工程流體力學實驗報告

1、.工程流體力學實驗報告專業(yè) 油氣儲運 年級 14秋 姓名 萬軍生 學號油氣儲運工程系 流體力學綜合實驗臺（LTZ-15）簡介本實驗臺主要針對流體力學教學中各重要參數(shù)指標進行測定和實驗。把這些單一性能的檢測加以綜合。它是多用途實驗裝置，用此實驗臺可進行下列實驗：雷諾實驗沿程阻力實驗局部阻力實驗能量方程（伯努利方程）實驗文丘里流量計和孔板流量計系數(shù)的測定實驗畢托管測流速和流量的方法實驗裝置如下圖所示實驗一、水靜壓強儀（LSJ-10）一、演示目的1、加深理解靜力學基本方程式及等壓面的概念。2、觀察封閉容器內(nèi)靜止液體表面壓力及其液體內(nèi)部某空間點上的壓力。3、觀察壓力傳遞現(xiàn)象。

2、二、演示原理對密封容器的液體表面加壓時，設其壓力為P0，即P0> Pa。從U形管可以看到有壓差計產(chǎn)生，U形管與密封容器上部連通的一面，液面下降，而與大氣相通的一面，液面上升。由此可知液面下降的表面壓力即是密閉容器內(nèi)液體表面壓力P0，即P0= P0+rgh，h是U形管液面上升的高度。當密閉容器內(nèi)壓力P0下降時U形管內(nèi)的液面呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象，即F0< Pa這時密閉容器內(nèi)液面壓力P0= Pa-rgh，h為液面下降的高度。如果對密閉容的液體表面加壓時，其容器內(nèi)部的壓力向各個方向傳遞測壓管中，可以看到由于A、B、兩點在容器內(nèi)的淹沒深度h不同，在壓力向各點傳遞時，先到A點后到B點。在測壓管中反應

3、出的是A管的液柱先上升而B管的液柱滯后一點也在上升，當停止加壓時，A、B兩點在同一水平面上。三、演示步驟（如圖所示）1、打開閥1，2， 3，4和5向容器內(nèi)加水（加水處即為加壓上升罐）；水位加到“0”位線即可。2、向“U”型管內(nèi)加水，水位加至一半再向視氣罐內(nèi)加水。3、順時針關閉2、3、排氣閥即可向容器內(nèi)加壓。4、把加壓上升罐緩慢上升，U型管出現(xiàn)壓差h，在加壓的同時，觀察左側(cè)A、B管的液柱上升情況。5、打開排氣閥3，使液面恢復到同一水平面上同時可以看到氣體的存在打開閥2使容器內(nèi)的氣體與大氣相等，再關閉排氣閥2、3，打開密閉容器底部放水閥門7，放出一部分水，造成容器內(nèi)壓力下降觀察其產(chǎn)生的現(xiàn)象。實驗二

4、、雷諾實驗一、實驗目的1、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)Reck，掌握圓管流態(tài)判別準則。3、學習古典流體力學中應用無量綱參數(shù)進行實驗研究的方法，并了解其實用意義。二、實驗裝置流體力學綜合實驗臺（LTZ-15）三、實驗原理1、 實際流體的流動會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流、紊流（圖1）它們的區(qū)別在于：流動過程中流體層之間是否發(fā)生摻混現(xiàn)象，在紊流流動中存在隨機變化的脈動量，而在層流流動中則沒有。2、 圓管中恒定流動的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)Re = Vd / n，d是圓管直徑，V是斷面平均流速，n是流體的動力粘滯系數(shù)。3、 實際流體的流動之所以會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動因素與粘性

5、穩(wěn)定作用之間對比和抗衡的結(jié)果。針對圓管中定常流動的情況，容易理解：減小d，減小V，加大n三種途徑都是有利于流動穩(wěn)定的。綜合起來看，小雷諾數(shù)流動趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動穩(wěn)定差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。4、 圓管中定常流動的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時對應的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，又分為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動力必為紊流，它很不穩(wěn)定，跨越一個較大的取值范圍。有實際意義的是下臨界雷諾數(shù)，表示低于此雷諾數(shù)的流動必為層流，有確定的數(shù)值，圓管定常流動的下臨界雷諾數(shù)取為Recr=2300。5、 對相同流量下圓管層流和紊流流動的斷面流速分布作一比較，可以看出層流流速分布呈旋轉(zhuǎn)拋物面，而紊流速度

6、分布則比較均勻呈現(xiàn)對數(shù)或指數(shù)分布，靠近壁面流速梯度比層流時大，（圖2）。四、實驗步驟1、 測記本實驗的有關常數(shù)。2、 觀察兩種流態(tài)。水箱充水至溢流水位，經(jīng)穩(wěn)定后，微微開啟調(diào)節(jié)閥，并注入水顏色于實驗管內(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)，然后逐步開大調(diào)節(jié)閥，由顏色水線的變化來觀察層流轉(zhuǎn)變到紊流的水力現(xiàn)象，待管中出現(xiàn)完全紊流后，再逐步關小調(diào)節(jié)閥，觀察由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯乃ΜF(xiàn)象。3、 測定下臨界雷諾數(shù)。（1）將調(diào)節(jié)閥打開，使管中呈完全紊流，再逐步關小調(diào)節(jié)閥使流量減小，當流量調(diào)節(jié)到使顏色水在全管剛好呈現(xiàn)出一穩(wěn)定直線時，即為下臨界狀態(tài)。（2）待管中出現(xiàn)臨界狀態(tài)時，用體積法測

7、定流量。（3）根據(jù)所測流量計算下臨界雷諾數(shù)，并與公認值（2320）比較，偏離過大，需重測。（4）重新打開調(diào)節(jié)閥，使其形成完全紊流。按上述步驟重復測量不少于三次；【注意】a、每調(diào)節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定幾分鐘；b、關小閥門過程中，只許關小，不許開關。4、 測定上臨界雷諾數(shù)。逐漸開啟調(diào)節(jié)閥，使管中水流由層流過渡到紊流，顏色水線剛開始散開時，即為上臨界狀態(tài)，測定計算上臨界雷諾數(shù)1-2次。五、實驗數(shù)據(jù)及整整1、記錄、計算有關常數(shù)：實驗管徑 d = f14 水溫t= 2、整理、記錄計算表實驗次數(shù)顏色水線形態(tài)水體積V(m³)時間T (s)流量Q(cm³/s)流速V(cm/s)雷諾數(shù)Re

8、閥門開度增（）或減（）實測下臨界雷諾數(shù)（平均值）Recr=【注】顏色水線形態(tài)指：穩(wěn)定直線，穩(wěn)定略彎曲，直線擺動，直線抖動，斷續(xù)，完全散開等。六、分析與思考1、流態(tài)判據(jù)為何采用無量綱參數(shù)。而不采用臨界流速？2、為何認為上臨界雷諾數(shù)無實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判據(jù)？實測下臨界雷諾數(shù)為多少？3、分析實驗誤差的原因。實驗三、沿程阻力系數(shù)測定一、實驗目的1、學會測定管道沿程水頭損失系數(shù)的方法；2、掌握圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的規(guī)律，繪制曲線；3、掌握管道沿程阻力損失系數(shù)的測量方法和氣水壓差計及電測壓差計測量壓差的方法。4、將實測得到的結(jié)果與莫迪圖作對比分析。二、實驗裝置流

9、體力學綜合實驗臺（LTZ-15）三、實驗原理1、對于通過直徑不變的圓管的恒定水流，沿程水頭損失為 其值為上下游量測斷面的壓差計讀數(shù)。沿程水頭損失也常表達為 其中：為沿程水頭損失系數(shù)；L為上下游量測斷面之間的管段長度；d為管道直；V為斷面平均流速。若在實驗中測得h和斷面平均流速，則可直接得到沿程水頭損失系數(shù)。2、不同流動形態(tài)的沿程水頭損失與斷面平均流速的關系是不同的。層流流動中的沿程水頭損失與斷面平均流速的1次方成正比。紊流流動中的沿程水頭損失與斷面平均流速的1.752.0次方成正比。見圖1、圖2。3、沿程水頭損失系數(shù)是相對粗糙度/d與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，為管壁的粗糙度，Re=Vd/n（其中n為水

10、的運動粘滯系數(shù)）。（1） 對于圓管層流流動（2） 對于水力滑管紊流流動可取可見在層流和紊流光滑管區(qū)，沿程水頭損失系數(shù)只取決于雷諾數(shù)。（3） 對于水力粗糙管紊流流動沿程水頭損失系數(shù)完全由粗糙度決定，與雷諾數(shù)無關，此時沿程水頭損失與斷面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙管區(qū)通常也叫做“阻力平方區(qū)”。（4）對于在紊流光滑區(qū)和紊流粗糙管區(qū)之間存在過渡區(qū)，沿程水頭損失系數(shù)與雷諾數(shù)和粗糙度都有關。四、實驗步驟1、對照裝置圖和說明，搞清各組成部件的名稱、作用及其工作原理；檢查蓄水箱水位是否夠高。否則予以補水并關閉閥門；記錄有關實驗常數(shù)：工作管內(nèi)徑d和實驗管長L。2、接通電源，啟動水泵。打開供水閥。3、調(diào)通量

11、測系統(tǒng)：（1）啟動水泵排除管道中的氣體。（2）關閉出水閥，排除其中的氣體。隨后，關閉進水閥，開出水閥，使水壓計的液面降至標尺零附近。再次開啟進水閥并立即關閉出水閥，稍候片刻檢查水位是否齊平，如不平則需重調(diào)。（3）氣水壓差計水位齊平。（4）實驗裝置通水排氣后，即可進行實驗測量。在進水閥全開的前提下，逐次開大出水閥，每次調(diào)節(jié)流量時，均需穩(wěn)定2-3分鐘，流量愈小，穩(wěn)定時間愈長；測流量時間不小于8-10秒；測流量的同時，需測記壓差計讀數(shù)；（5）結(jié)束實驗前，關閉出水閥，檢查水壓計是否指示為零，若均為零，則關閉進水閥，切斷電源。否則，表明壓力計已進氣，需重做實驗。五、實驗數(shù)據(jù)及整理1、有關常數(shù)d = f1

12、4 L=1000 水溫= 2、記錄及計算3、繪圖分析繪制LgVlghf曲線，并確定指數(shù)關系值n的大小。在坐標紙上以LgV為橫坐標，以lghf為縱坐標，點繪所測的LgVlghf關系曲線，根據(jù)具體情況連成一段或幾段直線。求坐標上直線的斜率 將從圖紙上求得n值與已知各流區(qū)的n值（即層流n=1，光滑管流區(qū)n=1.75，粗糙管紊流區(qū)n=2.0，紊流過渡區(qū)1.75<n<2.0）進行比較，確定流態(tài)區(qū)。六、分析與思考1、 為什么壓差計的水柱差就是沿程水頭損失？如果實驗管道安裝得不水平，是否影響實驗結(jié)果？2、 本次實驗結(jié)果與莫迪圖吻合與否？分析原因。3、 實驗中的誤差主要由哪些環(huán)節(jié)產(chǎn)生？表1記錄及計

13、算次序體積³時間s流量qv³/s流速V/s水溫粘 度²/s雷諾數(shù)Re差壓計沿程損失hf沿程損失系數(shù)Re<2320=64/ Re1234567891011121314實驗四、局部阻力系數(shù)的測定一、實驗目的1、學會利用三點法量測突擴圓管局部阻力損失系數(shù)的方法。2、學會利用四點法量測突縮管路局部阻力損失系數(shù)的方法。3、加深對局部阻力損失的感性認識及對局部阻力損失機理的理解。二、實驗裝置流體力學綜合實驗臺（LTZ-15）三、實驗原理1、有壓管道恒定流遇到管道邊界局部突變的情況時，流動會分離形成剪切層， 剪切層流動不穩(wěn)定，引起流動結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，并產(chǎn)生旋渦，造成不可逆

14、的能量耗散。與沿程因摩擦造成的分布損失不同，這部分損失可以看成是集中在管道邊界的突變處，單位質(zhì)量流體的能量損失稱為局部水頭損失，參見圖1。2、局部水頭損失系數(shù)是局部水頭損失與速度水頭的比例系數(shù)，即 當上下游斷面平均流速不同時，應明確它對應的是那個速度水頭。例如對于突擴圓管就有之分。其他情況的局部水頭損失系數(shù)在查表或使用經(jīng)驗公式確定時也應該注意這一點。通常情況下對應下游的速度水頭。3、局部水頭損失的機理復雜，除了突擴圓管的情況以外，一般難于用解析方法確定，而要通過實測來得到各種局部水頭損失系數(shù)。對于突擴圓管，在不考慮突擴段沿程阻力損失的前提下，可推導出局部阻力損失因數(shù)的表達式對于突縮圓管，局部阻

15、力損失因數(shù)的經(jīng)驗公式：四、實驗步驟1、做好實驗前的各項準備工作，記錄與實驗有關的常數(shù)。2、往恒壓水箱中充水，排除實驗管道中的滯留氣體。待水箱溢流后，檢查泄水閥全關時，各測壓管液面是否齊平，若不平，則需排氣調(diào)平。3、打開泄水閥至最大開度，等流量穩(wěn)定后，測記測壓管讀數(shù)，同時用體積法測量流量。4、調(diào)整泄水閥不同開度，重復上述過程5次，分別測記測壓管讀數(shù)及流量。5、實驗完成后關閉泄水閥,檢查測壓管液面是否齊平，如平齊，關閉電源實驗結(jié)束，否則，需重做。五、實驗數(shù)據(jù)及整理d1= f14 d2= f26 d3= f14 水溫= 次序流 量 ³/s測 壓 管 讀 數(shù) 體積時間流量實驗數(shù)據(jù)整理表阻力形

16、式序號流量³/s后斷面流速V/s總阻力h沿程阻力h局部阻力h阻力因素實阻力因素計突然 擴大突然 縮小六、分析與思考1、 結(jié)合實驗成果，分析比較突擴與突縮在相應條件下下的局部損失大小。2、 結(jié)合流動儀演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機理何在？產(chǎn)生突擴與突縮局部阻力損失的主要因素是哪些？怎樣減小局部阻力損失？3、 將實驗測得到的值與理論公式計算值（突擴）與經(jīng)驗公式值（突縮）相比較，并對結(jié)果作出分析。實驗五、伯努利方程實驗一、實驗目的1、驗證流體恒定總流的能量方程；2、通過對流體力學諸多水力現(xiàn)象的實驗分析研究，進一步掌握有壓管流體動力學的能量轉(zhuǎn)換特性；3、掌握流速、流量、壓強等要素的實驗量

17、測技能。二、實驗裝置流體力學綜合實驗臺（LTZ-15）三、實驗原理在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過水斷面。可以列出進口斷面（1）至另一斷面（i）的能量方程式（I=2,3,n）取a1=a2=an=1，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出Z+（P/rg）值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速V及aV²/2g，從而即可得到各斷面測壓管水頭和總水頭四、實驗步驟1、熟悉實驗設備，分清哪些管是靜壓管，哪些是畢托管測壓管，以及兩者功能的區(qū)別。2、供水使水箱充滿水，待水箱溢流，檢查調(diào)節(jié)閥關閉后所有全壓管水面是否齊平。如不平則需查明故障原因（例如連通管受阻、漏氣或夾氣泡等）并加以排除，

18、直至調(diào)平。3、打開調(diào)節(jié)閥，觀察思考（1）測壓水頭線和總水頭線的變化趨勢；（2）位置水頭，壓強水頭之間的相互關系；（3）流量增加或減少時測管水頭如何變化？4、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)，同時測記實驗流量。5、改變流量2次，重復上述測量。五、實驗數(shù)據(jù)及整理1、記錄有關常數(shù)d1= f14 d2= f26 根據(jù)以上公式計算某一工況各測點處的軸心速度和平均流速填入表格，可驗證出連續(xù)性方程。對于不可壓縮流體穩(wěn)定的流動，當流量一定時，管徑粗的地方流速小，細的地方流速大。 序號 項目1234點速度Vp（m/s）平均速度V（m/s）管內(nèi)徑（）（3）觀察和計算流體、流徑，能量方程實驗管對能量損

19、失的情況：在能量方程實驗管上布置四組測壓管，每組能測出全壓和靜壓，全開閥門，觀察總壓沿著水流方向的下降情況，說明流體的總勢能沿著流體的流動方向是減少的，改變給水閥門的開度，同時計量不同閥門開度下的流量及相應的四組測壓管液柱高度，進行記錄和計算。能量方程實驗管工況點實驗數(shù)據(jù)記錄： 液柱高序號1234流量m³/S全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓一二能量方程管中心高位置水頭能量方程管內(nèi)徑d1= f14 d1= f26 靜水頭六、分析與思考1、測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什么？2、流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？實驗六、文丘里流量計和孔板流量計系數(shù)的測定實驗一、實驗目

20、的1、 掌握文丘里流量計的工作原理和修正系數(shù)的測量方法；2、 掌握壓差計的使用方法和體積法測流量的實驗技能；3、 掌握能量方程和連續(xù)性方程的使用原則；4、 學會用孔板流量計測量流量。二、實驗裝置流體力學綜合實驗臺（LTZ-15）三、實驗原理1、文丘里流量計是一種常用的管道流量的測量儀，見圖1，屬壓差式流量計。它由“收縮段”、“喉部”、和“擴散段”三部分組成，安裝在需要測定流量的管路上。在收縮段進口斷面1-1和喉部斷面2-2上設測壓孔，并接上比壓計，通過測量兩個斷面的測管水頭差h。就可計算管道的理論qv，再經(jīng)修正得到實際流量qvs。2、理論流量：不考慮水頭損失，速度水頭的增加等于測管水頭的減?。幢葔河嬕好娓卟頷）通過測得的h，建立兩斷在平均流速V1和V2之間的一個關系：如果我們假設動能修正系數(shù)a1=a2=1，則 另一方面，由恒定總流連續(xù)方程有 所以 于是 解得最終得到理論流量為 式中3、際流量：用量筒測量水的實際流量qvs。4、流量因數(shù)：（1）流量計流過實際流體時，兩斷面測管水頭差中包括了粘性造成的水頭損失，這導致計算出的理論流量偏大。（2）對于某確定的流量計，流量因數(shù)還取決于流動的雷諾數(shù)：Re=V2d2/n，但當雷諾數(shù)較大（流速較高）時，流量因數(shù)基本不變。5、孔板流量計的原理流體流過孔板時