流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書郭廣思 王連琪沈陽理工大學(xué)2006年10月一 伯努利方程綜合性實驗 （一）實驗?zāi)康牟匠淌撬W(xué)三大基本方程之一，反映了水流在流動時，位能、壓能、動能之間的關(guān)系。1 了解總水頭線和測壓管水頭線在局部阻力和沿程阻力處的變化規(guī)律；2 了解總水頭線在不同管徑段的下降坡度，即水力坡度J的變化規(guī)律；3 了解總水頭線沿程下降和測壓管水頭線升降都有可能的原理；4 用實例流量計算流速水頭去核對測壓板上兩線的正確性；不同管徑流速水頭的變化規(guī)律（二）設(shè)備簡圖本實驗臺由高位水箱、供水箱、水泵、測壓板、有機玻璃管道、鐵架、量筒等部件組成，可直觀地演示水流在不同管徑、不同高程的管路中流動時，上述三

2、種能量之間的復(fù)雜變化關(guān)系。（三）實驗原理 過水?dāng)嗝娴哪芰坑晌荒?、壓能、動能三部分組成。水流在不同管徑、不同高程的管路中流動時，三種能量不斷地相互轉(zhuǎn)化，在實驗管道各斷面設(shè)置測壓管及測速管，即可演示出三種能量沿程變化的實際情況。測壓管中水位顯示的是位能和壓能之和，即伯努利方程中之前兩項：，測速管中水位顯示的是位能、壓能和動能之和。即伯努利方程中三項之和：。將測壓管中的水位連成一線，稱為測壓管水頭線，反映勢能沿程的變化；將測速管中的水位連成一線，稱為總水頭線，反映總能量沿程的變化，兩線的距離即為流速水頭。本實驗臺在有機玻璃實驗管道的關(guān)鍵部位處，設(shè)置測壓管及測速管，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)流量就可把總水頭線和測壓管

3、水頭線繪制于測壓板上。注：計算所的流速水頭值是采用斷面平均流速求得，而實測流速水頭值是根據(jù)斷面最大速度得出，顯然實測值大于計算值，兩者相差約為1.3倍。（四）實驗步驟1開動水泵，將供水箱內(nèi)之水箱至高位水箱；2高位水箱開始溢流后，調(diào)節(jié)實驗管道閥門，使測壓管，測速管中水位和測壓板上紅、黃兩線一致；3實驗過程中，始終保持微小溢流；4如水位和紅黃兩線不符，有兩種可能：一是連接橡皮管中有氣泡，可不斷用手擠捏橡皮管，使氣泡排出；二是測速管測頭上掛有雜物，可轉(zhuǎn)動測頭使水流將雜物沖掉。（五）報告要求實驗報告是實驗后要完成的一份書面材料。實驗報告的內(nèi)容一般包括實驗名稱、班級、實驗人姓名、實驗時間、實驗?zāi)康摹嶒?/p>

4、步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項內(nèi)容。實驗報告一律用流體力學(xué)實驗報告用紙書寫。（六）討論題1. 什么是速度水頭，位置水頭，壓力水頭？速度水頭、測壓管水頭和總水頭什么關(guān)系？2. 總水頭線和測壓管水頭線在局部阻力和沿程阻力處有怎樣的變化？為什么？二 局部阻力綜合性實驗（一）文丘里流量計實驗1實驗?zāi)康模?）測定文丘里流量計的流量系數(shù)。（2）驗證伯努利方程的正確性。2設(shè)備簡圖3實驗原理在文丘里流量計入口II斷面，在其喉部收縮段處取斷面，由于流量計系數(shù)水平放置，則可列出上述兩斷面的伯努利方程如下，（不計水頭損失）： （1）其中： 根據(jù)連續(xù)性方程得： （2）令： 解（1）（2）兩式可得計算流量的

5、公式如下：或 式中為兩斷面測壓管水頭差，亦即測壓計內(nèi)的液面高差h。令 （1）上式可寫成 （2）因此，測出測壓計水位高差h后，即可求出計算流量Q。 由于實際上所取的兩個斷面之間存在著水頭損失，所以實際流量Q0一般要略小于計算流量Q。實際流量Q0用體積法測定。 （3）為時間內(nèi)，水由管道流入計量箱內(nèi)的體積。如令 （4）則是一小于1的數(shù)，稱為流量系數(shù)。本實驗的目的就是用實驗的方法確定流量系數(shù)的具體數(shù)值。4實驗步驟（1）準(zhǔn)備工作： 記錄儀器常數(shù)d1，d2并計算出k值。 檢查測壓計液面是否水平（此時Q=0），如果不在同一個水平面上，必須將橡膠管內(nèi)空氣排盡，使兩測壓管的液面處于水平狀態(tài)，方能進行實驗。 閥門

6、1、2為實驗閥門。可先調(diào)至較小開度。 文丘里流量計收縮斷面（測點2），經(jīng)常處于負壓狀態(tài)，實驗前應(yīng)將連接膠管灌滿水，才能進行實驗，否則往里進氣。2.進行實驗： 開泵，此時1、2測壓管內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)較小高差。 緩慢開啟閥門1，使壓差調(diào)到最大（如2號測壓管中液位降得太低可關(guān)小閥門2，使液位抬高。如測壓計中液位太高，可用壓氣球加壓，壓低液位）。注意事項：如出現(xiàn)測壓管冒水現(xiàn)象，不必驚慌，可把閥門2全開、或停泵重做。5報告要求實驗報告是實驗后要完成的一份書面材料。實驗報告的內(nèi)容一般包括實驗名稱、班級、實驗人姓名、實驗時間、實驗?zāi)康摹嶒灢襟E、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項內(nèi)容。實驗報告一律用流體力學(xué)實驗報

7、告用紙書寫。6討論題影響流量系數(shù)的因素是什么？（二）局部阻力系數(shù)的測定1實驗?zāi)康模?）測定閥門不同開啟度時（全開、30º、45º三種）的阻力系數(shù)。（2）掌握局部水頭損失的測定方法。2設(shè)備簡圖3實驗原理在本實驗中伯努利方程式可表示如下：其中： 對測點1、2兩斷面列伯努利方程式，可求得閥門的局部水頭損失及 長度上的沿程水頭損失，以hw1表示： （1）對測點3、4兩斷面列伯努利方程式，可求得閥門的局部水頭損失及（L1+L2）長度上的沿程水頭損失，以hw2表示，則： （2） 即為閥門的水頭損失hw：所以，阻力系數(shù)：4實驗步驟（1）開泵。調(diào)節(jié)進水閥門，使測壓管1、2、3、4種出現(xiàn)壓差

8、，如管中液位太高，可用壓氣球打壓，使液位降低，以增加量測范圍。（2）先閉進水閥門，測壓管中水位應(yīng)一平，如不平，說明連接膠管中有氣泡，應(yīng)趕凈后再進行實驗。（3）用流量計量側(cè)流量。注意事項：如出現(xiàn)測壓管冒水現(xiàn)象，不必驚慌，可把出水閥門全關(guān)或停泵重做。5報告要求實驗報告是實驗后要完成的一份書面材料。實驗報告的內(nèi)容一般包括實驗名稱、班級、實驗人姓名、實驗時間、實驗?zāi)康?、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項內(nèi)容。實驗報告一律用流體力學(xué)實驗報告用紙書寫。6討論題什么叫局部阻力，影響因素是什么？三 流體沿程阻力實驗（一）實驗?zāi)康?測定不同雷諾數(shù)Re時的沿程阻力系數(shù)2掌握沿程阻力系數(shù)的測定方法（二）

9、設(shè)備簡圖（三）實驗原理在本實驗中伯努利方程式可表示如下：其中： 對、兩斷面列伯努利方程，可求得L長度上的沿程水頭損失根據(jù)達西公式： 用流量計測得流量，（仔細閱讀流量計使用方法），并計算出斷面平均流速，即可求得沿程阻力系數(shù)（四）實驗步驟1開泵，調(diào)節(jié)進水閥門，使測壓管中出現(xiàn) 高差。2關(guān)閉進水閥門，測壓管中水位應(yīng)一平，如仍有高差，說明連接管中有氣泡，應(yīng)趕凈。3用流量計測流量。（五）報告要求實驗報告是實驗后要完成的一份書面材料。實驗報告的內(nèi)容一般包括實驗名稱、班級、實驗人姓名、實驗時間、實驗?zāi)康?、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項內(nèi)容。實驗報告一律用流體力學(xué)實驗報告用紙書寫。（六）討論題什

10、么叫沿程阻力，影響因素是什么？四 雷諾實驗（一）概述1883年英國科學(xué)家雷諾（Osbome Reynolds）在他著名的雷諾試驗中揭示了流體流動存在兩種性質(zhì)不同的型態(tài)層流和紊流。這兩種流態(tài)不僅流體質(zhì)點的運動軌跡不同，其水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有著本質(zhì)的差異。雷諾通過大量實驗得出判斷層流和紊流的標(biāo)準(zhǔn)臨界雷諾數(shù)。（二）設(shè)備簡圖（三）實驗?zāi)康募耙饬x1了解流體流動的兩種流態(tài)，并觀察其臨界狀態(tài)及轉(zhuǎn)變過程。2測定上臨界雷諾數(shù)Re：（四）實驗步驟水箱上水，并保持微小溢流，打亮燈箱，小開出水閥門和顏色水（可用紅墨水）閥門，使顏色水成一條細線，此時為層流狀態(tài)。逐漸開大出水閥門至顏色水線開始微微顫動，此時為臨界狀態(tài)，量測流量、水溫，查表得運動粘性系數(shù)，即可求出上臨界雷諾數(shù)：式中d為實驗玻璃管內(nèi)徑，上臨界雷諾數(shù)是一個不穩(wěn)定的數(shù)值，>1200，甚至更大。因此Re就沒有實際意義。3測定下臨界雷諾數(shù)Re在上述實驗基礎(chǔ)上，將出水閥門繼續(xù)開大，使顏色水完全混亂，達到紊流狀態(tài)。在逐漸關(guān)小出水閥門，使顏色水恢復(fù)成細紋，說明水流又由紊流變成層流，量測流量、水溫。計算下臨界雷諾數(shù)：根據(jù)大量實驗資料，下臨界雷諾數(shù)是一個相當(dāng)穩(wěn)定的數(shù)值，約為2300，因此在工程上都采用下臨界雷諾數(shù)作為判別流動型態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。一般實驗設(shè)備由于進水口、邊界條件等不盡完善，很難達到這個標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)