流體力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、流體力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書編寫：張進(jìn)審核：何國毅、史衛(wèi)成南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院飛行器設(shè)計(jì)與工程系實(shí)驗(yàn)一不可壓縮流體定常流能量方程實(shí)驗(yàn)（伯努利方程實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?驗(yàn)證不可壓定常流的能量方程；2通過對(duì)流體動(dòng)力學(xué)諸多水力現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)分析研討，進(jìn)一步掌握有壓管流中的能量轉(zhuǎn)換特性；3掌握流速、流量、壓強(qiáng)等流體動(dòng)力學(xué)水力要素的實(shí)驗(yàn)量測(cè)技能。二、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示：圖自循環(huán)能量方程實(shí)驗(yàn)裝置圖l自循環(huán)供水器2. 實(shí)驗(yàn)臺(tái)3 可控硅無級(jí)調(diào)速器4溢流板5穩(wěn)水孔板6 恒壓水箱7 測(cè)壓計(jì)8 滑動(dòng)測(cè)量尺9 測(cè)壓管10實(shí)驗(yàn)管道11 測(cè)壓點(diǎn)12 畢托管13 實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥說明：儀器測(cè)壓管有兩種：用畢托管測(cè)壓管

2、探頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)量處的軸心位置，測(cè)量該點(diǎn)的總水頭H（=Z+），測(cè)得軸心處速度。須注意一般情況下H與斷面總水頭H（ =Z）不同（因一般u v），它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢(shì)； 普通測(cè)壓管用以定量量測(cè)測(cè)壓管水頭 （ 位置水頭與 壓強(qiáng)水頭之和）。實(shí)驗(yàn)流量用閥13 調(diào)節(jié)，流量由體積時(shí)間法或重量時(shí)間法測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)驗(yàn)管路中沿管內(nèi)水流方向取n個(gè)過水?dāng)嗝妗?可以列出進(jìn)口斷面（ 1）至另一斷面 （ i ）的能量方程式（i=2 ， 3,n ）Z = Z +h取=1, 選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測(cè)壓管中讀出Z+值；測(cè)出通過管路的流量，即可計(jì)算出斷面平均流速v及，從而得到各斷面測(cè)管水頭和總水頭。四、實(shí)

3、驗(yàn)方法與步驟1熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分清哪些管是普通測(cè)壓管，哪些是畢托管測(cè)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)閉后所有測(cè)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、漏氣或夾氣泡等）并加以排除， 直至調(diào)平。3打開調(diào)節(jié)閥13，觀察思考：1）測(cè)壓水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)；2） 位置水頭 、壓強(qiáng)水頭 之間的相互關(guān)系；3）流量增加或減少時(shí)測(cè)管水頭如何變化？4調(diào)節(jié)閥 13開度，待流量穩(wěn)定后，測(cè)記各測(cè)壓管液面讀數(shù)，同時(shí)測(cè)記實(shí)驗(yàn)流量。5改變流量 2次，重復(fù)上述測(cè)量。 其中一次閥門開度大到使19號(hào)測(cè)管液面接近標(biāo)尺零點(diǎn)。6收拾實(shí)驗(yàn)臺(tái)，整理數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及整理1記

4、錄有關(guān)常數(shù)：表 1不同工況下各測(cè)量點(diǎn)處實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄液柱高9/1011/1213/1415/16流量序號(hào)總壓靜壓總壓靜壓總壓靜壓總壓靜壓Q(m 3/s)1234表 2表 1中工況（流量 Q=）各測(cè)量點(diǎn)處的軸心速度和平均流速測(cè)量處9/1011/1213/1415/16項(xiàng)目軸心點(diǎn)處速度V p(m/s)管內(nèi)徑（ mm）平均速度 V（ m/s）速度水頭(m)六、實(shí)驗(yàn)分析及討論1測(cè)壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)有何不同？為什么？2流量增加，測(cè)壓管水頭線有何變化？為什么？實(shí)驗(yàn)二文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、掌握文丘里流量計(jì)的原理。2、掌握壓差計(jì)的使用方法和體積法測(cè)流量的實(shí)驗(yàn)技能。3、利用收縮前后兩斷

5、面 17 和 18 的測(cè)管水頭差，根據(jù)理論公式計(jì)算管道流量，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，得到流量計(jì)的流量系數(shù) ，即對(duì)文丘里流量計(jì)作出率定。二、實(shí)驗(yàn)裝置圖一文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置圖1.自循環(huán)供水器2.實(shí)驗(yàn)臺(tái)3.可控硅無級(jí)調(diào)速器4.恒壓水箱5.溢流板6.穩(wěn)水孔板7.文丘里實(shí)驗(yàn)管段8.測(cè)壓計(jì)氣閥9.測(cè)壓計(jì)10.滑尺11.多管壓差計(jì)12. 實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥三 實(shí)驗(yàn)原理如果能求得任一斷面的流速 v, 然后乘以面積 A, 即可求得流量 Q 。對(duì)于文丘里管前斷面及喉管處 , 處于該兩處面積分別為 A17、A18 只要測(cè)得該兩處流速 v , 便可測(cè)得流量 Q 。為此 , 我們可根據(jù)能量方程式和連

6、續(xù)性方程式對(duì)該兩斷面立方程求解。取管軸線為基準(zhǔn) , 并且不計(jì)阻力作用時(shí)(1)即(2)由式 (1)、 (2)可解得因此(3)(4)(3)、(4)式中，h 為兩斷面測(cè)壓管水頭差：然而，由于阻力的存在 , 用量筒測(cè)量的實(shí)際流量Q 恒小于此方法所測(cè)得的流量 Q。今引入一個(gè)無量綱系數(shù)（文丘里管的流量系數(shù)）：(5)四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、1、查閱用壓差計(jì)和用體積測(cè)量流量的原理和方法；2、對(duì)照實(shí)物了解儀器設(shè)備的使用方法和操作步驟；3、啟動(dòng)水泵給水箱充水并保持溢流狀態(tài)，使水位恒定。4、檢查下游閥門關(guān)閉時(shí)，壓差計(jì)各個(gè)測(cè)管水面是否處于同一平面上。如不平，則需排氣調(diào)平；5、錄斷面管徑等數(shù)據(jù)；6、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)：從最大流量

7、開始，開啟下游閥門，使壓差計(jì)上出現(xiàn)最大的值，待水流穩(wěn)定（比壓計(jì)液面穩(wěn)定）后，再進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)據(jù)記錄入表中；7、依次減小閥門開度，分別待水流穩(wěn)定（比壓計(jì)液面穩(wěn)定）后，重復(fù)上述步驟8 次，并按序記錄數(shù)據(jù)；8、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)測(cè)。9、課后整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出流量計(jì)在各種流量下的和值，繪制的率定關(guān)系曲線及曲線。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求、1、有關(guān)常數(shù)：有關(guān)常數(shù)：水溫=cm2/s進(jìn)口直徑=1.4喉道直徑=0.8記錄及計(jì)算表格=次測(cè)壓管讀數(shù) cm數(shù)1234567cm33cm /scm /s8六、實(shí)驗(yàn)分析及思考題1、文丘里的實(shí)際流量與理論流量為什么會(huì)有差別？這種差

8、別是由哪些因素造成的？2、文丘里流量計(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、影響文丘里流量系數(shù)的因素有哪些？5、文丘里流量計(jì)水平或垂直放置對(duì)值有無影響？實(shí)驗(yàn)三 雷諾實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀察層流和紊流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換特征。2. 通過臨界雷諾數(shù)，掌握?qǐng)A管流態(tài)判別準(zhǔn)則。二、實(shí)驗(yàn)原理1、實(shí)際流體的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流，它們的區(qū)別在于：流動(dòng)過程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動(dòng)中存在隨機(jī)變化的脈動(dòng)量，而在層流流動(dòng)中則沒有，如圖1 所示。2、圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)。雷諾 :式中流體斷面體積流量d圓管直徑流體的運(yùn)動(dòng)粘度圖 1

9、三種流態(tài)示意圖在本實(shí)驗(yàn)中，流體是水。水的運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的關(guān)系可用泊肅葉和斯托克斯提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算式中水在時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度，；水的溫度，。3、判別流體流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素是臨界速度。臨界速度隨流體的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改變。 流體從層流到紊流的過渡時(shí)的速度稱為上臨界流速，從紊流到層流的過渡時(shí)的速度為下臨界流速。4、圓管中定常流動(dòng)的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，對(duì)應(yīng)于上、下臨界速度的雷諾數(shù)， 稱為上臨界雷諾數(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(dòng)必為紊流，它很不確定， 跨越一個(gè)較大的取值范圍。 而且極不穩(wěn)定，只要稍有干擾，流態(tài)即發(fā)生變化。上臨界雷諾數(shù)常隨實(shí)驗(yàn)環(huán)境、流動(dòng)

10、的起始狀態(tài)不同有所不同。因此，上臨界雷諾數(shù)在工程技術(shù)中沒有實(shí)用意義。有實(shí)際意義的是下臨界雷諾數(shù)，它表示低于此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為層流，有確定的取值。 通常均以它作為判別流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則，即Re < 2320時(shí)，層流Re > 2320時(shí)，紊流該值是圓形光滑管或近于光滑管的數(shù)值，工程實(shí)際中一般取Re = 2000 。5、實(shí)際流體的流動(dòng)之所以會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動(dòng)因素與粘性穩(wěn)定作用之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。 針對(duì)圓管中定常流動(dòng)的情況， 容易理解：減小 d ，減小 V ，加大 v 三種途徑都是有利于流動(dòng)穩(wěn)定的。綜合起來看，小雷諾數(shù)流動(dòng)趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動(dòng)穩(wěn)定性差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。6、由于

11、兩種流態(tài)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力特性存在很大的區(qū)別，對(duì)它們加以判別并分別討論是十分必要的。 圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)為層流時(shí)，沿程水頭損失與平均流速成正比，而紊流時(shí)則與平均流速的1.752.0 次方成正比，如圖2 所示。7、通過對(duì)相同流量下圓管層流和紊流流動(dòng)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， 而紊流流速分布則比較均勻， 壁面流速梯度和切應(yīng)力都比層流時(shí)大，如圖 3 所示。圖 2 三種流態(tài)曲線圖 3圓管斷面流速分布三、實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析有關(guān)常數(shù)：管徑d 2.58 cm， 水溫 T ，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)： v cm2/s表 1數(shù)據(jù)記錄表格項(xiàng)目測(cè)流量 (L/h)雷諾數(shù) (Re)顏色水形態(tài)次

12、上臨界雷諾數(shù)1上臨界雷諾數(shù)2上臨界雷諾數(shù)3上臨界雷諾數(shù)平均值：下臨界雷諾數(shù)1下臨界雷諾數(shù)2下臨界雷諾數(shù)3下臨界雷諾數(shù)平均值：注：顏色水形態(tài)指：穩(wěn)定直線，穩(wěn)定略彎曲，直線擺動(dòng)，直線抖動(dòng)，斷續(xù)，完全散開等。下臨界雷諾數(shù)與公認(rèn)值相比，可得誤差為：五、分析思考問題1、層流、紊流兩種水流流態(tài)的外觀表現(xiàn)是怎樣的？2、雷諾數(shù)的物理意義是什么？為什么雷諾數(shù)可以用來判別流態(tài)？3、臨界雷諾數(shù)與哪些因素有關(guān)？為什么上臨界雷諾數(shù)和下臨雷諾數(shù)不一樣？4、流態(tài)判據(jù)為何采用無量綱參數(shù)，而不采用臨界流速？5、破壞層流的主要物理原因是什么？實(shí)驗(yàn)四沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?加深了解圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的

13、規(guī)律，繪制曲線；2掌握管道沿程阻力系數(shù)的量測(cè)技術(shù)和應(yīng)用水壓差計(jì)及電測(cè)儀測(cè)量壓差的方法；3將測(cè)得的關(guān)系值與莫迪圖對(duì)比，分析其合理性，并且與莫迪圖比較，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)成果分析能力。二、實(shí)驗(yàn)原理由達(dá)西公式：得式中，由能量方程對(duì)水平等直徑圓管可得即為壓差計(jì)水柱的高度差。三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、對(duì)照裝置圖和說明，搞清各組成部件的名稱、作用及工作原理；檢查蓄水箱水位是否夠高。否則予以補(bǔ)水并關(guān)閉閥門。2、接通電源，啟動(dòng)水泵排除管道中的氣體。3、關(guān)閉出水閥，排除其中的氣體。隨后，關(guān)閉進(jìn)水閥，開出水閥，使水壓計(jì)的液面降至標(biāo)尺零附近。 再次開啟進(jìn)水閥并立即關(guān)閉出水閥，稍候片刻檢查水位是否齊平，如不平則需重調(diào)。4、氣

14、 - 水壓差計(jì)水位齊平。5、實(shí)驗(yàn)裝置通水排氣后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在進(jìn)水閥全開的前提下，逐次開大出水閥，每次調(diào)節(jié)流量時(shí)，均需穩(wěn)定2-3 分鐘，流量越小，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)；測(cè)流量時(shí)間不小于8-10 秒；測(cè)流量的同時(shí)，需測(cè)記壓差計(jì)讀數(shù)。6、結(jié)束實(shí)驗(yàn)前，關(guān)閉出水閥，檢查水壓計(jì)是否指示為零，如均為零，則關(guān)閉進(jìn)水閥，切斷電源，否則，表明壓力計(jì)已進(jìn)氣，需重新做實(shí)驗(yàn)。7、收拾實(shí)驗(yàn)臺(tái)，整理數(shù)據(jù)。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及整理1、記錄有關(guān)常數(shù)：測(cè)量段長(zhǎng)度100 cm ；圓管直徑1.37 cm ；水溫 T=C；粘度2、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算。記錄及計(jì)算表流量 Q流速 V水壓計(jì)高 cm沿程沿程Re<2320次時(shí)間雷諾數(shù)3損失損失

15、體積 cm序sReh1h2cm系數(shù)123456783、繪圖分析：繪制曲線，并確定指數(shù)關(guān)系值m 的大小。在厘米紙上以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，點(diǎn)繪所測(cè)的關(guān)系曲線，根據(jù)具體情況連成一段或幾段直線。求厘米紙上直線的斜率m =將從圖上求得的值與已知各流區(qū)的值進(jìn)行比較（層流m =1， 光滑管流區(qū)m =1.75 ，粗糙管流區(qū) m =2.0 ，紊流過渡區(qū) 1.75 < m < 2.0 ），確定流區(qū)。五、實(shí)驗(yàn)分析與討論1為什么壓差計(jì)的水柱差就是沿程水頭損失？如實(shí)驗(yàn)管道安裝成傾斜，是否影響實(shí)驗(yàn)成果？2根據(jù)實(shí)測(cè) m值判別本實(shí)驗(yàn)的流區(qū)。實(shí)驗(yàn)五局部阻力損失實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)測(cè)量擴(kuò)張段和收縮段的局部阻力系數(shù)

16、， 然后與圓管突擴(kuò)局部阻力系數(shù)的公式和突縮局部阻力系數(shù)的公式進(jìn)行對(duì)比分析， 從而掌握用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立函數(shù)式的技能。進(jìn)而加深對(duì)局部阻力損失的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理寫出局部阻力前后兩斷面的能量方程，根據(jù)推導(dǎo)條件，扣除沿程水頭損失可得：1突然擴(kuò)大（忽略沿程損失）實(shí)測(cè)局部水頭損失：局部損失因子：理論局部損失因子：理論局部水頭損失：2突然縮小（忽略沿程損失）實(shí)測(cè)局部水頭損失：局部損失因子：下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中的速度應(yīng)取小管徑中的速度值:局部損失因子：局部水頭損失：三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置圖1. 自循環(huán)供水器； 2. 實(shí)驗(yàn)臺(tái)； 3. 可控硅無級(jí)調(diào)速器； 4. 恒壓水箱； 5. 溢流板； 6. 穩(wěn)水孔板； 7. 突然擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)管段； 8. 測(cè)壓計(jì)； 9. 滑動(dòng)測(cè)量尺； 10. 測(cè)壓管； 11. 突然收縮實(shí)驗(yàn)管段； 12. 流量調(diào)節(jié)閥；四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1測(cè)記實(shí)驗(yàn)有關(guān)常數(shù)。2打開電源開關(guān)，使恒壓水箱充水，排除實(shí)驗(yàn)管道中的滯留氣體。3打開出水閥至最大開度，待流量穩(wěn)定后，測(cè)記測(cè)壓管讀數(shù)，同時(shí)用體積法測(cè)記流量。4改變出水閥開度34 次，分別測(cè)記測(cè)壓管讀數(shù)及流量。5實(shí)驗(yàn)完成。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及整理1、記