工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書過(guò)控教研室目錄實(shí)驗(yàn)一 沿程阻力損失實(shí)驗(yàn).1實(shí)驗(yàn)二 局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn).4實(shí)驗(yàn)三 自循環(huán)水擊綜合試驗(yàn).8實(shí)驗(yàn)一 沿程阻力損失實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)會(huì)測(cè)定管道沿程水頭損失系數(shù)的方法。 2、分析圓管恒定流動(dòng)的水頭損失規(guī)律，驗(yàn)證在各種情況下沿程水頭損失hf與平均流速v的關(guān)系以及隨雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度的變化規(guī)律。 3、根據(jù)紊流粗糙區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算實(shí)驗(yàn)管壁的粗糙系數(shù) n 值及管壁當(dāng)量粗糙ks值，并與莫迪圖比較。二、實(shí)驗(yàn)原理圖3-1 沿程阻力損失實(shí)驗(yàn)裝置1自循環(huán)高壓恒定全自動(dòng)供水器 2實(shí)驗(yàn)臺(tái) 3回水管 4水壓差計(jì) 5測(cè)壓計(jì) 6實(shí)驗(yàn)管道 7電測(cè)儀 8滑動(dòng)測(cè)量尺 9測(cè)壓點(diǎn) 10實(shí)驗(yàn)流量調(diào)

2、節(jié)閥 11供水管與供水閥 12旁通管與旁通閥 13穩(wěn)壓筒管道沿程阻力由達(dá)西公式 ： 得： 對(duì)于水平等直徑圓管可得： 由壓差計(jì)和電測(cè)儀量測(cè)，低壓差用水壓差計(jì)量測(cè)；高壓差用電子量測(cè)儀(電測(cè)儀)量測(cè)。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備（1）檢查實(shí)驗(yàn)裝置，連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備。（2）開(kāi)啟所有閥門，包括進(jìn)水閥、旁通閥、流量調(diào)節(jié)閥。（3）打開(kāi)水泵防塵罩，接通電源。（4）排氣。測(cè)壓架端軟管排氣：連續(xù)開(kāi)關(guān)旁通閥數(shù)次，待水從測(cè)壓架中經(jīng)過(guò)即可。排氣完畢，打開(kāi)旁通閥。若測(cè)壓管內(nèi)水柱過(guò)高，可打開(kāi)測(cè)壓架頂部放氣閥，（所有閥門都打開(kāi)，）水柱自動(dòng)降落至正常水位，擰緊放氣閥。傳感器端軟管排氣：關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，打開(kāi)傳感器端排氣閥，傳感器內(nèi)連續(xù)

3、出水，關(guān)閉排氣閥，排氣完成。關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，觀察測(cè)壓架內(nèi)兩水柱是否齊平，如果不平，找出原因并排除；如果齊平，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完成，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。2、層流實(shí)驗(yàn)（1）全開(kāi)進(jìn)水閥、旁通閥、微開(kāi)流量調(diào)節(jié)閥，當(dāng)實(shí)驗(yàn)管道兩點(diǎn)壓差小于2cm(夏天)3cm（冬天）時(shí)，管道內(nèi)呈層流狀態(tài)，待壓力穩(wěn)定，用體積法測(cè)定流量，同時(shí)測(cè)量水溫、測(cè)壓管內(nèi)壓差。（2）改變流量34次，重復(fù)上述步驟。其中第一次實(shí)驗(yàn)壓差0.50.8cm，逐次增加0.30.5cm。3、紊流實(shí)驗(yàn)（1）關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，將電測(cè)儀讀數(shù)（即管道兩測(cè)點(diǎn)壓差）調(diào)零。（2）夾緊測(cè)壓架兩端夾子，防止水流經(jīng)測(cè)壓架。（3）全開(kāi)流量調(diào)節(jié)閥、進(jìn)水閥，適當(dāng)關(guān)小旁通閥開(kāi)度，增大實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)流量，

4、待流量穩(wěn)定之后，用重量法測(cè)定流量，同時(shí)測(cè)量水溫、記錄電測(cè)儀讀數(shù)（即兩測(cè)點(diǎn)壓差）。（4）改變流量56次，重復(fù)上述步驟。其中第一次實(shí)驗(yàn)壓差50100cm，逐次增加100150cm，直至流量最大。4、實(shí)驗(yàn)完成，打開(kāi)所有閥門，關(guān)閉電源。四、實(shí)驗(yàn)記錄1、有關(guān)常數(shù) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)No. _ _圓管直徑_ 測(cè)量段長(zhǎng)度 cm常數(shù)= 2、實(shí)驗(yàn)記錄及計(jì)算表 次序體積Vcm3時(shí)間ts流量Qcm3/s流速cm/s水溫C粘度cm2/s雷諾數(shù)Re壓差cm沿程阻力cm沿程阻力系數(shù)Re2320h1h212345673、繪圖分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成果分別繪制曲線，并確定指數(shù)關(guān)系值的大小。在厘米紙上以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，點(diǎn)繪所測(cè)的關(guān)系曲線

5、，根據(jù)具體情況連成一段或幾段直線，求厘米紙上直線的斜率。將從圖上求得的值與已知各流區(qū)的值(即層流，光滑管流區(qū)，紊流過(guò)渡區(qū)1.752.0，粗糙管紊流區(qū))進(jìn)行比較，確定流區(qū)。五、實(shí)驗(yàn)分析與討論1本實(shí)驗(yàn)中，沿程阻力損失就是壓差計(jì)的壓差，如果管道有一定的傾角，壓差計(jì)的壓差是否還是沿程阻力損失？為什么？2根據(jù)實(shí)測(cè)值判斷本實(shí)驗(yàn)的流區(qū)。3管道的當(dāng)量粗糙度如何測(cè)得？4、若同一流體經(jīng)兩個(gè)管徑相同、管長(zhǎng)相同、而粗糙系數(shù)不同的管路，當(dāng)流速相同時(shí)，其損失是否相同？實(shí)驗(yàn)二 局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握三點(diǎn)法、四點(diǎn)法量測(cè)局部阻力損失系數(shù)的技能；2、通過(guò)對(duì)圓管突擴(kuò)局部阻力系數(shù)的表達(dá)式和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)

6、驗(yàn)驗(yàn)證與分析，熟悉用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立函數(shù)式的途徑。3、加深對(duì)局部阻力損失機(jī)理的理解二、實(shí)驗(yàn)原理圖6-1 局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置圖1自循環(huán)供水器；2實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3泵；4恒壓水箱；5溢流板；6穩(wěn)水孔板；7突然擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)管段；8測(cè)壓計(jì)；9滑動(dòng)測(cè)量尺；10測(cè)壓管；11突然收縮實(shí)驗(yàn)管段；12實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥1、有壓管道恒定流遇到管道邊界的局部突變的尾部時(shí)，流動(dòng)會(huì)分離形成剪切層，剪切層流動(dòng)不穩(wěn)定，引起流動(dòng)結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，并產(chǎn)生旋渦，平均流動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能量，造成不可逆的能量耗散。與沿程因摩擦造成的分布損失不同，這部分損失可以看成是集中損失在管道邊界的突變處，每單位重量流體承擔(dān)的這部分能量損失稱為局部水頭損失

7、。2、根據(jù)能量方程，局部水頭損失這里我們認(rèn)為因邊界突變?cè)斐傻哪芰繐p失全部產(chǎn)生在1-1，2-2兩斷面之間，不再考慮沿程損失。 上游斷面1-1應(yīng)取在由于邊界的突變，水流結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生變化的漸變流段中，下游2-2斷面則取在水流結(jié)構(gòu)調(diào)整剛好結(jié)束，重新形成漸變流段的地方?？傊?，兩斷面應(yīng)盡可能接近，又要保證局部水頭損失全部產(chǎn)生在兩斷面之間。經(jīng)過(guò)測(cè)量?jī)蓴嗝娴臏y(cè)管水頭差和流經(jīng)管道的流量，進(jìn)而推算兩斷面的速度水頭差，就可測(cè)得局部水頭損失。 3、局部水頭損失系數(shù)是局部水頭損失折合成速度水頭的比例系數(shù)，即：當(dāng)上下游斷面平均流速不同時(shí)，應(yīng)明確它對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)速度水頭？例如，對(duì)于突擴(kuò)圓管就有： 和 之分。其它情況的局部損失

8、系數(shù)在查表或使用經(jīng)驗(yàn)公式確定時(shí)也應(yīng)該注意這一點(diǎn)。通常情況下對(duì)應(yīng)下游的速度水頭。4、局部水頭損失系數(shù)隨流動(dòng)的雷諾數(shù)而變，即但當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度后， 值成為常數(shù)。在工程中使用的表格或經(jīng)驗(yàn)公式中列出的就是指這個(gè)范圍的數(shù)值。5、局部水頭損失的機(jī)理復(fù)雜，除了突擴(kuò)圓管的情況以外，一般難于用解析方法確定，而要通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)得到各種邊界突變情況下的局部水頭損失系數(shù)。6、對(duì)于突擴(kuò)圓管的情況，局部水頭損失系數(shù)有理論結(jié)果，推導(dǎo)如下：流動(dòng)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)圓管的局部水頭損失 取1-1，2-2兩斷面如圖， 這里要特別注意1-1斷面取為突擴(kuò)開(kāi)始的斷面，2-2斷面則取在水流結(jié)構(gòu)調(diào)整剛好結(jié)束，重新形成漸變流段的地方。兩斷面面積都為，而和

9、則分別為細(xì)管和粗管中的平均流速。根據(jù)動(dòng)量方程可知：所以有：將其代入局部水頭損失的表達(dá)式，得：取的值均為1.0，則：或可見(jiàn)：，7、突擴(kuò)圓管局部水頭損失之所以能夠?qū)С錾鲜鼋馕霰磉_(dá)式是因?yàn)椋何覀兗僭O(shè)1-1斷面上的測(cè)管水頭為常數(shù)；1-1，2-2兩斷面的面積相等。而突縮圓管的1-1，2-2兩斷面必須分別取在粗管和細(xì)管中，這是由流動(dòng)結(jié)構(gòu)決定的，因此突縮圓管的局部水頭損失不能解析表達(dá)，只有經(jīng)驗(yàn)公式：這里的對(duì)應(yīng)下游，即細(xì)管中的速度水頭。8、其它各種彎管、截門、閘閥等的局部水頭損失系數(shù)可查表或由經(jīng)驗(yàn)公式獲得。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蟆?shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)。 2、查閱用測(cè)壓管量測(cè)壓強(qiáng)和用體積法（手工、自

10、動(dòng)）量測(cè)流量的原理和步驟。 3、對(duì)照實(shí)物了解儀器設(shè)備的使用方法和操作步驟，做好準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)抽水機(jī)，打開(kāi)進(jìn)水開(kāi)關(guān)，使水箱充水，并保持溢流狀態(tài)，使水位恒定。 4、檢查下游閥門全關(guān)時(shí)，各個(gè)測(cè)壓管水面是否齊平面。如不平，則需排氣調(diào)平。 5、開(kāi)啟下游閥門，待水流恒定后，觀察測(cè)管水頭的變化，正確選擇實(shí)驗(yàn)配件前后的量測(cè)斷面，進(jìn)行數(shù)據(jù)的量測(cè)，并登錄到數(shù)據(jù)記錄表的相應(yīng)位置。 6、將被測(cè)閥門開(kāi)到300，重復(fù)4、5、6步驟。7、將被測(cè)閥門開(kāi)到450，重復(fù)4、5、6步驟。8、每組實(shí)驗(yàn)做三個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，且壓差值不要太接近。四、實(shí)驗(yàn)記錄 d=_cm開(kāi)啟度全開(kāi)3045NO123123123h5(cm)h6 (cm)h1 (

11、cm)h7 (cm)h8 (cm)h2 (cm)2h2 -h1 (cm) V (cm3)t (s) Q (cm3/s)(cm/s)五、實(shí)驗(yàn)分析與討論1、同一開(kāi)啟度，不同流量下，值應(yīng)為定值或變值？2、不同開(kāi)啟度，如把流量調(diào)至相等，值是否相等？3、結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析比較突擴(kuò)與突縮在相應(yīng)條件下的局部損失大小關(guān)系。4、結(jié)合流動(dòng)儀演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部阻力損失的主要部位在哪里？怎樣減少局部阻力損失？實(shí)驗(yàn)三 自循環(huán)水擊綜合試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康?、了解水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生原因及傳物理過(guò)程；2、了解水擊揚(yáng)水原理；3、了解減少管路水擊危害的方法。二、試驗(yàn)裝置（水擊試驗(yàn)臺(tái) LSJ-30

12、）圖10-1 水擊試驗(yàn)臺(tái)1恒壓水箱；2水擊揚(yáng)水機(jī)出水管；3氣壓表；4揚(yáng)水機(jī)截止閥；5壓力室6調(diào)壓筒；7水泵；8水泵吸水管；9供水管；10調(diào)壓截止閥；11水擊發(fā)生閥；12逆止閥；13水擊室；14集水箱；15實(shí)驗(yàn)桌三、試驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)儀可用以演示水擊傳播、水擊揚(yáng)水、調(diào)壓筒消減水擊工況，以水擊壓強(qiáng)的測(cè)量。1、水擊的產(chǎn)生和傳播水泵能把集水箱中的水送入恒壓水箱中，恒壓水箱設(shè)有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自恒定水箱經(jīng)供水管和水擊室，再通過(guò)水擊發(fā)生閥和閥孔流出，回到集水箱。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先全關(guān)調(diào)壓截止閥和揚(yáng)水機(jī)截止閥，觸發(fā)水擊發(fā)生閥時(shí)，當(dāng)水流過(guò)水擊發(fā)生閥時(shí)，水的沖出力使水擊發(fā)生閥上移關(guān)閉而快速

13、截至水流，因而在供水管的末首先產(chǎn)生最大的水擊升壓，并使水擊室同時(shí)承受到這一水擊壓強(qiáng)。水擊升壓以水擊波的形式迅速沿著壓力管道向上游傳播到達(dá)進(jìn)口以后，由進(jìn)口反射回來(lái)一個(gè)減壓波，使供水管末端和水擊室內(nèi)發(fā)生負(fù)的水擊壓強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^(guò)水擊發(fā)生閥和逆止閥的動(dòng)作過(guò)程觀察到水擊波的來(lái)回傳播變化現(xiàn)象。即水擊發(fā)生閥關(guān)閉，產(chǎn)生水擊升壓，使逆止閥克服壓力室的壓力而瞬時(shí)開(kāi)啟，水也隨即注入壓力室內(nèi)，并可看到壓力表隨著產(chǎn)生壓力波動(dòng)。然后，在進(jìn)口傳來(lái)的負(fù)水壓作用下，水擊室的壓強(qiáng)低于壓力室，使逆止閥關(guān)閉，同時(shí)，負(fù)水壓又使水擊發(fā)生閥下移而開(kāi)啟。這一動(dòng)作過(guò)程既能觀察到水擊波的傳播變化現(xiàn)象，又能使本實(shí)驗(yàn)裝置保持往復(fù)的自動(dòng)工作狀態(tài)，即

14、當(dāng)水擊發(fā)生閥再次開(kāi)啟后，水流又經(jīng)過(guò)閥孔流出，回復(fù)到初始工作狀態(tài)。這樣周而復(fù)始，水擊發(fā)生閥不斷的啟閉，水擊現(xiàn)象也就不斷的重復(fù)發(fā)生。2、水擊壓強(qiáng)的定量觀測(cè)水擊可在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)，猶如重錘錘擊管道一般，可造成管道的破壞。由于水擊的作用時(shí)間短，升壓大，通常需用復(fù)雜而昂貴的電測(cè)系統(tǒng)作瞬態(tài)測(cè)量，而本儀器用簡(jiǎn)便的方法可直接地量測(cè)出水擊升壓值。此法的測(cè)壓系統(tǒng)是由逆止閥，壓力室和氣壓表組成。水擊發(fā)生閥每一開(kāi)一閉都產(chǎn)生一次水擊升壓，由于作用水頭、管道特性和閥的開(kāi)度均相同，故每次水擊升壓值相同。每當(dāng)水擊波往返一次都將向壓力室內(nèi)注入一定水量，因而壓力室內(nèi)的壓力隨著水量的增大而增大，一直到其值達(dá)到與最大水擊

15、壓強(qiáng)相等時(shí)，逆止閥才打不開(kāi)，水流也不再注入壓力室，壓力室內(nèi)的壓力也就不再增高。這時(shí)，可以連接于壓力室空腔的壓力表測(cè)量壓力室中的壓強(qiáng)，此壓強(qiáng)即為水擊發(fā)生閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的最大水擊壓強(qiáng)。3、水擊的利用水擊揚(yáng)水水擊發(fā)生閥每關(guān)閉一次，在水擊室內(nèi)就產(chǎn)生一次水擊升壓，逆止閥隨之被瞬時(shí)開(kāi)啟，部分高壓水被注入壓力室，當(dāng)揚(yáng)水機(jī)截止閥開(kāi)啟時(shí)，壓力室的水便經(jīng)水擊揚(yáng)水機(jī)出水管流向高處。由于水擊發(fā)生閥的為斷作用，水擊連續(xù)多次發(fā)生，水流亦一次一次地為斷注入壓力室，因而便源源不斷把水提升到高處。這正是水擊揚(yáng)水機(jī)工作原理，本儀器揚(yáng)水高度為37cm，即超過(guò)恒壓供水箱的液體達(dá)1.5倍的作用水頭。4、水擊危害的消除調(diào)壓筒（井）本儀器設(shè)

16、有調(diào)壓截止閥和調(diào)壓筒組成水擊消減裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)閉揚(yáng)水機(jī)截止閥、全開(kāi)調(diào)壓截止閥。然后手動(dòng)控制水擊發(fā)生閥的開(kāi)與閉。由氣壓表可見(jiàn)，此時(shí)水擊升壓最大值約為100mm汞柱，其值僅為調(diào)壓截止閥關(guān)閉時(shí)值的1/3。同時(shí)，該裝置還能演示調(diào)壓系統(tǒng)的水位波動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)水擊發(fā)生閥開(kāi)啟時(shí)，調(diào)壓筒中水位低于供水箱（以下稱庫(kù)水位），而當(dāng)水擊發(fā)生閥突然關(guān)閉時(shí)，調(diào)壓筒中的水位很快涌高且超過(guò)庫(kù)水位，并出現(xiàn)和豎立U形水管中水體諒擺動(dòng)現(xiàn)象性質(zhì)相同的振蕩，上下波動(dòng)的幅度逐次衰減，直至靜止。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、打開(kāi)供水開(kāi)關(guān)；2、啟動(dòng)水擊發(fā)生閥：?jiǎn)?dòng)閥必須先向下推開(kāi)，并使過(guò)水系統(tǒng)中的空氣全部排出（打開(kāi)調(diào)壓筒截止閥可排出空氣）。然后松手，閥11就會(huì)自動(dòng)地往復(fù)上下運(yùn)動(dòng)，時(shí)開(kāi)時(shí)閉而發(fā)生水擊。3、測(cè)量水擊壓強(qiáng)： 測(cè)量時(shí)，應(yīng)全關(guān)閉閥10和4，且應(yīng)關(guān)緊不漏水。4、水擊揚(yáng)水實(shí)驗(yàn)： 應(yīng)全開(kāi)閥4，全關(guān)閥10。5、調(diào)壓筒實(shí)驗(yàn)： 應(yīng)全關(guān)閥4，全開(kāi)閥10。6、流量調(diào)節(jié)： 可通過(guò)調(diào)控可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速器旋鈕，改變流量大小。7、其它注意事項(xiàng)： 若供水管、壓力室