工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(石油工程)

1、工程流體力學(xué) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)開(kāi) 課 單 位 :機(jī)械電子工程系開(kāi)課實(shí)驗(yàn)室:機(jī)械電子工程系流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室編寫(xiě):鄧曉剛審核:李良(三伯努利能量方程實(shí)驗(yàn)測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察流體流經(jīng)能量方程試驗(yàn)管的能量轉(zhuǎn)化情況,對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析,加深對(duì) 能量方程的理解;2、掌握流速、流量、壓強(qiáng)等動(dòng)水力學(xué)水力要素的實(shí)驗(yàn)量測(cè)技能: 3、驗(yàn)證靜壓原理。4、進(jìn)一步掌握有壓管流中,動(dòng)能、壓能和位置能三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 5、測(cè)定管道的測(cè)壓管水頭和總水頭值,并繪制管道的測(cè)壓管水頭線及總水頭線。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)臺(tái)由壓差板、實(shí)驗(yàn)管道、水泵、實(shí)驗(yàn)桌和計(jì)量水箱等組成。 圖 3.1 能 量 方 程 實(shí) 驗(yàn) 臺(tái) 示 意 圖每一組測(cè)

2、壓管都有兩種不同的測(cè)點(diǎn)位置:一種是測(cè)點(diǎn)處于管道中心位置,稱(chēng)為畢托管測(cè)壓管(后續(xù)課堂內(nèi)容會(huì)講到 ,測(cè)量對(duì)應(yīng)截面的總水頭 g u g p Z H 22+=(全壓 。注意這里的速度 u 為管道中心處的點(diǎn)流速,與截面平均速 度 v 有所差異。但在紊流狀態(tài)下兩者之間差異有限。另一種是測(cè)點(diǎn)處于管道壁面,稱(chēng)為普通測(cè)壓管,測(cè)量對(duì)應(yīng)截面的靜壓頭,即只包含 Z 和gp 兩項(xiàng)。全壓與靜壓之差,稱(chēng)為動(dòng)壓,即 gu 22。三、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作1、熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備,分清畢托管測(cè)壓管和普通測(cè)壓管的區(qū)別以及各自表征的物理量。 2、接上各導(dǎo)壓膠管;3、檢驗(yàn)測(cè)壓板是否與水平線垂直;4、啟動(dòng)電泵使水工作循環(huán),檢查各處是否有漏水的現(xiàn)象。5、

3、用手堵住出水口突然放水,重復(fù)幾次,直至使實(shí)驗(yàn)管中的氣泡排除。關(guān)閉尾閥,檢查各 個(gè)測(cè)壓管水位高度是否在同一水平線上, 如果不在同一水平線上, 說(shuō)明有氣泡存在, 必須全部排 除。否則測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)效。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、驗(yàn)證靜壓原理:啟動(dòng)電泵, 關(guān)閉給水閥, 此時(shí)能量方程試驗(yàn)管上各個(gè)測(cè)壓管的液柱高度相同,因管內(nèi)的水不 流動(dòng)沒(méi)有流動(dòng)損失, 因此靜水頭的連線為一平行基準(zhǔn)線的水平線, 即在靜止不可壓縮均勻重力流 體中,任意點(diǎn)單位重量的位勢(shì)能和壓力勢(shì)能之和(總勢(shì)能保持不變,測(cè)點(diǎn)的高度和測(cè)點(diǎn)位置的 前后無(wú)關(guān),記下四組數(shù)據(jù)于表二的最下方格中。2、測(cè)速:能量方程試驗(yàn)管上的四組測(cè)壓管的任一組都相當(dāng)于一個(gè)畢托管, 可測(cè)得管

4、內(nèi)任一點(diǎn)的流體點(diǎn) 速度, 本試驗(yàn)已將測(cè)壓管開(kāi)口位置在能量方程試驗(yàn)管的軸心, 故所測(cè)得的動(dòng)壓為軸心處的,即最 大速度。畢托管求點(diǎn)速度公式: gh u 2=利用這一公式和求平均流速公式(F Q V /=計(jì)算某一工況(如表中工況 2平均速度欄 各測(cè)點(diǎn)處的軸心速度和平均流速得到表 3.1。在能量方程中,使用截面平均流速 v=Q/A。表 3.1 3、觀察計(jì)算流體、管徑,能量方程試驗(yàn)管(伯努利管對(duì)能量損失的情況:在能量方程試驗(yàn)管上布置八對(duì)測(cè)壓管,測(cè)量 1-1、 2-2、 3-3、 4-4、 5-5、 6-6、 7-7、 8-8截面上 的總壓和靜壓, 全開(kāi)給水閥門(mén),觀察總壓沿著水流方向的下降情況,這說(shuō)明流體

5、的總勢(shì)能沿著流 體的流動(dòng)方向是減少的, 改變給水閥門(mén)的開(kāi)度, 同時(shí)用計(jì)量水箱和秒表測(cè)定不同閥門(mén)開(kāi)度下的流 量及相應(yīng)的八組測(cè)壓管液柱高度,記在數(shù)據(jù)表 3.2中。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果,繪出流量下的各種水頭線,并解釋圖中現(xiàn)象。HS能量曲線圖4、自行設(shè)計(jì)一個(gè)表格,用所取得的數(shù)據(jù),計(jì)算突然擴(kuò)大斷面和突然縮小斷面的局部水頭損 失及局部阻力系數(shù)。 (如單獨(dú)開(kāi)設(shè)阻力損失實(shí)驗(yàn),這一部分計(jì)算可以不做 五、結(jié)束實(shí)驗(yàn)全開(kāi)閥門(mén),把管道內(nèi)的水放掉,然后關(guān)閉各閥門(mén)。六、思考1、為什么截面 3和 4的直徑一樣,但截面 3處的動(dòng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截面 4的動(dòng)壓?2、閥門(mén)全關(guān)時(shí),為什么所有截面的水頭高度會(huì)一樣?3、為什么截面 4的動(dòng)壓

6、會(huì)小于截面 1的動(dòng)壓?4、分析表一的數(shù)據(jù),結(jié)合連續(xù)性方程,討論不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),管徑與流速之間的 關(guān)系。表 3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 倆測(cè)點(diǎn)間距離:L 1-2=250mm; L 2-3=332 mm; L 3-4=500 mm; L 4-5=174 mm; L 5-6=250mm4(四雷諾數(shù)的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、用實(shí)驗(yàn)方法觀察液體層流、紊流的流態(tài)區(qū)別及其相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。以加深對(duì)層流、紊流 形態(tài)的感性認(rèn)識(shí)。2、測(cè)定臨界雷諾數(shù),掌握?qǐng)A管流態(tài)判別準(zhǔn)則;3、學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法,并了解其實(shí)用意義。二、實(shí)驗(yàn)裝置 如圖 4.1所示。供水流量由調(diào)速器控 制, 使恒壓水箱 4始終

7、保持溢流狀態(tài), 以 穩(wěn)定進(jìn)口處水體壓力。 穩(wěn)水隔板的作用是 使水面的擾動(dòng)時(shí)間縮短。 有色水調(diào)整流量 后,經(jīng)水管 5注入實(shí)驗(yàn)管道 8,根據(jù)有色 水散開(kāi)與否判別流態(tài)。 為防止自循環(huán)水體 污染, 有色指示水采用自行消色的專(zhuān)用色 水。三、實(shí)驗(yàn)原理同一種液體在同一管道中流動(dòng),當(dāng) 流速不同時(shí), 液體在運(yùn)行中有兩種不同的 流態(tài)。 當(dāng)流速較小時(shí), 管中水流的全部質(zhì)點(diǎn)以平行而不互相混雜的方式分層流動(dòng), 這種形態(tài)的游體流動(dòng)稱(chēng)為層流。 當(dāng)流速較大時(shí), 管中水 流各質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相互混雜的運(yùn)動(dòng),這種形態(tài)的液體流動(dòng)稱(chēng)為紊流。圖 4.1 雷 諾 實(shí) 驗(yàn) 臺(tái)1、 自 循 環(huán) 供 水 器 ; 2、 實(shí) 驗(yàn) 臺(tái) ; 3、 調(diào) 速

8、器 ; 4、 恒 壓 水 箱 ; 5、 有 色 水 水 管 ; 6、 穩(wěn) 水 板 ; 7溢 流 板 ;8、 實(shí) 驗(yàn) 管 道 ; 9-流 量 調(diào) 節(jié) 閥44Re d K KQ d Qvd=實(shí)驗(yàn)中, s m /10126-=。在 106實(shí)驗(yàn)室和 109實(shí)驗(yàn)室中的雷諾實(shí)驗(yàn)儀器,直徑值不同。 請(qǐng)注意記錄 106實(shí)驗(yàn)室中黑板上的原始數(shù)據(jù)。臨界雷諾數(shù)有兩個(gè):當(dāng)流量從 0開(kāi)始逐漸開(kāi)大, 當(dāng)紅線散開(kāi)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)上臨界雷諾數(shù) 1Re c ; 當(dāng)流量由大逐漸關(guān)小, 當(dāng)紅線聚成一條穩(wěn)定直線時(shí), 產(chǎn)生一個(gè)下臨界雷諾數(shù) 2Re c 。 上臨界雷諾數(shù) 受干擾較大, 數(shù)值不穩(wěn)定, 有時(shí)候會(huì)得出臨界雷諾數(shù)高達(dá)幾萬(wàn)的結(jié)果。 而

9、下臨界雷諾數(shù)相對(duì)較穩(wěn) 定。雷諾經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),測(cè)得圓管水流的下臨界雷諾數(shù) 2Re c 為 2320。這也作為了層流、紊流的流 態(tài)判別依據(jù)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、記錄本實(shí)驗(yàn)的有關(guān)常數(shù)(實(shí)驗(yàn)管道直徑 d 、水的運(yùn)動(dòng)粘度 。2、打開(kāi)水泵,使水箱充水至溢流水位。水面穩(wěn)定后,微微開(kāi)啟調(diào)節(jié)閥 9,調(diào)整有色水流量 控制閥,將有色水注入實(shí)驗(yàn)管道內(nèi),有色水形成一直線。再逐步開(kāi)大調(diào)節(jié)閥 9。觀察層流、紊流 兩種流態(tài)的變化。記錄在紊流的幾種不同狀態(tài)下的流量。3、測(cè)定下臨界雷諾數(shù)。將調(diào)節(jié)閥 9開(kāi)得較大,使管中完全紊流。逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥,每調(diào)節(jié) 一次,需等待一段時(shí)間,紅線穩(wěn)定后再觀察其形態(tài),直至紅色水流成一直線為止。此時(shí)表明紊流

10、轉(zhuǎn)化為層流。此時(shí)的雷諾數(shù)稱(chēng)為下臨界雷諾數(shù)。用量筒、秒表測(cè)量此時(shí)的流量,計(jì)算水流速度。4、將調(diào)節(jié)閥 9開(kāi)大,從步驟 3開(kāi)始重復(fù),記錄 3組數(shù)據(jù)。5、將三次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算各次的下臨界雷諾數(shù),記錄在數(shù)據(jù)表中。 注意事項(xiàng):1、緩慢調(diào)節(jié)閥門(mén),尤其當(dāng)流量較小時(shí),每一次的調(diào)節(jié)量要注意控制。每次調(diào)節(jié)閥門(mén)后,都 須等待水流穩(wěn)定,即停留 15秒以上。2、調(diào)節(jié)閥門(mén)的過(guò)程中,只許逐漸關(guān)小閥門(mén),調(diào)節(jié)過(guò)程中不許開(kāi)大閥門(mén)。3、水箱進(jìn)水量調(diào)到合適位置,保持有少量溢水即可。如果進(jìn)水量過(guò)大,將增大水箱液面處 的位置波動(dòng),從而導(dǎo)致管道內(nèi)壓力波動(dòng)。4、 由于上臨界雷諾數(shù)不容易得到一個(gè)固定值,且參考意義不大,所以在實(shí)驗(yàn)中不要

11、求測(cè)定。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算 六、思考1、雷諾數(shù)的量綱是什么?2、如果閥門(mén)從小逐漸開(kāi)大,所得到的上臨界雷諾數(shù)為何數(shù)值有時(shí)候會(huì)較大?3、下臨界雷諾數(shù),在測(cè)量計(jì)算的過(guò)程中,受到哪些因素的影響?(五節(jié)流式流量計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解文德里和孔板流量計(jì)測(cè)流量的原理及其簡(jiǎn)單構(gòu)造。2.繪出壓差與流量的關(guān)系,確定文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì)的系數(shù) 。二、實(shí)驗(yàn)原理文丘里流量計(jì)是在管道中常用的流量計(jì)。它包括收縮段、喉管、擴(kuò)散段三部分。由于喉管過(guò) 水?dāng)嗝娴氖湛s, 該斷面水流動(dòng)能加大, 勢(shì)能減小, 造成收縮段前后斷面壓強(qiáng)不同而產(chǎn)生的勢(shì)能差。 此勢(shì)能差可由壓差計(jì)測(cè)得?？装辶髁坑?jì)原理與文丘里流量計(jì)相同, 根據(jù)能量方

12、程和連續(xù)方程可得出不計(jì)阻力作用時(shí)的文 德里流量計(jì) (孔板流量計(jì) 的流量計(jì)算公式:h K Q =理武中:gdD d D k 242222-=(孔板 ;gD d A k 242-=(文丘里( (2211gp z g p z h +-+= 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件,管道的實(shí)測(cè)流量 Q 實(shí)可由體積法測(cè)出。在實(shí)際液體中,由于阻力的存在,水流通過(guò)文德里流量計(jì) (或孔板流量計(jì) 時(shí)有能量損失,故 實(shí)際通過(guò)的流量 Q 實(shí) 一般比 Q 理 稍小,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí),上式應(yīng)予以修正,實(shí)測(cè)流量與理想流 體情況下的流量之比稱(chēng)為流量系數(shù),即理 實(shí)Q Q = (課本中,孔板流量計(jì)的流量系數(shù),使用符號(hào) 。 三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備與各

13、部分名稱(chēng)如圖 5.1所示。1號(hào) 管2號(hào) 管3號(hào) 管圖 5.1 流 體 力 學(xué) 綜 合 實(shí) 驗(yàn) 臺(tái) 示 意 圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1.熟悉儀器,記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。 ,2.啟動(dòng)水泵,打開(kāi)總進(jìn)水閘閥,使水進(jìn)入管道系統(tǒng);打開(kāi) 1號(hào)管和 2號(hào)管的進(jìn)水閘閥,確 認(rèn)出水管有穩(wěn)定出流。3.檢查壓差計(jì)內(nèi)是否有氣泡。如有氣泡,必須排除干凈。4.分別調(diào)整 1號(hào)管和 2號(hào)管進(jìn)水閘閥,依次增大流量和依次減小流量。量測(cè)各次流量相應(yīng) 的壓差值,使用體積法測(cè)量實(shí)際流量 Q (記錄水箱高度,使用秒表記錄時(shí)間 。每管各做 6次。 將數(shù)據(jù)記錄在表 5.1中。五、注意事項(xiàng)1.改變流量時(shí),需待開(kāi)關(guān)改變后,水流穩(wěn)定之后 (至少需 35分鐘 ,方可記

14、錄。2.當(dāng)管內(nèi)流量較大時(shí),測(cè)壓管內(nèi)水面會(huì)有波動(dòng)現(xiàn)象。可讀取波動(dòng)水面的最高與最低讀數(shù)的 平均值作為該次讀數(shù)。六、思考題1.收縮斷面前與收縮斷面后相比,哪一個(gè)壓強(qiáng)大 ? 為什么?2實(shí)驗(yàn)求出的 m 值是大于 l，還是小于 1？是否合理？ 3每次測(cè)出流量系數(shù) m 值是否是常數(shù)?若不是常數(shù)則與哪些因素有關(guān)? 表 5.1 數(shù)據(jù)記錄和計(jì)算表格 數(shù)據(jù)組數(shù) 1 2 1 號(hào) 管 3 4 5 6 1 2 2 號(hào) 管 3 4 5 6 壓差計(jì)讀數(shù) (cmH2O 水箱高度 時(shí)間（s） 測(cè)量流量 (m /s 3 實(shí)際流量(m3/s 結(jié)論：1 號(hào)管中，流量系數(shù) a = ；2 號(hào)管中，流量系數(shù) m = 10 （六）流動(dòng)阻力水頭

15、損失測(cè)量實(shí)驗(yàn) 一 、實(shí) 驗(yàn) 目 的 和 要求 1、掌握管道沿程阻力系數(shù) l 的測(cè)量技術(shù)； 2、通過(guò)測(cè)定不同雷諾數(shù) Re 時(shí)的沿程阻力系數(shù) l ，掌握 l 與 Re 的影響關(guān)系； 3、測(cè)量彎頭局部阻力系數(shù) x 。 1 號(hào)管 2 號(hào)管 3 號(hào)管 圖 6.1 流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖 二 、實(shí) 驗(yàn) 儀 器 和 設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置如圖 6.1 所示。這臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置可對(duì)不可壓縮流體流經(jīng)管道系統(tǒng)的規(guī)律性進(jìn)行比 較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。 利用這臺(tái)裝置可以進(jìn)行的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下： 1、滯流區(qū)和過(guò)渡區(qū)摩擦系數(shù)的測(cè)定利用 2 號(hào)管進(jìn)行。 （見(jiàn)圖 1，下同） 2、不同直徑的管子湍流區(qū)磨擦系數(shù)的測(cè)定利用 1，3 號(hào)管子。 3

16、、螺旋槽管（相似于粗糙管）摩擦系數(shù)的測(cè)定。 4、認(rèn)識(shí)文丘里流量計(jì)，測(cè)定它的孔流系數(shù)。 11 5、驗(yàn)證孔板流量計(jì)的孔流系數(shù)。 6、對(duì)比孔板和文丘利兩種流量計(jì)的阻力損失。 7、認(rèn)識(shí)畢托管流速計(jì)，利用畢托管測(cè)量管內(nèi)流速。 8、測(cè)量 90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭的局部阻力系數(shù)。 9、測(cè)量截止閥局部阻力系數(shù)。 10、測(cè)量突然擴(kuò)大管局部阻力系數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)將使用 1 號(hào)管（水力光滑管） ，對(duì)層流、紊流狀態(tài)下的沿程阻力損失進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算 分析，弄清沿程阻力損失系數(shù) l 和雷諾數(shù) Re 的關(guān)系。對(duì)彎管局部阻力損失系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，找出 局部阻力損失與速度頭之間的關(guān)系。 1 號(hào)測(cè)管標(biāo)稱(chēng)直徑 40（實(shí)際內(nèi)徑請(qǐng)按樣品管測(cè)量）

17、 ，測(cè)壓孔距為 2000 毫米。 三 、實(shí) 驗(yàn) 原 理 1、沿程阻力系數(shù) l 的測(cè)量與計(jì)算 由達(dá)西公式， hf = l × L v2 × d 2g 而沿程阻力系數(shù) l ，在管道中不同流態(tài)情況下， l 值不相同。在水力光滑管中， l = f (Re ) 式中，d 為管道直徑，L 為研究管段的長(zhǎng)度，hf 為沿程阻力損失水頭，由測(cè)壓管測(cè)量得出；v 為 斷面平均流速，通過(guò)量筒測(cè)單位時(shí)間液體體積求得。 Re = vd 雷諾數(shù) u ，已知水的運(yùn)動(dòng)粘度u = 1´ 10-6 m 2 / s 0.3164 64 l= 4 Re Re ；紊流時(shí)，在水力光滑管內(nèi) 層流時(shí)， l= 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算指定管道內(nèi)的沿程阻力損失系數(shù) l ，并與理論值進(jìn)行比較。 2、彎管局部阻力損失系數(shù)測(cè)量 根據(jù)計(jì)算公式： 實(shí)驗(yàn)中， hj = x × v2 2g hj 通過(guò)測(cè)壓管 2 測(cè)出。計(jì)算出彎管局部阻力損失系數(shù) x 四 、實(shí) 驗(yàn) 步 驟 1、關(guān)閉泵出口閥，再打開(kāi)潛水泵。 2、檢查各測(cè)壓管內(nèi)是否有氣泡存在。如有氣泡，必