工程流體力學(xué)(土木09)

工程流體力學(xué)及流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)王云中楊成建編西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程實(shí)驗(yàn)中心二00七年四月實(shí)驗(yàn)課規(guī)則每次實(shí)驗(yàn)必須按時(shí)到達(dá)。實(shí)驗(yàn)前先預(yù)習(xí)有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸怼⒃O(shè)備圖、操作步驟和方法，須了解清楚。來(lái)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)攜帶計(jì)算工具、記錄紙張、指導(dǎo)書(shū)等。實(shí)驗(yàn)前由指導(dǎo)教師抽問(wèn)，對(duì)有關(guān)問(wèn)題如答復(fù)不正確，不準(zhǔn)參加操作，直至了解清楚為止。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)聽(tīng)從指導(dǎo)人員指導(dǎo)，同學(xué)輪流擔(dān)任各項(xiàng)工作，務(wù)須每人均能認(rèn)真動(dòng)手操作，了解實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)內(nèi)容。對(duì)貴重、精密儀表應(yīng)在教師直接指導(dǎo)下進(jìn)行操作。愛(ài)護(hù)公共財(cái)物，若儀器和設(shè)備有破損時(shí)應(yīng)立即報(bào)告指導(dǎo)教師，聽(tīng)候處理（按實(shí)驗(yàn)室管理制度辦理）。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)不許大聲喧嘩，并禁止吸煙，以保持良好的實(shí)驗(yàn)課秩序和環(huán)境衛(wèi)生。實(shí)驗(yàn)完后，整理好設(shè)備，如數(shù)完好地歸還所用的儀表和工具。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，應(yīng)交指導(dǎo)教師查閱，經(jīng)教師認(rèn)為可以后方為有效，如結(jié)果誤差太大，應(yīng)查明原因重做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容一般應(yīng)當(dāng)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)圖、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、對(duì)實(shí)驗(yàn)討論題的分析等。關(guān)于實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備圖，實(shí)驗(yàn)步驟等，因?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書(shū)已有，為節(jié)省時(shí)間，可不在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中重復(fù)。作實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，除原始記錄數(shù)據(jù)外，其余皆應(yīng)各人自行計(jì)算分析和作出結(jié)果，不得互相抄襲，并按時(shí)送交報(bào)告。不得無(wú)故缺席，否則不能參加本課程的考試或考查。如因故缺席者，須實(shí)驗(yàn)前或后，持證明報(bào)告教師，請(qǐng)示補(bǔ)作辦法，否則以無(wú)故缺席論。本規(guī)則在實(shí)施中若與校、院規(guī)定不符，則按校、院規(guī)定辦理。實(shí)驗(yàn)課的目的是使同學(xué)們鞏固和驗(yàn)證所學(xué)的知識(shí)，受到實(shí)驗(yàn)方法和基本試驗(yàn)技能的訓(xùn)練，養(yǎng)成嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)，并培養(yǎng)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)是用于“工程流體力學(xué)”和“流體機(jī)械”等課程。在工程流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，主要是其分支之一一一水力學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)；另有專門(mén)水力學(xué)、氣體力學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)。流體機(jī)械的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則包括泵與通風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)不同專業(yè)的要求而對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有所選擇。工程流體力學(xué)和流體機(jī)械都是應(yīng)用科學(xué)，它們的發(fā)展同樣體現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合的辯證關(guān)系。而實(shí)驗(yàn)則是在特定條件下的實(shí)踐。由于流體的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，常常是用實(shí)驗(yàn)的方法把自然現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重復(fù)進(jìn)行，觀察其中物理本質(zhì)，用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和發(fā)展理論，指導(dǎo)實(shí)踐，解決實(shí)際問(wèn)題。而實(shí)踐上升到理論又為實(shí)驗(yàn)提供了發(fā)展趨向。故實(shí)驗(yàn)在發(fā)展理論和解決實(shí)際問(wèn)題中是很重要的一種手段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確決定于測(cè)量?jī)x器設(shè)備的精確性、高度的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)。有關(guān)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的工作原理等將在各實(shí)驗(yàn)中分別介紹，這里僅就一些常見(jiàn)的共同性的的問(wèn)題作一說(shuō)明：我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中的工作液體一一水是不可壓縮的，即v=9807牛頓/米3=常數(shù)。水的粘性系數(shù)隨溫度而變。通常我們使用的是運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)v=^（"為水的動(dòng)力粘性系數(shù)，P為水的密度）。運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)v與溫度的關(guān)系見(jiàn)實(shí)驗(yàn)3中所述。流體的壓力是采用測(cè)壓管來(lái)測(cè)量，讀數(shù)據(jù)應(yīng)正視測(cè)壓管的液柱面（如水的自由表面）這樣才能讀數(shù)準(zhǔn)確。因數(shù)據(jù)在大多數(shù)情況下僅讀取其壓差值，此時(shí)可不考慮測(cè)壓管的毛細(xì)現(xiàn)象對(duì)讀取數(shù)據(jù)的影響。液體流量的測(cè)定。通常在實(shí)驗(yàn)中采用下列方法：1） 體積法：用量水桶和秒表來(lái)測(cè)定；2） 重量法：用盛水桶磅秤和秒表來(lái)測(cè)定，也可用電子秤；3） 差壓法：用文德里管、畢托管、管中孔板或管嘴等來(lái)測(cè)定；4）堰流體：利用各種形式的水堰來(lái)測(cè)定，本室多用三角形量水堰，如下圖所示。三角堰堰頂水位氣及水位H用水位標(biāo)尺讀出。當(dāng)已知三角堰水頭△H=H-H0，可根據(jù)以下方法決定流量:①根據(jù)Q=f（△H）關(guān)系曲線圖查得（見(jiàn)上圖）②根據(jù)公式Q=1.40(AH)2.5或Q=1.343(AH)2.47應(yīng)當(dāng)指出，差壓法、堰流法是間接測(cè)量法，事先常用體積法或重量法來(lái)校正（此工作由本室作）。另外，當(dāng)需記錄單向水流管道內(nèi)流量的總和（非瞬時(shí)流量），可采用葉輪濕式水表超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等；對(duì)測(cè)定非渾濁液體、氣體流量，可采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)；對(duì)測(cè)量各種酸、堿溶液及含有纖維或固體懸浮導(dǎo)電液體的流量，可采用電磁流量計(jì)。還可采用現(xiàn)代技術(shù)，如用恒溫測(cè)速儀（縮寫(xiě)為。八，即熱線流速儀）、激光多普勒測(cè)速儀，測(cè)定過(guò)流斷面流速分布，進(jìn)而得出流量。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：1） 因我們是作穩(wěn)定流情況下（運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化）的各種實(shí)驗(yàn)，故實(shí)驗(yàn)時(shí)需要有穩(wěn)定的作用水頭。這樣流經(jīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)的水流是穩(wěn)定流。2） 在改變流量后，需經(jīng)一段時(shí)間讓水流穩(wěn)定后再讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如讀取量水堰的堰前水頭等），由此讀取之?dāng)?shù)據(jù)才是改變流量后的真正數(shù)據(jù)。3） 管路及測(cè)壓管中的空氣應(yīng)排盡，接頭處不應(yīng)漏氣，測(cè)壓管應(yīng)通暢。4） 對(duì)電器設(shè)備，應(yīng)熟識(shí)后才可動(dòng)手操作，注意安全用電。5） 實(shí)驗(yàn)完成后關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)一靜水壓力實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定靜水中任一點(diǎn)的壓力和真空值;測(cè)定有色液體的重率。二、 應(yīng)用的儀器設(shè)備靜水壓力實(shí)驗(yàn)器。三、 儀器設(shè)備簡(jiǎn)圖四、實(shí)驗(yàn)原理容器內(nèi)靜水中任一點(diǎn)K處的靜水壓力P；kPk=P0+心=*（?-h2）+心=Y（h5-h4）+心 （1）式中，P———K點(diǎn)處?kù)o水壓力（牛頓/米2）；P0 容器E流體表面壓力（牛頓/米2）；Y——容器E中液體的重率（牛頓/米3）；Y—U形管內(nèi)有色液體的重率（牛頓/米3）；h1、h3、h5——上端開(kāi)口通氣的測(cè)壓管讀數(shù)（米）；h2、h4、h6—上端通向容器空氣室的測(cè)壓管讀數(shù)（米）。Ah=h—hEKhE——容器E液面讀數(shù)（米）；hK K點(diǎn)標(biāo)高（米）。

容器內(nèi)靜水中任一點(diǎn)K處的真空值2居茅(2)(2)p真空=|pJ_yAh=y1（h2-h1）-yAh=y（h4-h5）-yAh有色液體的重率外：7y(h-h)y= 5 4ih-h1 2五、實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)靜水壓力（或剩余壓力），這時(shí)容器E液體表面壓力P°＞大氣壓力P；1） 打開(kāi)容器上端的排氣閥觀看各測(cè)壓連通管內(nèi)液面是否齊平，是否在同一個(gè)水平面上，如不齊平檢查各管內(nèi)是否阻塞，并加以疏通。2） 關(guān)緊容器上端的排氣閥，抬高活動(dòng)水箱至一定的高度，待水面穩(wěn)定后讀出各處測(cè)壓管內(nèi)液面的水位。3） 抬高活動(dòng)水箱至三個(gè)不同的高度，測(cè)量三組數(shù)據(jù)。測(cè)真空值（或負(fù)壓），這時(shí)容器E液體表面壓力尸°＜大氣壓力P；1） 打開(kāi)容器上端的排氣閥使壓力恢復(fù)正常，使活動(dòng)水箱處在最高位置。此時(shí)各測(cè)壓連通管液面應(yīng)齊平。關(guān)閉排氣閥，并下降活動(dòng)水箱至一定距離，待液面穩(wěn)定后，讀記各測(cè)壓管內(nèi)液面的水位。2） 在活動(dòng)水箱被抬高狀態(tài)下，降至三個(gè)不同的高度，測(cè)量三組數(shù)據(jù)。六、記錄及計(jì)算表格測(cè)量數(shù)值固定數(shù)值：K點(diǎn)高程h= （米）項(xiàng)目實(shí)測(cè)次數(shù)測(cè)壓管及容器液面水位讀數(shù)h（（米）h2（米）h4(米)h5(米)hE（液面）（米）P0>Pa123P0<Pa1232.計(jì)算數(shù)值七、討論問(wèn)題在6個(gè)玻璃管中的液面，哪些是壓力相等面？p在連續(xù)的同一重力液體中任取兩點(diǎn)，其Z+當(dāng)=常數(shù)，試用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明這個(gè)規(guī)律。Y實(shí)測(cè)X點(diǎn)的壓力及真空值時(shí)，為什么事前都將排氣閥處于打開(kāi)狀態(tài)，然后再關(guān)閉？實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成日期 年月日實(shí)驗(yàn)設(shè)備號(hào)數(shù)指導(dǎo)教師（簽字）

實(shí)驗(yàn)二管路沿程阻力實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑诠鼙谙鄬?duì)粗糙度K一定時(shí)，確定管路沿程阻力系數(shù)人值與雷諾數(shù)R的關(guān)系，并對(duì)d e已有公式進(jìn)行驗(yàn)證。二、 應(yīng)用的儀器設(shè)備三根不同管徑的管路（安裝在一套固定設(shè)備上），每根管路設(shè)備如下圖所示；測(cè)量水箱、秒表、直尺、溫度計(jì)。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖四、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)際液體流經(jīng)管路，由于有阻力必然產(chǎn)生水頭損失，因沿程阻力產(chǎn)生的水頭損失，稱沿程水頭損失七，其表達(dá)式為:,aLu2

h=A-d?2~若寫(xiě)斷面1-1及2-2的伯諾里方程，可得：=h性=1.竺

fLu2 y Lu2

式中，人——沿程阻力系數(shù)（無(wú)因次數(shù)）;d——水管內(nèi)徑（米）；L——兩測(cè)壓斷面間距離（米）；u——平均流速，u=4^（米/秒）;兀d2烏——1-1斷面的測(cè)壓管水頭（米）；YP-2——2-2斷面的測(cè)壓管水頭（米）。Y如果管徑d、兩測(cè)壓斷面間距離L以及作用水頭固定不變，則沿程阻力系數(shù)人值與流速u(mài)有關(guān)，亦即與液體的流動(dòng)形態(tài)有關(guān)，因而可以建立阻力系數(shù)人值與雷諾數(shù)Re的關(guān)系。在不同流速下雷諾數(shù)R的值為:e式中符號(hào)同實(shí)驗(yàn)3。待求出不同的Re值和相應(yīng)的沿程阻力系數(shù)人值后，即可繪出人=f（R）的關(guān)系曲線，并酌情與下述公式比較之：…，一0.3164布拉修斯公式X=R025（適用于紊流光滑區(qū)，當(dāng)2300<Re<100000）0g尼古拉茲公式人=|一1一I（適用于紊流粗糙區(qū)）。WdJI/ k]Q6)1/3（這也是柯列勃洛克公式的近似公式，莫迪公式人=0.005511+20000—+——（這也是柯列勃洛克公式的近似公式，[I d RJ適用于紊流過(guò)渡區(qū))。謝才公式X=器（適用于紊流粗糙區(qū)，Re>100000o謝才系數(shù)c可用曼寧公式計(jì)算1.…一…… c=R1/6建議取0.011，水力半徑R的單位以米計(jì)）。n對(duì)于給排水工程舊鋼管和舊鑄鐵管的水力計(jì)算，還常采用舍維列夫公式：0.867M3紊流過(guò)渡區(qū)（u<1.2米/0.867M3.0.0719人= d0.3紊流粗糙區(qū)（u31.2米/秒）:.0.021人= d0.3式中d為管道內(nèi)徑，單位以米計(jì)。五、實(shí)驗(yàn)步驟開(kāi)啟水泵，打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)A及出水閥門(mén)B，以排除管路及測(cè)壓管中的空氣。全開(kāi)閥門(mén)A、B,使水流達(dá)最大流量。待水流穩(wěn)定后讀取測(cè)壓管水頭值，并測(cè)量流量（流量測(cè)法與實(shí)驗(yàn)二相同）。調(diào)節(jié)出水閥門(mén)B,使流量逐漸減小，順序改變5次，每次改變后重復(fù)步驟3。測(cè)定水溫、斷面距離L及內(nèi)管徑d。六、 計(jì)算步驟計(jì)算平均流速。:根據(jù)測(cè)得的測(cè)量水箱水位H及時(shí)間AT計(jì)算流量Q。由此得平均流速u(mài)=業(yè)2（米/秒）兀d2計(jì)算阻力損失h.J計(jì)算阻力系數(shù)人值計(jì)算雷諾數(shù)ReR次

ev式中運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)v見(jiàn)實(shí)驗(yàn)三。用上述布拉修斯、莫迪等公式驗(yàn)證。七、 記錄計(jì)算表格管路兩斷面間距離L（米）管路內(nèi)徑d（米）管路斷面面積A（米2）水溫t(°C)水的粘性系數(shù)v（米2/秒）量水水箱水位讀數(shù)H（米）測(cè)量時(shí)間△T（秒）120X10-3214X10-3310X10-3巳定數(shù)值

實(shí)驗(yàn)次數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì) 算 項(xiàng) 目P（米）（米）（米）AT（秒）流量（米3秒）流速-?（米/秒