工程流体力学实验指导书.doc

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1、工程流体力学实验指导书机械工程学院工程实验教学中心2019年10月实验注意事项一、 流体力学实验是学习工程流体力学课程的一个重要组成环节。它有助于加深理解工程流体力学中的基本概念，巩固课堂上所学的知识，使理论与实践相结合，因此学生必须认真对待。二、 在每次实验前要认真学习课程有关内容和阅读实验指导书。在实验开始时，指导教师可根据需要对学生提问本实验的目的，内容和步骤等。三、 进入实验后首先要将实验指导书的内容装置进行对照，然后按指导书的内容步骤进行。实验中学生要勤于动脑、动手、细心观察。四、 实验中要严格注意安全，不属于本实验内容的设备、仪器、按钮等，不得随意操作。在实验中有不了解的地方应向指

2、导教师提出，待了解后再继续进行，在实验中发生事故时，应立即报告指导老师，以便妥善处理。五、 每次实验后，应按实验指导书的内容要求写出实验报告，一周内交实验指导老师。六、 实验成绩作为本课程考核成绩的一部分，无故不参加实验者不得参加本课程考试。实验项目一、 流量测量实验二、 能量方程实验三、 管流沿程阻力水头损失实验四、 管流局部阻力水头损失实验五、 动量定理实验六、 雷诺实验图1 流体力学综合试验台实验一 流量测量实验 文丘里管流量系数的率定（一）实验目的1.了解文丘里管的构造及测流量的原理。2.掌握文丘里管流量系数的率定方法。练习用体积法测流量。（二）实验原理流量是工程流体力学中最基本的物理

3、量，一般指在单位时间内，流经有效断面的流体体积，其单位是立方米/秒（或升/秒，在实验室中常用）。文丘里管是测量管道中流量常用的流量计，管本身包括收缩段、喉道和扩散段三部分，在理想液体中，仅仅由于文丘里管收缩段前后断面不同而产生压差，在不同流量下，其压值不同，其关系如下： （1）为理想液体的流量，D为收缩前直径，d为喉道直径，这两者均为已知值，故只需测得（即压差），即可求得所通过的流量，但在实际流体中，由于粘滞力的存在，水流通过文丘里管时有能量损失，故实际通过的流量一般比小，因此实际运用时，上式应予修正，实际流量与理想状态下的流量之比，称为流量系数，即 （2）（三）实验步骤1.熟悉实验仪器设备文

4、丘里管、测压管、计量水箱、秒表。2.记录有关常数：D与d等。3.管道通过流量为零时，检查测压管两液面是否在同一水平面上，如不在同一水平面上，说明管内混有气泡，应同时拔下测压管上的两根导压管，让水流淌一段时间，待混有空气的水流出后，再重新装上。4.逐渐打开被测管道始端阀门，由小到大，试调一个最大压差值，读h1、h2的高度，得到一个最大压差值。同时，需要测量水的流量，水的体积通过计量水箱刻度得到，时间用秒表来测，记在实验表格中，这样可测得，一组数据测完。5.调节始端阀门，改变流量（逐渐减小）重复上述57次，当阀门完全关闭，为零亦为零时停止。6.整理实验数据，并绘制文丘里流量计流量和压差的关系曲线（

5、方格纸）。图2 文丘里管示意图图3 文丘里流量计流量Q和压差h关系曲线实验二 水流能量转换实验（一） 实验目的当流体做恒定流动时，通过直接测量，用图示的方法在管道上把位置水龙头（Z）、压力水头（/）和速度水头（/2g）沿流程变化规律表示出来。从而加深对伯努利方程式的理解，观察实际流体和理想流体总水头（H）的差别，建立起能量损失的概念。（二） 实验原理理想不可压缩流体在重力场中沿管道做恒定流动时，应遵循伯努利方程式： （1）即单位重量流体的位置势能、压力势能和动能之和沿流线为一常数。在位能不变的情况下，管径发生变化，导致变化，同时压力势能也相应发生变化，但三者之和保持一常数。实际上，因流体具有粘

6、性，使得流动过程中有能量损失，故实际流体的伯努利方程式应为： （2）为单位重量流体在12断面间的能量损失对静止流体，伯努利方程式即为静力学基本方程式（三）实验设备伯努利方程实验设备如图4所示。稳压水箱内的水靠溢流来维持稳定的液面，以保证管内的流动是定常的。实验管为一透明、变截面的有机玻璃管，为观察沿管各处能量的变化，在管道上开4个静压测孔，分别用测压管测它们的压力。管道出口下面是计量水箱，用以测量通过管道流体的流量。（四）实验步骤熟悉实验设备，了解各测压管的测压点及体积法测流量的方法。打开进水阀向稳压水箱充水，使稳压水箱内始终保持溢流。排除管道内以及测压管和传压管内的空气。开启管道进口阀门任意

7、调一流量，待各测压管水位稳定后，记录各测压管水面读数。用体积法测流量。（通过计量水箱刻度得到体积、时间用秒表测得）。（五）整理实验报告，描绘出有关水头线，并进行结果分析 图4 水流能量转换实验装置简图实验三 管流沿程阻力水头损失实验(一) 实验目的1.验证在恒流中，水流沿程阻力的规律。2.掌握测定沿程阻力的方法。(二) 实验原理由于流体具有粘性，在流动时流动质点间受固体边界的影响存在着一种抗拒水流运动的力，称为水流阻力。由于沿程的摩擦阻力引起的水流阻力称为沿程阻力，用其相应的沿程阻力水头损失来度量。在恒流中，圆管中的水流沿程阻力常用式（1）表示： （1）式中 流速水头管道计算长度水管直径沿程阻

8、力系数根据理论分析得出：在圆管层流中值与水流的雷诺数Re有关即 （2）在圆管紊流中实验证明值一般不仅与水流的雷诺数有关，而且还与水管的相对粗糙度有关。即 （3） 则水流的沿程阻力可用下式表示 （4）式中 V水流断面平均速度 K常数 m指数 层流 m=1，紊流 m=1.752.0(三) 实验设备本实验采用的设备如图5所示。它主要由保持恒水位的高位水箱12、实验管道1、测量阻力损失的测压管以及测量水流量的设备（体积法）组成。实验段采用铁管，前面装有进水阀，用来控制管内流量，以改变实验管段内的流速。测压管两端分别接在实验管段二端的取压点上，测量流量采用体积法，体积通过计量水箱的刻度得到，时间用秒表测

9、。图5 管流沿程阻力水头损失装置简图(四) 实验步骤1.熟悉实验设备，启动水泵向高位水箱供水，使溢流管始终保持溢流。2.全开实验管路前面的进水阀，排除管道内的气体，并排除取压连接管和测压管中的空气。3.实验管段进水阀全开，试调一个最大压差，得一个最大压差值，同时用体积法侧水的流量，体积通过计量水箱刻度得到，时间用秒表来测，这样可得流量，一组数据测完。4.调始端阀门，改变流量（逐渐减小）重复上述步骤1012次（压差大约按60、50、40、30、20、10、5、3、2、1、0.5、0.3、0.2递减）图6 hf与U关系曲线实验四 管流局部阻力水头损失实验(一) 实验目的用实验方法测定管流局部阻力系

10、数。掌握测定局部阻力损失的实验方法。(二) 实验原理水在流动过程中，由于边界的局部变化，如流向或过水断面等的改变，水流中各点的流速和压强都将改变，而且容易引起边界层脱离，产生漩涡，因而消耗一部分水流能量。这种由于局部阻力引起的能量损失叫做局部阻力水头损失，其值可用式(1)表示。 (1)式中：局部阻力水头损失 局部阻力系数 流速水头，V一般采用局部装置以后的断面上的平均流速。局部阻力系数 (2)见图7管流局部阻力水头损失装置简图(三) 实验设备图7 管流局部阻力水头损失装置简图(四) 实验步骤1.熟悉实验设备和仪器2.启动水泵得到稳定水位后全开管道进水阀，阀A半开（阀A角度左右）记录测压管的值，

11、同时测流量（体积法）；阀A全开（即阀A水平）再次记录测压管的值，同时测流量（体积法）。实验五 动量定理实验（一）实验目的1.掌握测定水射流对平板（或曲面板）冲击力的实验方法。2.将测得的冲击力与用动量方程计算出的射流冲击力进行比较，验证修正系数K是否在标定范围内。（二）实验原理1.计算方法求冲击力（动量方法）水从喷咀喷出，射在固体板壁上，对板壁产生冲击力，此力大小可由方程（1）计算。稳定流动： （1） 考虑射流高差、能量损失及其他影响因素，应对上式加以修正。 (2)式中经实验求得的修正系数值见每个实验台说明书水的密度射流流量喷咀出口流速射流喷射高度射流入口流速与出口流速的方向夹角2.测量方法求

12、冲击力见实验原理图得 （二）实验方法与步骤熟悉实验仪器设备：动量实验仪、转子流量计实验方法与步骤1.记录有关常数：冲击力臂L， 砝码重量G， 射流喷射高度Z， 喷咀直径d， 射流入口流速与出口流速夹角。2.调整标尺支座定位螺丝，使受力板与喷咀对中，将砝码移至标尺零点，调节调零砝码观察标尺指针，使标尺处于水平位置。3.缓慢打开进水阀门，水流从喷咀射出，冲击受力板，标尺倾斜，调整砝码位置，使标尺恢复水平位置，记下此砝码位置上的标尺度数。4.量测此平衡状态下的流量。5.改变进水阀开度、重复上述步骤可测出不同流量下的数据。注意事项：实验中如发现射流与受力板有偏离、不对中、可调整支座定位螺丝，使射流对中

13、。实验六 雷诺实验（一） 实验目的1. 用流动可视化的方法，观察流动的层流和紊流状态，从而对黏性流体的流动得到一些感性认识。2. 通过实验理解判别流态的雷诺数的意义，掌握测定临界雷诺数的方法。（二） 实验原理实际流体在同样边界条件下流动，由于运动速度不同，具有两种不同的流动型态层流和条流。流速较小时，流体质点做有条不紊的线状运动，彼此互不混杂称为层流。当速度增大到某一数值后，流体质点在沿管轴方向运动的过程中，同时在横向断面上互相混杂做无规则的运动，此流态为紊流。根据流动可视化的方法，可以观察到上述二种流动状态，并可测定在流态发生变化时的流动速度，从而计算出相应的雷诺数。v流速 cm/sd管径

14、cm流体的运动粘度 （三） 试验设备如图1所示，在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱12，雷诺试管6，阀门7，伯努利（能量）方程实验管道5，孔板流量计实验管道4，颜料水（红墨水）瓶11（及其开关10）上水阀8，水泵14和计量水箱13.（四） 实验步骤开启水泵，全开上阀门，使高位水箱注满水，让溢流管保持溢流，用温度计测量水温。观察流态打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针中流出，颜料水和雷诺试管中的水将迅速混合成淡颜色水，此时雷诺试管中水为紊流，随着出水阀门的不断关小，颜料水与雷诺试管中水的渗混程度逐渐减弱，直至颜料水在雷诺试管中成一条清晰的线流，此时，雷诺试管中的水为层流流动，称为层流。测定下临界雷诺数调整出水阀门，使雷诺试管的水流动处于紊流状态，然后缓慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变化情况，当关小到某一开度时，管内的颜料水流开始成为一条直的线流，此时，即为紊流转变成层流的下临界状态，记下此时的相应数据，便可求出下临界雷诺数。