工程流體力學實驗報告代學生樣版

工程流體力學實驗指導書與報告毛根海編著杭州源流科技有限公司毛根海專家團隊2023年3月

目錄2-1流體靜力學綜合型實驗....................................................................12-2恒定總流伯努利方程綜合性實驗......................................................82-3文丘里綜合型實驗...........................................................................172-4雷諾實驗..........................................................................................232-5動量定律綜合型實驗......................................................................272-6孔口出流與管嘴出流實驗..............................................................332-7局部水頭損失實驗..........................................................................382-8沿程水頭損失實驗..........................................................................432-9畢托管測速與修正因數(shù)標定實驗...................................................492-10達西滲流實驗................................................................................542-11平面上的靜水總壓力測量實驗....................................................592-1流體靜力學綜合型實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定掌握用測壓管測量流體靜壓強的技能；驗證不可壓縮流體靜力學基本方程；測定油的密度；通過對諸多流體靜力學現(xiàn)象的實驗觀測分析，加深流體靜力學基本概念理解，提高解決靜力學實際問題的能力。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。圖.1流體靜力學綜合型實驗裝置圖1.測壓管2.帶標尺測壓管3.連通管4.通氣閥5.加壓打氣球6.真空測壓管7.截止閥8.U型測壓管9.油柱10.水柱11.減壓放水閥說明：下述中的儀器部件編號均指實驗裝置圖中的編號，如測管2即為圖1中“2.帶標尺測壓管”。后述各實驗中述及的儀器部件編號也均指相應(yīng)實驗裝置圖中的編號。2.裝置說明(1)流體測點靜壓強的測量方法之一——測壓管流體的流動要素有壓強、水位、流速、流量等。壓強的測量方法有機械式測量方法與電測法，測量的儀器有靜態(tài)與動態(tài)之分。測量流體點壓強的測壓管屬機械式靜態(tài)測量儀器。測壓管是一端連通于流體被測點，另一端開口于大氣的透明管，合用于測量流體測點的靜態(tài)低壓范圍的相對壓強，測量精度為1mm。測壓管分直管型和“U”型。直管型如圖1中管2所示，其測點壓強，h為測壓管液面至測點的豎直高度?！癠”型如圖中管1與管8所示。直管型測壓管規(guī)定液體測點的絕對壓強大于本地大氣壓，否則因氣體流入測點而無法測壓；“U”型測壓管可測量液體測點的負壓，例如管1中當測壓管液面低于測點時的情況；“U”型測壓管還可測量氣體的點壓強，如管8所示，一般“U”型管中為單一液體（本裝置因其它實驗需要在管8中裝有油和水兩種液體），測點氣壓為，h為“U”型測壓管兩液面的高度差，當管中接觸大氣的自由液面高于另一液面時h為“+”，反之h為“-”。由于受毛細管影響，測壓管內(nèi)徑應(yīng)大于8~10mm。本裝置采用毛細現(xiàn)象弱于玻璃管的透明有機玻璃管作為測壓管，內(nèi)徑為8mm，毛細高度僅為1mm左右。(2)恒定液位測量方法之一——連通管測量液體的恒定水位的連通管屬機械式靜態(tài)測量儀器。連通管是一端連接于被測液體，另一端開口于被測液體表面空腔的透明管，如管3所示。對于敞口容器中的測壓管也是測量液位的連通管。連通管中的液體直接顯示了容器中的液位，用mm刻度標尺即可測讀水位值。本裝置中連通管與各測壓管同為等徑透明有機玻璃管。液位測量精度為1mm。(3)所有測管液面標高均以帶標尺測壓管2的零點高程為基準；(4)測點B、C、D位置高程的標尺讀數(shù)值分別以B、C、D表達，若同時取標尺零點作為靜力學基本方程的基準，則B、C、D亦為zB、zC、zD；(5)本儀器中所有閥門旋柄均以順管軸線為開。3.基本操作方法： (1)設(shè)立p0=0條件。打開通氣閥4，此時實驗裝置內(nèi)壓強p0=0。(2)設(shè)立p0>0條件。關(guān)閉通氣閥4、放水閥11，通過加壓打氣球5對裝置打氣，可對裝置內(nèi)部加壓，形成正壓；(3)設(shè)立p0<0條件。關(guān)閉通氣閥4、加壓打氣球5底部閥門，啟動放水閥11放水，可對裝置內(nèi)部減壓，形成真空。(4)水箱液位測量。在p0=0條件下讀取測管2的液位值，即為水箱液位值。三、實驗原理1．在重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程或式中：z——被測點相對基準面的位置高度；p——被測點的靜水壓強（用相對壓強表達,以下同）；p0——水箱中液面的表面壓強；——液體密度；h——被測點的液體深度。2．油密度測量原理方法一：測定油的密度，簡樸的方法是運用圖1實驗裝置的U型測壓管8，再另備一根直尺進行直接測量。實驗時需打開通氣閥4，使p0=0。若水的密度為已知值，如圖2所示，由等壓面原理則有(a)(b)圖2油的密度測量方法一圖3油密度測量方法二方法二：不另備測量尺，只運用圖1中測管2的自帶標尺測量。先用加壓打氣球5打氣加壓使U型測壓管8中的水面與油水交界面齊平，如圖3(a)所示，有再打開減壓放水閥11降壓，使U型測壓管8中的水面與油面齊平，如圖3(b)所示，有聯(lián)立兩式則有四、實驗內(nèi)容與方法1.定性分析實驗(1)測壓管和連通管鑒定。按測壓管和連通管的定義，實驗裝置中管1、2、6、8都是測壓管，當通氣閥關(guān)閉時，管3無自由液面，是連通管。(2)測壓管高度、壓強水頭、位置水頭和測壓管水頭鑒定。測點的測壓管高度即為壓強水頭，不隨基準面的選擇而變，位置水頭z和測壓管水頭隨基準面選擇而變。(3)觀測測壓管水頭線。 測壓管液面的連線就是測壓管水頭線。打開通氣閥4，此時，那么管1、2、3均為測壓管，從這三管液面的連線可以看出，對于同一靜止液體，測管水頭線是一根水平線。(4)判別等壓面。關(guān)閉通氣閥4，打開截止閥7，用打氣球稍加壓，使為0.02m左右，判別下列幾個平面是不是等壓面；a.過C點作一水平面，相對管1、2、8及水箱中液體而言，這個水平面是不是等壓面？b.過U型管8中的油水分界面作一水平面，對管8中液體而言，這個水平面是不是等壓面？c.過管6中的液面作一水平面，對管6中液體和方盒中液體而言，該水平面是不是等壓強？根據(jù)等壓面判別條件：質(zhì)量力只有重力、靜止、連續(xù)、均質(zhì)、同一水平面?？设b定上述b、c是等壓面。在a中，相對管1、2及水箱中液體而言，它是等壓面，但相對管8中的水或油來講，它都不是同一等壓面。(5)觀測真空現(xiàn)象。打開放水閥11減低箱內(nèi)壓強，使測管2的液面低于水箱液面，這時箱體內(nèi)p0<0，再打開截止閥7，在大氣壓力作用下，管6中的液面就會升到一定高度，說明箱體內(nèi)出現(xiàn)了真空區(qū)域(即負壓區(qū)域)。(6)觀測負壓下管6中液位變化關(guān)閉通氣閥4，啟動截止閥7和放水閥11，待空氣自管2進入圓筒后，觀測管6中的液面變化。2.定量分析實驗(1)測點靜壓強測量。根據(jù)基本操作方法，分別在p0=0、p0>0、p0<0與pB<0條件下測量水箱液面標高0和測壓管2液面標高H，分別擬定測點A、B、C、D的壓強pA、pB、pC、pD。(2)油的密度測定拓展實驗按實驗原理，分別用方法一與方法二測定油的容重。實驗數(shù)據(jù)解決與分析參考五。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1.記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________各測點高程為：B=10-2m、C=10-2m、D=基準面選在zC=10-2m、zD=102.實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果（參表1，表2）3.成果規(guī)定(1)回答定性分析實驗中的有關(guān)問題。(2)由表中計算的、，驗證流體靜力學基本方程。(3)測定油的密度，對兩種實驗結(jié)果作以比較。六、分析思考題1．相對壓強與絕對壓強、相對壓強與真空度之間有什么關(guān)系？測壓管能測量何種壓強？2．測壓管太細，對測壓管液面讀數(shù)導致什么影響？3．本儀器測壓管內(nèi)徑為0.8×10-2m，圓筒內(nèi)徑為2.0×10-1m，儀器在加氣增壓后，水箱液面將下降d而測壓管液面將升高H，實驗時，若近似以p0=0時的水箱液面讀值作為加壓后的水箱液位值，那么測量誤差d/七、注意事項1．用打氣球加壓、減壓需緩慢，以防液體溢出及油柱吸附在管壁上；打氣后務(wù)必關(guān)閉打氣球下端閥門，以防漏氣。2．真空實驗時，放出的水應(yīng)通過水箱頂部的漏斗倒回水箱中。3．在實驗過程中，裝置的氣密性規(guī)定保持良好。表1流體靜壓強測量記錄及計算表實驗條件順序水箱液面0/(10-2m測壓管液面H/(10-2m壓強水頭測壓管水頭/(10-2m/(10-2m/(10-2m/(10-2m/(10-2m/(10-2mp0=0p0>0p0<0(其中一次pB<0)表2油的密度測定記錄及計算表條件順序水箱液面0/(10-2m測壓管2液面H/(10-2m/(10-2m/(10-2m/(10-2m/(10-2mp0>0，且U型管中水面與油水交界面齊平p0<0，且U型管中水面與油面齊平2-2恒定總流伯努利方程綜合性實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定通過定性分析實驗，提高對動水力學諸多水力現(xiàn)象的實驗分析能力；通過定量測量實驗，進一步掌握有壓管流中動水力學的能量轉(zhuǎn)換特性，驗證流體恒定總流的伯努利方程，掌握測壓管水頭線的實驗測量技能與繪制方法；通過設(shè)計性實驗，訓練理論分析與實驗研究相結(jié)合的科研能力。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。圖1伯努利方程綜合性實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器2.實驗臺3.可控硅無級調(diào)速器3.溢流板5.穩(wěn)水孔板6.恒壓水箱 7.實驗管道 8.測壓點=1\*GB3①~eq\o\ac(○,19)9.彎針畢托管10.測壓計11.滑動測量尺12.測壓管=1\*GB3①~eq\o\ac(○,19)13.實驗流量調(diào)節(jié)閥14.回水漏斗15.穩(wěn)壓筒16.傳感器17.智能化數(shù)顯流量儀2．裝置說明(1)流量測量——智能化數(shù)顯流量儀智能化數(shù)顯流量儀系統(tǒng)涉及實驗管道內(nèi)配套流量計、穩(wěn)壓筒15、高精密傳感器16和智能化數(shù)顯流量儀17（含數(shù)字面板表及A/D轉(zhuǎn)換器）。該流量儀為管道式瞬時流量儀，測量精度一級。流量儀的使用方法，需先排氣調(diào)零，待水箱溢流后，間歇性全開、全關(guān)管道出水閥13數(shù)次，排除連通管內(nèi)氣泡。再全關(guān)閥13，待穩(wěn)定后將流量儀調(diào)零。測流量時，水流穩(wěn)定后，流量儀所顯示的數(shù)值即為瞬時流量值（以下實驗類同）。若需具體了解流量儀性能請見說明書。(2)測流速——彎針管畢托管圖2彎針管畢托管類型彎針管畢托管用于測量管道內(nèi)的點流速，原理見實驗教材第2章2.3.3。為減小對流場的干擾，本裝置中的彎針直徑為1.61.2mm（外徑內(nèi)徑）。實驗表白只要開孔的切平面與來流方向垂直，彎針管畢托管的彎角從90~180均不影響測流速精度，如圖圖2彎針管畢托管類型(3)本儀器測壓點有兩種：1)畢托管測壓點，圖1中標號為=1\*GB3①、=6\*GB3⑥、=8\*GB3⑧、eq\o\ac(○,12)、eq\o\ac(○,14)、eq\o\ac(○,16)、eq\o\ac(○,18)（后述加*表達），與測壓計的測壓管連接后，用以測量畢托管探頭對準點的總水頭值，近似替代所在斷面的平均總水頭值，可用于定性分析，但不能用于定量計算；2)普通測壓點，圖1中標號為=2\*GB3②、=3\*GB3③、=4\*GB3④、=5\*GB3⑤、=7\*GB3⑦、=9\*GB3⑨、⑩、eq\o\ac(○,11)、eq\o\ac(○,13)、eq\o\ac(○,15)、eq\o\ac(○,17)、eq\o\ac(○,19)，與測壓計的測壓管連接后，用以測量相應(yīng)測點的測壓管水頭值。(4)測點=6\*GB3⑥*、=7\*GB3⑦所在喉管段直徑為d2，測點eq\o\ac(○,16)*、eq\o\ac(○,17)所在擴管段直徑為d3，其余直徑均為d1。3．基本操作方法（1）測壓管與穩(wěn)壓筒的連通管排氣。打開開關(guān)供水，使水箱充水，待水箱溢流，間歇性全開、全關(guān)管道出水閥13數(shù)次，直至連通管及實驗管道中無氣泡滯留即可。再檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測壓管水面是否齊平，如不平則需查明故障因素（例連通管受阻、漏氣或夾氣泡等）并加以排除，直至調(diào)平。（2）恒定流操作。全開調(diào)速器，此時水箱保持溢流，閥門13開度不變情況下，實驗管道出流為恒定流。（3）非恒定流操作。調(diào)速器開、關(guān)過程中，水箱6無溢流情況下，實驗管道出流為非恒定流。（4）流量測量。實驗流量用閥13調(diào)節(jié)，記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值。三、實驗原理1．伯努利方程。在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過水斷面，在恒定流動時，可以列出進口斷面(1)至另一斷面(i)的伯努利方程式(i=2,3…,n)取1＝2＝n…＝1，選好基準面，從已設(shè)立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v及，從而可得到各斷面測管水頭和總水頭。2．過流斷面性質(zhì)。均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規(guī)律，即在同一斷面上，但在不同過流斷面上的測壓管水頭不同，；急變流斷面上。四、實驗內(nèi)容與方法1．定性分析實驗(1)驗證同一靜止液體的測壓管水頭線是根水平線。閥門全關(guān)，穩(wěn)定后，實驗顯示各測壓管的液面連線是一根水平線。而這時的滑尺讀數(shù)值就是水體在流動前所具有的總能頭。(2)觀測不同流速下，某一斷面上水力要素變化規(guī)律。以測點⑧*、⑨所在的斷面為例，測管⑨的液面讀數(shù)為該斷面的測壓管水頭。測管⑧*連通畢托管，顯示測點的總水頭。實驗表白，流速越大，水頭損失越大，水流流到該斷面時的總水頭越小，斷面上的勢能亦越小。(3)驗證均勻流斷面上，動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布。觀測測點=2\*GB3②和=3\*GB3③，盡管位置高度不同，但其測壓管的液面高度相同，表白。(4)觀測沿流程總能坡線的變化規(guī)律。 加大開度，使接近最大流量，若穩(wěn)定后各測管水位如圖3所示，圖中A-A為管軸線。圖3測壓管水位示例縱觀帶畢托管的測點=1\*GB3①*、=6\*GB3⑥*、=8\*GB3⑧*、eq\o\ac(○,12)*、eq\o\ac(○,14)*、eq\o\ac(○,16)*、eq\o\ac(○,18)*的測管水位（實驗時可加入雷諾實驗用的紅色水，使這些管呈紅色，如圖3中以較深顏色表達的測壓管），可見各測管的液面沿流程是逐漸減少而沒有升高的，表白總能量沿流程只會減少，不會增長，能量損失是不也許逆轉(zhuǎn)的。(5)觀測測壓管水頭線的變化規(guī)律?？傋兓?guī)律：縱觀測壓點=2\*GB3②、=4\*GB3④、=5\*GB3⑤、=7\*GB3⑦、=9\*GB3⑨、eq\o\ac(○,13)、eq\o\ac(○,15)、eq\o\ac(○,17)、eq\o\ac(○,19)的測壓管水位，可見沿流程有升也有降，表白測壓管水頭線沿流程可升也可降。沿程水頭損失：從=2\*GB3②、=4\*GB3④、=5\*GB3⑤點可看出沿程水頭損失的變化規(guī)律，等徑管道上，距離相等，沿程損失相同。勢能與動能的轉(zhuǎn)換：以測點=5\*GB3⑤、=7\*GB3⑦、=9\*GB3⑨為例，測點所在流段上高程相等，管徑先收縮后擴大，流速由小增大再減小。測管=5\*GB3⑤到測管=7\*GB3⑦的液位發(fā)生了陡降，表白水流從測點=5\*GB3⑤斷面流到測點=7\*GB3⑦斷面時有部分壓力勢能轉(zhuǎn)化成了流速動能。而測管=7\*GB3⑦到測管=9\*GB3⑨測管水位回升了，這正和前面相反，說明有部分動能又轉(zhuǎn)化成了壓力勢能。這就清楚驗證了動能和勢能之間是可以互相轉(zhuǎn)化的，因而是可逆的。位能和壓能的轉(zhuǎn)換：以測點=9\*GB3⑨與eq\o\ac(○,15)所在的兩斷面為例，由于二斷面的流速水頭相等，測點=9\*GB3⑨的位能較大，壓能（測管液位離管軸線的高度）很小，而測點eq\o\ac(○,15)的位能很小，壓能卻比=9\*GB3⑨點大，這就說明了水流從測點=9\*GB3⑨斷面流到測點eq\o\ac(○,15)斷面的過程中，部分位能轉(zhuǎn)換成了壓能。(6)運用測壓管水頭線判斷管道沿程壓力分布。測壓管水頭線高于管軸線，表白該處管道處在正壓下；測壓管水頭線低于管軸線，表白該處管道處在負壓下，出現(xiàn)了真空。高壓和真空狀態(tài)都容易使管道破壞。實驗顯示（參圖3），測點=7\*GB3⑦的測管液面低于管軸線，說明該處管段承受負壓（真空）；測壓管=9\*GB3⑨的液位高出管軸線，說明該處管段承受正壓。2.定量分析實驗——伯努利方程驗證與測壓管水頭線測量分析實驗實驗方法與環(huán)節(jié)：在恒定流條件下改變流量2次，其中一次閥門開度大到使eq\o\ac(○,19)號測管液面接近可讀數(shù)范圍的最低點，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（畢托管測點供演示用，不必測記讀數(shù)）。實驗數(shù)據(jù)解決與分析參考第五部分內(nèi)容。3．設(shè)計性實驗——改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的實驗研究為避免引水管道的局部負壓，可采用的技術(shù)措施有(a)減小流量；(b)增大喉管管徑；(c)減少相應(yīng)管線的安裝高程；(d)改變水箱中的液位高度。下面分析后兩項。對于措施(c)，以本實驗裝置為例（參圖4），可在水箱出口先接一下垂90彎管，后接水平段，將喉管的高程降至基準高程0－0，使位能減少，壓能EMBEDEquation.DSMT4增大，從而也許避免點=7\*GB3⑦處的真空。該項措施常用于實際工程的管軸線設(shè)計中。圖4實驗管道系統(tǒng)圖對于措施(d)，不同供水系統(tǒng)調(diào)壓效果是不同的，需作具體分析?？赏ㄟ^理論分析與實驗研究相結(jié)合的方法，擬定改變作用水頭（如抬高或減少水箱的水位）對管中某斷面壓強的影響情況。本設(shè)計性實驗規(guī)定運用圖1實驗裝置，設(shè)計改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的實驗方案并進行自主實驗。理論分析與實驗方法提醒：取基準面0-0如圖4所示，圖中1-1、2-2、3-3分別為計算斷面1、2、3，計算斷面1的計算點選在液面位置，計算斷面2、3的計算點選在管軸線上。水箱液面至基準面0-0的水深為h。改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的問題，事實上就是隨h遞增還是遞減的問題，可由加以判別。列計算斷面1、2的伯努利方程（取2＝3＝1）有 (1)因hw1-2可表達成式中c1.2是管段1－2總水頭損失因數(shù)，當閥門開度不變時，在h的有限變化范圍內(nèi)，可設(shè)c1.2近似為常數(shù)。 又由連續(xù)性方程有故式(1)可變?yōu)?2)式中可由斷面1、3伯努利方程求得，即(3)c1.3是全管道的總水頭損失因數(shù)，當閥門開度不變時，在h的有限變化范圍內(nèi)，可設(shè)c1.3近似為常數(shù)。由此得，代入式(2)有(4)則(5)若＞0，則斷面2上的隨h同步遞增，反之，則遞減。若接近于0，則斷面2上的隨h變化不明顯。實驗中，先測計常數(shù)d3/d2、h和z3各值，然后針對本實驗裝置的恒定流情況，測得某一大流量下EMBEDEquation.2、EMBEDEquation.2、等值，將各值代入式(2)、(3)，可得各管道阻力因數(shù)c1.2和c1.3。再將其代入式(5)得，由此可得出改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的結(jié)論EMBEDEquation.2。最后，運用變水頭實驗可證明該結(jié)論是否對的。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1．記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________均勻段d1=10-2m喉管段d2=10-2m擴管段d3=水箱液面高程0=10-2m上管道軸線高程z=10（基準面選在標尺的零點上）2．實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果表1管徑登記表測點編號=1\*GB3①*=2\*GB3②=3\*GB3③=4\*GB3④=5\*GB3⑤=6\*GB3⑥*=7\*GB3⑦=8\*GB3⑧*=9\*GB3⑨=10\*GB3⑩eq\o\ac(○,11)eq\o\ac(○,12)*eq\o\ac(○,13)eq\o\ac(○,14)*eq\o\ac(○,15)eq\o\ac(○,16)*eq\o\ac(○,17)eq\o\ac(○,18)*eq\o\ac(○,19)管徑d/10-2兩點間距l(xiāng)/10-24466413.561029.51616

表2測壓管水頭hi，流量測記表（其中，單位10-2m，i為測點編號）實驗次數(shù)h2h3h4h5h7h9h10h11h13h15h17h19qV/(10-6m3/12表3計算數(shù)值表(1)流速水頭管徑d/10-2201.3/(10-6m3/s/(10-6m3A/10-4v/(10-2m/s/10-2A/10-4v/(10-2m/s/10-2(2)總水頭Hi（其中，單位10-2m，i為測點編號）實驗次數(shù)H2H4H5H7H9H13H15H17H19/(10-6m3123．成果規(guī)定(1)回答定性分析實驗中的有關(guān)問題。(2)計算流速水頭和總水頭。見表3(3)繪制上述成果中最大流量下的總水頭線和測壓管水頭線。（軸向尺寸參見圖5，總水頭線和測壓管水頭線可以繪在圖5上）。如圖6所示圖5繪制測壓管水頭線坐標圖(4)完畢設(shè)計性實驗六、分析思考題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．閥門開大，使流量增長，測壓管水頭線有何變化？為什么？3．由畢托管測量的總水頭線與按實測斷面平均流速繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其因素。4．為什么急變流斷面不能被選作能量方程的計算斷面？七、注意事項1.各自循環(huán)供水實驗均需注意：計量后的水必須倒回原實驗裝置的水斗內(nèi)，以保持自循環(huán)供水（此注意事項后述實驗不再提醒）。2.穩(wěn)壓筒內(nèi)氣腔越大，穩(wěn)壓效果越好。但穩(wěn)壓筒的水位必須淹沒連通管的進口，以免連通管進氣，否則需擰開穩(wěn)壓筒排氣螺絲提高筒內(nèi)水位；若穩(wěn)壓筒的水位高于排氣螺絲口，說明有漏氣，需檢查解決。3.傳感器與穩(wěn)壓筒的連接管要保證氣路通暢，接管及進氣口均不得有水體進入，否則需清除。4.智能化數(shù)顯流量儀開機后需預熱3~5分鐘。

2-3文丘里綜合型實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定1．了解文丘里流量計的構(gòu)造、原理和合用條件，率定流量因數(shù)；2．掌握應(yīng)用氣~水多管壓差計量測壓差的方法；3．通過擬定文丘里流量計最大允許過流量的設(shè)計性實驗，體驗理論分析和實驗相結(jié)合的研究過程。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。圖1文丘里綜合型實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器2.實驗臺3.水泵電源開關(guān)4.恒壓水箱5.溢流板6.穩(wěn)水孔板7.穩(wěn)壓筒8.智能化數(shù)顯流量儀9.傳感器10.文丘里流量計11.壓差計氣閥12.壓差計13.滑尺14.實驗流量調(diào)節(jié)閥2．裝置說明（1）壓差測量裝置1）氣-水壓差計為一倒U型管如圖2所示，在倒U型管中保存一段空氣，兩端各接測壓點，測量時，管內(nèi)液柱的高差即為壓強差。在測量中，氣-水壓差計應(yīng)當豎直放置。當數(shù)值相對較大時，可用連續(xù)串聯(lián)多個氣-水壓差計的方法來增大量程；數(shù)值較小時可傾斜U型管來放大測量值。本實驗裝置中，采用雙U型的氣-水多管壓差計，如圖1中的壓差計12所示，壓差量程為0~1mH2O，測量精度為1mm。圖2空氣壓差計2）流量測量——智能化數(shù)顯流量儀圖2空氣壓差計智能化數(shù)顯流量儀系統(tǒng)涉及實驗管道內(nèi)配套流量計、穩(wěn)壓筒、高精密傳感器和智能化數(shù)顯流量儀（含數(shù)字面板表及A/D轉(zhuǎn)換器）。該流量儀為管道式瞬時流量儀，測量精度一級。流量儀的使用方法參見伯努利方程實驗，需先排氣調(diào)零，流量儀所顯示的數(shù)值為瞬時流量值。（2）文丘里流量計結(jié)構(gòu)與布置（參圖3）。在結(jié)構(gòu)上，規(guī)定管徑比d2/d1在0.25～0.75之間，通常采用d2/d1=0.5；其擴散段的擴散角2也不宜太大，一般不大于5～7；在測量斷面上布置多個測壓孔和均壓環(huán)。在布置上，規(guī)定文丘里流量計上游l1在10倍管徑d1的距離以內(nèi)，下游l2在6倍管徑d1以內(nèi)，均為順直管段，以免水流產(chǎn)生漩渦而影響其流量因數(shù)。圖3文丘里流量計結(jié)構(gòu)圖（2）文丘里流量計結(jié)構(gòu)參數(shù)。本實驗裝置中2=3.450.1；d1=（1.40.03）10-2m；d2=（0.70.015）10-2m；d2/d1=0.50.015；l1=0.45m；l2=0.54m，各均壓環(huán)上測壓孔數(shù)為3．基本操作方法(1)排氣方法。打開開關(guān)供水，使水箱充水，待水箱溢流，間歇性全開、全關(guān)管道出水閥數(shù)次，直至連通管及實驗管道中無氣泡滯留即可，排氣后測管液面讀數(shù)h1－h(huán)2＋h3－h(huán)4為0，此時智能化數(shù)顯流量儀顯示為零。(2)調(diào)節(jié)多管測壓計。全開調(diào)節(jié)閥14檢查各測管液面是否都處在滑尺讀數(shù)范圍內(nèi)？否則，按下列步序調(diào)節(jié)：(a)關(guān)閥14，擰開氣閥11，待各測壓管中液位穩(wěn)定后，將清水注入壓差計12中編號為2、3的測管內(nèi)，使h2=h30.24m；(b)擰緊氣閥11，全開閥14，若壓差計12中編號為1、3的測壓管液面上升過高，可微微松開相應(yīng)的氣閥11，液面將自動減少，可使測管讀數(shù)控制在測讀范圍內(nèi)，速擰緊氣閥11即可。(3)測壓管水頭差h測量讀取氣—水多管壓差計12各測壓管的液面讀數(shù)h1、h2、h3、h4，h=h1－h(huán)2＋h3－h(huán)4。(4)流量測量。記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值。(5)真空度測量。智能化數(shù)顯流量儀正端顯示為流量，負端顯示為壓差水柱。運用流量儀的這一智能化特性可測量文丘里喉頸處的真空度。實驗時，將傳感器低壓端用連通管連接于文丘里流量計喉頸處，傳感器高壓端接通大氣，并調(diào)整傳感器放置高度，使高壓端口與文丘里流量計喉頸處的測點齊平。此時，即可實驗測量測點的真空度。三、實驗原理根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式，可得不計阻力作用時的文氏管過水能力關(guān)系式式中：h為兩斷面測壓管水頭差;k為文丘里流量計常數(shù)，對給定管徑是常數(shù)。由于阻力的存在，實際通過的流量恒小于。今引入一個無量綱因數(shù)=/(稱為流量因數(shù))，對計算所得流量值進行修正。即另由靜水力學基本方程可得氣—水多管壓差計的h為h=h1－h(huán)2＋h3－h(huán)4四、實驗內(nèi)容與方法1．定量分析實驗——文丘里流量計流量因數(shù)的測量與率定實驗方法與環(huán)節(jié)：參照基本操作方法，改變流量4～6次，分別測量壓差和流量。數(shù)據(jù)解決及結(jié)果分析參第五部分內(nèi)容。2．設(shè)計性實驗——文丘里流量計最大允許過流量的理論分析與實驗文丘里流量計管喉頸處容易產(chǎn)生真空，最大允許過流量受真空度限制，最大允許真空度為6~7mH2O，否則易導致空化與空蝕破壞。工程上應(yīng)用文丘里流量計時，應(yīng)檢查其最大真空度是否在允許范圍之內(nèi)。本實驗規(guī)定通過理論分析，設(shè)計實驗方案，針對圖1實驗裝置，通過實驗測量相應(yīng)參數(shù)，擬定文丘里流量計真空值不大于6mH2O條件下供水箱的最大作用水頭H0及最大流量。理論分析提醒：應(yīng)用伯努利方程，選基準面和計算斷面如圖4，取。對計算斷面1-1與3-3有 (10)圖4文丘里流量計管流水力計算對計算斷面2-2，3-3，有(11)根據(jù)經(jīng)驗，式中管段的總水頭損失因數(shù)和在流速達成某一較大值以上時便近似為常數(shù)，可在閥門全開的大流量下實驗測得。進而由斷面的允許真空度及、等值代入式(10)、(11)便可擬定最大作用水頭H0及最大流量。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1.記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________d1=10-2md2=10-2m水溫t＝=10-4m2/s水箱液面高程0=____10-2m管道軸線高程z=______10（基準面選在標尺的零點上）2.實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果（參表1，表2）3．成果規(guī)定按相關(guān)實驗項目的規(guī)定，完畢方案設(shè)計、測量與成果分析。六、分析思考題1．文丘里流量計有何安裝規(guī)定和合用條件？2．本實驗中，影響文丘里流量計流量因數(shù)大小的因素有哪些？哪個因素最敏感？對本實驗的管道而言，若因加工精度影響，誤將（d2－0.01）10-2m值取代上述d2值時，本實驗在最大流量下的μ3．為什么計算流量與實際流量不相等？4．應(yīng)用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。七、注意事項參見伯努利方程實驗。

表1登記表次數(shù)測壓管讀數(shù)（10-2m流量/(10-6mh1/10-2h2/10-2h3/10-2h4/10-2123456表2計算表K=10-5m2次數(shù)/(10-6mh=h1-h2+h3-h4/10-2Re/(10-6m123456

2-4雷諾實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定1.觀測層流、湍流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換過程；2.測定臨界雷諾數(shù)，掌握園管流態(tài)判別準則；3.學習應(yīng)用量綱分析法進行實驗研究的方法，擬定非圓管流的流態(tài)判別準數(shù)。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。10101112圖1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10.穩(wěn)壓筒11.傳感器12.智能化數(shù)顯流量儀2.裝置說明與操作方法供水流量由無級調(diào)速器調(diào)控，使恒壓水箱4始終保持微溢流的限度，以提高進口前水體穩(wěn)定度。本恒壓水箱設(shè)有多道穩(wěn)水隔板，可使穩(wěn)水時間縮短到3~5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。實驗流量由調(diào)節(jié)閥9調(diào)節(jié)。流量由智能化數(shù)顯流量儀測量，使用時須先排氣調(diào)零，所顯示為一級精度瞬時流量值，詳見伯努利方程實驗。水溫由數(shù)顯溫度計測量顯示。三、實驗原理1883年,雷諾(OsborneReynolds)采用類似于圖1所示的實驗裝置，觀測到液流中存在著層流和湍流兩種流態(tài)：流速較小時，水流有條不紊地呈層狀有序的直線運動，流層間沒有質(zhì)點混摻，這種流態(tài)稱為層流；當流速增大時，流體質(zhì)點作雜亂無章的無序的直線運動，流層間質(zhì)點混摻，這種流態(tài)稱為湍流。雷諾實驗還發(fā)現(xiàn)存在著湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯呐R界流速，與流體的粘性、園管的直徑d有關(guān)。若要判別流態(tài)，就要擬定各種情況下的值，需要對這些相關(guān)因素的不同量值作出排列組合再分別進行實驗研究，工作量巨大。雷諾實驗的奉獻不僅在于發(fā)現(xiàn)了兩種流態(tài)，還在于運用量綱分析的原理，得出了量綱為一的判據(jù)——雷諾數(shù)Re，使問題得以簡化。量綱分析如下：因根據(jù)量綱分析法有其中kc是量綱為一的數(shù)。寫成量綱關(guān)系為由量綱和諧原理，得1=1，2=-1。即或雷諾實驗完畢了管流的流態(tài)從湍流過度到層流時的臨界值kc值的測定，以及是否為常數(shù)的驗證，結(jié)果表白kc值為常數(shù)。于是，量綱為一的數(shù)便成了適合于任何管徑，任何牛頓流體的流態(tài)由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯呐袚?jù)。由于雷諾的奉獻，定名為雷諾數(shù)Re。于是有式中：v為流體流速；為流體運動粘度；d為圓管直徑；為圓管內(nèi)過流流量；K為計算常數(shù)，。當流量由大逐漸變小，流態(tài)從湍流變?yōu)閷恿鳎鄳?yīng)一個下臨界雷諾數(shù)Rec，當流量由零逐漸增大，流態(tài)從層流變?yōu)橥牧鳎鄳?yīng)一個上臨界雷諾數(shù)。上臨界雷數(shù)受外界干擾，數(shù)值不穩(wěn)定，而下臨雷諾數(shù)Rec值比較穩(wěn)定，因此一般以下臨界雷諾數(shù)作為判別流態(tài)的標準。雷諾經(jīng)反復測試，得出圓管流動的下臨界雷諾數(shù)Rec值為2300。工程上，一般取Rec=2023。當Re<Rec時，管中液流為層流；反之為湍流。對于非圓管流動，雷諾數(shù)可以表達為式中；R為過流斷面的水力半徑；A為過流斷面面積；為濕周（過流斷面上液體與固體邊界接觸的長度）。以水力半徑作為特性長度表達的雷諾數(shù)也稱為廣義雷諾數(shù)。四、實驗內(nèi)容與方法1．定性觀測兩種流態(tài)。啟動水泵供水，使水箱溢流，經(jīng)穩(wěn)定后，微開流量調(diào)節(jié)閥，打開顏色水管道的閥門，注入顏色水，可以看到圓管中顏色水隨水流流動形成一直線狀，這時的流態(tài)即為層流。進一步開大流量調(diào)節(jié)閥，流量增大到一定限度時，可見管中顏色水發(fā)生混摻，直至消色。表白流體質(zhì)點已經(jīng)發(fā)生無序的雜亂運動，這時的流態(tài)即為湍流。2．測定下臨界雷諾數(shù)先調(diào)節(jié)管中流態(tài)呈湍流狀，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，每調(diào)節(jié)一次流量后，穩(wěn)定一段時間并觀測其形態(tài)，當顏色水開始形成一直線時，表白由湍流剛好轉(zhuǎn)為層流，此時管流即為下臨界流動狀態(tài)。測定流量，記錄數(shù)顯溫度計所顯示的水溫值，即可得出下臨界雷諾數(shù)。注意，接近下臨界流動狀態(tài)時，流量應(yīng)微調(diào)，調(diào)節(jié)過程中流量調(diào)節(jié)閥只可關(guān)小、不可開大。3．測定上臨界雷諾數(shù)先調(diào)節(jié)管中流態(tài)呈層流狀，再逐步開大調(diào)節(jié)閥，每調(diào)節(jié)一次流量后，穩(wěn)定一段時間并觀測其形態(tài)，當顏色水開始散開混摻時，表白由層流剛好轉(zhuǎn)為湍流，此時管流即為上臨界流動狀態(tài)。記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值和水溫，即可得出上臨界雷諾數(shù)。注意，流量應(yīng)微調(diào)，調(diào)節(jié)過程中流量調(diào)節(jié)閥只可開大、不可關(guān)小。4．分析設(shè)計實驗任何截面形狀的管流或明渠流、任何牛頓流體流動的流態(tài)轉(zhuǎn)變臨界流速vc與運動粘度、水力半徑R有關(guān)。規(guī)定通過量綱分析擬定其廣義雷諾數(shù)。設(shè)計測量明渠廣義下臨界雷諾數(shù)的實驗方案，并根據(jù)上述圓管實驗的結(jié)果得出廣義下臨界雷諾數(shù)值。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1．記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________管徑d=_____×10-2m，水溫t=______o運動粘度（m2/s）=×10-4m2計算常數(shù)K=×106s/m32．實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果表1雷諾實驗記錄計算表實驗順序顏色水線形狀流量(10-6m雷諾數(shù)Re閥門開度增()或減()備注1234567實測下臨界雷諾數(shù)（平均值）=3．成果規(guī)定(1)測定下臨界雷諾數(shù)（測量2~4次，取平均值）；見表.1(2)測定上臨界雷諾數(shù)（測量1~2次，分別記錄）；見表1(3)擬定廣義雷諾數(shù)表達式及其圓管流的廣義下臨界雷諾數(shù)實測數(shù)值。六、分析思考題1．為什么認為上臨界雷諾數(shù)無實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與湍流的判據(jù)？2．試結(jié)合紊動機理實驗的觀測，分析由層流過渡到湍流的機理。七、注意事項1．為使實驗過程中始終保持恒壓水箱內(nèi)水流處在微溢流狀態(tài)，應(yīng)在調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥后，相應(yīng)調(diào)節(jié)可控硅調(diào)速器，改變水泵的供水流量。2．實驗中不要推、壓實驗臺，以防水體受到擾動。

2-5動量定律綜合型實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定1．通過定性分析實驗，加深動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關(guān)關(guān)系的了解；2．通過定量測量實驗，進一步掌握流體動力學的動量守恒定理，驗證不可壓縮流體恒定總流的動量方程，測定管嘴射流的動量修正因數(shù)；3．了解活塞式動量定律實驗儀原理、構(gòu)造，啟發(fā)創(chuàng)新思維。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。圖1動量定律綜合型實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器2.實驗臺3.水泵電源開關(guān) 4.水位調(diào)節(jié)閥5.恒壓水箱6.喇叭型進口管嘴7.集水箱 8.帶活塞套的測壓管9.帶活塞和翼片的抗沖平板10.上回水管11.內(nèi)置式穩(wěn)壓筒12.傳感器13.智能化數(shù)顯流量儀

2．裝置結(jié)構(gòu)與工作原理（1）智能化數(shù)顯流量儀。配置最新發(fā)明的水頭式瞬時智能化數(shù)顯流量儀，測量精度一級。使用方法：先調(diào)零，將水泵關(guān)閉，保證傳感器聯(lián)通大氣時，將顯示值調(diào)零。水泵啟動后，流量將隨水箱水位淹沒管嘴的高度而變，此時流量儀顯示的數(shù)值即為管嘴出流的瞬時流量值。（2）測力機構(gòu)。測力機構(gòu)由帶活塞套并附有標尺的測壓管8和帶活塞及翼片的抗沖平板9組成。分部件示意圖如圖2(a)所示。活塞中心設(shè)有一細導水管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)有泄水窄槽c。(a)(b)圖2活塞構(gòu)造與受力分析（2）工作原理。為了精確測量動量修正因數(shù)，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)。工作時，活塞置于活塞套內(nèi)，沿軸向可以自由滑移。在射流沖擊力作用下，水流經(jīng)導水管a向測壓管8加水。當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8水位升高，活塞所受的水壓力增大。反之，活塞外移，窄槽開大，水流外溢增多，測壓管8水位減少，水壓力減小。在恒定射流沖擊下，經(jīng)短時段的自動調(diào)整后，活塞處在半進半出、窄槽部分啟動的位置上，過a流進測壓管的水量和過c外溢的水量相等，測壓管中的液位達成穩(wěn)定。此時，射流對平板的沖擊力和測壓管中水柱對活塞的壓力處在平衡狀態(tài)，如圖2(b)所示?；钊涡奶幩頷c可由測壓管8的標尺測得，由此可求得活塞的水壓力，此力即為射流沖擊平板的動量力F。由于在平衡過程中，活塞需要做軸向移動，為此平板上設(shè)有翼片b。翼片在水流沖擊下帶動活塞旋轉(zhuǎn)，因而克服了活塞在沿軸向滑移時的靜摩擦力，提高了測力機構(gòu)的靈敏度。本裝置還采用了雙平板狹縫出流方式，精確地引導射流的出流方向垂直于來流方向，以保證v2x＝0。3．基本操作方法(1)測壓管定位。待恒壓水箱滿頂溢流后，松開測壓管固定螺絲，調(diào)整方位，規(guī)定測壓管垂直、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。(2)恒壓水箱水位調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)水位調(diào)節(jié)閥4，可打開不同高度上的溢水孔蓋，調(diào)節(jié)恒壓水箱5水位，管嘴的作用水頭改變。調(diào)節(jié)調(diào)速器，使溢流量適中，待水頭穩(wěn)定后，即可進行實驗。(3)活塞形心處水深hc測量。標尺的零點已固定在活塞園心的高程上。當測壓管內(nèi)液面穩(wěn)定后，記下測壓管內(nèi)液面的標尺讀數(shù)，即為作用在活塞形心處的水深hc值。(4)管嘴作用水頭測量。管嘴作用水頭是指水箱液面至管嘴中心的垂直深度。在水箱的側(cè)面上刻有管嘴中心線，用直尺測讀水箱液面及中心線的值，其差值即為管嘴作用水頭值。(5)測量流量。記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值。三、實驗原理恒定總流動量方程為 取控制體如圖2(b)，因滑動摩擦阻力水平分力Ff<0.5%Fx，可忽略不計，故x方向的動量方程可化為即式中：hc——作用在活塞形心處的水深；D——活塞的直徑；——射流的流量；v1x——射流的速度；1——動量修正因數(shù)。實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得流量和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可驗證動量方程，并測定射流的動量修正因數(shù)1值。四、實驗內(nèi)容與方法1．定性分析實驗(1)觀測、分析本實驗裝置中測力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點。測射流沖擊力的方法很多，裝置各不相同，相比之下，本裝置的測力機構(gòu)測量方法簡便，精度最高。本裝置曾獲國家發(fā)明專利，重要創(chuàng)新點有：將射流沖擊力轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊艿撵o水總壓力，用測壓管進行測量。用雙平板狹縫方式精確導流，保證v2x＝0。采用動摩擦減阻減少活塞軸向位移的摩擦阻力。帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，使活塞在旋轉(zhuǎn)中作軸向位移，到達平衡位置。活塞采用石墨潤滑。運用導水管a和窄槽c的自動反饋功能，自動調(diào)節(jié)受力平衡狀態(tài)下的測壓管水位。運用大口徑測壓管內(nèi)設(shè)立阻尼孔板的方法，減小測壓管液位的振蕩。(2)測定本實驗裝置的靈敏度。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)即使改變量局限性總液柱高度的5‰（約0.5～1mm），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，使過高的水位減少或過低的水位提高，恢復到本來的平衡狀態(tài)。這表白該裝置的靈敏度高達0.5%（此量值越小，靈敏度越高），亦即活塞軸向動摩擦力局限性總動量力的5‰。(3)驗證v2x0對Fx的影響。取下平板活塞9，使水流沖擊到活塞套內(nèi)，便可呈現(xiàn)出回流與x方向的夾角>90（即v2x0）的水力現(xiàn)象[參圖3(a)]。調(diào)整好位置，使反射水流的回射角度一致。以某動量實驗臺為例，某次實驗測得作用于活塞套園心處的水深＝292mm，管嘴作用水頭H0＝293.5mm，而相應(yīng)水流條件下，在取下帶翼輪的活塞前，v2x＝0，hc＝196mm。表白v2x若不為零，對動量力影響甚大。由于v2(a)(b)圖3射流對活塞套的沖擊與受力分析就是說隨v2及遞增。故實驗中>hc。2.定量分析實驗——恒定總流動量方程驗證與射流動量修正因數(shù)測定實驗實驗方法與環(huán)節(jié)：參照基本操作方法，分別測量高、中、低三個恒定水位下的流量、活塞作用水頭等有關(guān)實驗參數(shù)，實驗數(shù)據(jù)解決與分析參考第五部分內(nèi)容。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1．記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________管嘴內(nèi)徑d=10-2m活塞直徑D=102．實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果表1測量記錄及計算表測次管嘴作用水頭H0/10-2活塞作用水頭hc/10-2流量/(10-6m3流速v/(10-2m/s動量力F/10-5N動量修正因數(shù)1233．成果規(guī)定(1)回答定性分析實驗中的有關(guān)問題。(2)測定管嘴射流的動量修正因數(shù)。如表1所示。(3)取某一流量，繪出控制體圖，闡明分析計算的過程。六、分析思考題1．實測與公認值（＝1.02～1.05）符合與否？如不符合，試分析因素。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．如圖2，通過細導水管a的分流，其出流角度為什么需使之垂直于v1x？七、注意事項若活塞轉(zhuǎn)動不靈活，會影響實驗精度，需在活塞與活塞套的接觸面上涂抹4B鉛筆芯。

2-6孔口出流與管嘴出流實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定量測孔口與管嘴出流的流速因數(shù)、流量因數(shù)、側(cè)收縮因數(shù)、局部阻力因數(shù)以及圓柱型管嘴內(nèi)的局部真空度；分析圓柱形管嘴的進口形狀（圓角和直角）對出流能力的影響以及孔口與管嘴過流能力不同的因素。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。圖1孔口出流與管嘴出流實驗裝置圖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.溢流板6.穩(wěn)水孔板7.孔口管嘴8.防濺旋板9.移動觸頭10.上回水槽11.標尺12.測壓管13.內(nèi)置式穩(wěn)壓筒14.傳感器15.智能化數(shù)顯流量儀圖2孔口管嘴結(jié)構(gòu)剖面圖(1)圓角進口管嘴(2)直角進口管嘴(3)錐形管嘴(4)薄壁圓形小孔口2．裝置說明（1）在容器壁上開孔，流體通過孔口流出的流動現(xiàn)象就稱為孔口出流，當孔口直徑（H為孔口作用水頭）時稱為薄壁圓形小孔口出流。在孔口周界上連接一長度約為孔口直徑3～4倍的短管，這樣的短管稱為圓柱形外管嘴。流體流經(jīng)該短管，并在出口斷面形成滿管流的流動現(xiàn)象叫管嘴出流。圖1中，(1)為圓角進口管嘴、(2)為直角進口管嘴、(3)為錐形管嘴、(4)為孔口。結(jié)構(gòu)詳圖見圖2。在直角進口管嘴(2)離進口d/2的收縮斷面上設(shè)有測壓點，通過細軟管與測壓管12相連通。（2）智能化數(shù)顯流量儀。配置最新發(fā)明的水頭式瞬時智能化數(shù)顯流量儀，測量精度一級。采用循環(huán)檢查方式，同表分別測量四個管嘴與孔口的流量。使用方法：先調(diào)零，將水泵關(guān)閉，保證傳感器聯(lián)通大氣時，將波段開關(guān)打到調(diào)零位置，用儀表面板上的調(diào)零電位器調(diào)零。水泵啟動后，流量將隨水箱水位淹沒管嘴的高度而變，切換波段開關(guān)至相應(yīng)的測量管嘴或孔口，此時流量儀顯示的數(shù)值即為相應(yīng)的瞬時流量值。3．基本操作方法(1)管嘴切換。防濺板8用于轉(zhuǎn)換操作，當某一管嘴實驗結(jié)束時，將旋板旋至進口截斷水流,再用橡皮塞封口；當需啟動時，先用旋板擋水，再打開橡皮塞。這樣可防止水花四濺。(2)孔口射流直徑測量。移動觸頭9位于射流收縮斷面上，可水平向伸縮，當兩個觸塊分別調(diào)節(jié)至射流兩側(cè)外緣時，將螺絲固定。用防濺旋板關(guān)閉孔口，再用游標卡尺測量兩觸塊的間距，即為射流收縮直徑。(3)直角進口管嘴收縮斷面真空度hv測量。標尺11和測壓管12可測量管嘴高程z1及測壓管水位z，則hv=z1-z。(4)智能化數(shù)顯流量儀調(diào)零：在傳感器通大氣情況下，將波段開關(guān)打到調(diào)零位置，用儀表面板上的調(diào)零電位器調(diào)零。(5)實驗流量：切換波段開關(guān)至相應(yīng)實驗項目，記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值。三、實驗原理在一定水頭H0作用下薄壁小孔口（或管嘴）自由出流時的流量，可用下式計算：式中：，一般因行近流速水頭很小可忽略不計，所以；EMBEDEquation.2為收縮因數(shù)，，EMBEDEquation.2、分別EMBEDEquation.DSMT4為收縮斷面的面積、直徑；EMBEDEquation.2為流速因數(shù)，；EMBEDEquation.2為流量因數(shù)，；EMBEDEquation.2為局部阻力因數(shù)，，可近似取動能修正因數(shù)1.0。的經(jīng)驗值參圖2。根據(jù)理論分析，直角進口圓柱形外管嘴收縮斷面處的真空度為：EMBEDEquation.DSMT4。實驗時，只要測出孔口及管嘴的位置高程和收縮斷面直徑，讀出作用水頭H，測出流量，就可測定、驗證上述各因數(shù)。四、實驗內(nèi)容與方法1.定性分析實驗(1)觀測孔口及各管嘴出流水柱的流股形態(tài)。依次打開各孔口、管嘴，使其出流，觀測各孔口及管嘴水流的流股形態(tài)，因各種孔口、管嘴的形狀不同，過流阻力也不同，從而導致了各孔口管嘴出流的流股形態(tài)也不同。（注意：4個孔口與管嘴不要同時打開，以免水流外溢）(2)觀測孔口出流在d/H>0.1（大孔口）時與在d/H<0.1（小孔口）時側(cè)收縮情況。開大流量，使上游水位升高，使d/H<0.1，測量相應(yīng)狀況下收縮斷面直徑dc；再關(guān)小流量，上游水頭減少，使d/H>0.1，測量此時的收縮斷面直徑dc?？砂l(fā)現(xiàn)當d/H>0.1時dc增大，并接近于孔徑d，此時由實驗測知，也隨d/H增大而增大，=0.64~0.9。2.定量分析實驗根據(jù)基本操作方法，測量孔口與管嘴出流的流速因數(shù)、流量因數(shù)、側(cè)收縮因數(shù)、局部阻力因數(shù)及直角管嘴的局部真空度，實驗數(shù)據(jù)解決與分析參考第五部分。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1．記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________孔口管嘴直徑及高程：圓角管嘴d1=____10-2m直角管嘴d2=____10-2出口高程z1=z2=____10-2錐形管嘴d3=____10-2m孔口d4=____10-2出口高程z3=z4=____10-2（基準面選在標尺的零點上）2．實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果表1孔口管嘴實驗記錄計算表分類項目圓角管嘴直角管嘴圓錐管嘴孔口水箱液位z0/(10-2m流量/(10-6m3作用水頭H0/(10-2m面積A/(10-4m流量因數(shù)測壓管液位z/(10-2m///真空度hv/(10-2m///收縮直徑dc/(10-2m///收縮斷面Ac/(10-4m///收縮因數(shù)流速因數(shù)阻力因數(shù)流股形態(tài)

3．成果規(guī)定(1)回答定性分析實驗中的有關(guān)問題，提交實驗結(jié)果。(2)測量計算孔口與各管嘴出流的流速因數(shù)、流量因數(shù)、側(cè)收縮因數(shù)、局部阻力因數(shù)及直角進口管嘴的局部真空度，分別與經(jīng)驗值比較，并分析引起差別的因素。見表1六、分析思考題1．薄壁小孔口與大孔口有何異同？2．為什么相同作用水頭、直徑相等的條件下，直角進口管嘴的流量因數(shù)值比孔口的大、錐形管嘴的流量因數(shù)值比直角進口管嘴的大？七、注意事項1．實驗順序先管嘴后孔口，每次塞橡皮塞前，先用旋板將進口蓋好，以免水花濺開；關(guān)閉孔口時旋板的旋轉(zhuǎn)方向為順時針，否則水易濺出；2．實驗時將旋板置于不工作的管嘴上，避免旋板對工作孔口、管嘴的干擾。不工作的孔口、管嘴應(yīng)用橡皮塞塞緊，防止?jié)B水。3.其他參考伯努利方程實驗。

2-7局部水頭損失實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定學習掌握三點法、四點法測量局部阻力因數(shù)的技能，并將突擴管的實測值與理論值比較，將突縮管的實測值與經(jīng)驗值比較；通過閥門局部阻力因數(shù)測量的設(shè)計性實驗，學習二點法測量局部阻力因數(shù)的方法。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖16161718圖1局部水頭損失實驗裝置簡圖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.溢流板6.穩(wěn)水孔板7.圓管忽然擴大8.氣閥9.測壓計10.測壓管①~⑥11.滑動測量尺12.圓管忽然收縮13.實驗流量調(diào)節(jié)閥14.回流接水斗15.下回水管16.穩(wěn)壓筒17.傳感器18.智能化數(shù)顯流量儀2．裝置說明（1）實驗管道由圓管突擴、突縮等管段組成，各管段直徑已知。在實驗管道上共設(shè)有六個測壓點，測點①－③和③－⑥分別用以測量突擴和突縮的局部阻力因數(shù)。其中測點①位于突擴的起始界面處，這里引用公認的實驗結(jié)論“在突擴的環(huán)狀面積上的動水壓強近似按靜水壓強規(guī)律分布”，認為該測點可用以測量小管出口端中心處壓強值。氣閥8用于實驗開始時排除管中滯留氣體。（2）流量測量——智能化數(shù)顯流量儀智能化數(shù)顯流量儀系統(tǒng)涉及實驗管道內(nèi)配套流量計、穩(wěn)壓筒、高精密傳感器和智能化數(shù)顯流量儀（含數(shù)字面板表及A/D轉(zhuǎn)換器）。該流量儀為管道式瞬時流量儀，測量精度一級。流量儀的使用方法參見伯努利方程實驗，需先排氣調(diào)零，流量儀所顯示的數(shù)值為瞬時流量值。3．基本操作方法(1)排氣。啟動水泵待恒壓水箱溢流后，關(guān)閉實驗流量調(diào)節(jié)閥13，打開閥8排除管中滯留氣體。排氣后關(guān)閉閥8，并檢查測壓管各管的液面是否齊平，若不平，反復排氣操作，直至齊平，智能化數(shù)顯流量儀調(diào)零。(2)測壓管水頭用測壓計測量，基準面可選擇在滑動測量尺零點上。(3)流量測量。實驗流量用閥13調(diào)節(jié)，記錄智能化數(shù)顯流量儀的流量值。三、實驗原理流體在流動的局部區(qū)域，如流體流經(jīng)管道的突擴、突縮和閘門等處(圖2)，由于固體邊界的急劇改變而引起速度分布的變化，甚至使主流脫離邊界，形成旋渦區(qū)，從而產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。由于局部阻力作功而引起的水頭損失稱為局部水頭損失，用hj表達。局部水頭損失是在一段流程上，甚至相稱長的一段流程上完畢的，如圖2，斷面1至斷面2，這段流程上的總水頭損失包含了局部水頭損失和沿程水頭損失。若用hi（i=1,2…）表達第i斷面的測壓管水頭，即有圖2局部水頭損失或局部阻力因數(shù)為(1)圓管忽然擴大段。本實驗儀采用三點法測量。三點法是在忽然擴大管段上布設(shè)三個測點，如圖1測點①、②、③所示。流段①至②為忽然擴大局部水頭損失發(fā)生段，流段②至③為均勻流流段，本實驗儀測點①、②間距為測點②、③的一半，hf1-2按流程長度比例換算得出。則hf1-2＝hf2-3/2=h2-3/2=(h2-h3)/2式中hi為測壓管水頭值，當基準面選擇在標尺零點時即為第i斷面測壓管液位的標尺讀值；分別表達式中的前、后括號項。因此只要實驗測得三個測壓點的測壓管水頭值h1、h2、h3及流量等即可得忽然擴大段局部阻力水頭損失。若圓管忽然擴大段的局部阻力因數(shù)用上游流速v1表達，為相應(yīng)上游流速v1的圓管忽然擴大段理論公式為(2)圓管忽然縮小段。本實驗儀采用四點法測量。四點法是在忽然縮小管段上布設(shè)四個測點，如圖1測點③、④、⑤、⑥所示。圖中B點為突縮斷面處。流段④至⑤為忽然縮小局部水頭損失發(fā)生段，流段③至④、⑤至⑥都為均勻流流段。流段④至B間的沿程水頭損失按流程長度比例由測點③、④測得，流段B至⑤的沿程水頭損失按流程長度比例由測點⑤、⑥測得。本實驗儀l3-4=2l4-B，lB-5＝l5-6，有hf4-B＝hf3-4/2=h3-4/2，hfB-5＝hf5-6=h5-6則hf4-5＝h3-4/2+h5-6=(h3-h4)/2+h5-h6因此只要實驗測得四個測壓點的測壓管水頭值h3、h4、h5、h6及流量等即可得忽然縮小段局部阻力水頭損失。若圓管忽然縮小段的局部阻力因數(shù)用下游流速v5表達，為相應(yīng)下游流速v5的圓管忽然縮小段經(jīng)驗公式為(3)測量局部阻力因數(shù)的二點法。在局部阻礙處的前后順直流段上分別設(shè)立一個測點，在某一流量下測定兩點間的水頭損失，然后將等長度的直管段替換局部阻礙段，再在同一流量下測定兩點間的水頭損失，由兩水頭損失之差即可得局部阻礙段的局部水頭損失。四、實驗內(nèi)容與方法1.測量忽然擴大局部水頭損失與忽然縮小局部水頭損失，并測定相應(yīng)的局部水頭損失因數(shù)。參照實驗基本操作方法，在恒定流條件下改變流量2~3次，其中一次為最大流量，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。實驗數(shù)據(jù)解決與分析參考第五部分。2．設(shè)計性實驗：運用圖1實驗裝置，設(shè)計某開度下閥門的局部阻力因數(shù)的測量實驗。規(guī)定：用二點法測量，設(shè)計實驗裝置改造簡圖，制定實驗方案，并結(jié)合實驗CAI軟件（已隨儀器配置），進行計算機仿真實驗。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1．記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________實驗管段直徑：d1=D1=____10-2md2=d3=d4=D2=____10-2d5=d6=D3=___10-2實驗管段長度：l1-2=10-2ml2-3=10-2ml3-4=l4-B=10-2mlB-5=10-2ml5-6=2.實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果表1局部水頭損失實驗登記表次數(shù)流量/(10-6m測壓管讀數(shù)/10-2h1h2h3h4h5h6123表2局部水頭損失實驗計算表次數(shù)阻力形式流量/(10-6m前斷面后斷面hj/10-2理論值經(jīng)驗值/10-2E1/10-2/10-2E2/10-21忽然擴大231忽然縮小23注：相應(yīng)于突擴段的v1或突縮段的v5。3．成果規(guī)定(1)測定突擴斷面局部水頭損失因數(shù)ζ值并與理論值比較。見表1(2)測定突縮斷面局部水頭損失因數(shù)ζ值并與經(jīng)驗值比較。見表1(3)完畢設(shè)計性實驗。六、分析思考題1．管徑粗細相同、流量相同條件下，試問d1/d2（d1<d2）在何范圍內(nèi)圓管忽然擴大的水頭損失比忽然縮小的大？2．結(jié)合流動演示儀的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機理。產(chǎn)生突擴與突縮局部水頭損失的重要部位在哪里？如何減小局部水頭損失？3．局部阻力類型眾多，局部阻力因數(shù)的計算公式除忽然擴大是由理論推導得出之外，其它都是由實驗得出的經(jīng)驗公式。試問，獲得經(jīng)驗公式有那些途徑？七、注意事項1．恒壓水箱內(nèi)水位規(guī)定始終保持在溢流狀態(tài)，保證水頭恒定。2.測壓管后設(shè)有平面鏡，測記各測壓管水頭值時，規(guī)定視線與測壓管液面及鏡子中影像液面齊平，讀數(shù)精確到0.5mm。3.其他參見伯努利方程實驗。2-8沿程水頭損失實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定1．學會測定管道沿程水頭損失因數(shù)和管壁粗糙度的方法；2．分析園管恒定流動的水頭損失規(guī)律、隨雷諾數(shù)Re變化的規(guī)律，驗證沿程水頭損失hf與平均流速v的關(guān)系。二、實驗裝置1．實驗裝置簡圖實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。圖1沿程水頭損頭實驗裝置圖1.自循環(huán)高壓恒定全自動供水器2.實驗臺3.回水管4.壓差計5.滑動測量尺6.穩(wěn)壓筒17.實驗管道8.壓差數(shù)顯儀9.壓差傳感器10.測壓點11.實驗流量調(diào)節(jié)閥12.供水管及供水閥13.旁通管及旁通閥14.穩(wěn)壓筒15.流量傳感器16.智能流量數(shù)顯儀2．裝置說明(1)水泵與穩(wěn)壓器。自循環(huán)高壓恒定全自動供水器1由水泵、壓力自動限制開關(guān)、氣—水壓力罐式穩(wěn)壓器等組成。壓力超高時能自動停機，過低時能自動開機。為避免因水泵直接向?qū)嶒灩艿拦┧鴮е碌膲毫Σ▌拥扔绊?，水泵的供水是先進入穩(wěn)壓器的壓力罐，經(jīng)穩(wěn)壓后再送向?qū)嶒灩艿馈?2)旁通管與旁通閥。由于供水泵設(shè)有壓力自動限制開關(guān)，在供小流量時因壓力過高，水泵也許出現(xiàn)斷續(xù)關(guān)閉的現(xiàn)象，為此設(shè)有旁通管與旁通閥13，在小流量實驗時，通過旁通管分流可使水泵連續(xù)穩(wěn)定運營。(3)閥11用于調(diào)節(jié)層流實驗流量；閥12用于檢修，實驗時始終全開；閥13層流時用于分流（全開），湍流時用于調(diào)節(jié)實驗流量。(4)實驗管道7為不銹鋼管，其測壓斷面上沿十字型方向設(shè)有4個測壓孔，通過均壓環(huán)與測點管嘴相連通。(5)本實驗儀配有壓差計4（倒U型氣-水壓差計）和壓差儀8，壓差計測量范圍為0~0.3mH2O；壓差電測儀測量范圍為0~10mH2O，視值單位為10-2mH2O。壓差計4與壓差電測儀8所測得的壓差值均可等值轉(zhuǎn)換為兩測點的測壓管水頭差，單位以m表達。在測壓點與壓差計之間的連接軟管上設(shè)有管夾，除湍流實驗時管夾關(guān)閉外，其他操作時管夾均處在打開狀態(tài)。(6)流量測量——智能化數(shù)顯流量儀智能化數(shù)顯流量儀系統(tǒng)涉及實驗管道內(nèi)配套流量計、穩(wěn)壓筒、高精密傳感器和智能化數(shù)顯流量儀（含數(shù)字面板表及A/D轉(zhuǎn)換器）。該流量儀為管道式瞬時流量儀，測量精度一級。流量儀的使用方法參見伯努利方程實驗，需先排氣調(diào)零，流量儀所顯示的數(shù)值為瞬時流量值。(7)配有數(shù)顯溫度計。3．基本操作方法（1）層流實驗層流實驗壓差由壓差計測量，流量用稱重法或量體積法。1）稱重法或量體積法是在某一固定的時段內(nèi)，計量流過水流的重量或體積，進而得出單位時間內(nèi)流過的流體量，是依據(jù)流量定義的測量方法。本實驗及后述各實驗的測流量方法常用稱重法或量體積法，用秒表計時，用電子稱稱重，小流量時，也可用量筒測量流體體積。為保證測量精度，一般規(guī)定計時大于15~20秒。2）壓差計連接管排氣與壓差計補氣。啟動水泵，全開閥11，間歇性開關(guān)旁通閥13數(shù)次，待水從壓差計頂部流過即可。若測壓管內(nèi)水柱過高須補氣，全開閥門11、13，打開壓差計4頂部氣閥K，自動充氣使壓差計中的右管液位降至底部（必要時可短暫關(guān)閉閥12），立即擰緊氣閥K即可。排氣后，全關(guān)閥11，測壓計壓差應(yīng)為零。3）實驗時始終全開閥13，用閥11調(diào)節(jié)流量。層流范圍的壓差值僅為2~3cm以內(nèi)，水溫越高，差值越小，由于水泵發(fā)熱，水溫連續(xù)升高，應(yīng)先進行層流實驗。用壓差計測量，流量調(diào)節(jié)后須等待幾分鐘，穩(wěn)定后再測量。（2）湍流實驗湍流實驗測量時用管夾關(guān)閉壓差計連通管，壓差由數(shù)顯壓差儀測量，流量用智能化數(shù)顯流量儀測量。1)調(diào)零。啟動水泵，全開閥11，間歇性開關(guān)旁通閥13數(shù)次，以排除連通管中的氣泡。然后，在關(guān)閉閥11的情況下，管道中充滿水但流速為零，此時，壓差儀和流量儀讀值都應(yīng)為零，若不為零，則可旋轉(zhuǎn)電測儀面板上的調(diào)零電位器，使讀值為零。2)流量調(diào)節(jié)方法：全開實驗流量調(diào)節(jié)閥11，調(diào)節(jié)旁通閥13來調(diào)節(jié)流量。3)流量用智能化數(shù)顯流量儀測量。無論層流還是湍流實驗，每次實驗均須測記水溫。三、實驗原理1．對于通過直徑不變的圓管的恒定水流，沿程水頭損失由達西公式表達為式中：為沿程水頭損失因數(shù)；l為上下游測量斷面之間的管段長度；d為管道直徑；v為斷面平均流速。若在實驗中測得沿程水頭損失hf和斷面平均流速，則可直接得沿程水頭損失因數(shù)其中 k=由伯努利方程可得沿程水頭損失hf即為兩測點的測壓管水頭差h，可用壓差計或電測儀測得。2．圓管層流運動3．管壁平均當量粗糙度在流動處在湍流過渡區(qū)或阻力平方區(qū)時測量，可由巴爾公式擬定即四、實驗內(nèi)容與方法1．沿程水頭損失因數(shù)測量與分析實驗參照實驗基本操作方法，分別在層流和湍流兩種流態(tài)下測量流量、水溫、壓差各4~6次。實驗數(shù)據(jù)參考表1解決。2．設(shè)計性實驗試運用圖1實驗儀器設(shè)計測定實驗管段平均當量粗糙度的實驗。五、數(shù)據(jù)解決及成果規(guī)定1．記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱：實驗臺號：_________實驗者：______________________實驗日期：_________圓管直徑d=______10-2m測量段長度l=______2．實驗數(shù)據(jù)記錄及計算結(jié)果（參表1）3．成果規(guī)定(1)測定沿程水頭損失