合肥工業(yè)大學(xué)新流體實驗指導(dǎo)書

1、課程編號：0230042課程名稱：工程流體力學(xué)流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書（機械類）Hydrodynamics Experiment Instructor(Enginery)(Belong to Pyrology Staff Room)Hefei University of Technology2011.8實驗一靜壓實驗Experiment 1 Static Pressure Experiment一、實驗?zāi)康?、通過實驗理解流體靜力學(xué)基本方程式的能量意義和幾可意義。2、驗證容器中流體內(nèi)任意兩點1和2的測壓管水頭相等，即有+。3、測量液體的密度（本實驗為測量酒精密度）二、實驗原理1、重力作用下處于靜止狀態(tài)

2、的連續(xù)均質(zhì)不可壓縮流體的基本方程式為：該式的能量意義是：流體中各點處單位重量流體所具有的總勢能，即位置勢能Z和壓力勢能()之和均相等。該式的幾何意義是：流體中各點的測壓管水頭，即位置高度Z和測壓管高度() 之和均相等。根據(jù)上述流體靜力學(xué)基本方程式，對本實驗的液體（水）中1、2兩點有：+2、根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式，可得有自由液面的靜止的不可壓縮流體中壓強的基本公式為（推導(dǎo)過程見教材）：P=PO+g h式中：P液體內(nèi)任一點的靜壓力，單位為N/m2(Pa)；PO容器內(nèi)液體自由表面的靜壓力，單位為N/m2(Pa)；液體的密度，單位為kg/m3；h液體內(nèi)的點到液面的距離，單位為m；g重力加速度m/s2

3、。由此式可求出液體內(nèi)任意點處的靜壓力。3、本實驗中還要用到連通器原理，即同一種相連通的流體在同高度上壓強相等。三、實驗設(shè)備靜壓實驗器結(jié)構(gòu)如下圖所示：四、實驗步驟1、熟悉實驗設(shè)備，明確每根玻璃管的用途；熟悉實驗方法；熟悉氣壓計的結(jié)構(gòu)原理和使用方法。2、打開氣閥，待各玻璃管內(nèi)液面穩(wěn)定后，關(guān)閉氣閥。3、調(diào)節(jié)側(cè)面小量筒高度，容器內(nèi)液面上升或下降，壓力P0大于大氣壓力Pa或小于大氣壓力Pa，利用滑動標尺記錄各測壓管的液面高度，并記錄表1（）表2（）的數(shù)值。4、結(jié)束實驗，打開氣閥。五、思考題1、測壓管“B”、“C”中的液面是否在任何情況下都在同一高度上，兩者的液面連線叫什么？實驗二不可壓縮流體定常流能量方

4、程（伯努利方程）實驗Experiment 2 Incompressible Fluid Steady State Flow Energy Equation Experiment一、實驗?zāi)康?、掌握流速、流量、壓強等動水力學(xué)水力要素的實驗量測技術(shù)；2、驗證流體定常流的能量方程。3、測定管道沿程損失水頭hf及沿程阻力系數(shù)，并了解隨雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律。4、測定局部損失水頭hj和局部損失系數(shù)。二、實驗裝置:四、實驗原理在實驗管路中沿水流方向取n個過水截面，可以列出進口截面（1）至截面（i）的能量方程式（i=2,3,n）選好基準面，從已設(shè)置的各截面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出截面平

5、均流速v及動壓，從而可得到各截面測管水頭和總水頭。1、沿程損失水頭hf和沿程阻力系數(shù)的測定V2211h2Z2ZZ1Vh1Z2Z12211對實驗裝置選做材料管上的直管段兩測點1、2截面，（見圖一）應(yīng)用實際流體的伯諾里方程，有： 由于v1=v2，故1、2截面間沿程損失水頭hf為：h1 1、2兩測點上兩根測壓管的液面差。1、2兩測點間沿程損失水頭hf測出后，可根據(jù)達西公式算出直管段沿程阻力系數(shù)： 達西公式中v為管道中流體流速， （Q為流量，單位m3/s；A為管1的截面積，單位：m2；流速的單位為m/s）。為測出與Re的關(guān)系，實驗中可用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流過管道中的流速，以改變雷諾數(shù)，從而測出不同Re下的

6、值，整理出“Re”關(guān)系曲線。2、局部損失水hj和局部阻力系數(shù)的測定（以90º彎頭為例）對實驗裝置選做材料管上的1、2測點截面（見圖二）應(yīng)用實際流體的伯諾里方程，有：由于v1=v2，故有可以證明（證明方法略）hj=h2h2為連接1、2測點差壓計左右兩根測壓管的液面差。hj測出后，根據(jù)實驗得出的與hj的關(guān)系式，即就可算出局部阻力系數(shù)（式中v為彎頭中流體流速）四、實驗方法與步驟1、熟悉實驗設(shè)備，分清各測壓管與各測壓點，畢托管測點的對應(yīng)關(guān)系。2、打開開關(guān)供水，使水箱充水，待水箱溢流后，檢查流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時所有測壓管水面是否齊平，若不平則進行排氣調(diào)平（開關(guān)幾次）。3、打流量調(diào)節(jié)閥，觀察測壓管水

7、頭線和總水頭線的變化趨勢及位置水頭、壓強水頭之間的相互關(guān)系，觀察當(dāng)流量增加或減少時測壓管水頭的變化情況。4、調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥開度，待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時用體積法測記實驗流量（與畢托管相連通的是演示用，不必測記讀數(shù)）。5、再調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥開度12次，其中一次閥門開度大到使液面降到標尺最低點為限，按第4步重復(fù)測量。實驗三雷諾實驗Experiment 3 Renault Experiment一、實驗?zāi)康?、通過層流、湍流的流態(tài)觀測和臨界雷諾數(shù)的測量分析，掌握圓管流態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律；2、進一步掌握層流、湍流兩種流態(tài)的運動學(xué)特性與動力學(xué)特性；3、測量沿程損失，計算沿程阻力系數(shù)。二、實驗原理（1

8、） （其中：Q流量；V水體積；T時間；K系數(shù)。）式中v可根據(jù)用體積法測定的流量算出：（Q為流量，單位為m3/s; A為管道的截面積，單位為m2; 流速的單位為m/s.）三、實驗裝置四、實驗方法與步驟1、觀測兩種流態(tài)：打開進水閥使水箱充水至溢流水位，經(jīng)穩(wěn)定后，微微開啟流量調(diào)節(jié)閥，并注入顏色水于實驗管內(nèi)，使顏色水流成一直線，通過顏色水質(zhì)點的運動觀察管內(nèi)水流的層流流態(tài)，然后逐步開大流量調(diào)節(jié)閥，通過顏色水直線的變化觀察層流轉(zhuǎn)變到湍流的水力特征，待管中出現(xiàn)完全湍流后，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，觀察由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯乃μ卣鳌?、測定下臨界雷諾數(shù)：（1）將流量調(diào)節(jié)閥打開，使管中呈完全湍流，再逐步關(guān)小流量調(diào)節(jié)閥使流

9、量減小。當(dāng)流量調(diào)節(jié)到使顏色水在全管剛剛拉成一直線狀態(tài)時，即為下臨界狀態(tài)。每調(diào)節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定幾分鐘。（2）待管中出現(xiàn)臨界狀態(tài)時，用體積法測定流量；（3）根據(jù)所測流量計算下臨界雷諾數(shù)；（4）同時由水箱中的溫度計測記水溫，從而查得水的運動粘度。注意：流量不可開得過大，以免引起水箱中的水體紊動，若因水箱中水體紊動而干擾進口水流時，需關(guān)閉閥門，靜止35分鐘，再按步驟（1）重復(fù)進行。實驗四 恒定總流的動量矩實驗確定確定動量方程 流體與邊界之間作用力大??；動量矩方程 流體與邊界之間作用力位置；設(shè)為某參考點至流體速度矢量的作用點的矢徑，則用矢量對動量方程兩端進行矢性積運算，可得定常流動的動量矩方程為

10、：=-等式左端項是控制體上合外力對于坐標原點的合力矩。等式右端項是通過控制體面流出與流入的流體動量矩之差，或通過控制體面的凈動量矩?，F(xiàn)以定轉(zhuǎn)速的離心式水泵或風(fēng)機為例來推導(dǎo)葉輪中的定常流動的動量矩方程。如圖所示，取葉輪出、入口的園柱面與葉輪側(cè)壁之間的整個葉輪流動區(qū)域為控制體。圖：葉輪的速度三角形假定葉輪葉片無限多，每個葉片的厚度均為無限薄，則流體在葉片間的相對速度必沿葉片型線方向。于是將動量矩方程式用于葉輪機時，需用絕對速度代替上式中質(zhì)點速度。由于定常運動，故葉輪機中的定常流動的動量矩方程：=由圖所示的速度三角形可以看出：因而上式可以寫成：因為葉輪的角速度為：故葉輪機的功率：或這就是泵與風(fēng)機的基

11、本方程式。它首先由歐拉在1754年得到，故又稱歐拉方程。對于渦輪機械（如水輪機等），流體從葉輪外緣2流入內(nèi)緣1，基本方程為：無論是泵類機械（工作機械）還是渦輪類機械（動力機械），均滿足歐拉方程，不同的是離心泵是工作機械。它把原動機的機械能通過葉輪傳遞給流體介質(zhì)，故M > 0，即軸矩方向與葉輪旋轉(zhuǎn)角速度方向相同；而渦輪機是動力機械，它從流體介質(zhì)中汲取能量，通過轉(zhuǎn)軸將機械能傳輸出去，故M < 0，即軸矩方向與葉輪旋轉(zhuǎn)角速度方向相反。注意：對于泵類機械，稱為泵產(chǎn)生的揚程； 對于渦輪類機械，稱為作用在渦輪上的水頭。例題：旋轉(zhuǎn)式灑水器由三個均勻分布在水平平面上的旋轉(zhuǎn)噴嘴組成；總出水量為，噴嘴

12、出口截面積為，旋臂長為，噴嘴出流速度方向與旋臂的夾角為。（1） 不計一切摩擦，試求旋臂的旋轉(zhuǎn)角速度；（2） 如果使已經(jīng)具有角速度的旋臂停止，需施加多大的外力矩？解：每個噴嘴的出口為。這一速度的切向分量也就是旋臂的切向圓周速度，故 將 代入，則由動量矩方程 可知，現(xiàn)在入口處速度與切線方向的夾角。出口處速度與切線方向的夾角，于是 ，又 所以 力矩 以代入，則 實驗五孔口與管嘴出流實驗Experiment 5 Orifice and Nozzle Jet Flow Experiment一、實驗?zāi)康?、掌握孔口與管嘴出流的流速系數(shù)、流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、局部阻力系數(shù)的測量技術(shù)；2、通過對不同管嘴與孔口

13、的流量系數(shù)測量分析，了解進口形狀對出流能力的影響及相關(guān)水力要素對孔口出流能力的影響。二、實驗裝置三、實驗原理 流量系數(shù)收縮系數(shù)流速系數(shù)阻力系數(shù)四、實驗方法與步驟1、記錄實驗常數(shù)，各孔口管嘴用橡皮塞塞緊。2、打開水箱開關(guān)，使恒壓水箱充水，至溢流后，再打開園角管嘴，待水面穩(wěn)定后，測記水箱水面高程標尺讀數(shù)H，用體積法測定流量Q（要求重復(fù)測理三次，時間盡量長些，例如在15秒以上以求準確），測量完畢，將橡皮塞管再塞緊。3、依照上法，打開直角管嘴，測記水箱水面高程標尺讀數(shù)H及流量Q，觀察和量測直角管嘴出流時的真空情況，測量完畢，將橡皮塞管再塞緊。4、依次打開圓錐形管嘴，測定H及Q，測量完畢，將橡皮塞管再塞緊。5、打開孔口，觀察孔口出流現(xiàn)象，測定H及Q，并按下述7（2）的方法測記孔口收縮截面直徑隨水頭變化的情況。6、關(guān)閉開關(guān)3，清理實驗桌面及場地。7、注意事項：（1）實驗次序先管嘴后孔口。（2）測量收縮截面直徑：移動調(diào)節(jié)千分表，使千分表觸頭抵住孔口表面，移動調(diào)節(jié)卡尺觸頭使其與水股切向接觸，記錄下卡