流體力學實驗

流體力學實驗莫乃榕編華中科技大學力學系2005.8.目錄流體力學根底實驗………………()§1-1流體靜力學實驗……………()§1-2明渠水流速度分布測量……………………()§1-3動量方程實驗………………()§1-4沿程水頭損失實驗…………()§1-5局部水頭損失實驗…………()§1-6文丘里流量計、孔板流量計的標定實驗…………………()§1-7孔口、管嘴實驗……………()§1-8雷諾實驗……………………()§1-9堰流實驗……………………()§1-10閘下自由出流實驗…………()§1-11水躍實驗……………………()第二章流體力學自綜合試實驗…………()§2-1壓力傳感器的標定實驗……………………()§2-2圓柱外表壓強分布的測量…………………()§2-3紊流射流速度分布測量……………………()§2-4熱線探頭的標定……………()§2-5圓柱體尾跡速度分布測量…………………()第一章流體力學根底實驗本章介紹流體力學的根底實驗。根底實驗是指用傳統(tǒng)的測試手段測量流體運動的壓強、速度、流量等根本參數(shù)。這些實驗都是教學大綱要求的必做實驗。§1-1流體靜力學實驗1.1.1實驗目的1．觀察測點的測壓管水頭(位置水頭與壓強水頭之和)，加深對靜壓強公式的理解。2．求未知液體的密度1.1.2實驗裝置圖1.1.1靜壓強實驗儀圖1.1.1是一種靜水壓強實驗儀。管1為開口測壓管，管2和管3，管4和管5，管6和管7各組成一個U形管。管1、2、3均與水箱接通，構成一個連通器。其中，管1與密封水箱中部某點接通。管2、3與水箱底部某點接通。管4和管6與水箱上方的氣體壓強接通。管4、5和管6、7分別盛有兩種液體，其密度為和。水箱上方有密封閥，水箱液面上的氣體與大氣不相通，其壓強為p0。調(diào)壓箱通過軟管與水箱接通。上、下移動調(diào)壓管就可以改變水箱中的水位，也改變水箱中密封氣體的壓強p0。如果調(diào)壓筒水面高于水箱的水面，水將從調(diào)壓筒流入水箱，此時，水箱中的密封氣體的體積將減小，壓強增大。密封氣體壓強高于當?shù)卮髿鈮海琾0>pa。反之，那么p0<pa。1.1.3實驗原理流體靜力學的根本方程是常數(shù)(1.1.1)管1、管3、調(diào)壓筒、水箱互相連通，液面與大氣相通。雖然管1，管3與水箱的接點上下不同，但他們的液面高程相同，這就是說明靜止液體內(nèi)任意一點的位置水頭與壓強水頭之和〔稱為測壓管水頭〕是相同的。管2的液體與水箱的液體相通，液面氣體的壓強同為p0。因此管2的液面與水箱的液面高程相同。盛有兩種未知密度液體的U形管，其液柱高差是由于壓差p0-pa引起的，故有(1.1.2)(1.1.3)水的密度是的，只要讀取各管液面的高程讀數(shù)，就可以求出未知密度和。1.1.4實驗步驟1．關閉密封閥，并檢查密封效果。其方法是，移動調(diào)壓筒至某一高程位置，這時各管的液面也隨之移動。如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越來越慢，并最終停止在某一高程位置，不再變化。如果密封效果不好，各管的液面總是不停升降，直至各管液面與調(diào)壓筒以及水箱的液面平齊。這就說明水箱漏氣。2．將調(diào)壓筒形移至某高度，并用螺絲固定。待各管的液面穩(wěn)定后，讀取各管的液面高度讀數(shù)，并填入數(shù)據(jù)表。本實驗測量4組數(shù)據(jù)，其中，p0>pa〔調(diào)壓筒液面高于水箱液面〕和p0<pa〔調(diào)壓筒液面低于水箱液面〕的情況分別測量2組數(shù)據(jù)。測量內(nèi)容：各測壓管的液柱高度。1.1.6思考題1．在什么情況下，管1，2，3的液面平齊？〔密封閥翻開〕圖1.1.2靜水壓強實驗數(shù)據(jù)表2．當管2，3的液面平齊時，管4，5以及管6，7的液面是否全分別平齊？為什么？〔是〕3．管1和管5都與大氣相通，其液面是否處在同一個等壓面上？〔否〕4．如果(z7-z6)>(z5-z4)，那么和哪個較大？1.1.5數(shù)據(jù)整理及誤差分析流體力學實驗的數(shù)據(jù)整理是件復雜的工作，為此，可編制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)供實驗課使用。圖1.1.2是編者研制的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的靜水壓強實驗數(shù)據(jù)表界面。實驗裝置中的未知液體的密度值分別為，。由數(shù)據(jù)表看出，測量誤差小于7%，引起誤差的主要原因是儀器的水柱高度讀數(shù)的精度不夠。水柱高度的刻度為mm，小數(shù)點后面的值是目估的，從而引起誤差。1.2明渠水流速度分布測量1.2.1實驗目的1．掌握畢托管工作原理和使用方法2．測量明渠斷面的流速分布，繪制流速分布圖。1.2.2實驗裝置及實驗原理圖1.2.1畢托管圖1.2.2測速裝置本實驗用畢托管測量明渠的水流速度分布。如圖1.2.1所示，畢托管由總壓管0和靜壓管1組成。設水流某點的速度為u。當水從上游流向管口0的時候，流體作減速運動，流至0處速度為零，此處壓強為p0〔稱為總壓〕。然后水流繞過畢托管繼續(xù)向下游運動，水流速度逐漸增加，當水流到達管口1的時候，速度值恢復至u，此處壓強為p〔稱為靜壓〕。利用沿流的伯努利方程，可得到畢托管的流速計算公式：(1.2.1)只要測出總壓與靜壓的差值p0-p，便可計算流速。本實驗利用傾斜式的比壓計測量壓差，參見圖1.2.2。設比壓計左、右液柱的液面高程分別為z3和z4，那么有(1.2.2)由于，z0=z1，因此(1.2.3)式中是比壓計左、右液柱長度之差，是比壓計的水平傾角。畢托管的流速公式為(1.2.4)式中稱為畢托管的流速系數(shù)。由于流體粘性、制造工藝等諸多因素的影響，的值小于1。工藝精細的畢托管，=0.98~0.99。測量時，可將畢托管上、下移動，以便測出斷面上各點的水流速度，如圖1.2.2所示。在渠底附近，速度變化較快，測點應布置得密一些。水面上的流速無法測量，可以認為水面流速與水面下的鄰點的流速相等。1.2.3實驗步驟1.畢托管的注水及排氣。畢托管的總壓與靜壓之差是利用比壓計的水柱高差計算的，因此，在使用前應該將水注入畢托管、傳壓膠管、比壓計測壓管。注水時，應翻開比壓計上方的密封夾，并將畢托管的管口沒入明渠的水中〔也可以沒入防水盒的水中〕，然后將水注入比壓計的測壓管。注水后，如果發(fā)現(xiàn)傳壓膠管或比壓計的測壓管殘存氣泡，應設法排除。2．調(diào)節(jié)明渠流量控制閥門，調(diào)節(jié)明渠尾水閘門，將明渠水深控制在15cm左右。3．用水位探針測量渠底高程和水面高程，并計算水深。4．逐點測量水流速度u。渠底附近速度變化快，測點間距應為2mm，遠離渠底的測點間距可取2~3cm。測量內(nèi)容：畢托管高程讀數(shù)，比壓計左、右液面讀數(shù)。1.2.4考前須知1．實驗前應先熟悉電源開關及起動水泵電機的操作方法，流量計的使用方法，并注意用電平安，實驗結束后立即關閉電源。2．注水、排氣工作比擬麻煩，自已應摸索最正確方法。3．畢托管的管口應正對來流。注意：不能將畢托管的管口露出水面。4．測量時，如果比壓計液面發(fā)生波動，液面讀數(shù)可取平均值。1.2.6思考題1．渠底附近的流速變化較大，這是為什么？2．明渠水流的速度大致符合什么樣的分布？3．你認為，影響畢托管速度系數(shù)的因素有哪些？4．測量時，通常調(diào)節(jié)比壓計的水平傾角小于直角，θ<90°，這樣做有什么好處？改變傾角θ的值，對速度u的計算值是否有影響？5．比壓計安放位置的上下，對測量結束是否有影響？6．如何判斷畢托管口是否正對來流方向？7．測量時，你是從水面開始逐點往下布置測點，還是從渠底開始往上布置測點，或者是隨意布置測點？為什么要這樣做？你認為測點總數(shù)應為多少才比擬適宜？8．根據(jù)各點流速的分布值用積分法可以計算斷面流量，并與流量計讀數(shù)比擬，請估算流量值的誤差是多少？1.2.5數(shù)據(jù)表圖1.2.3是流速測量數(shù)據(jù)表，圖1.2.4是流速分布圖。由圖看出，靠近壁面的1cm范圍內(nèi)，流速變化比擬大，這與邊界層的對數(shù)分布比擬接近。但近壁附近的實驗點不夠密，因而不能得到對數(shù)分布。如要測量近壁的速度分布，應多布置一些測點。圖1.2..3明渠流速測量數(shù)據(jù)表圖1.2.4明渠流速分布曲線1.3動量方程實驗1.3.1實驗目的用杠桿法測量水流對檔板的沖擊力，并用動量方程計算水流對檔板的作用，兩者進行比擬，加深對動量方程的理解。1.3.2實驗裝置及實驗原理圖1.3.1動量方程實驗儀圖1.3.1是本實驗使用的實驗裝置示圖。水箱為實驗提供穩(wěn)壓水源，水箱的溢流板上開設假設干泄流孔。開、閉這些泄流孔可以控制水位的上下。水流從設在水箱下部的管嘴射擊，沖擊一個軸對稱曲面檔板，檔板將射流沖擊力傳遞給杠桿。移動砝碼到某一位置，可使杠桿保持平衡。本實驗用杠桿平衡原理測量射流的沖擊力。另外，再用流體力學的動量方程計算射流對檔板的作用力，并比擬這兩個沖周力的大小，以便進行誤差分析。設砝碼的重量為G，作用力臂為L1，射流的作用力為F，作用力臂為L。當杠桿平衡時，有〔1.3.1〕圖1.3.2動量方程用圖射流的沖擊力也可以由動量方程算出，圖1.3.2是計算用圖，設射流的偏轉(zhuǎn)角度為〔即入射速度矢量轉(zhuǎn)到出流速度矢量所旋轉(zhuǎn)的角度〕，射流的流量為Q，入射速度為V，那么有〔1.3.2〕本實驗的射流偏角有90°，135°，180°等3種。1.3.3實驗步驟1．實驗前，調(diào)節(jié)平衡錘的位置，使杠桿處于水平狀態(tài)。2．開啟水泵，向水箱充水。調(diào)節(jié)溢流檔板泄孔的開啟程度，使水箱的水位保持在某一高度位置。3．翻開出流孔口，使水流沖擊擋板。4．移動砝碼至適宜位置，使杠桿保持水平，記錄數(shù)據(jù)。5．改變水位，重復以上測量。另外，也可以更換另一種偏轉(zhuǎn)角的擋板，并進行相應的測量。6．實驗結束后，關閉水泵，取下砝碼，排空水箱。測量內(nèi)容：流量、砝碼力臂。1.3.4數(shù)據(jù)處理及誤差分析圖1.3.3是數(shù)據(jù)表的界面。沖擊力的實測值與計算值存在一定誤差。引起誤差的原因有兩個，一是杠桿支座存在摩擦力，另一個原因是動量方程沒有考慮重力對水流的影響，認為射流的反射速度為軸對程分布。其實，在重力作用下，當板下部的反射水流速度大于上部的反射水流速度。1.1.5思考題請自己推導方程〔1.3.2〕實驗中如何確定砝碼的作用力臂？本實驗的流量是用什么方法調(diào)節(jié)的？圖1.3.3動量方程實驗數(shù)據(jù)表1.4沿程水頭損失實驗1.4.1實驗目的測量管流的沿程水頭損失系數(shù)，繪制沿程損失系數(shù)與雷諾數(shù)的變化曲線，并與尼古拉茲曲相比擬。1.3.2實驗裝置圖1.4.1沿程損失實驗儀圖1.4.1是本實驗儀置，它由供水器、實驗管段、測壓計組成。流量的測量采用手工體積法，即將水接入量筒，用秒表記下接水時間，體積除以時間就得到流量?，F(xiàn)對各種裝置介紹如下：1．全自動高壓恒定供水器由離心泵，自動壓力開關，氣一水壓力罐式穩(wěn)壓器，旁通閥組成。離心式水泵將水輸入穩(wěn)壓罐，然后再輸入實驗管段。穩(wěn)壓罐的作用是控制水泵的出水壓強，使之保持恒定。當水泵的壓強超高時，穩(wěn)壓罐的自動控制裝置將切斷電源，使水泵關機。當壓強過低時，那么能自動開啟水泵。水泵的流量可利用實驗段尾部的閥門進行調(diào)節(jié)。此外，由于采用全自動裝置控制水泵的出水壓強，因此，當流量較小時，水泵可能時停時開，從而造成供水壓力的較大波動。為了防止這種情況的出現(xiàn)，在水泵的供水管道上設有一個與回水管接通的管道，稱為旁通管。通過分流，使水泵和出水流量不至于過小，防止水泵時停時開。調(diào)節(jié)旁通管上的旁通閥，就可以改變水泵的分流量。旁通閥的開啟也會影響實驗管段水流量的變化。旁通閥開度大，那么水泵的分流量大，實驗管段的流量減小，旁通閥開度小，水泵的分流量小，實驗管段的流量就會增大?？梢?，旁通閥也是調(diào)節(jié)實驗管段水流量的重要裝置。實驗時，要合理調(diào)節(jié)旁通閥和實驗段的尾閥，才能得到適宜的實驗水流量。2．實驗管段為金屬管道，管段的首、尾開設有測壓管，用以測量管流的壓差。3．測壓計有兩種：液柱式壓差計和電子測壓儀。液柱式壓差計由兩支玻璃測壓管組成，其上部相接通，因而這種壓差計實際上是Π形管壓差計。測壓管的高度只有400mm，只能測出低于400mm水柱的壓差，如果管段的壓差超過400mm〔最大壓差超過8m水柱〕，那么必須關閉液柱式壓差計，開啟電子測壓儀。電子測壓儀由壓力傳感器，壓強顯示表，壓力調(diào)壓筒組成。水壓先傳入調(diào)壓筒，再接入壓力傳感器。調(diào)壓筒由兩個密封容器組成，局部充水，水面上空是密封空氣，調(diào)壓筒的主要作用是排除導壓膠管內(nèi)的氣體。當導壓管出現(xiàn)氣泡時，在壓差的作用下氣泡會向調(diào)壓筒運動，并在筒內(nèi)逸出，進入水面上的密封空間。1.4.3實驗原理對于實驗管段的兩個斷面應用伯努利方程，那么有〔1.4.1〕hf由測壓計測量。當使用液柱式壓差計時，hf的值就是兩支測壓管水柱的高差。當使用電子測壓表時，壓差由顯示表直接顯示，其單位是mm水柱，這就是hf的值。管長l，管徑d的值標示在儀器的標牌上，重力的速度取值為g=9.807m/s2。速度V等于流量除以管道截面積，流量那么用手工體積法測量。1.4.4實驗步驟1．接通電源，全開旁通閥，翻開水泵的出水閥，水泵自動啟動。2．對管道、測量儀器進行排氣，具體做法如下。實驗管道：關閉旁通閥，全開水泵的供水閥。慢慢翻開實驗管理工作段尾閥，此時水在實驗管段中流動，水流速度足夠大時，管內(nèi)的氣泡將被水流帶走。液柱式壓差計：關閉實驗段尾閥，翻開旁通閥，松開連接測壓孔與測壓管的膠管上的止水夾，徐徐翻開水泵的供水閥。讓水進入測壓管，待測壓管水柱到達一定高度后，就關閉水泵供水閥，停止向測壓管供水。這時，測壓管內(nèi)的氣泡會慢慢向上運動，直至逸出，如果仍有氣泡滯留在管內(nèi)，那么用吸氣球排氣。調(diào)壓筒：在無壓的情況下〔實驗段的水停止流動〕。調(diào)壓筒的水位不低于2/3筒高。如果水位達不到這個高度，那么先對調(diào)壓筒充水，其方法是：關閉實驗段尾閥，翻開水泵供水閥，這時水會流入調(diào)壓筒，倒置調(diào)壓筒，待水充滿4/5筒高時，將調(diào)壓筒復位放正。然后重復幾次，啟、閉實驗段尾閥，直至連通膠管內(nèi)的氣泡排凈為止。壓力傳感器：關閉實驗段尾閥，開啟水泵出水閥，擰松排氣旋鈕，待旋孔溢水后再擰緊旋鈕。排氣是一件較為復雜的工作，需反復操作才能完成，排氣工作完成后，連通膠管內(nèi)不再殘留氣泡，液柱式壓差計的兩支測壓管水柱在無壓情況下應高度一致。3．準備工作完成后，可進行實驗量測工作。本實驗旨在測出管流的尼古拉茲曲線。為了作出此曲線，實驗點不應少于10個，其中，層流段應有3-4個測點。一般來說，在層流情況下，管段的沿程水頭損失hf小于2cm，因而，在hf<2cm的情況下應布置3~4個測點。調(diào)節(jié)流量時，待水流穩(wěn)定2~3分鐘才能讀數(shù)，流量愈小，穩(wěn)定時間愈長。4．記錄原始數(shù)據(jù)，即將測量流量所需的充水體積和充水時間、水溫〔水循環(huán)使用，水泵電機的熱會傳入水流中，導至水溫增高〕，測壓管讀數(shù)填入數(shù)據(jù)表中，當使用電子測壓表測量壓差時，數(shù)據(jù)表中的右測壓管讀數(shù)可填寫0。實驗數(shù)據(jù)表由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)給出。利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以及時計算實驗結果，如果實驗結果不理想，可對某些測點進行重新測量。測量內(nèi)容：量筒的充水體積、時間，測壓管液柱高度，水溫。1.4.5數(shù)據(jù)表及實驗結果分析圖1.4.2沿程損失數(shù)據(jù)表圖1.4.2是數(shù)據(jù)表界面，沿程損失系數(shù)的實測值標在圖1.4.3所示的λ~Re曲線中。由該曲線看出，層流的臨界雷諾數(shù)為2267。層流上出現(xiàn)5個測點，近似地分布在一條直線上，但有一定的偏差，引起偏差的主要原因是hf的值比擬小，用目測法判讀容易引起誤差。此外，流量較小時，通常需要4~5分鐘的穩(wěn)定時間，如果穩(wěn)定時間達不到這樣長，讀數(shù)就不能反映恒定流的情況。本實驗的雷諾數(shù)最大到達6.4×104，最大壓差達886cm水柱，而流態(tài)只到達水力光滑區(qū)，一般來說，很難得到水力粗糙區(qū)的實驗值。1.4.5思考題1．為什么說液柱式壓差計的水柱高差就是沿程水頭損失hf？如果實驗管傾斜放置，此結論能否成立？2．試分析你的實驗結果，有哪些實驗點分布落在λ~Re曲線的層流區(qū)，過渡區(qū)，水力光滑區(qū)？3．一般工程中的管流，多為水力光滑，水力發(fā)電的水輪機引水管道，其管流多為水力粗糙，這是為什么？4．一般的實驗儀器，其管流很難到達水力粗糙，為了使流態(tài)能到達水力粗糙，你對實驗儀器的改良有什么建議？5．改變流量后，為什么要等水流穩(wěn)定后才能讀數(shù)？層流時，水流穩(wěn)定多長時間？圖1.4.3λ~Re的實驗曲線1.5局部水頭損失實驗1.5.1實驗目的測量管流中的5種局部水頭損失，并確定局部損失系數(shù)。1.5.2實驗裝置圖1.5.1所示的局部水頭損失實驗儀，由水泵、穩(wěn)壓水箱、實驗管段，局部損失〔截面實擴，截面突縮，90°彎管，180°彎管，90°折管〕管件、21支測壓管、回水箱組成。此外，本實驗用手工體積法和電子流量計兩種方法測量管流的流量。21支測壓管中，有些是用于測量局部水頭損失，有些那么用于演示管流中水流靜壓的變化情況。這里著重介紹電子流量計。這種流量計由量水筒，水位傳感器，單板機，顯示表組成。圖1.5.2a表示電子流量計的工作原理。量筒左側(cè)有玻璃水位指示管，右側(cè)有虹吸管。水位傳感器A、B用于記錄水位信息。當水面上升到B時，單板機開始計時，當水面上升到A時，單班機結束計時，兩個時間之差為充水時間，A、B之間的兩筒體積〔887cm3〕為充水體積。體積與時間之比為流量。當水面繼續(xù)上升，淹沒虹吸管之后，水流在虹吸作用下自動出流，直至放空，同時還發(fā)出一種排空聲響。這樣，每隔一段時間，量筒中的水就會自動排空，無需人為操作。測量流量時，將出水通過漏斗引入量筒。水面到達A、B的時間由單板機自動紀錄并顯示在流量計的面板上。流量儀表的板面上設有電源開關，控制電源的接通與斷開。參見圖1.5.3。板面上有“時間”、“體積”、“流量”、“測量”等四個命令按鈕。當按下“測量”按鈕時，儀器開始測量。如果按下“時間”、“體積”、“流量”，那么儀表上顯示時間、體積、流量的數(shù)值。板面上還有三個指示燈，顯示儀器的工作狀態(tài)。測量的指示燈點亮，表示正在測量。圖1.5.1局部損失實驗儀圖1.5.2電子流量計的量筒圖1.5.3電子流量計的面板測量之前，先按下板面上的“測量”按鈕，這時候儀表就開始工作，量筒充水時，儀表連續(xù)顯示充水時間〔秒〕。充水結束后，儀表立刻顯示出流量值〔單位：ml/s〕。如果要顯示充水時間和充水體積，可以分別按下“時間”、“體積”按鈕。電子流量計有時會發(fā)生故障。最常見的故障是虹吸管能夠排水，但沒有虹吸的抽水作用，參見圖1.5.2b。這種情況下，量筒以及水位器水位穩(wěn)定在某些方面某一高度，充水不能自動排空。排除故障的方法，是加大出水量，使虹吸管滿頂，充水就能排空。1.5.3實驗原理對局部損失管件的上、下游某斷面應用伯努利方程，就可以求得局部水頭損失，現(xiàn)分別予以說明。突擴管：使用測壓管3，8測量突擴管上、下游的壓差，相應的伯努利方程為(1.5.1)速度等于流量除以管道截面積，水柱高度可直接讀取，這樣，由上式很容易求出局部損失系數(shù)。由流體力學，的理論值為：〔1.5.2〕將理論值和實測值相比擬，就可以確定測量誤差。突縮管：使用測壓管11,12測量突縮管上、下游的壓差，相應的伯努利方程是〔1.5.3〕管流速度，可由流量算出，液柱高度可直接讀出，因而突縮管的局部損失系數(shù)不難算出。在流體力學中，實縮管的局部損失系數(shù)的經(jīng)驗公式為〔1.5.4〕比擬實測值和經(jīng)驗值，就可以計算測量誤差。90°彎管：計算90°彎管的局部水頭損失所用的伯努利方程為(1.5.5)由此得到90°彎管的局部損失系數(shù)〔1.5.6〕查閱有關手冊，90°彎管的局部損失系數(shù)的經(jīng)驗值為。180°彎管：與90°彎管的情況相似，180°彎管的局部損失系數(shù)可由下式計算：〔1.5.7〕很少有文獻提供180°彎管的經(jīng)驗公式。編者對本實驗裝置進行數(shù)次量測，得到局部損失系數(shù)的平均值為。90°折管：列出截面18、19的伯努利方程：〔1.5.8〕可見〔1.5.9〕有關手冊給出的90°折管的經(jīng)驗值為。1.5.4實驗步驟1．啟動水泵，向水箱充水，同時稍微翻開尾閥，讓水在管流中緩慢流動。2．觀察管道中，測壓管內(nèi)是否出現(xiàn)氣泡，假設有氣泡，應設法排除。3．調(diào)節(jié)尾閥，待水流穩(wěn)定后，記錄各測壓管的讀數(shù)，管流的流量值。圖1.5.4局部損失數(shù)據(jù)表注意：對于實擴管，讀取測壓管3、8的水柱高度。對于突縮管，讀取測壓管11、12的水柱高度，管道流量那么用手工體積法和使用電子流量計分別測量，取其平均值作為流量值。4．實驗結束后，立刻切斷電源，關閉水泵。測量內(nèi)容：用手工和流量計分別測量流量，取平均值填入表格，記錄各種局部損失部件的上、下游的水柱高度。1.5.5實驗數(shù)據(jù)處理利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算各種數(shù)據(jù)。只要將流量，測壓管水柱高度填入表格，系統(tǒng)自動算出各種局部損失系數(shù)，并給出誤差，詳見圖1.5.4。1.5.6思考題1．數(shù)據(jù)表中為什么沒有計算雷諾數(shù)？2．當測壓管、實驗管段出現(xiàn)氣泡時，你如何將其排除？3．如果用測壓管3、4計算實擴管的局部水頭損失，將會出現(xiàn)什么樣的誤差？1.6文丘里流量計、孔板流量計的標定實驗1.6.1實驗目的測量文丘里流量計，孔板流量計的流量系數(shù)1.6.2實驗裝置圖1.6.1文丘里、孔板實驗儀圖1.6.1是文丘里管、孔板流量計的實驗儀。圖中，測壓管1,2用于測量文丘里流量計的壓差，孔板流量計的壓差比擬大，因而使用由4支測壓管組成的復合式測壓計。圖1.6.2文丘里流量計圖1.6.3孔板流量計文丘里流量計和孔板流量計都屬于節(jié)流式流量計。即在管流中接入文丘里管或安裝一塊孔板，強制地改變局部地方的管流速度和壓強，測量其壓差就可以計算管道流量。文丘里流量計由收縮段、喉部、擴散段組成〔參見圖1.6.2〕。收縮角為20°~25°，折角處應圓滑，盡量接近流線型。喉部是文丘里流量計的斷面最小的部位，此處的流線曲率半徑相當大，流動可視為緩變流，擴散角一般為5°~15°?？装辶髁坑嬍且粔K外徑與管道內(nèi)徑相同的不銹鋼板，參見圖1.6.3?？装迳祥_設一個內(nèi)孔，這個內(nèi)孔迫使過流斷面突然變小，流速變大，壓強降低。文丘里管和孔板都是測量流量的儀器，在使用之前，要預先測量它們的流量系數(shù)，稱為流量計的標定。1.6.3實驗原理為了計算管道的流量，在管道中安裝一個文丘里流量計。對于圖1.6.2所示的斷面1.2應用的努利方程，那么有〔1.6.1〕利用連續(xù)性方程，上式可化為〔1.6.2〕利用測壓管直接測量壓差，那么有，于是〔1.6.3〕速度與截面積相乘就可以計算流量，上面的計算中沒有考慮粘性的影響，因此，流量的表達式可修正為〔1.6.4〕式中，稱為文丘里管的流量系數(shù)，工藝精良的文丘里流量計的流量系數(shù)達0.99以上。利用孔板裝置也可以測量管道的流量。如圖1.6.3所示，流體受到孔板的節(jié)制，在孔板的下游形成一股射流，圖中的斷面C是射流喉部，對斷面3和斷面C應用伯努利方程?！?.6.5〕利用連續(xù)性方程3，〔A3為管道面積A〕，那么得到射流喉部的流速(1.6.6)用A0表示孔板的孔口截面積，顯然，射流喉部面積AC小于孔口面積A0。即〔1.6.7〕稱為射流喉部的截面收縮系數(shù)。喉部的壓強不能直接測出，一般用管壁上的靜壓p6代替。壓差p3-p6很大，因而本實驗采用復合式測壓計測定壓差p3-p6。顯然?！?.6.8〕射流喉部的速度為〔1.6.9〕流量，式中A0是孔的面積〔1.6.10〕引入流量系數(shù)，那么〔1.6.11〕顯示，流量系數(shù)的取值除了受到粘性的影響之外，也還取決于孔口面積與管道面積的比值。標定文丘里流量計或孔板流量計的流量系數(shù)的方法是：用體積法測出流量Q，讀取測壓管的液柱高度。利用式(1.6.4)或式(1.6.11)確定的值。1.6.4實驗步驟1．排除測壓管的氣體啟動水泵，向水箱充水，關閉尾閥。此時，管1，2的液面應該平齊。管3，4以及管5，6分別用膠管將其上部連接，拔開這些連接膠管，管3，6和管4，5的液面應該平齊。如果不能平齊，那么在測壓管內(nèi)存在氣泡，應設法將其排除。2．調(diào)節(jié)尾閥，依次增大流量，記錄各測壓管的液柱高度。用體積法以及用電子流量計分別測量管流的流量，取其平均值作為計算用。流量要求改變8次。改變流量時，要等待3~5分鐘，水流穩(wěn)定前方可讀數(shù)。圖1.6.4文丘里、孔板實驗數(shù)據(jù)表測量內(nèi)容：流量(分別用手工和流量計測量，取平均值)，各測壓管讀數(shù)。1.6.5數(shù)據(jù)處理圖1.6.4是數(shù)據(jù)表的界面。由表中看出，文丘里流量計的流量系數(shù)，=0.9446~0.995，實驗值變化較大。另外，孔板的流量系數(shù)可以進行估算。在式〔1.6.10〕中，取0.62，而，因而式(1.6.11)中的=0.6603。此外，還應考慮粘性的影響，用p6取代pC也影響的值。因此，再乘一個系數(shù)0.95，那么=0.6273?？梢钥闯?，孔板的流量系數(shù)與實測值也有較大誤差。產(chǎn)生誤差的原因，主要是測壓管讀數(shù)不夠精確。一方面，高度讀數(shù)刻度只精確到mm，而且用人工判讀也產(chǎn)生誤差。此外，水柱液面常發(fā)生波動，其高度不易確定。1.6.6思考題1．的值可能大于1嗎？2．影響取值的因素有哪些？3．請推導式(1.6.8)4．請仔細觀察孔板流量計。在射流喉部處是否裝有測壓管？測壓管裝在喉部的上游還是下游？這樣做會對測量精度產(chǎn)生哪些影響？1.7孔口、管嘴實驗1.7.1實驗目的測量孔口，管嘴的流量系數(shù)1.7.2實驗裝置圖1.7.1孔口圖1.7.2管嘴圖1.7.1是孔口實驗裝置圖，水箱里有溢流擋板，用以保持水位恒定。水箱下部開設一個孔口?？卓诤蟛坑幸粔K蓋板用以關閉。圖1.7.2是管嘴實驗裝置。管嘴與孔口開設在同一個水箱中。管嘴上有一個塞子，用于關閉。本實驗用體積法及電子流量計分別測量流量，取其平均值用作數(shù)據(jù)處理。管嘴內(nèi)部軸線方向的壓強變化很大，本裝置利用4支測壓管演示這種壓強變化。1.7.3實驗原理我們先推導孔口的流量公式。設水流從孔口流出，如圖1.7.1所示。射流的斷面C-C的面積最小，該斷面稱為射流的喉部。喉部截面積AC與孔口面積A之比為，即。在喉部附近，流線的曲率半徑很大，流動可視為漸變流，對于水箱液面和射流喉部斷面C-C應用伯努利方程，那么有〔1.7.1〕〔1.7.2〕式(1.7.2)中的H是孔口的作用水頭，稱為速度流量系數(shù)，通常，=0.97~0.98。由此得到孔口的流量公式〔1.7.3〕稱為孔口的流量系數(shù)。測出流量Q和水頭H，按上式計算孔口的流量系數(shù)的實驗值。管嘴自由出流時(圖1.7.2)，水流首先收縮，喉部位于管嘴內(nèi)部，喉部的流速大，壓強小。真空壓強有利于管嘴出流，對水箱液面和管嘴出口水流斷面應用伯努利方程，那么有〔1.7.4〕這里，V是管口的流速。其表達式可寫成〔1.7.5〕如果管嘴的截面積為A，那么流量為〔1.7.6〕稱為管嘴的流量系數(shù)。測出流量Q和水頭H，按上式計算管嘴的流量系數(shù)的實驗值。上面提到，管嘴內(nèi)部的真空壓強有利于管嘴出流，因而管嘴的流量系數(shù)大于孔口的流量系數(shù)。1.7.4實驗步驟1．關閉孔口和管嘴，開啟水泵，向水箱充水。待水位穩(wěn)定后，管嘴的4支測壓管的水位它與水箱水位平齊，如果情況不是這樣，說明測壓管內(nèi)有氣泡，應該設法排除。2．翻開管嘴，觀察測壓管的水柱高程，可以看出，沿管嘴軸線，壓強先減小，流速增大，喉部附近的壓強最低，流速最大。3.測量管嘴流量，記錄管嘴的作用水頭〔即水箱水面高程與管嘴軸線高程的差值〕。測量結果后關閉管嘴。4．翻開孔口，使其出流。水流穩(wěn)定后，測量流量，測量孔口的作用水頭〔即水箱水面對面高程與孔口中心高程的差值〕5．測量孔口射流喉部的直徑：將孔口中的活動銷移動，使之貼近射流喉部水流的外邊緣，關閉孔口，停止出流，用游標卡尺測量孔口射流最小斷面的直徑。5．測量結束，關閉水泵，關閉孔口管嘴。測量內(nèi)容：流量，水面高程。1.7.5數(shù)據(jù)表及實驗結果分析孔口、管嘴的實驗數(shù)據(jù)參見圖1.7.3?？卓诘氖湛s系數(shù)按計算，而流速系數(shù)按計算。表中，的值缺乏0.96，偏小。這是因為，孔口射流喉部直徑dc不易測準，測量誤差較大，于是影響的值。1.7.6思考題1．孔口的流速系數(shù)不可能大于1.0，為什么？2．管嘴和孔口的截面積相同。管嘴的流量系數(shù)大于的孔口的流量系數(shù)，為什么？圖1.7.3孔口、管嘴實驗數(shù)據(jù)1.8雷諾實驗1.8.1實驗目的測量管流的沿程水頭損失，繪制沿程水頭損失與管流速度的對數(shù)曲線，并確定管流臨界雷諾數(shù)。1.8.2實驗裝置圖1.8.1雷諾儀圖1.8.1的實驗裝置由穩(wěn)壓水箱，試驗管段，傾斜式比壓計組成。水箱向管道提供穩(wěn)壓水流。管段的壓強差用比壓計測量。本實驗用手工體積法測流量。1.8.3實驗原理對于圖1.8.1的管段的首、尾兩個斷面應用伯努利方程，那么有〔1.8.1〕管段水平放置，流速處相同，因而〔1.8.2〕用比壓計測量壓差p1-p2。設比壓計兩支測壓管的液柱長度之差為l，那么有〔1.8.3〕〔1.8.4〕式中，是比壓計的水平傾角。只要測出比壓計兩支液柱長度的差值，由式〔1.8.4〕便可以計算管段落水流的沿程水頭損失。管流速度等于流量除以截面積。流量用量筒、秒表測量。小流量的測量比擬費時。充水時間往往超過1分鐘。計算管流雷諾數(shù)時，需用到水的運動粘度。運動粘度與水溫有關。本實驗用溫度計測量水溫，水的運動粘度與溫度的經(jīng)驗公式可表示為〔1.8.5〕式中，大量水溫單位是℃，的單位是m2/s。程水頭損失與速度V的函數(shù)關系與流態(tài)有關，層流時，與V的一次方成正比，紊流時，與V的1.75~20次方成正比，將實測值標在對數(shù)坐標圖上。如果實驗曲線斜率為45°，那么說明流態(tài)為層流，否那么為紊流。值得注意的是，流量從小變大的曲線與流量從大變小的曲線是不重合的。1.8.4實驗步驟1．啟動水泵，向水箱流水，待水位穩(wěn)定后才全開尾閥，以便沖洗管道，排除管內(nèi)氣體。2．關閉尾閥，松開傾斜比壓計上端的止水夾，以使測壓管內(nèi)的殘留氣泡排出，氣泡全部排出后，用氣囊球向比壓計的測壓管打氣，壓迫測壓管水面下降至中部，再夾緊止水夾，防止液面上升。試驗管段的水不流動時，比壓計的兩支測壓管的液面應該平齊。假設不平，說明測壓管內(nèi)殘留有氣泡，應該設法排除。3．微微翻開尾閥，讓水流速度從小變大，流態(tài)從層流變?yōu)槲闪?。當流量到達最大值之后，慢慢關小尾閥，使流速從大變小，流態(tài)從紊流變?yōu)閷痈淖兞髁繒r，待水流穩(wěn)定后，測量流量，記錄比壓計液柱讀數(shù)。層流時，水流達穩(wěn)定狀態(tài)所用的時間往往比擬長，要耐心等待。對于本實驗裝置，可根據(jù)比壓計讀數(shù)大概地判斷流態(tài)。當流態(tài)為層流時，管段的沿程水頭損失≤0.006m。如果比壓計的水平傾角，那么比壓計液柱長度之差。一般來說，層流的實驗點應布置3-4個?？偟膶嶒烖c數(shù)可自行控制，本實驗的目的之一是繪制形如下圖的對數(shù)曲線，實驗點數(shù)在10個以上，并且盡量均勻地分布。4．測量結束后，關閉水泵，繪制曲線圖。測量內(nèi)容：流量〔流量有小變大，大最大值后再有大變小〕、比壓力計液面讀數(shù)。1.8.5實驗結果及其分析圖1.8.2是本實驗的數(shù)據(jù)表，圖1.8.3是曲線圖。由圖看出，實驗結果不圖1.8.2雷諾實驗數(shù)據(jù)表夠理想，層流區(qū)的曲線斜率近似等于1，但并非直線，有略微彎曲。上臨界雷諾數(shù)缺乏4000。下臨界雷諾數(shù)2000左右。與權威實驗比擬，本實驗結果存在一定的誤差。主要原因是實驗裝置不夠精細，尤其是實驗管段長段不滿足要求。例如，為了避開管流入口、出口的影響，實驗段的兩端應遠離入口或出口的距離為管徑的120倍。本實驗的管徑d=8mm，與進口段、出口段落的長放應超過1m。而本裝置的進口段，出口段長度缺乏0.5m。此外，小流量時，比壓計流柱長度差很少，讀數(shù)誤差很大，要想提高實驗精度，就要提高流量測量、壓差測量的精度。1.8.6思考題1．層流時，本實驗的沿程水頭損失的值的變化范圍是多少？2．比壓計的刻度2:1表示什么含義？3．如何判斷比壓計的刻度〔例如2:1〕與實際情況是否相符？4．實驗要求流量首先從小變大，再從大變小，如果使流量時而變大，時而變小，實驗圖1.8.3曲線點能連成一條光滑曲線嗎？5．小流量時，水流到達穩(wěn)定所需的時間為什么很長？6．大流量時，比壓計液面波動比擬明顯，這種情況下應如何讀取液面讀數(shù)？1.9堰流實驗1.9.1實驗目的測量寬頂堰流量系數(shù)m。1.9.2實驗裝置實驗在有機玻璃的水槽中進行，〔見圖1.9.1a〕實驗模型為寬頂堰，用水位測針測量水面高強，水槽的流量用電子渦輪流量計測量。圖1.9.1堰流實驗1.9.3實驗原理水流漫過寬頂堰時，水面下降〔見圖)。設寬頂上的水深為h，上游水面與堰頂?shù)母卟顬镠〔稱為作用水頭〕，那么有伯努利方程〔1.9.1〕通常稱為行近總水頭。上式可改寫為〔1.9.2〕式中稱為堰流的流速系數(shù)。由此得到堰流的流量公式〔1.9.3〕通常，H0是數(shù)。而h值與H0以及許多因素有關。很難找出h的計算公式。為簡化起見，令，那么式〔1.9.3〕變成〔1.9.4〕式中，稱為堰流的流量系數(shù)。本實驗就是要測量m。由式〔1.9.4〕看出，堰寬b〔也是水槽寬度〕，只測量流量Q，H0就可以確定m。H0是行近總水頭，它等于堰流的作用水頭H與束流速度水頭的和。值得注意的是，作用水頭等于水面高程與濕底高程的差值。寬頂堰流量系數(shù)m經(jīng)驗公式是〔1.9.5〕式中，hp是堰高，H是作用水頭。一般地m=0.35～0.38。式(1.9.5)是俄國學者別列津斯基根據(jù)眾多實驗得出的一個經(jīng)驗公式，這些實驗點本身比擬分散，不能連成光滑曲線。別列津斯基使用最小二乘法得列式(1.9.5)，只能反映實驗點的變化趨勢。它不是很精確的經(jīng)驗公式。1.9.3實驗步驟1．放水之前，用活動的水位測針測量槽底高程和堰頂高程。2．關閉水槽底部的進水閘閥。然后按通電源，啟動水泵。3．翻開進水閘閥，調(diào)節(jié)流量，一般來說，流量由小變大，調(diào)節(jié)進水閥門后，要等待1~2分鐘，水流穩(wěn)定后才開始測量，流量要改變6~8次。4．測量堰的上游水面高程〔測點位于堰上游與堰頂相距5H，〕記錄流量值。5．量測結束后，觀察堰流的水面曲線，如果水槽尾部的平板閘門完全翻開，下游水位較低，這時我們就會看到，水漫過寬頂堰時，水位下降，流速加大，越過寬頂堰后，水位進一步下降。直至與下游水位平齊。逐漸關小平板閘門，那么下游水位逐漸抬高。當下游水位高于堰頂水位時，堰頂水深逐漸增加，水流逐漸緩慢，這時，堰頂水位與上游水位相差越來越小。測量內(nèi)容：流量、作用水頭。1.9.5數(shù)據(jù)表及實驗結果分析實驗數(shù)據(jù)表，m~hp/H關系曲線參見圖1.9.2。實驗值與經(jīng)驗公式(1.9.5)具有相同的變化趨勢。但實驗點不能連成光滑曲線。這是因為堰流很不穩(wěn)定，水面有波浪，這給準確測量水面高程帶來一定的困難。況且，式〔1.9.5〕也不是很精確的經(jīng)驗公式。圖1.9.2堰流實驗數(shù)據(jù)表1.9.6思考題1．在堰頂處水面為什么下降？2．水面有波浪，你用什么方法判斷水位測針已經(jīng)抵達水面？3．堰前水流速度V0如何計算？1.9.4考前須知1．實驗前一定要關閉水槽的進水閥門，否那么，接通電源后，管中水流會比擬大速度沖擊流量計的渦輪葉片，造成損失。2．堰上游水位一定要在寬頂堰上游3~5倍水頭以上的地方量測。3．每次調(diào)節(jié)流量時，要得水流穩(wěn)定〔時間大約5~6分鐘〕才能測量。4．時刻注意，不要水流溢出槽外。1.10閘下自由出流實驗1.10.1實驗目的1．測量平板閘門自由出流的流量系數(shù)。2．繪制閘門流量系數(shù)與相對開啟度的實驗曲線。1.10.2實驗裝置圖1.10.1a是實驗裝置，在水槽上安裝有機玻璃的平板閘門。水槽尾部有尾水閘，用以調(diào)節(jié)下游水位，安裝在水池中的潛水泵將水輸入管道，管道上裝有高精度的流量計。管道的流量由進水閥控制。水流由管道進入蓄水箱，然后進入水槽。平板閘門將水位提高，高水位的水流從閘下泄出，并在下游不遠處形成收縮斷面，然后流向水槽尾端。1.10.1實驗原理如圖1.10.1b所示，對上游斷面和收縮斷面c-c應用伯努利方程，那么有圖1.10.1閘下出流〔1.10.1〕通常，稱為行近總水頭，由上式得到〔1.10.2〕稱為流速系數(shù)，一般地，。收縮斷面的水深hc可以用收縮系數(shù)與閘門開啟度e的乘積來表示，于是，〔1.10.3〕為簡單化起見，將上式改寫為〔1.10.4〕稱為閘門的流量系數(shù)，由實驗確定。根據(jù)眾多的實驗資料統(tǒng)計分析，的經(jīng)驗公式為〔1.10.5〕式(1.10.5)說明，流量系數(shù)μ與閘門的相對開啟度e/H有關。當下游水位高于收縮斷面的水位時，閘門的流量將變小，這時，式〔1.10.4〕應該乘以一個淹沒系數(shù)。1.10.4實驗步驟1.水槽放水之前，用測針測量水槽底面的高度讀數(shù)。2.全開平板閘門和尾水閘，以防止放水時閘門過低而使水溢出。3．關閉進水閥，啟動水泵。這樣做可以防止水泵起動時，輸水管路的水流速度過大而引起意外事故。4．轉(zhuǎn)動進水閥，調(diào)節(jié)流量，待水流穩(wěn)定〔一般需要3-5分鐘〕后，測量流量。在整個測量過程中，流量值不再改變。5．調(diào)節(jié)閥門開啟度，用尺子量測平板閘門最低點至槽底的高度e，本實驗開啟度e改變不少于8次。6．改變開啟度e之后，等待2-3分鐘，水流穩(wěn)定后，用水位測針測量閘前水面高程。7．測量結束后，關閉輸水管的進水閥，然后關閉水泵。測量內(nèi)容：流量、閘門上游水面高程、閘門開啟高度。1.10.5考前須知1．本實驗測量在同一流量下，不同開啟度的流量系數(shù)，并繪制其相應的關系曲線，因此實驗點不應少于8個。開啟度e從最小值變至最大值，變化間隔力求均勻。2．閘門開啟度較小時，注意觀察閘前水位，防止水流漫溢。3．在實驗過程中，使水槽尾水閥保持全開，保證閘下出流為自由出流。4．改變閘門開啟度后，務必等待數(shù)分鐘，水流穩(wěn)定前方可測量，否那么，測量結果將不可靠，實驗點會分散、凌亂。1.10.6實驗結果及其分析數(shù)據(jù)表、實驗曲線如圖1.10.2和圖1.10.3所示。由圖看出，流量系數(shù)u的實測值與計算值、經(jīng)驗公式都相差較遠。誤差原因是計算公式(1.10.4)把水流速度看作緩變流，而實際情況卻是急變流，流線彎曲較大，過流斷面的速度分布不均勻，因此式(1.10.4)只是一個子近似式。此外，水面波動較大，水而高程不易測量。1.10.7思考題1．你認為影響閘下自由出流的因素有哪些？2．水面波動較大，如何測量水面高程？圖1.10.2閘下出流數(shù)據(jù)表圖1.10.3閘下出流實驗曲線1.11水躍實驗1.11.1實驗目的測量水躍的躍前水深和躍后水深，繪制躍前、躍后的水深比h2/h1與躍前水流弗勞德數(shù)Fr1的關系曲線。1.11.2實驗裝置圖1.11.1水躍實驗圖1.11.1a是水躍實驗裝置。潛水泵將水從水池輸入水槽，輸水管上安裝有流量計和進水閥。水槽上有前閘和尾水閘。水從前閘門泄出時，流態(tài)為急流。如果下降水槽尾閘，使水位升至適宜高度,那么水流就會從急流變?yōu)榫徚?，從而產(chǎn)生水躍?？刂莆菜坏母叨?，可以觀察到遠驅(qū)水躍，臨界水躍，淹沒水躍。1.11.3實驗原理參閱圖1.11.1b，水從平板閥門泄出，過流斷面先收縮、后擴張。最小斷面的水深為hc。當下游水深調(diào)節(jié)至某一值時，水躍就會發(fā)生。水躍前，后的水深分別為h1和h2。描述水躍特征的方程是連續(xù)性方程和動量方程?！?.11.1〕(1.11.2)利用式〔1.11.1〕，可將式〔1.11.2〕變?yōu)椤?.11.3〕容易解得〔1.11.4〕式(1.11.4)稱為水躍方程，它說明，共輪水深的比值h2/h1與躍前水流弗勞德數(shù)Fr1有關。本實驗將用實驗方法確定h2/h1與Fr1的關系。1.11.4實驗步驟1．測量之前，先了解實驗裝置，記錄水槽寬度和水槽底面高程。2．全開水槽的前閘和尾閘，全關輸水管的進水閥。3．開啟水泵，翻開進水閥，慢慢調(diào)節(jié)水槽前閘和尾閘，使閘后的水流形成遠驅(qū)水躍。4．記錄流量，躍前水面高程、躍后水面高程。5．改變流量，升〔降〕前閘和后閘，直至出現(xiàn)一個新的水躍，并記錄數(shù)據(jù)?？梢酝瑫r改變流量、前閘高度、尾閘高度。也可以只改變其中的1～2個因素，都可以形成新的水躍。為了繪制實驗曲線，測量次數(shù)不應少于8次，而且設法使實驗點均勻分布。6．量測結束后，全開水槽前閘、尾閘，全關輸水管道的進水閥，然后關閉水泵。測量內(nèi)容：流量、躍前和躍后水面高程。1.11.5考前須知1．時刻觀察水槽水位，防止水流溢漫，如發(fā)現(xiàn)水槽水位過高，有溢漫的危險，應立即全開水槽的前閘和尾閘，使水位迅速下降。2．水躍屬于極不穩(wěn)定的水流。為了得到比擬穩(wěn)定的遠驅(qū)水躍，可以慢慢地調(diào)節(jié)尾閘的開啟度。使水躍出現(xiàn)在前閘、后閘之間的中部位置。1.11.6實驗數(shù)據(jù)圖1.11.2為水躍實驗數(shù)據(jù)表，圖1.11.3為水躍曲線。曲圖1.11.3看出，實驗值與理論值接近，這說明，水躍方程(1.11.4)是正確的。1.11.7思考題1．為了得到穩(wěn)定的遠驅(qū)水躍，通常只需調(diào)節(jié)水槽尾閘，這是為什么？2．從原那么上講，尾閘開啟應保持不變，改變流量或者前閘的開啟度，同樣可以出現(xiàn)穩(wěn)定的遠驅(qū)水躍，但這樣做會遇到一些實驗困難，這些困維是什么？請試驗一下。3．出現(xiàn)水躍時，躍前水流為什么一定是急流？4．躍后的水面上波浪起伏，應該如何測量躍后水位？圖1.10.2水躍測量數(shù)據(jù)圖1.10.3水躍實驗曲線第二章流體力學綜合實驗上一章介紹的流體力學實驗，使用傳統(tǒng)的方法進行測試。本章介紹的實驗，一般使用壓力傳感器測壓差，用熱線風速測量速度，用計算機采集和處理數(shù)據(jù)。這些實驗除了涉及流體力學的知識外，還涉及到電學、傳熱學、計算機技術。同一個實驗裝置，我們從不同角度，用不同的方法對流場展開研究，開設不同的實驗工程。我們將這類實驗稱為綜合實驗。2.1壓力傳感器的標定實驗2.1.1實驗目的測量壓力傳感器的輸出電壓E與被測量的壓差的關系，并繪制的關系曲線。2.1.2壓力傳感器壓力傳感器是能夠感受被測量的壓強，并能將壓強轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件。壓力傳感器的種類很多，主要有三種類型：壓電式、壓容式、壓阻式。壓阻式壓力傳感器使用較廣，下面將作重點介紹。壓阻式壓力傳感器的承壓元件是一塊半徑為2r0，厚度為h的單晶硅彈性膜片。其周邊固接。如圖2.1.1所示。如果膜片上部壓強大于下部壓強，那么在均布荷載作用下，彈性膜片將發(fā)生變形。由彈性力學知，膜片下外表的中心和邊緣處的徑向應變?yōu)椋骸?.1.1〕式中，E為膜片的彈性摸量，為泊松比。為了測量應變，在膜片下外表用集成電路工藝制成4個擴散電阻應變絲，其電阻值為R1=R2=R3=R4。其中，應變絲1，4粘貼在圓心，應變絲2，3粘貼在邊緣。并且各沿徑向。將這4條應變絲作為電臂，組成電橋，如圖2.1.2示。當荷載=0時，彈性摸片不變形，電橋輸出電壓為零當電臂電阻變化時，電橋輸出電壓E為(2.1.2)應變絲受到拉伸時，其電阻變化率與伸長率〔應變〕的關系為〔2.1.3〕應變絲1，4〔在圓心〕和電阻絲2，3〔在邊緣〕的應變?yōu)椤?.1.4〕因此，電橋的輸出電壓為〔2.1.5〕既輸出電壓與壓強差成正比。壓阻式壓力傳感器利用應變來反映壓強量，因此壓阻式又稱為應變式。壓電式壓力傳感器的主要工作元件是一種稱為壓電材料的電介質(zhì)。壓電單晶體材料如〔石英，鈮酸鋰〕和壓電多晶體材料〔如壓電陶瓷〕在外力〔壓力或拉力〕的作用下，不僅幾何尺寸變化而產(chǎn)生變形，而且在其兩個相對外表產(chǎn)生等值反號的電荷，外力消失后，它們圖2.1.3壓電式和壓容式壓力傳感器又恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。利用晶體的壓電效應，可以制成如圖2.1.3a所示的壓電式壓力傳感器，當壓力傳感器上、下兩邊承受大氣壓強時，壓電晶體不發(fā)生變形，外表沒有電荷。如果壓強有一個增值，那么壓電晶體將受壓，在其外表產(chǎn)生電荷，接入電路后就得到電流或電壓，晶體外表的電荷重與外界壓強成正比，電路的電流或電壓因而也與成正比。用2.1.3b是壓容式壓力傳感器的構造圖。當壓強P1和P2相等時，兩個可移動極板〔彈性膜片〕之間的距離是相等的，因而它們的電容是相等的，如果，那么與固定極板A，兩個電容的值不相等。壓強差越大，那么兩個電容的差值就越大。壓力傳感器將壓強信號轉(zhuǎn)換成電信號，檢測這種電信號就可以得到壓強值。電信號可以用儀表〔如電壓表〕或計算機檢測。本實驗模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔即A/D卡〕實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集。壓力傳感器把外界壓強用輸出電壓E表示出。在壓力傳感器的量程范圍內(nèi)，電壓值E與壓強成線性變化關系。用實驗方法求出這種線性關系的工作稱為壓力傳感器的標定。2.1.3數(shù)據(jù)采集卡在現(xiàn)代測試技術中，廣泛用計算機來采集實驗信號。被測量的物理信號稱為模擬信號，例如，溫度計的讀數(shù)，壓力傳感器的輸出電壓，都是模擬信號，這種信號子在時間上呈連續(xù)分布的，如果隔一定時間讀取模擬信號，這種操作稱為采集信號。計算機只能識別0，1的數(shù)字，不能識別模擬信號，如果能把模擬信號表示成計算機能夠接受的形式“0”，“1”，那么這種信號稱為數(shù)字信號，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的電子電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器〔AnalogtoDigitalConverter〕，又稱為數(shù)據(jù)采集卡，簡稱A/D卡。數(shù)據(jù)采集卡的主要部件是電子多路開關，采樣保持器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，下面分別作介紹。2.1.3.1電子多路開關數(shù)據(jù)采集卡一次只能采集一個信號。如果有假設干個信號需要采集，就要使用電子多路開關依次切換，逐個將每個信號輸入A/D卡進行數(shù)據(jù)處理。圖2.1.4開關控制圖2.1.5采樣保持器圖2.1.4是晶體管開關電路圖。其工作原理是，如果令通道1的控制信號為低電平，，那么晶體管T’截止，其集電極輸出為高電平。這時，晶體管T1導通，輸入信號U1被選中，輸入A/D板的信號U0就是信號U1。U0=U1，反之，如果通道1的控制信號為高電平，那么晶體管T’導通，其集電極輸出為低電平，晶體管T1截止。這時，輸入信號U1不能進入A/D板。2.1.3.2采樣保持電路對模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換時，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，在這個轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，要求模擬信號保持不變值，采樣保持電路可以滿足這種要求。圖2.1.5是一種采樣保持電路。采樣時，電子開關S合上，模擬電壓Ua向電容C充電，輸出電壓U0等于所輸入的模擬電壓〔采樣階段〕。當開關S斷開時，輸出的電壓U0等于電容C的電壓〔轉(zhuǎn)換階段〕。采樣時間很短，〔通常為〕，電容C的電壓可視為常值。2.1.3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔A/D〕模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔簡稱A/D轉(zhuǎn)換器〕將模擬量轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的核心元件是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這是一種能將二進制數(shù)字轉(zhuǎn)換成電壓〔模擬信號〕的電子電路。顯然，數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換正好與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換相反。下面我們首先介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換器〔D/A〕，二進制數(shù)字是計算機能夠識別的唯一的一種數(shù)字表示方式。例如，01011是一個5位二進制數(shù)，如果將它表示為十進制的形式，那么等于一個n位的二進制數(shù)換成十進制數(shù)的表達式為〔2.1.6〕數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與二進制數(shù)字D的大小成正比。圖2.1.6是一種5位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。這是一種T型的電阻網(wǎng)絡電路，其電阻元件只有R和2R兩種。如果只有d4=1，其余各位均為0，那么只有開關S4合上，其余斷開，其等效電路如圖2.1.7所示。容易求得〔2.1.7〕圖2.1.6數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖2.1.7d4=1的等效電路圖2.1.8d3=1的等效電路如果只有d3=1，其余各位均為0，那么只有開關S3合上，其余斷開。其等效電路如圖2.1.8所示。顯然，流向a點的電流為〔2.1.8〕由此可見，di=1的支路的電流恒為，相當于一個穩(wěn)流源，而流向a點的電流Ii那么是這個恒流的等比例分流，。根據(jù)疊加原理，流向a點的總電源為輸出的電壓為〔2.1.9〕同理可知，n位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為〔2.1.10〕式中，。由此可知，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與數(shù)字D成正比。利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器，就能容易地將模擬信號〔電壓〕轉(zhuǎn)換成數(shù)字。一般的A/D轉(zhuǎn)換器利用逐級比擬法，將模擬信號轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字。其工作過程簡介如下。對于由外界輸入的一個模擬電壓U，數(shù)模轉(zhuǎn)換器〔D/A〕先將最高位設為，其余位皆為0，。接著，D/A轉(zhuǎn)換器輸出一個電壓U0，其值由式〔2.1.10〕確定。將U0與模擬電壓U比擬，如果，說明最高位不能設為1，只能設為0，如果，那么就保持為1。接著，令次最高位，即。D/A輸出電壓U0也由式〔2.1.10〕算出。如果，那么保持；如果，那么令。以下各位均換此順序進行比擬，直至最未位為止。這時，就得到了模擬信號對應的二進制數(shù)字輸出數(shù)字D，即完成模數(shù)〔A/D〕轉(zhuǎn)換。圖2.1.9是A/D轉(zhuǎn)換器的工作流程圖。圖2.1.9A/D轉(zhuǎn)換器圖2.1.10壓力傳感器標定裝置2.1.4實驗裝置及實驗原理圖2.1.10所示的壓力傳感器標定實驗裝置，由U形壓差計，壓力傳感器，電腦〔內(nèi)置A/D板〕組成。U形壓差計膠管連通兩支玻璃直管而成，內(nèi)盛工作液體——水。U形壓差計的兩個管口由分別膠管連接壓力傳感器的高壓端〔H〕和低壓端〔L〕。兩支玻璃管可上、下移動，以便得到不同的水柱高差h，顯然，液面上的氣體的壓強差為(2.1.11)式中，是水的密度。高壓p2引至壓力傳感器的高壓端H，低壓p1那么引至低壓端L，壓力傳感器的工作元件是單晶硅膜片，其外表布置4個電阻。當壓力傳感器的兩端壓強不相等時，膜片發(fā)生變形。電阻受到拉伸或縮短，于是電橋就輸出一個模擬電壓E。將這個模擬電壓輸入計算機的A/D板，就得到模擬電壓E的值。本實驗就是測定壓差與壓力傳感器的輸出電壓E的函數(shù)關系。一個良好的壓力傳感器，其標定曲線應該是直線，即是線性關系。2.1.5實驗步驟1．實驗準備。上、下移動U形壓差計的兩支玻璃管，使其液面平齊，確認壓力傳感器上下壓端的膠管已接好，將壓力傳感器的輸出電纜插入A/D板的1通道，確認壓力傳感器已通電，等待測試。啟動“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，調(diào)出“壓力傳感器標定實驗”界面。2．第1次測量調(diào)節(jié)U形壓差計兩邊水柱液面同高，使，并將此0值填入數(shù)據(jù)表的第2列，點擊界面的“測量”按鈕，系統(tǒng)自動測出壓力傳感器的電壓，并記錄在數(shù)據(jù)表中。3．繼續(xù)測量從第2次測量開始，每次測量時，使U形壓差計的兩邊水柱高差增加一個值〔約為1cm〕，根據(jù)式(2.1.11)計算，并填入數(shù)據(jù)表中。填畢，點擊“測定電壓”按鈕，讓系統(tǒng)自動讀取、記錄相應的電壓E。依次測量，直至達1000Pa〔大約為10cm水柱〕為止。4．測定完畢后，點擊“作圖”按鈕。觀察所持實驗點是否在一條直線上〔或其鄰近〕，確認后，點擊“計算常數(shù)”，系統(tǒng)就會自動算出線性關系式中的常數(shù)a,b。通常，線性關系式表示為〔2.1.12〕式中，表示零壓差對應的電壓。在計算程序中，由輸出電壓E計算壓差時所用的公式就是式〔2.1.12〕。數(shù)據(jù)表圖2.1.11是數(shù)據(jù)界面。圖2.1.11壓力傳感器標定數(shù)據(jù)2.1.6考前須知1．壓力傳感器有高壓端、低壓端，連接測點壓強時，不要錯接。2．調(diào)整壓差計兩支管的水柱高度時，要使水柱穩(wěn)定后才能讀數(shù)。2.2圓柱外表壓強分布的測量2.2.1實驗目的用壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量繞流圓柱外表的壓強分布，繪制壓強分布圖，并計算圖柱體的阻力系數(shù)。2.2.2實驗裝置及實驗原理圖2.2.1圓柱外表壓強分布實驗裝置本實驗使用種實驗裝置。圖2.2.1a是空氣動力學實驗臺的實驗段。氣流經(jīng)過穩(wěn)壓箱，收縮段，進入實驗段。圓柱體安裝在實驗段的中部。穩(wěn)壓箱的氣流速度近似為零，其壓強可認為是駐點壓強p0。當氣流經(jīng)收縮段進入實驗段后，氣流速度分布比擬均勻，速度為V∞，壓強為p∞。氣流繞圓柱體流動時，流動變得復雜起來。本實驗測量圓柱體外表各點的壓強分布。為了測量壓強，在圓柱體外表開設一個測壓孔，然后用導管將此壓強引出。導管的出口在圓柱體的軸線上，再用軟管將測點壓強引至壓力傳感器。圓柱體可以繞其軸線轉(zhuǎn)動，借此就能夠測出圓柱體外表各點的壓強分布。圖2.2.1b是風洞試驗段，為了使氣流速度分布盡量均勻，也為了降低氣流的湍流度，氣流首先流經(jīng)的網(wǎng)格柵，然后才經(jīng)收縮段進入實驗段。實驗段的氣流速度V∞可認為均勻分布，其壓強為p∞。在實驗段安裝一個L型的總壓管，用以測量氣流的總壓p0。圓柱體安裝在實驗段的中部，它可繞其軸線轉(zhuǎn)動。圓柱體外表開設一個測壓孔，用導管將測孔的壓強引出。導管的出口位于圓柱體的轉(zhuǎn)動軸線上。在流體力學中，一般將壓強用無量綱的參數(shù)——壓強系數(shù)CP來表示?！?.2.1〕式中，分別是測點壓強，來流壓強，駐點壓強〔總壓〕。式(2.2.1)使用了伯努利方程。本實驗將測量圓柱外表壓強系數(shù)的分布。在圖柱外表上圓周角的范圍內(nèi)布置假設干測點，分別測，按式(2.2.1)計算壓強系數(shù)。利用壓強系數(shù)，可以求出圓柱體的阻力系數(shù)CD.物體的阻力包括粘性阻力和壓差阻力，粘性阻力很小，可以忽略不計，因此阻力FD和阻力系數(shù)CD可以表示為〔2.2.2〕〔2.2.3〕式中，是測點位置的圓周角度，從前駐點起算。本實驗在的范圍內(nèi)布置N個測點，于是〔2.2.4〕通常，N=37，，但也可以不受此限制，實驗者可以自己選定N和Δθ。本實驗用壓力傳感器測量壓差。圖2.2.2a是本實驗使用的壓力傳感器的外形圖。此壓力傳感器屬于壓阻型。承壓元件是一塊單晶硅膜片。膜片上臺階有4個應變電阻絲〔是用集成電路工藝的擴散法制成的〕。膜片受壓面發(fā)生變形時，電阻絲也也隨之變形，電阻值發(fā)生改變。電阻的變化用電橋測量，電橋的輸出電壓E與膜片上、下外表的壓強差成線性關系。2.1已經(jīng)測出這種線性關系，電壓E就容易求得壓差。圖2.2.2cy2000壓力傳感器壓力傳感器的輸出電壓E由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動讀取。本實驗使用PCI7422型12位32路A/D轉(zhuǎn)換板卡。A/D轉(zhuǎn)換器采用高性能轉(zhuǎn)換芯片AD1674，地址譯碼電路采用GAL芯片，板卡工作時，能按PCI協(xié)議自動分配基地址。A/D轉(zhuǎn)換時間為10μs?！?00kHz〕。壓力傳感器有兩個接口，一個接高壓〔H〕，另一個接低壓〔L〕。在本實驗中，總壓p0最高，因此將其引至高壓接口，壓力傳感器的低壓接口上連接一個三通〔見圖2.2.2b〕，開關，可以輪流切換至或P的接口。圖2.2.2c表示切換的方法，當閥門把手與氣管軸線同向時，閥門開啟。當閥門把手與氣管軸成垂直時，閥門關閉。壓力傳感器在穩(wěn)壓直線電源下工作。本裝置使用一種袖珍型穩(wěn)壓電源。測量壓差時，需關閉P管即可。測量時，可先測量〔開通p管，關閉管〕，再測〔開通管，關閉p管〕。系統(tǒng)根據(jù)算式，就可得到式(2.2.1)的值。2.2.3實驗步驟1．啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將界面轉(zhuǎn)到“圓柱外表壓強系數(shù)測量”。2．填寫實驗常數(shù)，其中，氣壓的默認值是760mmHg，如果有氣壓表，請將實測氣壓值填入。通道號的默認值是1。請檢查壓力的傳感器的電壓是否輸入A/D板的1通道，如有改變，請?zhí)顚憣嶋H使用的通道號。3．檢查壓力傳感器是否通電。如已通電，穩(wěn)壓電源的工作指示燈發(fā)亮。4．將測點的圓角度調(diào)至0，點擊“測量”按鈕，按照提示操作，完成第1個測點的測量。5．改變測點的角度，進行新測點的測量。本實驗要測量圓柱外表的壓強分布，并計算阻力系數(shù)，這要求第1個測點的角度為0°，最后一個測點的角度為180°，在0°-180°之間布設假設干個測點，通常，每隔5°布置一個測點，但也可不受此限制，任意布置測點角度。不過，0°-90°之間的壓強變化比擬大，宜多布置測點?？倻y點數(shù)不應少于30。另外，角度應從小變大，不能忽大忽小。6．測量結束后，將界面轉(zhuǎn)到下頁。點擊“畫實驗點”、“繪理論曲線”，那么系統(tǒng)自動將實驗值標在CP-θ關系圖中，同時給出無粘繞流時圓柱外表的壓強系數(shù)CP=1-4sinθ的理論曲線，點擊“計算阻力系數(shù)”，系統(tǒng)將算出氣流速度，雷諾數(shù)，圓柱的阻力系數(shù)。2.2.4考前須知1．本實驗使用多種電氣元件，實驗時應小心操作，防止觸電，不要隨意撥動電子設備的開關，不要隨意更改電子元件的接線。2．實驗段的氣流速度一般地，因此。請檢查數(shù)據(jù)表第3列的實測值是否在此范圍中。另外，的測點的Cp應讀接近1。根據(jù)這兩項判斷系統(tǒng)是否正常工作。2.2.5數(shù)據(jù)表、實驗曲線、誤差分析圖2.2.3是實驗數(shù)據(jù)，圖2.2.4是實驗曲線的界面。從理論上說，的測點的壓強系數(shù)CP應為1。但實測值僅為0.914。一般來說，在大雷諾流動時，的測點的CP值小于-1.2，而圖中顯示的CPIJ–1，實驗值偏大，引起誤差的原因，可能是測點壓強P的接口不好，導致漏氣，這時，應試檢查軟〔膠〕管接口是否漏氣。圖2.2.3圓柱外表壓強分布實驗數(shù)據(jù)表界面圖2.3.4圓柱體外表壓強系數(shù)實驗曲線2.3紊流射流速度分布測量2.3.1實驗目的測量案流射流主體段的速度分布，繪制射流速度分布圖。2.3.2紊流射流一般流體以很大的速度從出口射入同種靜止流體，這種流動稱為射流。工程上所見的射流均為紊流。當射流發(fā)生時，射流軸線附近的流體會發(fā)生運動，遠離射流軸線的流體保持靜止，靜止流體與運動流體的分界稱為射流邊界。如果2.3.1所示，射流從一個半徑為r0的出口流出，出口處的流速u0均勻分布，在出口附近有一個區(qū)域，流體的速度仍保持為u0，稱為射流核心區(qū)，在核心區(qū)的外側(cè)，速度逐漸衰減。射流核心區(qū)的范圍沿流程是逐漸變小的。到C處，核心區(qū)的截面積縮小為零，從射流出口至C截面的局部稱為射流初始段，C的下游稱為主體段。從射流出口到C的距離約等于4倍圖2.3.1射流射流出口半徑。從多實驗說明，紊流射流主體段的速度分布具有相似性，例如，高斯相似性速度分布：(2.3.1)式中，um是射流截面中心的速度，r是點到射流軸線的距離，R是射流截面半徑。r=R處是射流外邊界，如果射流出口是圓形，那么射流外邊界是一個圓錐曲面。圓錐頂點就是射流極點，圖2.3.1中的Ox是射流軸線坐標。為簡單起見，可以認為射流極點就在射流出口中心，x坐標從出口中心起算。射流邊界r=R可由式(2.3.1)定義，即：當r=R時，，可見，這樣定義的射流邊界處的流體速度并不為零。射流半徑R沿流程是逐漸變化的，它是x的函數(shù)，R=R(x)，射流截面中心的速度um沿流程是逐漸變小的，。測點的速度u是r和x的函數(shù)，。本實驗將測量射流主體段假設干各截面(x的不同值)上的速度分布。將各截面的實測值標在一個坐標圖上，就得到射流速度分布圖。2.3.3實驗裝置本實驗的設備儀器如圖2.3.2所示，實驗在空氣動力學多功能實驗臺上進行。風機將氣流壓入穩(wěn)壓箱，經(jīng)孔口射出，形成射流，用畢托管測出速度，此畢托管安裝在千分尺支架上，此支架可沿水平方向移動，用以確定畢托管的管口到射流軸線的距離r。實驗時，先將畢托管的管口移到射流軸線上，記下千分尺的讀數(shù)s0。水平移動畢托管后，記下千分尺讀數(shù)s，那么有r=s-s0。千分尺支坐安裝在一條豎直標尺桿上，用以確定坐標x值。在實驗中，需測出射流截面至射流出口的距了。再由系統(tǒng)自動算出x的值。測量前，先將畢托管管口移至射流出口中