流体力学实验指导书.doc

流体力学实验指导书实验项目1 雷诺实验一、实验目的1、了解流体的流动形态：观察实际的流线形状，判断其流动形态的类型；2、熟悉雷诺准数的测定和计算方法；3、确立“层流与湍流与Re之间有一定关系”的概念。二、实验设备1、雷诺示范实验装置2、秒表3、量杯三、实验原理流体在流动过程中有3种不同的流动形态，即层流、湍流和介于两者之间的过渡流。雷诺用实验的方法研究流体流动时，发现影响流体流动类型的因素除了流速u以外，还有管径d、流体的密度以及粘度，由这四个物理量组成的无因次数群称之为雷诺数。实验证明，流体在直管内流动时：当Re2000时，流体的流动类型为层流。当Re4000时，流体的流动类型为湍流。当2000Re4000，流体的流动类型可能是层流，也可能为湍流，将这一范围称之为不稳定的过渡区。从雷诺数的定义式来看，对于同一管路d为定值时，u仅为流量的函数。对于流体水来讲，及仅为温度的函数。因此确定了温度及流量即可计算出雷诺数Re。四、实验装置及流程实验装置如图所示，实验时水从玻璃水槽流进玻璃管（内径20mm），槽内水由自来水供应，槽壁外有溢流槽，过量的水进溢流槽排入下水道。实验时打开阀门，水即由玻璃槽进入玻璃管，流进排水管排出，用阀门调节水量，流量可由量筒及秒表测定。高位墨水瓶贮藏墨水之用，墨水由经阀门流入玻璃管。玻璃水槽红墨水瓶阀门量筒图1 雷诺示范实验装置五、实验数据记录表表1 雷诺实验数据记录表水温_23_ 水粘度_943.2_10-3PaS水密度_999.2_kg/m3 管内径_16_mm项序 目号流 速 测 定雷诺准数流 动 形 态量杯读数 mL 计时 S 流速um/sRe据Re做出判断实际观察到形态11001090.0114193.2层流细线22951060.0346586.5层流细线3290730.0494837.3层流细线4330330.1242101.8湍流开始出现波浪形5380320.1482508.6湍流紊乱6370280.1642779.8湍流紊乱六、讨论1、流量从小做到大，当刚开始湍流，测出雷诺数是多少？与理论值2000有否差距？请分析原因。答：刚开始湍流时，测出的雷诺数是2101.8，与理论值有差距但差距不大。实验装置较为简便，同时与实验的环境及实验过程中的操作都有一定的关系，还有就是读数及计时都存在偶然误差。2、 根据测得Re值与观察到的流动形态是否一致。请分析原因。答：层流状态是测得的Re与理论值基本一致，表明实验还是比较成功的。当测得的Re2000后，流态基本呈现湍流的状态。可能是因为我们实验过程中，噪音和动静较大，扰动因素较多，使Re处于过渡区的流体都呈现了湍流的流态。七、注意事项1、要保证实验数据的准确性，尽量使实验装置以及周围现场保持宁静。2、流体的流量调节要缓慢、平稳。3、墨水注入量控制适当。八、思考题1、影响流动形态的因素有哪些？答：玻璃管的管内径、流体的流速、实验环境的温度（影响流体的密度和动力粘度）2、 如果说可以只用流速来判断管中流动形态，流速低于某一具体数值时是层流，否则就是湍流，你认为这种看法对不？在什么条件下可以只由流速的数值来判断流动形态？答：这种说法不对，在玻璃管内径不变，管壁的阻力可忽略不计，流体为理想状态的情况下，可以只由流速的数值来判断流动形态。3、 研究流动形态在工程上有何现实意义？答：流体的流动形态直接影响流体内部相互间作用力的方向、构成，与整个系统能量构成也有关系，对于水库水坝的修筑，舰艇、飞行器的设计都有重要的现实意义。实验项目2 冷热水混合器的内部流动与热量交换数值模拟实验一、实验目的1、熟悉Gambit和Fluent的用户界面和操作；2、学会使用Gambit建模和划分网格；3、学会使用fluent求解器进行求解，并显示计算结果。二、实验设备1、联想开天S8000电脑5台，高性能计算机（酷睿2/2G/512独显）12台2、Gambit、Fluent软件一套三、操作过程1、问题描述一个冷热水混合器的内部流动与热量交换问题。混合器的长宽均为20cm，上部带3cm的圆角，温度为T=350K的热水自上部的热水管嘴流入，与下部右侧的管嘴流入的温度为290K的冷水再混合器内进行热量与动量交换后，自下部左侧的小管嘴流出。2、利用Gambit建立计算模型（1）启动Gambit并且建立一个新的项目文件（2）选择求解器（3）创建坐标网格（4）划分各面的网格（5）设置边界类型（6）导出网格文件3、用Fluent求解用Fluent求解包括导入和检查网格、建立求解模型、设置边界条件、求解、显示计算结果等。（1）网格的导入和检查及有关操作（2）建立求解模型（3）设置流体的物理属性（4）设置边界条件（5）求解（6）显示计算结果（7）二阶离散化方法重新计算（8）自适应网格修改功能（9）保存项目4、结果与讨论在本例的计算过程中，我们使用了三种离散方法（1）最初的网格，能量方程采用一阶离散方法；（2）最初的网格，能量方程采用二阶离散方法；（3）利用温度梯度定位网格单元并给予改进，能量方程采用二