水力学实验(文华).doc

水力学实验莫逎榕 编华中科技大学文华学院城建学部2012.6目录 1 流体静力学实验 22 局部水头损失实验 53 文丘里流量计实验 154 孔口、管嘴实验 185 雷诺实验 21 1 流体静力学实验1.1. 实验目的 1观察测点的测压管水头(位置水头与压强水头之和)，加深对静压强公式的理解。2求未知液体的密度1.2. 实验装置图1.1是一种静水压强实验仪。管1和管2的一端与盛水容器联通，另一端通大气。它们的液面应该平齐。如果管1和管2的液面高于容器内的液面，则容器内的密封气体的压强p0高于大气压pa。管3是容器的连通管，其液面应该与容器液面平齐。容器内的气体压强p0可以改变。打开阀门K2，挤压加压打气球，则p0升高。加压结束后要注意关闭K2。如果要降低p0，则打开阀门K2，用吸气球将容器内部的气体抽出。管5、管6是真空管。管7、管8是U形管，内部盛水，并且在管8的水柱水面上灌入油液，油柱高度H可用尺子测量。本实验将要测量油液的密度其密度为。1.3. 实验原理流体静力学的基本方程是常数 (1.1)密封水箱的两个测点C和D的位置高低不同，但管1、管2液面高程是相同的，这就是说明静止液体内任意一点的位置水头与压强水头之和（称为测压管水头）是相同的。盛有某种未知密度液体的U形管，其液柱高差是由于压差p0-pa引起的，故有 (1.2) 水的密度是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度。式中的z2和z3可以直接读出，管7和管8 没有刻度，z8-z7可用尺子测量管7和管8的高差，这样就可求出(z8-z7)。值得注意的是，当管8的油面高于管7 的水面时，(z8-z7)为正，当管8的油面低于管7 的水面时，(z8-z7)为负。1.4 实验步骤 1.用直尺测量管8中油柱的高度。 2关闭阀门K1，K3，打开K2，挤压加压打气球，使密封水箱的液面气体压强p0逐渐增加，当管1、管2的液面上升至相当的高度时，关闭阀门K2。观察密封水箱的密封效果：加压时，管1、管2的液面也随上升。加压结束后，管1、管2的液面应停止在某一高程位置，不再变化。如果密封效果不好，管1、管2的液面将不停地下降，这就说明水箱漏气。应设法处理。 3读取管1、管2和管3的液面高程读数，用尺子测量管8与管7液面高差(z8-z7)并填入数据表。注意(z8-z7)有正负。 4. 改变密封气体的压强，重复上面的步骤进行测量。本实验测量4组数据，其中，p0pa和p0pa的情况分别测量2组数据。 图1. 2 静水压强实验数据表1.5 数据整理及误差分析流体力学实验的数据整理是件复杂的工作，为此，可编制数据处理系统供实验课使用。图1.2是本室研制的数据处理系统的静水压强实验数据表界面。实验装置中的未知液体的密度值为827kg/m3。由数据表看出，测量误差很小。1.6 思考题 1在什么情况下，管2，3的液面平齐？ 2当管2，3的液面平齐时，管7管9的液面是否平齐？为什么？ 4观察管7和管8的液柱，如果判断油的密度和水的密度哪个较大？2 局部水头损失实验2.1 实验目的测量管流中突扩管和突缩管的局部水头损失，并确定局部损失系数。2.2 实验装置 图2.1 局部损失实验装置图2.1 所示的局部水头损失实验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段，局部损失（截面实扩、截面突缩）管件、6支测压管。稳压水箱设置有溢流板。当产生溢流时，水面总是稍高于溢流板顶部，水位保持恒定，如果没有发生溢流，则水位就可能不为恒定。实验管道由三个管段组成。各段的管道直径在实验台的标牌上显示。图中的A处，管道截面发生突然扩大，而在B处，截面发生突然缩小。管道突扩处A设有气阀K，用于排除突扩处可能产生并滞留不动的气泡。管道的尾阀用于控制水流量。管道上设置6个测压孔，位置如图所示。这些测孔的压强通过软管传输到测压管，测压管水柱液面高程可用读数板的标尺测量。2.3 实验原理对局部损失管件的上、下游某断面应用伯努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。突扩管：对于测压管1，2所在截面伯努利方程为，则有： (2.1)式中，截面1、2的压强水头用水柱高h1和h2表示。hjA是截面突扩处的局部水头损失。hf12是截面1、2之间的沿程水头损失。hf12无法直接测量。截面1、2之间的管长l12是截面2、3之间的管长l23一半，hf12应该等于截面2、3之间的沿程水头损失hf23的一半。而截面2、3之间的沿程水头损失hf23就等于压差水头，即水柱高度之差，hf23=h1-h2。由式（2.1）得到截面突然扩大的局部水头损失的计算式： （2.2）水柱高度用尺子量测。速度可以用流量除以截面积得到。流量可用两种方法获得。一种是直接读取流量计的显示值，另一种是用体积法测量流量，用量筒接水，接水体积除以接水时间就得到流量。流量不大时，流量计的测量值误差较大，本实验用体积法测量流量。截面突然扩大的局部水头损失的经验公式为： （2.3）将经验值和实测值相比较，就可以估算测量误差。突缩管：对于截面4、5之间的水流应用伯努利方程： （2.4）截面4、5之间的沿程水头损失hf45等于截面4、B之间的沿程水头损失hf4B与截面B、5之间的沿程损失hfB5之和。3、4、B、5、6之间的距离由如下关系式：l4B=0.5 l34，lB5= l56，因而hf4B等于截面3、4之间的沿程水头损失的一半，hfB5等于截面5、6之间的沿程水头损失， （2.5）实缩管的局部损失系数的经验公式为 （2.6） 比较实测值和经验值，就可以测量误差。 测量内容：流量（用体积法），h1，h2，h3，h4，h5和h6，共测量56组数据。2.4 实验步骤 1. 接通电源启动水泵。2. 缓慢打开进水管的阀门，让水徐徐进入水箱，水位慢慢提升。同时打开试验管段的尾阀至最大。水流稳定时，水箱水位应略高于溢流板5mm左右。3仔细观察管道的突扩处A，突缩处B，以及测压管内是否出现气泡，若有气泡，应设法排除。4用体积法测量水流量。一人接水另一人计时。注意接水和计时保持同步。5. 记录各测压管的读数。由于表面张力作用，测压管的水柱表面呈现弯月形，读数时，眼光平视，读取弯月形液面最低点的高程读数。6. 关小尾阀，使流量变小，继续进行测量。调节阀门时，等待12分钟，水流稳定后方可读数。本实验共测量56组数据。图2.2 局部损失数据表6实验结束后，关闭水泵，切断电源。擦干净桌上的渍水。用拖把清理地面积水。保持良好的实验环境。2.5 实验数据处理 利用数据处理系统计算各种数据。只要将流量，测压管水柱高度填入表格，系统自动算出各种局部损失系数。2.6 思考题1. 实验过程中，实验管段和测压管是否出现气泡？出现气泡时逆如何处理？2. 对于本装置，按经验公式计算出来的局部损失系数是多少？将经验公式的计算值与你的实测值比对，误差多大？你认为误差的原因由哪些？3 文丘里流量计实验3.1 实验目的测量文丘里流量计的流量系数3.2 实验装置 图3.1 文丘里流量计实验装置图3.1是本实验仪置，它由水泵、实验管段、测压计组成。流量的测量采用手工体积法，即将水接入量筒，用秒表记下接水时间，体积除以时间就得到流量。现对装置介绍如下：1供水器由离心泵，进水管，回水管组成。离心式水泵将水经由进水管输入稳压水箱。稳压水箱设有溢流板，其作用是：当水箱内的水发生溢流时，水位能保持恒定。如果水泵的压强较高，稳压水箱的水面就出现波动，此时应关小进水管上设有的进水阀门，使压强降低，波动消失。2. 文丘里流量计和孔板流量计文丘里流量计安装在实验管段上。图3.2是文丘里流量计示意图。文丘里管由收缩段、喉部、扩散段组成，各部分的直径标于实验台的标牌中。图中，测压孔1开设于收缩段上游，测压孔4开设于喉部。1、4的压差用复合压差计测量。 图3.2 文丘里流量计 文丘里流量计属于节流式流量计。文丘里管的截面积发生变化，强制地改变局部地方的管流速度和压强，测量其压差就可以计算管道流量。文丘里流量计收缩段段的收缩角为2025，折角处圆滑，尽量接近流线型。喉部是文丘里流量计的断面最小的部位，此处的流线曲率半径相当大，流动可视为缓变流，扩散角一般为515。文丘里流量计是测量流量的仪器，在使用之前，要预先测量它的流量系数，称为流量计的标定。3.3 实验原理文丘里流量计安装实验管段的中部。对于图3.2所示的测压管1，4所在断面应用努利方程（相应的参数用下标1，4表示），则有 （3.1）利用连续性方程v1A1= v4A4，上式可化为 （3.2）压差用复合测压计测量，则有： （3.3）速度与截面积相乘就得到流量，上面的计算中没有考虑粘性的影响，因此，流量的表达式可修正为 （3.4）式中，称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流量计的流量系数达0.99以上。标定文丘里流量计的流量系数的方法是：用体积法测出流量Q，读取测压管的液柱高度。利用式(3.4)确定的值。3.4 实验步骤1启动水泵，向水箱充水，关闭尾阀。观察各测压管，如果发现有气泡，应设法将其排除。2合理调节进水阀、尾阀，使流量稳定，测压管的液面高度适中。记录各测压管的液柱高度。. 用体积法测量管流的流量。流量要求改变6次。改变流量时，要等待23分钟，水流稳定后方可读数。测量内容：流量（体积法），4支测压管的水柱高度：h1，h2，h3，h4。共测量56组数据。3.5 数据表图3.3是数据表的界面。由表中看出，1、5组数据的流量系数偏小。产生误差的原因，可能是水流尚未稳定就开始读数。高度读数刻度只精确到mm，用人工判读也产生误差。此外，水柱液面常发生波动，其高度不易确定。 图3.3 文丘里流量计实验数据表3.6 思考题 1的值可能大于1吗？ 2影响取值的因素有哪些？ 3请叙述实验操作过程中出现的技术问题及处理方法。 4请对你的实验结果进行分析。4 孔口、管嘴实验4.1 实验目的测量孔口，管嘴的流量系数。4.2 实验装置 图4.1 孔口、管嘴流量系数测定实验装置图4.1是孔口、管嘴实验装置图。水箱里有溢流挡板，用以保持水位恒定。从管嘴、孔口射出的水流落到接水槽，流向出水口。水箱侧面开设有孔口和管嘴。图4.2是管嘴、孔口位置图。其中1、2、3为管嘴，4为孔口。水箱的内璧设有挡板，用于切换管嘴或孔口。 图4.2 管嘴、孔口布置图 图4.3 管嘴、孔口结构图管嘴、孔口的结构形状对水头损失有影响。图4.3 是3种管嘴和一个孔口的结构图。图中还列出了射流出口的面积收缩系数、速度系数、流量系数和局部损失系数实验值的变化范围。 图4.4 电子流量计控制面板本实验流量计测量流量。图4.4是流量计的控制面板。流量显示值的单位是ml/s，即10-6m3/s。流量计在使用前必须调零。4.3 实验原理 图4.5表示孔口和管嘴的流动图案。我们先推导孔口的流量公式。设水流从孔口流出，射流的断面C-C的面积最小，该断面称为射流的喉部。喉部截面积AC与孔口面积A之比称为面积收缩系数，即。在喉部附近，流线的曲率半径很大，流动可视为渐变流，对于水箱液面0-0和射流喉部断面C-C应用伯努利方程，则有 图4.5 孔口和管嘴的流动图案 （4.1） （4.2）式(4.2)中的H是孔口的作用水头，即孔口中心与水面的高差。称为速度流量系数，通常，=0.970.98。由此得到孔口的流量公式 （7.3）式中，A是孔口的面积，为孔口的流量系数。测出流量Q和水头H，按上式计算孔口的流量系数的实验值。管嘴自由出流时，水流虽然也出现收缩，但喉部位于管嘴内部。喉部的流速大，压强小。真空压强有利于管嘴出流。对水箱液面0-0和管嘴出口水流断面1-1应用伯努利方程，则有 （4.4）这里，v是管口的流速。用H管嘴中心与水面的高差。v的计算式可写成 （4.5）式中称为管嘴的流速系数。如果管嘴的截面积为A，则流量为 （4.6）称为管嘴的流量系数。测出流量Q和水头H，按上式计算管嘴的流量系数的实验值。上面提到，管嘴内部的真空压强有利于管嘴出流，因而管嘴的流量系数大于孔口的流量系数。本实验设有3种管嘴，每一种管嘴的流量系数都用类似办法测定，但其流量系数各不相同。其中进口为圆角的管嘴流量系数最大，圆锥管嘴其次，直角管嘴最大。而孔口比管嘴的流量系数都要小。7.4 实验步骤1关闭孔口和管嘴，开启水泵，向水箱充水。2转动防水挡板至1号管嘴，然后拔出1号圆角管嘴的软胶塞子，再将防水挡板旋转离开管嘴口，水箱的水箱便形成管嘴出流。3. 记录管嘴出流时的水箱水位。4将电子流量计的测量按钮旋转至圆角管嘴指示处，记录流量。5将防水挡板转动至1号管嘴口，堵塞管嘴口后拔出软胶塞子。6. 转动防水挡板至1号直角管嘴，进行类似操作，读取直角管嘴出流时的水位。阙欢流量计的按钮至直角管嘴指示处，记录直角管嘴出流的流量。7. 进行类似操作，测量圆锥管嘴出流的水位和流量。8. 进行类似操作，测量出流时的水位和流量。孔口出流实验需测量孔口射流喉部的直径。方法是：孔口出流时，移动孔口两侧的滑块，使其刚好抵触孔口射流的边缘。固定住滑块。然后旋转防水挡板堵住孔口，塞紧孔口的软胶塞子。水泵进水阀门。关闭电机。9. 测量孔口射流最小截面的直径。方法是：打开游标卡尺，使之贴近孔口两侧的固定滑块，读出两个滑块之间的距离。这就是孔口射流喉部的直径dc。参见图4.6。 图4.6 用游标卡尺测量孔口射流截面直径6测量结束。测量内容：流量（体积/时间），孔口、管嘴出流时的水面高程和流量。4.5 数据表及实验结果分析孔口、管嘴的实验数据参见图4.7。各种参数与图4.3的数据吻合。管嘴的出口面积没有发生收缩，dc等于管嘴直径，收缩系数均为1。孔口的射流最小断面的直径为dc，收缩系数按计算，而流速系数按计算。孔口射流喉部直径dc不易测出，常常出现较大误差。 图4.7 管嘴、孔口出流实验数据表7.6 思考题 1孔口的流速系数不可能大于1.0，为什么？2管嘴和孔口的截面积相同。管嘴的流量系数大于的孔口的流量系数，为什么？3. 各种管嘴的流量系数为什么不相同？5 雷诺实验5.1 实验目的1. 观察红色液线所演示的流态。2. 确定管流临界雷诺数。5.2 实验装置 图8.1是雷诺实验的装置。本实验装置由水泵、稳压水箱、试验管段、红色液线注射器组成。稳压水箱向管道提供恒定水流。管段的尾阀用于控制流量大小。 在水箱的上部设有红色液体容器，其下部的出口连接一条细软管，再接入注射针头。红色液体的流量由一个小阀门控制，使用时可适度打开，不适用时立刻关闭。5.3 实验原理由流体力学知道，水流速度大，亦即雷诺数大时，流态为紊流。水流速度小时，亦即雷诺数小时，流态为层流。层流与紊流的临界状态的雷诺数称为临界雷诺数。当速度由大到小变化时，雷诺数从大变小，流态从紊流变为层流，其临街雷诺数称为下临界雷诺数，大约是Re=2300。当速度由小到大变化时，雷诺数从小变大，流态从层流变为紊流，其临界雷诺数称为上临界雷诺数，上临界雷诺数比较大，有些实验的上临界雷诺数为10,000多，有些实验的上临界雷诺数高达50,000。本实验主要目的是观察两种流态，并测定下临界雷诺数。同时也实验性地测量上临界雷诺数，看能否得到一个确定值。本实验