(wěn)水時間縮短到3-5分鐘。有色水經(jīng)有色水水管5注入實驗管道8，可據(jù)有色水散開與否判別流態(tài)。為防止自循環(huán)水污染，有色指示水采用自行消色的專用色水。實驗流量由調(diào)節(jié)閥9調(diào)節(jié)。流量由智能化數(shù)顯流量儀測量，使用時須先排氣調(diào)零，所顯示為一級精度瞬時流量值，詳見伯努利方程實驗。水溫由數(shù)顯溫度計測量顯示。三、 實驗原理1883年, 雷諾(Osborne Reynolds)采用類似于圖1所示的實驗裝置，觀察到液流中存在著層流和湍流兩種流態(tài)：流速較小時，水流有條不紊地呈層狀有序的直線運動，流層間沒有質(zhì)點混摻，這種流態(tài)稱為層流；當(dāng)流速增大時，流體質(zhì)點作雜亂無章的無序的直線運動，流層間質(zhì)點混摻，這種流態(tài)稱為湍流。雷諾實驗還發(fā)現(xiàn)存在著湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯呐R界流速，與流體的粘性、園管的直徑d有關(guān)。若要判別流態(tài)，就要確定各種情況下的值，需要對這些相關(guān)因素的不同量值作出排列組合再分別進(jìn)行實驗研究，工作量巨大。雷諾實驗的貢獻(xiàn)不僅在于發(fā)現(xiàn)了兩種流態(tài)，還在于運用量綱分析的原理，得出了量綱為一的判據(jù)雷諾數(shù)Re，使問題得以簡化。量綱分析如下： 因 根據(jù)量綱分析法有 其中kc是量綱為一的數(shù)。寫成量綱關(guān)系為 由量綱和諧原理，得a1 = 1 ，a2 = -1 。即 雷諾實驗完成了管流的流態(tài)從湍流過度到層流時的臨界值kc值的測定，以及是否為常數(shù)的驗證，結(jié)果表明kc值為常數(shù)。于是，量綱為一的數(shù)便成了適合于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯呐袚?jù)。由于雷諾的貢獻(xiàn)，定名為雷諾數(shù)Re。于是有式中：v 為流體流速；n為流體運動粘度；d為圓管直徑；為圓管內(nèi)過流流量；K為計算常數(shù)，。當(dāng)流量由大逐漸變小，流態(tài)從湍流變?yōu)閷恿?，對?yīng)一個下臨界雷諾數(shù)Rec，當(dāng)流量由零逐漸增大，流態(tài)從層流變?yōu)橥牧?，對?yīng)一個上臨界雷諾數(shù)。上臨界雷數(shù)受外界干擾，數(shù)值不穩(wěn)定，而下臨雷諾數(shù)Rec值比較穩(wěn)定，因此一般以下臨界雷諾數(shù)作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。雷諾經(jīng)反復(fù)測試，得出圓管流動的下臨界雷諾數(shù)Rec值為2300。工程上，一般取Rec=2000。當(dāng)ReRec時，管中液流為層流；反之為湍流。對于非圓管流動，雷諾數(shù)可以表示為式中；R為過流斷面的水力半徑；A為過流斷面面積；為濕周（過流斷面上液體與固體邊界接觸的長度）。以水力半徑作為特征長度表示的雷諾數(shù)也稱為廣義雷諾數(shù)。四、 實驗內(nèi)容與方法1定性觀察兩種流態(tài)。啟動水泵供水，使水箱溢流，經(jīng)穩(wěn)定后，微開流量調(diào)節(jié)閥，打開顏色水管道的閥門，注入顏色水，可以看到圓管中顏色水隨水流流動形成一直線狀，這時的流態(tài)即為層流。進(jìn)一步開大流量調(diào)節(jié)閥，流量增大到一定程度時，可見管中顏色水發(fā)生混摻，直至消色。表明流體質(zhì)點已經(jīng)發(fā)生無序的雜亂運動，這時的流態(tài)即為湍流。2測定下臨界雷諾數(shù)先調(diào)節(jié)管中流態(tài)呈湍流狀，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，每調(diào)節(jié)一次流量后，穩(wěn)定一段時間并觀察其形態(tài)，當(dāng)顏色水開始形成一直線時，表明由湍流剛好轉(zhuǎn)為層流，此時管流即為下臨界流動狀態(tài)。測定流量，記錄數(shù)顯溫度計所顯示的水溫值，即可得出下臨界雷諾數(shù)。注意，接近下臨界流動狀態(tài)時，流量應(yīng)微調(diào)，調(diào)節(jié)過程中流量調(diào)節(jié)閥只可關(guān)小、不可開大。3測定上臨界雷諾數(shù)先調(diào)節(jié)管中流態(tài)呈層流狀，再逐步開大調(diào)節(jié)閥，每調(diào)節(jié)一次流量后，穩(wěn)定一段時間并觀察其形態(tài)，當(dāng)顏色水開始散開混摻時，表明由層流剛好轉(zhuǎn)為湍流，此時管流即為上臨界流動狀態(tài)。記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值和水溫，即可得出上臨界雷諾數(shù)。注意，流量應(yīng)微調(diào)，調(diào)節(jié)過程中流量調(diào)節(jié)閥只可開大、不可關(guān)小。五、數(shù)據(jù)處理及成果要求1記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：雷諾實驗儀 實驗臺號：N0.2管徑d = 1.4cm， 水溫t = 16.8 oC運動粘度=0.01計算常數(shù) K =84.21 2實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果 表1 雷諾實驗記錄計算表實驗次序顏色水線形狀流量(cm3/s)雷諾數(shù)Re閥門開度增( )或減( )備注1穩(wěn)定直線24.782086.7減（）2完全散開81.186836.2增（）3穩(wěn)定直線24.382053.0減（）4完全散開79.876725.9增（）5穩(wěn)定直線22.631905.7減（）6完全散開74.826300.6增（）實測下臨界雷諾數(shù)（平均值）=2255.1注：顏色水形態(tài)指：穩(wěn)定直線，穩(wěn)定略彎曲，直線擺動，直線抖動，斷續(xù)，完全散開等。六、 分析思考題1為何認(rèn)為上臨界雷諾數(shù)無實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與湍流的判據(jù)？答：(1)上臨界雷諾數(shù)不穩(wěn)定,變化范圍大12000-40000,下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定,約為2320。 工程中一般采用2320做為層流、紊流的分界。 (2)因為上臨界雷諾數(shù)不穩(wěn)定，變化范圍大，為5000-40000，而下臨界雷諾數(shù)卻比較穩(wěn) 定，約為2320，因此認(rèn)為上臨界雷諾數(shù)無實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判據(jù)2試結(jié)合紊動機理實驗的觀察，分析由層流過渡到湍流的機理。答：從紊動機理實驗的觀察可知，異重流（分層流）在剪切流動情況下，分界面由于擾動引發(fā)細(xì)微波動，并隨剪切流動的增大，分界面上的波動增大，波峰變尖，以至于間斷面破裂而形成一個個小旋渦。使流體質(zhì)點產(chǎn)生橫向紊動。正如在大風(fēng)時，海面上波浪滔天，水氣混摻的情況一樣，這是高速的空氣和靜止的海水這兩種流體的界面上，因剪切流動而引起的界面失穩(wěn)的波動現(xiàn)象。由于園管層流的流速按拋物線分布，過流斷面上的流速梯度較大，而且因壁面上的流速恒為零。相同管徑下，如果平均流速越大，則梯度越大，即層間的剪切流速越大，于是就容易產(chǎn)生紊動。紊動機理實驗所見到的波動破裂旋渦質(zhì)點紊動等一系列現(xiàn)象，便是流態(tài)從層流轉(zhuǎn)變成紊流的過程顯示。七、 注意事項1為使實驗過程中始終保持恒壓水箱內(nèi)水流處于微溢流狀態(tài)，應(yīng)在調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥后，相應(yīng)調(diào)節(jié)可控硅調(diào)速器，改變水泵的供水流量。2實驗中不要推、壓實驗臺，以防水體受到擾動。實驗五 文丘里流量計實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?. 學(xué)會使用測壓計與U型差壓計的測量原理。2. 掌握文丘里流量計測量流量的原理與方法。3. 掌握文丘里流量計測定流量系數(shù)的方法。 二、實驗裝置1. 儀器裝置簡圖圖1 文丘里流量計實驗裝置圖1. 自循環(huán)供水器 2. 實驗臺 3. 可控硅無級調(diào)速器 4. 恒壓水箱5. 溢流板 6. 穩(wěn)水孔板 7. 文丘里實驗管段 8. 測壓計氣閥 9. 測壓計 10. 滑尺 11. 多管壓差計 12. 實驗流量調(diào)節(jié)閥三、 實驗原理我們知道, 如果能求得任一斷面的流速v, 然后乘以面積A, 即可求得流量Q。如圖三所示, 對于文丘里管前斷面及喉管處, 處于該兩處面積分別為、只要測得該兩處流速v ,便可測得流量Q。為此, 我們可根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式對該兩斷面立方程求解。取管軸線為基準(zhǔn), 并且不計阻力作用時 (1) 即 (2)由式(1)、(2)可解得 因此 (3) (4)(3)、(4)式中：h為兩斷面測壓管水頭差; k為文丘里流量計常數(shù), 對給定管徑是常數(shù)。然而，由于阻力的存在, 實際通過的流量Q恒小于實驗所測得的流量。今引入一個無量綱系數(shù)m = ( 稱為流量系數(shù)), 對計算所得流量值進(jìn)行修正。即 (5)另由靜水力學(xué)基本方程可得氣水多管壓差計的為 在做本實驗時, 通過實驗測得流量及水頭差 , 據(jù)此, 我們便可以測得此時文丘里管的流量系數(shù) 四、實驗方法與步驟認(rèn)真閱讀實驗?zāi)康囊?、實驗原理和注意事項，了解用壓差計測壓差和用電測儀測流量的原理和步驟。1、記錄設(shè)備編號、水溫及有關(guān)常數(shù)。2、做好準(zhǔn)備工作后，啟動水泵給水箱充水并保持溢流狀態(tài)，使水位恒定。3、檢查下游閥門全開時，比壓計測管水面是否持平，如不平，則需排氣調(diào)平。4、實驗流量調(diào)節(jié)：從最大流量開始，順次減小閥門開度。待水流穩(wěn)定后，測讀比壓計讀數(shù)及測讀流量。順序進(jìn)行8個測點以上。5、本實驗配有計算機自動量測系統(tǒng)，可實現(xiàn)率定過程中壓差和流量的數(shù)據(jù)自采及處理。6、檢查數(shù)據(jù)記錄是否缺漏？是否有某組數(shù)據(jù)明顯地不合理？若有此情況，進(jìn)行補正。五、實驗成果有關(guān)常數(shù)：水溫 進(jìn)口直徑 喉道直徑 表1記錄及計算表次數(shù)測壓管讀數(shù)（cm）實際流量（cm3/ s）理論流量（cm3/ s） （cm）（cm）（cm）（cm）140.429.732.937.26.444.044.70.984241.428.334.335.412.059.861.20.977342.127.735.034.514.966.068.20.968442.826.935.733.717.972.174.70.965543.925.637.132.023.482.785.40.968644.624.937.831.126.488.590.80.975745.423.938.829.930.595.097.60.973845.923.439.329.332.598.0100.70.973946.423.039.928.734.6100.9103.90.9711048.120.941.826.142.9112.6115.70.9731148.620.142.525.345.7116.0119.50.9711249.519.243.424.149.6121.5124.40.9771350.118.744.123.152.4124.9127.90.9771451.017.545.121.756.9129.7133.30.9731554.513.649.016.773.2147.6151.20.976六、實驗結(jié)果及分析1. 為什么實際流量與理論流量不相等？何者大？答：因為理論計算時未考慮到水頭損失，而實際液體流動有水頭損失，故實際流體流量小于理論的流量。2. 文丘里流量計中，影響流量系數(shù)的大小的因素有哪些？答：實際流量的大小、復(fù)試差壓計讀數(shù)的大小。實驗六 管道沿程水頭損失實驗一、 實驗?zāi)康暮鸵?學(xué)會測定管道沿程水頭損失因數(shù)l和管壁粗糙度D的方法；2分析園管恒定流動的水頭損失規(guī)律、l隨雷諾數(shù)Re變化的規(guī)律，驗證沿程水頭損失hf與平均流速v的關(guān)系。二、