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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.工程流体力力学实验验指导书书 谢 振 华华 编北 京 科科 技 大 学土木与环境境工程学学院2003 年 99 月前 言言工程流体力力学实验验是工工程流体体力学课课程教学学的重要要环节。通过实验，可以对课堂讲授的理论知识加以巩固和进一步的验证，加强理论和实践的结合，同时可以培养学生实际动手能力和分析问题、解决问题的能力，为今后的科学研究打下基础。本实验指导导书是根根据教学学大纲的的要求，并并结合实实验室的的具体设设备编写写的。实验内内容包括括水静压压强实验验
2、，不可可压缩流流体定常常流动动动量方程程实验，雷雷诺实验验，管路路沿程阻阻力实验验，管路路局部阻阻力实验验，毕托托管测速速实验，文文丘里流流量计实实验。这这些实验验可以使使学生掌掌握流体体力学的的实验技技术和测测量技巧巧，为进进行科学学实验研研究做准备。由于编者水水平有限限和实验验设备的的限制，书中不足足之处在在所难免免，敬请请读者批批评指正。 编编 者 20003年7月目 录实验1 水静压压强实验验 1实验2 不可压压缩流体体定常流流动动量量方程实实验 3实验3 雷诺实验验 6实验4 管路沿沿程阻力力实验 8实验5 管路局局部阻力力实验 112实验6 毕托管管测速实实验 15实验7 文丘里里
3、流量计计实验 17实验1 水静压压强实验验一、实验目目的1加深理理解流体体静力学学基本方方程及等等压面的的概念。2理解封封闭容器器内静止止液体表表面压强强及其液液体内部部某空间间点的压压强。3观察压压强传递现现象。二、实验装装置 实实验装置置如图11.1所所示。图1.1 水静压强实验装置图三、实验原原理对密封容器器（即水水箱）的液体体表面加加压时，设设液体表表面压强为P0，则P0Pa，为大气气压强。从U形管中可以看到有压差产生，U形管与密封水箱上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。密闭水箱内液体表面压强为：式中 液体体的重度度； U形管管中液面上上升的高高度。当密闭水箱箱内压
4、强P0下降时时，U形形管内的的液面呈呈现相反反的现象象，即PP0Pa，这时时密闭水水箱内液液面压强强为：式中 U形形管中液面下下降的高高度。四、实验步步骤1关闭排排气阀，用用加压器器缓慢加加压，UU形管出出现压差差。在加压压的同时时，观察察左侧A、BB管的液液柱上升升情况。由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在水箱内的淹没深度h不同，在压强向各点传递时，先到A点后到B点。在测压管中反应出的是A管的液柱先上升，而B管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A、B两点在同一水平面上。2打开排排气阀，使使液面恢恢复到同同一水平平面上。关闭排排气阀，打打开密闭闭容器
5、底底部的水水门，放放出一部部分水，造造成容器器内压力力下降，观察UU形管中中液柱的变化情情况。五、分析和和讨论1液体表表面压强强与表压强、真真空度有有什么关关系？2用该实实验装置置是否可可以测出出其他液液体的重重度？为为什么？实验2 不可压压缩流体体定常流流动动量量方程实实验一、实验目目的1. 通过射流对对水箱的的反作用用力和射射流对平平板的作作用力验验证不可可压缩流流体定常常流动的的动量方方程。2. 通过对动量量与流量、流流速、射射流角度度等因素素的相关关性分析析，进一一步掌握握流体的的动量守守恒定理理。二、实验装装置实验装置如如图2.1所示示。 图2.1 动量量方程实实验装置置简图1.实验
6、水水箱 2.控控制阀门门 3.高位水水孔 4.低位水水孔 5.砝砝码 6.转动轴轴承 7.挡挡板 8.固固定插销销 9.水水平仪 10.喷嘴 11.水泵 12.水箱 13.挡水板板 14.实验台台支架三、实验原原理 11射流对对水箱的的反作用用力原理理 以以水箱水水面，出出口断面面及箱壁壁为控制制面，对对水平轴列列动量方方程：式中 水箱箱对射流的反反作用； 水的密密度； 射流流量量； ，动量量修正系系数，取取1； 水箱水水面的平平均流速速在轴的的投影，取取0； 出口断断面的平平均流速速在轴的的投影。 由由对转轴轴计算力力矩求得得。式中 出口口中心至至转轴的的距离； 出口流流速。 移移动平衡衡砝
7、码得得到实测测力矩：式中 平衡衡砝码重重量； ； 出流时时（动态态）砝码码至转轴轴的距离离； 未出流流时（静静态）平平衡砝码码至转轴轴的距离离。 22射流对对平面的的作用力力原理 取取喷嘴出出口断面面，射流流表面，以以及平板出出流的截截面为控控制面，对对水平轴列列动量方方程： 式中 平板板对射流的反反作用力力； 喷嘴出出口平均均流速在在轴的投投影，即即流速； 断面平平均流速速在轴的的投影，取取0。 由由对转轴轴计算力力矩求得得。式中 水流流冲击点点至转轴轴的距离离； 喷嘴出出口的平平均流速。 添添加砝码码得到实实测力矩矩：式中 砝码码重量； 砝码作作用点到到转轴的的距离。四、实验步步骤及注注意
8、事项项 11射流流对水箱箱的反作作用力实实验1）实验步步骤 开启进进水阀门门，将水水箱充满满水，关关小阀门门，使之之保持较较小溢流流。 拔出插插销，移移动砝码码，使水水平仪水水平，记记下此时时（静态态）砝码码位置。 插上插插销，将将出口转转至高孔孔位置。调调节阀门门，使之之仍保持持较小溢溢流。 拔出插插销，移移动砝码码，使水水平仪水水平，记记下此时时（动态态）砝码码的位置置。 用体积积法测量量流量，计计算流速速。 将出口口转至低低孔位置置，重复复步骤。 22）注意意事项 调节前前，必须须将插销销插上。 拔出插插销后，应应用手托托扶水箱箱，以免免摆动过过大损坏坏仪器。2射流对对平面的的作用力力实
9、验1）实验步步骤 在拉链链端部加加重量550克砝砝码，然然后开启启并调节节阀门，使使平板保保持垂直直位置，记记下砝码码位置，用用体积法法测流量量。 改变砝砝码重量量，重复复步骤。 22）注意意事项 应缓慢慢开启和和调节阀阀门。 注意单单位换算算。五、实验数数据记录录及计算算1水箱法法仪器常数：= ccm，= mm，= NS（m） (m) ()(m3)t(s)Q(m3/ss)v(m/s)() (%)高孔12低孔122.平板法法仪器常数：= mm，= m (N)()(m3)t(s)Q(m3/ss)v(m/s)( (%)123六、分析和和讨论分析用动量量方程求得的作作用力值值和实测测值之间产产生误差
10、差的原因因。实验3 雷诺实实验一、实验目目的1 观察流体在在不同流流动状态态时流体体质点的的运动规规律。2 观察流体由由层流变变紊流及及由紊流流变层流流的过渡渡过程。3 测定液体在在圆管中中流动时时的下临临界雷诺诺数二、实验装装置实验装置如如图3.1所示示。图3.1 雷诺实验装置1.水箱及及潜水泵泵 22.上水水管 3.溢溢流管 4.电源 5.整流栅栅 66.溢流流板 7.墨墨盒 8.墨墨针 9.实实验管 100.调节节阀 11.接水箱箱 112.量量杯 13.回水管管 114.实验桌桌三、实验原原理流体在管道道中流动动，有两种不不同的流流动状态态，其阻阻力性质质也不同同。在实实验过程程中，保
11、保持水箱箱中的水水位恒定定，即水水头H不不变。如如果管路路中出口口阀门开开启较小小，在管管路中就就有稳定定的平均均速度，微微启红色色水阀门门，这时时红色水水与自来来水同步步在管路路中沿轴轴线向前前流动，红红颜色水水呈一条条红色直直线，其其流体质质点没有有垂直于于主流方方向的横横向运动动，红色色直线没没有与周周围的液液体混杂杂，层次次分明地地在管路路中流动动。此时时，在流流速较小小而粘性性较大和和惯性力力较小的的情况下下运动，为为层流运运动。如如果将出出口阀门门逐渐开开大，管管路中的的红色直直线出现现脉动，流流体质点点还没有有出现相相互交换换的现象象，流体体的流动动呈临界界状态。如如果将出出口阀
12、门门继续开开大，出出现流体体质点的的横向脉脉动，使使红色线线完全扩扩散与自自来水混混合，此此时流体体的流动动状态为为紊流运运动。流体的雷诺诺数，根根据连续续方程：，。流量用体体积法测测出，即即在时间间内流入入计量水水箱中流流体的体体积。， 式中 管路路的横截截面积；管路直直径； 流体体繁荣流流速； 水的的运动粘度度。四、实验步步骤1准备工工作。将水箱箱充水至至经隔板板溢流流流出，将将进水阀阀门关小小，继续续向水箱箱供水，以以保持水水位高度度H不变变。2缓慢开开启阀门门7，使使玻璃管管中水稳稳定流动动，并开开启红色色阀门99，使红红色水以以微小流流速在玻玻璃管内内流动，呈呈层流状状态。3开大出出
13、口阀门门7，使使红色水水在玻璃璃管内的的流动呈呈紊流状状态，再再逐渐关关小出口口阀门77，观察察玻璃管管中出口口处的红红色水刚刚刚出现现脉动状状态但还还没有变变为层流流时，测测定此时时的流量量，计算算出下临临界流速速。重复复做三次，即即可算出出下临界界雷诺数数。五、实验数数据记录录及计算算d = mm 水温温 = 实验次数（m3）（s）Q（m3/s）（m/s）（m2/ss）123下临界雷诺诺数的计计算公式式为：实验4 管路沿沿程阻力力实验一、实验目目的1 验证沿程水水头损失失与平均均流速的的关系。2 测定不同管管路的沿程程阻力系系数。3 对照雷诺实实验，观观察层流流和紊流流两种流流态及其其转换
14、过过程。二、实验装装置实验装置如如图4.1所所示。图4.1 阻力综合实验装置1.水泵电电机 2.水水泵 3.循循环储水水箱 4.计计量水箱箱 5.孔孔板及比比托管实实验管段段进水阀阀 6.阀阀门阻力力实验管管段进水水阀 7.DD=144mm沿沿程阻力力实验管管段进水水阀 8.DD=144mm沿沿程阻力力实验管管段 9.阀阀门阻力力实验管管段 10.孔板流流量计 11.比托管管 12.测阻阀阀门 13.测压管管及测压压管固定定板 144.D=14mmm沿程程阻力实实验管段段出水阀阀 155阀门阻阻力实验验管段出出水阀 16.孔板及及比托管管实验管管段出水水阀 17.文丘里里实验管管段出水水阀 1
15、88.D=10mmm沿程程阻力实实验管段段出水阀阀 19.管支架架 20.D=110mmm沿程阻阻力实验验管段 21.文丘里里流量计计 22排排水阀门门三、实验原原理1沿程水水头损失失与流速速的关系系对沿程阻力力两测点点的断面面列伯努努利方程程因实验管段段水平，且为均匀流动，所以由此得即管路两点点的沿程程水头损损失等于于测压管管水头差差。由此式求得得沿程水水头损失失，同时时根据实实测流量量计算平平均流速速，将所所得和数据绘绘在对数数坐标纸纸上，就就可确定定沿程水水头损失失与平均均流速的的关系。2沿程阻阻力系数数的测定定由上面的分分析可以以得到：由达西公式式：用体积法测测得流量量，并计计算出断断
16、面平均均流速，即即可求得得沿程阻阻力系数数：四、实验步步骤1 沿程水头损损失与流流速的关关系实验验1）实验前前准备工工作。将实验验台个阀阀门置于于关闭状状态，开开启实验验管道阀阀门，将将泵开启启，检验验系统是是否有泄泄露；排排放导压压胶管中中的空气气。 22）开启启调节阀阀门，测测读测压压计水面面差。 33）用体体积法测测量流量量，并计计算出平平均流速速。 44）将实实验的与与计算得得出的值值标入对对数坐标标纸内，绘绘出关系系曲线。 55）调节节阀门逐逐次由大大到小，共共测定110次。2 沿程阻力系系数的测测定实验验 11）本实实验共进进行粗细细不同管管径的两两组实验验，每组组各作出出6个实实
17、验。 22）开启启进水阀阀门，使使压差达达到最大大高度，作作为第一一个实验验点。3）测读水水柱高度度，并计计算高度度差。 44）用体体积法测测量流量量，并测测量水温温； 5）用不不同符号号将粗细细管道的实验验点绘制制成对数数曲线。五、实验数数据记录录及分析析1沿程水水头损失失与流速速的关系系实验数据据及计算算如表44.1所所示，关系曲曲线如图图4.22所示。 仪仪器常数数：d = cm, A = ccm2 L= m, t= 表4.1 数据据表Noh1（cm)h2(cm)hf(cm)V(cm3)t(s)Q(cm3/s)(cm/ss)12345678910图4.2 关系曲线2沿程阻阻力系数数的测定
18、定实验数数据及计计算如表表4.22所示，关系曲线如图4.3所示。仪器常数： d粗 = cm， dd细 = cm， = mt = = N/mm3表4.2 数据据表 类别Noh1(cm)h2(cm)h汞(cm)h水(cm)V(cm3)t(s)Q(cm3/s)(cm/ss)RelgRelg(100)粗管123456细管123456图4.3 关系曲线实验5 管路局部部阻力实实验一、实验目目的1 掌握三点法法、四点法法测量局局部阻力力系数的的技能。2 通过对圆管管突扩局局部阻力力系数的的包达定定理和突突缩局部部阻力系系数的经经验公式式的实验验验证与与分析，熟熟悉用理理论分析析法和经经验法建建立函数数式的
19、途途径。3 加深对局部部阻力损损失机理理的理解解。二、实验装装置实验装置同同实验44，如图图4.11所示。三、实验原原理写出局部阻阻力前后后两断面面的伯努努利方程程，根据推推导条件件，扣除除沿程水水头损失失可得局局部水头头损失。1 突然扩大沿沿程水头头损失与与流速的的关系采用三点法法计算，下下式中由由按流长长比例换换算得出出：实测理论2 突然缩小 采采用四点点法计算算，下式式中点为为突缩点点，由hf3-4换算算得出，由换算得出。 实实测 经经验四、实验步步骤 1测测记实验验有关常常数。 22打开水水泵，排排除实验验管道中中的滞留留气体及及测压管管气体。 33打开出出水阀至至最大开开度，等等流量
20、稳稳定后，测测记测压压管读数数，同时时用体积积法计量量流量。 44改变出水水阀开度度34次，分分别测记记压管读读数及流流量。五、实验数数据记录录及计算算1 记录、计算算有关常常数： cmm， cmm， ccm， cm， cm， cm， cm， cm， cm，2 实验数据记记录见表表5.11，实验验数据计计算结果果如表55.2所所示。3 将实测局部部阻力系系数与理理论值或或经验值值进行比比较。表5.1 实验验数据记记录表次序流量（cmm3/s）测 压 管 读 数 cm体积时间流量表5.2 计算算表阻力形式次序流量cm3/ss前断面后断面突然扩大突然缩小六、分析和和讨论1根据实实验成果果，分析析比
21、较突突扩与突突缩在相相应条件件下的局局部损失失大小关关系。2结合流流动演示示的水力力现象，分分析局部部阻力损损失机理理何在？产生突突扩与突突缩局部部阻力损损失的主主要部位位在那里里？怎样样减小局局部阻力力损失？3现有一一段与调调节阀相相连，内内径与实实验管道道相同的的直管段段（见图图4.11），如如何用两两点法测测量阀门门的局部部阻力系系数？实验6 毕托管管测速实实验一、实验目目的1 通过对管嘴嘴淹没出出流流速速及流速速系数的的测量，掌掌握用毕毕托管测测量某一一点流速速的技能能。2 了解普朗特特型毕托托管的构构造和适适用性，并并检验其其测量精精度，进进一步明明确传统统流体力力学测量量仪器的的现
22、实作作用。二、实验装装置实验装置同同实验44，如图图4.11所示。三、实验原原理 用用毕托管管测量流流速时，式中 毕托托管测点点处的流速速； 毕托管管的流速速校正系系数； 毕托管管的全压水水头与静静水压水水头差； 仪器常常数，。对管嘴出流流：式中 测点点处流速速，由毕毕托管测测定； 管嘴的的流速系系数； 管嘴的的作用水水头。联立解以上上两式，可可得：四、实验步步骤 1打打开水泵泵和出水阀阀，读取管管嘴的上上下游水水位和毕毕托管水水头。 22调节出水水阀，再重复复步骤11）三次次。五、实验数数据记录录及计算算1计算常常数。毕毕托管的的校正系系数 = ，常数 = cm00.5/s。2实验数数据记录
23、录及计算算见表66.1。 表6.1 数数据表实验次序上下游水位位差(cm)毕托管水头头差(cm)测点流速测点流速系系数H1H2H3H4h1234实验7 文丘里里流量计计实验一、实验目目的 11通过测测定流量量系数，掌掌握文丘丘里流量量计测量量管道流流量的技技术。 22验证能量量（伯努努利）方方程的正正确性。二、实验装装置实验装置同同实验44，如图图4.11所示。三、实验原原理 二二 实验验原理 根据伯伯努利方方程和连连续性方方程，可可得不计计阻力作作用的文文丘里管过过水能力力关系式式为：式中 ，为为仪器常常数； ，为为两断面面测压管管水头差差。由于阻力的的存在，实实际通过过流量恒恒小于。引引入
24、无量量纲系数数 (称为为文丘里里流量修修正系数数，简称称流量系系数)，则有有：四、实验步步骤 1测测计各有有关常数数。 2打打开水泵泵，调节节进水阀阀门，全全开出水水阀门，使使压差达达到测压压计可测测量的最最大高度度。 3测测读压差差，同时时用体积积法测量量流量。 4逐逐次关小小调节阀阀，改变变流量779次次，注意意调节阀阀门应缓缓慢。 5把把测量值值记录在在实验表表格内，并并进行有有关计算算。 6如如测管内内液面波波动时，应应取平均均值。五、实验数数据记录录及计算算1记录计计算有关关数据。 实实验装置置台Noo = cmm， = cm， 水水温 = ，水箱液液面标尺尺值 = ，管管轴线高高程标尺值 = ccm。常常数 = ccm0.25/s。2整理记记录计算算表如表表7.11、表77.2。表7.1 记录表表次序测压管度数数水量(cm3)测量时间(s)h1h2h3h4123456789表7.2 计算表表次序(cm3/s)=(h1-hh2+h3-h4)(cm)(cm3/s)12345678932