華科流體力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn) （Experime nt of Stastic Hydraulics Pressure 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蟆?1、掌握用測(cè)壓管測(cè)量流體靜壓強(qiáng)的技能； 2、驗(yàn)證不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程； 3、通過(guò)對(duì)諸多流體靜力學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)分析研討，進(jìn)一步提高解決靜力學(xué)實(shí)際問(wèn)題的 能力。 4、鞏固絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)、真空度概念。 二、實(shí)驗(yàn)裝置、 12367485 I b I I 圖1.1 靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置圖 1、測(cè)壓管；2、帶標(biāo)尺測(cè)壓管；3、連通管；4、真空測(cè)壓管；5、U型測(cè)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(shuō)明： 1、所有測(cè)壓管液面標(biāo)高均以標(biāo)尺

2、（測(cè)壓管2）零讀數(shù)為基準(zhǔn); 2、 儀器銘牌所注B、 C、 D系測(cè)點(diǎn)B、c、D標(biāo)高；若同時(shí)取標(biāo)尺零點(diǎn)作為靜力學(xué)基本方 程的基準(zhǔn)點(diǎn)，貝U B、 c、 D亦為ZB、ZC、ZD ； 3、本儀器所有閥門旋柄順管軸線為開。 三、實(shí)驗(yàn)原理、 1、在重力作用下不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程為： P z+= const 或：p Poh(1.1) 式中： z 被測(cè)點(diǎn)在基準(zhǔn)面以上的位置高度； 被測(cè)點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，用相對(duì)壓強(qiáng)表示，以下同； Po 水箱中液面的表面壓強(qiáng)； 液體容重； 被測(cè)點(diǎn)的液體深度。 另對(duì)裝有水油(圖1.2及圖1.3) U型測(cè)管，應(yīng)用等壓面原理可得油的比重色有下列 關(guān)系: h1 (1.2 ) hi p H

3、01 h1 h2 S 13 據(jù)此可用儀器直接測(cè)得 四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、 1、搞清儀器組構(gòu)及其用法，包括: 1）閥門開關(guān)； 2）加壓方法一一關(guān)閉所有閥門（包括截止閥），然后用打氣球充氣； 3）減壓方法一一開啟筒底閥11放水； 4）檢查儀器是否密封一一加壓后檢查測(cè)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、記錄儀器編號(hào)及各常數(shù)（記入表1.1）。 3、量測(cè)點(diǎn)靜壓強(qiáng)（各點(diǎn)壓強(qiáng)用厘米水柱高表示）。 1）打開通氣閥6 （此時(shí)0=0），記錄水箱液面標(biāo)高0和測(cè)管2液面標(biāo)高 h （此時(shí)0 = h ）; 2）關(guān)閉通氣閥6及截止閥8,加壓使形成。0,測(cè)記0及H ； 2b 3） 打

4、開放水閥11,使形成00（要求其中一次0）,微調(diào)放氣螺母使U型管中水面與油水交界面齊平（圖1.2）,測(cè) 記0及h （此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行三次）； 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（00）,使U型管中的水 面與油面齊平（圖1.3）,測(cè)記0及h （此過(guò)程亦反復(fù)進(jìn)行三次）。 五、實(shí)驗(yàn)成果及要求、 1、 記錄有關(guān)常數(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)：No. 各測(cè)點(diǎn)標(biāo)尺讀數(shù)為： b =cmC =cmd =cm =9.8X 10_3 N / cm3 2、分別求出各次測(cè)量時(shí)A、B、C、D點(diǎn)的壓強(qiáng)，并選擇一基準(zhǔn)面驗(yàn)證一一同一靜止 液體內(nèi)的 z 任意二點(diǎn)（C、。）的（ 3、求出油的容重。 P ）為常數(shù)。 0

5、 = O.OO8ON/CR13 六、實(shí)驗(yàn)分析與思考題、 1、實(shí)驗(yàn)分析： 1）若再備一根直尺，如何采用最簡(jiǎn)便的方法測(cè)定0 ? 最簡(jiǎn)單的方法是，用直尺分別測(cè)量水箱內(nèi)通大氣情況下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的 垂直高度hw和ho，由式 whwoho求得0。 2）如測(cè)壓管太細(xì)，對(duì)測(cè)壓管液面的讀數(shù)將有何影響？ 設(shè)被測(cè)液體為水，如測(cè)壓管太細(xì)，測(cè)壓管液面因毛細(xì)現(xiàn)象而升高，會(huì)造成測(cè)量誤差，毛細(xì)高度由下 式計(jì)算： ,4 cos h d 式中， 為表面張力系數(shù)；為液體容重；d為測(cè)壓管內(nèi)徑；h為毛細(xì)升高。 常溫（t=20C）的水，=7.28dyn/mm , =o.98dyn/mm3。水與玻璃的浸潤(rùn)角 很小，

6、可認(rèn)為 cos -1.0。于是有 h 297 d（ h、d單位均為mm） 般來(lái)說(shuō)，當(dāng)玻璃測(cè)壓管的內(nèi)徑大于10mm時(shí)，毛細(xì)影響可忽略不計(jì)。另外，當(dāng)水質(zhì)不潔時(shí), 減小，毛細(xì)高度也較靜水?。划?dāng)采用有機(jī)玻璃管作測(cè)壓管時(shí)，浸潤(rùn)角 較大，其h較普通玻璃管小。 如果用一根測(cè)壓管測(cè)量液體相對(duì)壓差值，則毛細(xì)現(xiàn)象無(wú)任何影響。因?yàn)闇y(cè)量高、低壓強(qiáng)時(shí)均有毛細(xì) 現(xiàn)象，但在計(jì)算壓差時(shí)，互相抵消了。 3）過(guò)C點(diǎn)作一水平面，相對(duì)管1、2、5及水箱中液體而言，這個(gè)水平面是否等壓面？哪一部分液體 是同一等壓面？ 不全是等壓面，他僅相對(duì)管1、2及水箱中的而言，這個(gè)水平面才是等壓面。因?yàn)橹挥腥烤邆湎?列5個(gè)條件的平面才是等壓面：重力

7、液體；靜止；連通；連通介質(zhì)為同一均質(zhì)液體；同一 水平面。上述問(wèn)題中，管5與水箱之間不符合條件，因此，相對(duì)管5和水箱中的液體而言，該水平面不是等壓面。 2、實(shí)驗(yàn)思考題： 1）同一靜止液體內(nèi)的測(cè)管水頭線是一根什么線？ 2）當(dāng)B0時(shí)，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定真空度大小及所在區(qū)域。 文透里流量計(jì)實(shí)驗(yàn) (Determine of flow with V enturi Pipe) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆?1、掌握文透里流量計(jì)的原理。 2、學(xué)習(xí)用比壓計(jì)測(cè)壓差和用體積法測(cè)流量的實(shí)驗(yàn)技能。 3、利用量測(cè)到的收縮前后兩斷面1-1和2-2的測(cè)管水頭差h ,根據(jù)理論公式計(jì)算管道 并與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行比較，從而對(duì)理論流量進(jìn)行修正

8、，得到流量計(jì)的流量系數(shù)，即 對(duì)文透里 流量計(jì)作出率定。 二、實(shí)驗(yàn)裝置、 壓差計(jì) 星水箱 上水 廠 水箱 水箱 三、實(shí)驗(yàn)原理、 1、文透里管是一種常用的量測(cè)有壓管道流量的裝置，屬壓差式流量計(jì)。它包括“收縮 段”“喉 道”和“擴(kuò)散段”三部分，安裝在需要測(cè)定流量的管道上。在收縮進(jìn)口斷面1-1和喉 道斷面 2-2上設(shè)測(cè)壓孔，連接比壓計(jì)，通過(guò)量測(cè)兩個(gè)斷面的測(cè)管水頭差h，就可計(jì)算管道 的理論 流量Q，再經(jīng)修正得到實(shí)際流量。 定總流 2、 。根據(jù)恒 能量方程，若不考慮水頭損失，速度水頭的增加等于測(cè)管水頭的減?。幢葔河?jì)液 面高差 h），這樣我們就可以通過(guò)量測(cè)到的h建立兩斷面平均流速vi和v2之間的一個(gè)關(guān) 系

9、： h h h2(乙 R) (z R) 2 2g 2g 如果我們假設(shè)動(dòng)能修正系數(shù)12 （乙R）億P） 1.0，則 2 2 V2V1 2g 2g 另一方面，由恒定總流連續(xù)方程有: 所以 于是 解得 Av 2 V2 V2 A2V2,即 V2 2 V1 2 V2 2g 2g 2g h V2A2 dd2g h K . h 最終得到理論流量為： 式中 42g 2 3、流量系數(shù): 流量計(jì)流過(guò)實(shí)際流體時(shí)，由于兩斷面測(cè)管水頭差中還包括了因粘性造成的水頭損失, 流量應(yīng)_ 修正為：實(shí)K h 式中 v 1.0,稱為文透里流量計(jì)的流量系數(shù)。 流量系數(shù)除了反映粘性的影響外，還包括了在推導(dǎo)理論流量時(shí)將斷面動(dòng)能修正系數(shù) 近

10、似取為1.0帶來(lái)的誤差。 流量系數(shù)還體現(xiàn)了漸變流假設(shè)是否得到了嚴(yán)格的滿足這個(gè)因素。對(duì)于文透里流量計(jì)而 言，下游斷面設(shè)置在喉道，可以說(shuō)漸變流假設(shè)得到了嚴(yán)格的滿足。 對(duì)于某確定的流量計(jì)，流量系數(shù)取決于流動(dòng)的雷諾數(shù): 大（流速較高）時(shí)，流量系數(shù)基本不變。 Re V2d2 ，但當(dāng)雷諾數(shù)較 2 量水箱斷面積A= cm 進(jìn)口直徑di = cm喉道直徑d2= cm 四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、 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)，了解用壓差計(jì)測(cè)壓差和用體積法測(cè) 流量的原理和步驟。 2、記錄設(shè)備編號(hào)、水溫及有關(guān)常數(shù)。 3、做好準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)水泵給水箱充水并保持溢流狀態(tài),使水位恒定。 4、檢查下游閥門全開時(shí)

11、，比壓計(jì)測(cè)管水面是否持平，如不平，則需排氣調(diào)平。 5、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)：從最大流量開始，順次減小閥門開度。待水流穩(wěn)定（比壓計(jì)液面穩(wěn) 定）后,測(cè)讀比壓計(jì)讀數(shù)及測(cè)讀流量。順序進(jìn)行8個(gè)測(cè)點(diǎn)以上。 6、本實(shí)驗(yàn)配有計(jì)算機(jī)自動(dòng)量測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)率定過(guò)程中壓差和流量的數(shù)據(jù)自采及處理 7、檢查數(shù)據(jù)記錄是否缺漏？是否有某組數(shù)據(jù)明顯地不合理？若有此情況，進(jìn)行補(bǔ)正 8、 課后整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出流量計(jì)在各種流量下的h，Q理，Q實(shí)，Re和 值, 繪制Qh的率定關(guān)系曲線及 Re曲線。 9、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，閱讀思考問(wèn)題，作簡(jiǎn)要回答。 五、實(shí)驗(yàn)成果及要求、 1、有關(guān)常數(shù)： 儀器編號(hào)： 有關(guān)常數(shù)：水溫T = C 2.5/s

12、cm 記錄及計(jì)算表格 次 測(cè)壓管讀數(shù) 體積 時(shí)間 = Q理= = 數(shù) (cm h2 (cm) (cm （cm3） (s) Re / (cm3/ s kC (cm3/ s Q實(shí)/Q理 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 六、實(shí)驗(yàn)分析及思考題、 1、文透里的實(shí)際流量與理論流量為什么會(huì)有差別？這種差別是由哪些因素造成的? 2、文透里流量計(jì)的流量系數(shù)為什么小于1.0? 3、為什么在實(shí)驗(yàn)中要反復(fù)強(qiáng)調(diào)保持水流恒定的重要性? 4、影響文透里流量系數(shù)的因素有哪些？ 5、文透里流量計(jì)水平或垂直放置對(duì)值有無(wú)影響？ 動(dòng) 量 方 程 實(shí) 驗(yàn) (Momentum Principle) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1、驗(yàn)證不可

13、壓縮流體恒定總流的動(dòng)量方程； 2、通過(guò)對(duì)動(dòng)量與流速、流量、出射角度、動(dòng)量矩等因素間相關(guān)性的分析研究，進(jìn)一步 掌握流體 動(dòng)力學(xué)的動(dòng)量守恒定理； 3、測(cè)定動(dòng)量修正系數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)裝置、 456 739 10 圖1.1動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)裝置圖 1、自循環(huán)供水器；2、實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3、可控硅無(wú)級(jí)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(cè)壓管；9、帶活塞和翼片的抗沖平板；10、上 回水管。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理、 1、計(jì)算機(jī)CAI實(shí)驗(yàn)教學(xué)模擬。 2、測(cè)量活塞中心點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)來(lái)計(jì)算水流的沖力： 利用自動(dòng)反饋原理，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到需要測(cè)量的靜水作用力與射流的沖擊力自動(dòng) 平衡。射 流沖擊

14、在平板上的沖力全部作用在活塞體中，當(dāng)活塞處于穩(wěn)定位置時(shí)，只需測(cè)得活 塞所受到 的靜水作用力，便可足夠精確地得知射流的沖擊力。 3、恒定總流動(dòng)量方程為 Q (2V 21V1) c 圖1.3 圖1.2 取隔離體如圖1.3所示，因滑動(dòng)摩擦阻力水平分力fxv 0.5%Fx，可忽略不計(jì)，故x 方向的動(dòng)量方程化為 F xPc A Vix 式中：hc 作用在活塞形心處的水深; 活塞直徑; Q 射流流量; 射流速度; 動(dòng)量修正系數(shù)。 實(shí)驗(yàn)中，在平衡狀態(tài)下，只要測(cè)得流量Q和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d 和活塞直徑代入上式，便可率定射流的動(dòng)量修正系數(shù)值，并驗(yàn)證動(dòng)量定律。其中，測(cè) 壓管的標(biāo)尺零點(diǎn)已固定在活塞

15、的圓心處，因此液面標(biāo)尺讀數(shù)即為作用在活塞圓心處的 水深 4、測(cè)定本實(shí)驗(yàn)裝置的靈敏度： 為驗(yàn)證本裝置的靈敏度，只要在實(shí)驗(yàn)中的恒定流受力平衡狀態(tài)下，人為地增、減測(cè) 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0.5H mm），活塞在 旋轉(zhuǎn)下亦能有效地克服動(dòng)摩擦力而作軸向位移，開大或減小窄槽:，使過(guò)高的水位降 低或過(guò)低的水位提高，恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。這表明該裝置的靈敏度高邊0.5%, 亦即活塞軸向動(dòng)摩擦力不足總動(dòng)量力的5%。 四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、 1、準(zhǔn)備一一熟悉實(shí)驗(yàn)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、開啟水泵一一打開調(diào)速器開關(guān)，水泵啟動(dòng)23分鐘后，關(guān)閉23秒鐘

16、，以利用回 水排除 離心泵內(nèi)滯留的空氣。 3、調(diào)整測(cè)壓管位置一一待恒定水箱滿頂溢流后，松開測(cè)壓管固定螺絲，調(diào)整方位，要 求測(cè)壓管 垂直、螺絲對(duì)準(zhǔn)十字中心，使活塞轉(zhuǎn)動(dòng)松快，然后旋轉(zhuǎn)螺絲固定好。 4、測(cè)讀水位一一標(biāo)尺的零點(diǎn)已固定在活塞圓心的高程上。當(dāng)測(cè)壓管內(nèi)液面穩(wěn)定后，記 下測(cè)壓管 內(nèi)液面的標(biāo)尺讀數(shù)，即hc值。 5、測(cè)量流量一一用體積法或重量法測(cè)流量時(shí)，每次時(shí)間要求大于20秒，若用電測(cè)儀器 測(cè)量時(shí)， 則需在儀器量程范圍內(nèi)。重復(fù)測(cè)三次再取均值。 6、改變水頭重復(fù)實(shí)驗(yàn)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35步驟重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 五、實(shí)驗(yàn)成果及要

17、求、 實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)No. 活塞直徑D = 1.990 cm 1、記錄有關(guān)常數(shù)： 管嘴內(nèi)徑d = 1.198 cm， 2、編制實(shí)驗(yàn)參數(shù)記錄、計(jì)算表格并填入實(shí)驗(yàn)參數(shù)（見表3.1）。 3、取某一流量，繪出隔離體圖,闡明分析計(jì)算的過(guò)程（參見圖3.2,3.3及表3.1） 測(cè) 次 體積 V 時(shí)間 T 管嘴作 用水頭 H o 活塞作 用水頭 hc 流量 Q 流速 V 動(dòng)量力 F 動(dòng)量修 正系數(shù) 1 1 2 3 4 5 6 六、實(shí)驗(yàn)分析與討論、 1、 實(shí)測(cè) 與公認(rèn)值（=1.021.05）符合與否？試分析原因。 實(shí)測(cè) =1.0342與公認(rèn)值符合良好。（如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉(zhuǎn)所致。為排除 此故障，可用

18、4B鉛筆芯涂抹活塞及活塞套表面）。 2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對(duì)分析射流沖擊無(wú)翼片的平板沿x方向的動(dòng)量方程有無(wú) 影響？為 什么？ 無(wú)影響。 因帶翼片的平板（圖1.4）垂直于x軸，作用在軸心上的力矩T是由射流沖擊平板時(shí)，沿yz平面 通過(guò)翼片造成動(dòng)量矩的差所致，即 TQ Vyz2 COS 22Q Vyz1 COS 訂1Q Vyz2COS 2 D 式中 Q 射流的流量； Vyz1 入流速度在yz平面上的分速; Vyz2 出流速度在yz平面上的分速; 入流速度與圓周切線方向的夾角，接近900； 出流速度與圓周切線方向的夾角; r1.2 分別為內(nèi)、外圓直徑。 圖1.4 該式表明力矩T恒與x方向垂直，動(dòng)量矩僅與y Z平面上的流速分量有關(guān)。也即是說(shuō)平板上附加翼片 后，盡管在射流作用下可獲得力矩，但并不會(huì)產(chǎn)生x方向的附加力，也不會(huì)影響x方向的流速分量。 所以x方向的動(dòng)量方程與平板上設(shè)不設(shè)翼片無(wú)關(guān)。 3、通過(guò)細(xì)導(dǎo)水管的分流，其出流角度與V相同，試問(wèn)對(duì)以上受力分析有無(wú)影響?