實驗指導(dǎo)書11土木

PAGE流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院2013年4月學(xué)生實驗守則為保證流體力學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量，制定“學(xué)生實驗守則”要求學(xué)生遵照執(zhí)行。1、實驗之前必須預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書及有關(guān)理論，了解實驗的目的、儀器設(shè)備、實驗原理、實驗方法、操作規(guī)程及數(shù)據(jù)處理等等，上實驗測試課時，接受指導(dǎo)教師檢查，預(yù)習(xí)不合格者，不能參加實驗。2、實驗之前，應(yīng)要對照實物認(rèn)識儀器設(shè)備，掌握其特點及操作方法后方可進(jìn)行實驗。3、在實驗室中，要專心致志，遵守紀(jì)律，接受教師的指導(dǎo)與管理。4、實驗小組要協(xié)調(diào)一致，既要取得準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，又要使每個學(xué)生掌握實驗中的各個測試環(huán)節(jié)。5、當(dāng)場計算實驗數(shù)據(jù)，以便檢查實驗的正確性。6、實驗觀測完畢，應(yīng)報告指導(dǎo)教師認(rèn)可后，并將儀器設(shè)備恢復(fù)為啟用前狀態(tài)，請教師檢查后才能離開實驗室。7、在實驗過程中，如遇儀器設(shè)備工作不正常，應(yīng)立即報告教師，在教師指導(dǎo)下排除故障，不得擅自拆卸。8、愛護(hù)儀器設(shè)備，細(xì)心操作，倘有損壞，應(yīng)立即報告教師，按規(guī)定處理。9、實驗過后的一周內(nèi)，提出個人的實驗報告送教師審批，要求報告書寫工整，圖表清晰，成果正確，有不符合要求者，應(yīng)與實驗室聯(lián)系，重做補(bǔ)做。目錄實驗一流體靜力學(xué)實驗 １實驗二不可壓縮流體恒定流能量方程(伯努利方程)實驗 5實驗三畢托管測速實驗 14實驗四雷諾實驗 17PAGE10實驗一流體靜力學(xué)實驗一、實驗?zāi)康囊?.掌握用測壓管測量流體靜水壓強(qiáng)的技能；2.驗證不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程；3.通過對諸多流體靜力學(xué)現(xiàn)象的實驗分析研討，進(jìn)一步提高解決靜力學(xué)實際問題的能力。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖1.1所示。圖1.1流體靜力學(xué)實驗裝置圖1.測壓管；2.帶標(biāo)尺測壓管；3.連通管；4.真空測壓管；5.U型測壓管；6.通氣閥；7.加壓打氣球；8.截止閥；9.油柱；10.水柱；11.減壓放水閥。說明1.所有測壓管液面標(biāo)高均以標(biāo)尺(測壓管2)零讀數(shù)為基準(zhǔn)；2.儀器銘牌所注▽B、▽C、▽D系測點B、C、D標(biāo)高；若同時取標(biāo)尺零點作為靜力學(xué)基本方程的基準(zhǔn)，則▽B、▽C、▽D亦為zB、zC、zD；3.本儀器中所有閥門旋柄順管軸線為開。三、實驗原理1.在重力作用下不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程或(1.1)式中：z——被測點在基準(zhǔn)面以上的位置高度；P——被測點的靜水壓強(qiáng)，用相對壓強(qiáng)表示，以下同；po——水箱中液面的表面壓強(qiáng)；——液體密度；H——被測點的液體深度。另對裝有水油(圖1.2及圖1.3)U型測管，應(yīng)用等壓面可得油的比重S0有下列關(guān)系：（1.2）圖1圖1.2圖1.3*該公式推導(dǎo)如下：*該公式推導(dǎo)如下：當(dāng)U型中水面與油水界面齊平（圖1.2），取其頂面為等壓面，有(1.a)另當(dāng)U型管中水面和油面齊平（圖1.3），取其油水界面為等壓面，則有又(1.b)由（1.a,1.b）兩式聯(lián)解可得：H＝h1+h2代入式（1.a）得：(1.c)據(jù)此可用儀器(不用另外尺)直接測得S0。四、實驗方法與步驟1.搞清儀器組成及其用法。包括：1)各閥門的開關(guān)；2)加壓方法關(guān)閉所有閥門(包括截止閥)，然后用打氣球充氣；3)減壓方法開啟桶底閥11放水；4)檢查儀器是否密封加壓后檢查測管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏氣，應(yīng)查明原因并加以處理。2.記錄儀器號No.及各常數(shù)(記入表1.1)。3.量測點靜壓強(qiáng)(各點壓強(qiáng)用厘米水柱表示)。1)打開通氣閥6(此時po=0)，記錄水箱液面標(biāo)高▽0和測管2液面標(biāo)高▽H(此時▽0=▽H)；2)關(guān)閉通氣閥6及截止閥8，加壓使之形成Po>0,測記▽0及▽H；3)打開放水閥11，使之形成po<0(要求其中一次<0,即▽H<▽B),測記▽0及▽H。4.測出4＃測壓管插入小水杯中的深度。5.測定油比重So。1)開啟通氣閥6，測記▽0；2)關(guān)閉通氣閥6，打氣加壓（p0>0），微調(diào)放氣螺母使U形管中水面與油水交界面齊平(圖1.2)，測記▽0及▽H(此過程反復(fù)進(jìn)行3次)；3)打開通氣閥，待液面穩(wěn)定后，關(guān)閉所有閥門；然后開啟放水閥11降壓（p0<0），使U型管中的水面與油面齊平(圖1.3)，測記及▽0及▽H(此過程亦反復(fù)進(jìn)行3次)。五、實驗成果及要求1.記錄有關(guān)常數(shù)。實驗裝置臺號No.__________各測點的標(biāo)尺讀數(shù)為：▽B=cm,▽C=cm,▽D=cm,。2.分別求出各次測量時，A、B、C、D點的壓強(qiáng)，并選擇一基準(zhǔn)檢驗同一靜止液體內(nèi)的任意二點C、D的是否為常數(shù)。表1.13.求出油的密度。表1.2=4.測出4#測壓管插入小水杯中深度。▽h4=cm.表1.1流體靜壓強(qiáng)測量記錄及計算表單位：cm實驗條件次序水箱液面▽0測壓管液面▽H壓強(qiáng)水頭測壓管水頭P0＝01p0>0(其中一次測4#測壓管插入小水杯中深度)123P0<0（其中一次PB<0，即▽H<▽B)123注：表中基準(zhǔn)面選在_______________zc=▽C=_______________cmzD=▽D=_________________cm表1.2油容重測量記錄計算表單位：cm條件次序水箱液面標(biāo)尺讀數(shù)▽0測壓管2液面標(biāo)尺讀數(shù)▽Hh1=▽H-▽0h1h2=▽0-▽Hh2p0>0且U型管中水面與油水交界面齊平1S0==23p0<0且U型管中水面與油面齊平123實驗二不可壓縮流體恒定流能量方程(伯努利方程)實驗一、實驗?zāi)康囊?.驗證流體恒定總流的能量方程；2.通過對動水力學(xué)諸多水力現(xiàn)象的實驗分析研討，進(jìn)一步掌握有壓管流中動水力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換特性；3.掌握流速、流量、壓強(qiáng)等動水力學(xué)水力要素的實驗量測技能。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖2.1所示。圖2.1自循環(huán)伯諾里方程實驗裝置圖圖2.1自循環(huán)伯諾里方程實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器；2.實驗臺；3.可控硅無級調(diào)速器；4.溢流板；5.穩(wěn)水孔板；6.恒壓水箱；7.測壓計；8.滑動測量尺；9.測壓管；10.實驗管道；11.測壓點；12.畢托管；13.實驗流量調(diào)節(jié)閥。說明本儀器測壓管有兩種：1.畢托管測壓管(表2.1中標(biāo)*的測壓管)，用以測讀畢托管探頭對準(zhǔn)點的總水頭，需注意一般情況下H′與斷面總水頭不同(因一般)，它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢；2.普通測壓管(表2.1未標(biāo)*者)，用以定量量測測壓管水頭。實驗流量用閥13調(diào)節(jié)，流量由體積時間法(量筒、秒表另備)、重量時間法(電子稱另備)或電測法測量(以下實驗類同)。三、實驗原理在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過水?dāng)嗝妗？梢粤谐鲞M(jìn)口斷面(1)至另一斷面(i)的能量方程式(i=2,3……，n)取1=2=…n=1，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υ及，從而即可得到各斷面測壓管水頭和總水頭。四、實驗方法與步驟1.熟悉實驗設(shè)備，分清哪些測管是普通測壓管，哪些是畢托管測壓管，以及兩者功能的區(qū)別。2.打開開關(guān)供水，使水箱充水，待水箱溢流，檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所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、漏氣或氣泡等)并加以排除，直至調(diào)平。3.打開閥13，觀察思考1)測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢；2)位置水頭、壓強(qiáng)水頭之間的相互關(guān)系；3)測點(2)、(3)測管水頭同否?為什么?4)測點(12)、(13)測管水頭是否不同?為什么?5)當(dāng)流量增加或減少時測管水頭如何變化?4.調(diào)節(jié)閥13開度，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(畢托管供演示用，不必測記讀數(shù))。5.改變流量2次，重復(fù)上述測量。其中一次閥門開度大到使19號測管液面接近標(biāo)尺零點。五、實驗成果及要求1.記錄有關(guān)常數(shù)實驗裝置臺號No_____________均勻段D1=cm縮管段D2=cm擴(kuò)管段D3=cm水箱液面高程▽0=cm上管道軸線高程▽Z=cm表2.1管徑記錄表測點編號1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管徑cm兩點間距cm4466413.5610291616注：(1)測點6、7所在管內(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2.2)。(3)測點2、3為直管均勻流段同一斷面上的兩個測壓點，10、11為彎管非均勻流段同一斷面上的兩個測點。2.量測并記入表2.2。表2.2測記（）數(shù)值表（基準(zhǔn)面選在標(biāo)尺的零點上）單位：cm測點編號234579101113151719體積V（cm3）時間T（s）Q（cm3/s）實驗次數(shù)大流量1中流量2小流量33.計算流速水頭和總水頭。表2.34.繪制上述成果中最大流量下的總水頭線E-E和測壓管水頭線P-P(軸向尺寸參見圖2.2，總水頭線和測壓管水頭線可以繪在圖2.2上)。提示：1.P-P線依表2.2數(shù)據(jù)繪制，其中測點10、11、13數(shù)據(jù)不用；2.E-E線依表2.3(2)數(shù)據(jù)繪制，其中測點10、11數(shù)據(jù)不用；3.在等直徑管段E-E與P-P線平行。圖圖2.2表2.3計算數(shù)值表（1）流速水頭管徑D(cm)Q=(cm3/s)Q=(cm3/s)Q=(cm3/s)A(cm2)υ(cm/s)（cm）A(cm2)υ(cm/s)（cm）A(cm2)υ(cm/s)（cm）(2)總水頭（）單位：cm測點編號Q（cm3/s）實驗次數(shù)123PAGE21實驗三不可壓縮流體恒定流動量定律實驗一、實驗?zāi)康囊?.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、動量矩等因素間相關(guān)性的分析研究，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、實驗裝置本實驗的裝置如圖3.1所示。圖3.1動量定律實驗裝置圖1.自循環(huán)供水管；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。抗沖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頷c可由測壓管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)上回水管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擦阻力對活塞的影響，本實驗裝置應(yīng)用了自動控制的反饋原理和動摩擦減阻技術(shù)，其結(jié)構(gòu)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3.2所示，該圖是活塞退出活塞套時的分部件示意圖?；钊行脑O(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。圖圖3.2圖3.3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，水充外溢減少，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、窄槽部分開啟的位置上，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0.5～1mm)，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、實驗原理恒定總流動量方程為Q取脫離體如圖3.3所示，因滑動摩擦阻力水平分力fx<0.5%Fx，可忽略不計，故方向的動量方程化為Q即Q式中：hc——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；β1——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hc，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)β1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2～3分鐘后，關(guān)閉2～3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hc值。5.測量流量用體積法或重量法測流量時，每次時間要求大于20秒，若用電測儀測流量時，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)調(diào)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≠0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hc′和管嘴作用水H0。五、實驗成果及要求1.記錄有關(guān)常數(shù)。實驗裝置臺號No_____________管嘴內(nèi)徑d=cm，活塞直徑D=cm。實驗參數(shù)記錄及計算表測次體積V（cm3）時間T（s）管嘴作用水頭Ho(cm)活塞作用水頭hc(cm)流量Q（cm3/s）流速（cm/s）動量力F動量修正系數(shù)β11234567892.取某一流量，繪出脫離體圖，闡明分析計算的過程。六、實驗分析與討論1.實測(平均動量修正系數(shù))與公認(rèn)值(β=1.02～1.05)符合與否?如不符合，試分析原因。2.帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿方向的動量方程有無影響?為什么?3.若通過細(xì)導(dǎo)水管的分流，其出流角度與相同，試問對以上受力分析的有無影響?4.滑動摩擦力fx為什么可以忽略不計?試用實驗來分析驗證fx的大小，記錄觀察結(jié)果。(提示：平衡時，向測壓管內(nèi)加入或取出1mm左右深的水，觀察活塞及液位的變化)。5.若不為零，會對實驗結(jié)果帶來什么影響?試結(jié)合實驗步驟7的結(jié)果予以說明。

實驗四畢托管測速實驗一、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4.1所示。圖4.1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.恒定水箱；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用以測量高、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。三、實驗原理（4.1）式中——畢托管測點處的點流速；c——畢托管的校正系數(shù)；△h——畢托管全壓水頭與靜壓水頭之差。(4.2)(4.3)式中——測點處流速，由畢托管測定；——測點流速系數(shù)；△H——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、實驗成果及要求實驗裝置臺號No___________表4.1記錄計算表校正系數(shù)c=,k=cm0.5/s實驗測次上、下游水位差(cm)畢托管水頭差(cm)測點流速（cm/s）測點流速系數(shù)h1h2△Hh3h4△h

實驗五雷諾實驗一、實驗?zāi)康囊?.觀察層流、紊流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換特征；2.測定臨界雷諾數(shù)，掌握圓管流態(tài)判別準(zhǔn)則；3.學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無量綱參數(shù)進(jìn)行實驗研究的方法，并了解其實用意義。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖5.1所示。圖5.1自循環(huán)雷諾實驗裝置圖圖5.1自循環(huán)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。供水流量由無級調(diào)速器控制恒壓水箱4始