工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、工 程 流 體 力 學(xué)實 驗指 導(dǎo) 書 與 報 告華 中 科 技 大 學(xué) 交 通 學(xué) 院性 能 實 驗 室2 00 69(一) 不可壓縮流體恒定流能量方程(伯諾里方程)實驗 一、實驗?zāi)康囊?1驗證流體恒定總流的能量方程； 2通過對動水力學(xué)諸多水力現(xiàn)象的實驗分析研討，進一步掌握有壓管流中動水力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換特性；3掌握流速、流量、壓強等動水力學(xué)水力要素的實驗量測技能。 二、實驗裝置 本實驗的裝置如圖21所示。說明本儀器測壓管有兩種： 1畢托管測壓管(表21中標*的測壓管)，用以測讀畢托管探頭對準點的總水頭，須注意一般下H與斷面總水頭不同(因一般)，它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢； 2普通測

2、壓管(表21未標*者)，用以定量量測測壓管水頭。實驗流量用閥13 調(diào)節(jié)，流量由體積時間法(量筒、秒表另備)、重量時間法(電子稱另備)或電測法測量(以下實驗類同)。 三、實驗原理 在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過水?dāng)嗝?。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，選好基準面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速及，從而即可得到各斷面測管水頭和總水頭。 四、實驗方法與步驟 1熟悉實驗設(shè)備，分清哪些測管是普通測壓管，哪些是畢托管測壓管，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)閉后所有測壓管水面是否

3、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打開閥13，觀察思考 1)測壓管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(guān)系；3)測點(2)、(3)測管水頭同否?為什么? 4)測點(12)、(13)測管水頭是否不同?為什么? 5)當(dāng)流量增加或減少時測管水頭如何變化? 4調(diào)節(jié)閥13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(畢托管供演示用，不必測記讀數(shù))。 5改變流量2次，重復(fù)上述測量。其中一次閥門開度大到使19號測管液面接近標尺零點。 五、實驗成果及要求 1記錄有關(guān)常數(shù)均勻段D1= cm 縮管段D2= cm 擴管段D3=

4、 cm水箱液面高程 cm 上管道軸線高程 cm實驗裝置臺號No_表2.1 管徑記錄表測點編號1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管徑cm兩點間距cm4466413.5610291616注：(1)測點6、7所在斷面內(nèi)徑為D2，測點16、17為D3，余均為D1。 (2)標“*”者為畢托管測點(測點編號見圖22)。 (3)測點2、3為直管均勻流段同一斷面上的兩個測壓點，10、11為彎管非均勻流段同一斷面上的兩個測點。2量測()并記人表2.2表2.2 測記()數(shù)值表 (基準面選在標尺的零點上) 單位：cm測點編號234579101113151719QCm3/s實驗次

5、序123 3計算流速水頭和總水頭。 4繪制上述成果中最大流量下的總水頭線EE和測壓管水頭線PP(軸向尺寸參見圖2.2，總水頭線和測壓管水頭線可以繪在圖2.2上)。 提示： 1PP線依表22數(shù)據(jù)繪制，其中測點10、11、13數(shù)據(jù)不用； 2EE線依表23(2)數(shù)據(jù)繪制，其中測點10、11數(shù)據(jù)不用； 3在等直徑管段EE與PP線平行。圖2.2六、成果分析及討論 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? 3測點2、3和測點10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題?4試問避免喉管(測點7)處形成真空有哪幾種技術(shù)措施?分析改變作用水頭(如抬高或降低水箱

6、的水位)對喉管壓強的影響情況。 5畢托管所顯示的總水頭線與實測繪制的總水頭線一般都略有差異，試分析其原因。表2.3 計算數(shù)值表(1) 流速水頭管徑d(cm)Q= (cm3/s)Q= (cm3/s)Q= (cm3/s)A(cm2)v(cm/s)(cm)A(cm2)v(cm/s)(cm)A(cm2)v(cm/s)(cm)(2) 總水頭() 單位：cm測點編號Q(cm3/s)實驗次序123(二)不可壓縮流體恒定流動量定律實驗 一、實驗?zāi)康囊?1驗證不可壓縮流體恒定流的動量方程； 2. 通過對動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關(guān)性的分析研討，進一步掌握流體動力學(xué)的動量守恒定理； 3了解活塞

7、式動量定律實驗儀原理、構(gòu)造，進一步啟發(fā)與培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的能力。 二、實驗裝置本實驗的裝置如圖31所示。 自循環(huán)供水裝置1由離心式水泵和蓄水箱組合而成。水泵的開啟、流量大小的調(diào)節(jié)均由調(diào)速器3控制。水流經(jīng)供水管供給恒壓水箱5，溢流水經(jīng)回水管流回蓄水箱。流經(jīng)管嘴6的水流形成射流，沖擊帶活塞和翼片的抗沖平板9，并以與入射角成90o的方向離開抗沖平板。抗沖平板在射流沖力和測壓管8中的水壓力作用下處于平衡狀態(tài)?；钊涡乃頷c可由測壓管8測得，由此可求得射流的沖力，即動量力F。沖擊后的棄水經(jīng)集水箱7匯集后，再經(jīng)上回水管10流出，最后經(jīng)漏斗和下回水管流回蓄水箱。 為了自動調(diào)節(jié)測壓管內(nèi)的水位，以使帶活塞的平板

8、受力平衡并減小摩擦阻力對活塞的影響，本實驗裝置應(yīng)用了自動控制的反饋原理和動摩擦減阻技術(shù)，其構(gòu)造如下：帶活塞和翼片的抗沖平板9和帶活塞套的測壓管8如圖3.2所示，該圖是活塞退出活塞套時的分部件示意圖?；钊行脑O(shè)有一細導(dǎo)水管a，進口端位于平板中心，出口端伸出活塞頭部，出口方向與軸向垂直。在平板上設(shè)有翼片b，活塞套上設(shè)有窄槽c。 圖3.2 圖3.3 工作時，在射流沖擊力作用下，水流經(jīng)導(dǎo)水管a向測壓管內(nèi)加水。當(dāng)射流沖擊力大于測壓管內(nèi)水柱對活塞的壓力時，活塞內(nèi)移，窄槽c關(guān)小，水流外溢減少，使測壓管內(nèi)水位升高，水壓力增大。反之，活塞外移，窄槽開大，水流外溢增多，測管內(nèi)水位降低，水壓力減小。在恒定射流沖擊下

9、，經(jīng)短時段的自動調(diào)整，即可達到射流沖擊力和水壓力的平衡狀態(tài)。這時活塞處在半進半出、窄槽部分開啟的位置上，過a流進測壓管的水量和過c外溢的水量相等。由于平板上設(shè)有翼片b，在水流沖擊下，平板帶動活塞旋轉(zhuǎn)，因而克服了活塞在沿軸向滑移時的靜摩擦力。 為驗證本裝置的靈敏度，只要在實驗中的恒定流受力平衡狀態(tài)下，人為地增減測壓管中的液位高度，可發(fā)現(xiàn)即使改變量不足總液柱高度的±5(約0.5lmm)，活塞在旋轉(zhuǎn)下亦能有效地克服動摩擦力而作軸向位移，開大或減小窄槽c，使過高的水位降低或過低的水位提高，恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。這表明該裝置的靈敏度高達0.5，亦即活塞軸向動摩擦力不足總動量力的5。 三、實驗原

10、理 恒定總流動量方程為取脫離體如圖3.3所示，因滑動摩擦阻力水平分力，可忽略不計，故x方向的動量方程化為即 式中： 作用在活塞形心處的水深； D活塞的直徑； Q射流流量； 射流的速度； 動量修正系數(shù)。 實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得流量Q和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可率定射流的動量修正系數(shù)值，并驗證動量定律。其中，測壓管的標尺零點已固毫在活塞的園心處，因此液面標尺讀數(shù)，即為作用在活塞園心處的水深。 四、實驗方法與步驟 1準備 熟悉實驗裝置各部分名稱、結(jié)構(gòu)特征、作用性能，記錄有關(guān)常數(shù)。 2開啟水泵 打開調(diào)速器開關(guān)，水泵啟動23分鐘后，關(guān)閉23秒鐘，以利用回水排

11、除離心式水泵內(nèi)滯留的空氣。 3調(diào)整測壓管位置 待恒壓水箱滿頂溢流后，松開測壓管固定螺絲，調(diào)整方位，要求測壓管垂直、螺絲對準十字中心，使活塞轉(zhuǎn)動松快。然后旋轉(zhuǎn)螺絲固定好。 4測讀水位 標尺的零點已固定在活塞園心的高程上。當(dāng)測壓管內(nèi)液面穩(wěn)定后，記下測壓管內(nèi)液面的標尺讀數(shù)，即hc值。 5測量流量 用體積法或重量法測流量時，每次時間要求大于20秒，若用電測儀測流量時，則須在儀器量程范圍內(nèi)。均需重復(fù)測三次再取均值。 6改變水頭重復(fù)實驗 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)進行實驗。 7驗證對的影響 取下平板活塞，使水流沖擊到活塞套內(nèi)，調(diào)

12、整好位置，使反射水流的回射角度一致，記錄回射角度的目估值、測壓管作用水深hc和管嘴作用水頭Ho。五、實驗成果及要求1記錄有關(guān)常數(shù)。 實驗裝置臺號NO_管嘴內(nèi)徑d= cm，活塞直徑D= cm。2設(shè)計實驗參數(shù)記錄、計算表，并填入實測數(shù)據(jù)。3取某一流量，繪出脫離體圖，闡明分析計算的過程。 六、實驗分析與討論 1實測(平均動量修正系數(shù))與公認值()符合與否？如不符合，試分析原因。 2帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程有無影響?為什么? 3若通過細導(dǎo)水管的分流，其出流角度與相同，對以上受力分析有無影響？ 4滑動摩擦力為什么可以忽略不計?試用實驗來分析驗證的大

13、小，記錄觀察結(jié)果。(提示：平衡時，向測壓管內(nèi)加入或取出1mm左右深的水量，觀察活塞及液位的變化)。 5若不為零，會對實驗結(jié)果帶來什么影響？試結(jié)合實驗步驟7的結(jié)果予以說明。測次體積V時間T管嘴作用水頭Ho活塞作用水頭Hc流量Q流速v動量力F動量修正系數(shù)123(三)畢托管測速實驗 一、實驗?zāi)康暮鸵?1通過對管嘴淹沒出流點流速及點流速系數(shù)的測量，掌握用畢托管測量點流速的技能； 2. 了解普朗特型畢托管的構(gòu)造和適用性，并檢驗其量測精度，進一步明確傳統(tǒng)流體力學(xué)量測儀器的現(xiàn)實作用。 二、實驗裝置 本實驗的裝置如圖41所示。圖41 畢托管買驗裝置圖 1自循環(huán)供水器； 2實驗臺； 3可控硅無級調(diào)速器； 4水

14、位調(diào)節(jié)閥； 5恒壓水箱； 6管嘴； 7畢托管； 8尾水箱與導(dǎo)軌； 9測壓管； 10測壓計； 11滑動測量尺(滑尺)； 12上回水管。 說明 經(jīng)淹沒管嘴6，將高低水箱水位差的位能轉(zhuǎn)換成動能，并用畢托管測出其點流速值。測壓計10的測壓管1、2用以測量高、低水箱位置水頭，測壓管3、4用以測量畢托管的全壓水頭和靜壓水頭。水位調(diào)節(jié)閥4用以改變測點的流速大小。三、實驗原理 (4.1)式中 u畢托管測點處的點流速； c畢托管的校正系數(shù)； 畢托管全壓水頭與靜水壓頭差。 (4.2)聯(lián)立求解上兩式可得 (4.3)式中 u測點處流速，由畢托管測定； 測點流速系數(shù)； H管嘴的作用水頭。 四、實驗方法與步驟 1準備 (

15、a)熟悉實驗裝置各部分名稱、作用性能，搞清構(gòu)造特征、實驗原理。(b)用醫(yī)塑管將上、下游水箱的測點分別與測壓計中的測管1、2相連通。(c)將畢托管對準管嘴，距離管嘴出口處約23cm，上緊固定螺絲。 2開啟水泵 順時針打開調(diào)速器開關(guān)3，將流量調(diào)節(jié)到最大。 3排氣 待上、下游溢流后，用吸氣球(如醫(yī)用洗耳球)放在測壓管口部抽吸，排除畢托管及各連通管中的氣體，用靜水匣罩住畢托管，可檢查測壓計液面是否齊平，液面不齊平可能是空氣沒有排盡，必須重新排氣。 4測記各有關(guān)常數(shù)和實驗參數(shù)，填入實驗表格。 5改變流速 操作調(diào)節(jié)閥4并相應(yīng)調(diào)節(jié)調(diào)速器3，使溢流量適中，共可獲得三個不同恒定水位與相應(yīng)的不同流速。改變流速后，

16、按上述方法重復(fù)測量。 6完成下述實驗項目： (1)分別沿垂向和沿流向改變測點的位置，觀察管嘴淹沒射流的流速分布； (2)在有壓管道測量中，管道直徑相對畢托管的直徑在610倍以內(nèi)時，誤差在25以上，不宜使用。試將畢托管頭部伸入到管嘴中，予以驗證。 7實驗結(jié)束時，按上述3的方法檢查畢托管比壓計是否齊平。 五、實驗成果及要求實驗裝置臺號No_表4.1 記錄計算表 校正系數(shù)c= ，k= cm0.5/s實驗次序上、下游水位差(cm)畢托管水頭差(cm)測點流速(cm/s)測點流速系數(shù)h1h2Hh3h4h六、實驗分析與討論1利用測壓管測量點壓強時，為什么要排氣?怎樣檢驗排凈與否？2畢托管的壓頭差h和管嘴上

17、、下游水位差H之間的大小關(guān)系怎樣?為什么？3所測的流速系數(shù)說明了什么？4據(jù)激光測速儀檢測，距孔口23cm軸心處，其點流速系數(shù)為0996，試問本實驗的畢托管精度如何？如何率定畢托管的校正系數(shù)c？5普朗特畢托管的測速范圍為0.22m/s，流速過小過大都不宜采用，為什么？另，測速時要求探頭對正水流方向(軸向安裝偏差不大于10度)，試說明其原因(低流速可用傾斜壓差計)。6為什么在光、聲、電技術(shù)高度發(fā)展的今天，仍然常用畢托管這一傳統(tǒng)的流體測速儀器？（四）雷諾實驗一、實驗?zāi)康囊?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)，掌握圓管流態(tài)判別準則；3學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無量綱參數(shù)進行實驗研究的方法

18、，并了解其實用意義。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖51所示。 圖51 自循環(huán)雷諾實驗裝置圖 1自循環(huán)供水器； 2實驗臺； 3可控硅無級調(diào)速器； 4恒壓水箱； 5有色水水管； 6穩(wěn)水孔板； 7溢流板； 8實驗管道； 9實驗流量調(diào)節(jié)閥。 供水流量由無級調(diào)速器調(diào)控使恒壓水箱4始終保持微溢流的程度，以提高進口前水體穩(wěn)定度。本恒壓水箱還設(shè)有多道穩(wěn)水隔板，可使穩(wěn)水時間縮短到35分鐘。有色水經(jīng)有色水水管5注入實驗管道8，可據(jù)有色水散開與否判別流態(tài)。為防止自循環(huán)水污染，有色指示水采用自行消色的專用色水。 三、實驗原理四、實驗方法與步驟1. 測記本實驗的有關(guān)常數(shù)。2. 觀察兩種流態(tài)。打開開關(guān)3使水箱充水至溢流水位

19、，經(jīng)穩(wěn)定后，微微開啟調(diào)節(jié)閥9，并注入顏色水于實驗管內(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，通過顏色水直線的變化觀察層流轉(zhuǎn)變到紊流的水力特征，待管中出現(xiàn)完全紊流后，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，觀察由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯乃μ卣鳌?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(guān)小調(diào)節(jié)閥使流量減小。當(dāng)流量調(diào)節(jié)到使顏色水在全管呈現(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，用體積法或電測法測定流量； (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

20、紊流，按照上述步驟重復(fù)測量不少于三次； (5) 同時用水箱中的溫度計測記水溫，從而求得水的運動粘度。注意：a、 每調(diào)節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定幾分鐘；b、 關(guān)小閥門過程中，只許漸小，不許開大；c、 隨出水流量減小，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小開關(guān)（右旋），以減小溢流量引發(fā)的擾動。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，當(dāng)色水線剛開始散開時，即為上臨界狀態(tài)，測定上臨界雷諾數(shù)l2次。五、實驗成果及要求1記錄、計算有關(guān)常數(shù)： 管徑d= cm， 水溫 t 運動粘度 v= 計算常數(shù) K= 2整理、記錄計算表表51實驗次序顏色水線形態(tài)水體積V()時間T(s)流量雷諾數(shù)閥門開度增()或減（)備注實測

21、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，直線抖動，斷續(xù)，完全散開等 六、買驗分析與討論 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雷諾實驗得出的園管流動下臨界雷諾數(shù)為2320，而目前有些教科書中介紹采用的下臨界雷諾數(shù)是2000，原因何在? 4試結(jié)合紊動機理實驗的觀察，分析由層流過渡到紊流的機理何在? 5分析層流和紊流在運動學(xué)特性和動力學(xué)特性方面各有何差異?（五）局部阻力損失實驗一、實驗?zāi)康囊?1掌握三點法、四點法量測局部阻力系數(shù)的技能； 2通過對圓管突擴局部阻力系數(shù)的包達公式和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式的實驗驗證與分析，熟悉用理論分析法和經(jīng)驗法建立函數(shù)式的途徑； 3加深對局部阻力損失機理的理解。 二、實驗裝置 本實驗裝置如圖81所示圖81 局部阻力系數(shù)實驗裝置圖1自循環(huán)供水器； 2實驗臺； 3可控硅無級凋速器； 4恒壓水箱； 5溢流板； 6穩(wěn)水孔板； 7突然擴大實驗管段； 8測壓計； 9滑動測量尺； 10測壓管； 11突然收縮實驗管段； 12實驗流量調(diào)節(jié)閥實驗管道由小大小三種已知管徑的管道組成，共設(shè)有六個測壓孔，測孔13和36分別測量突擴和突縮的局部阻力系數(shù)。其中測孔1位于突擴界面處，用以測量小管出口端壓強值。三、