流体力学实验指导书.doc

流体力学实验指导书郭广思 王连琪沈阳理工大学2006年10月一 伯努利方程综合性实验 （一）实验目的伯努利方程是水力学三大基本方程之一，反映了水流在流动时，位能、压能、动能之间的关系。1 了解总水头线和测压管水头线在局部阻力和沿程阻力处的变化规律；2 了解总水头线在不同管径段的下降坡度，即水力坡度J的变化规律；3 了解总水头线沿程下降和测压管水头线升降都有可能的原理；4 用实例流量计算流速水头去核对测压板上两线的正确性；不同管径流速水头的变化规律（二）设备简图本实验台由高位水箱、供水箱、水泵、测压板、有机玻璃管道、铁架、量筒等部件组成，可直观地演示水流在不同管径、不同高程的管路中流动时，上述三种能量之间的复杂变化关系。（三）实验原理 过水断面的能量由位能、压能、动能三部分组成。水流在不同管径、不同高程的管路中流动时，三种能量不断地相互转化，在实验管道各断面设置测压管及测速管，即可演示出三种能量沿程变化的实际情况。测压管中水位显示的是位能和压能之和，即伯努利方程中之前两项：，测速管中水位显示的是位能、压能和动能之和。即伯努利方程中三项之和：。将测压管中的水位连成一线，称为测压管水头线，反映势能沿程的变化；将测速管中的水位连成一线，称为总水头线，反映总能量沿程的变化，两线的距离即为流速水头。本实验台在有机玻璃实验管道的关键部位处，设置测压管及测速管，适当的调节流量就可把总水头线和测压管水头线绘制于测压板上。注：计算所的流速水头值是采用断面平均流速求得，而实测流速水头值是根据断面最大速度得出，显然实测值大于计算值，两者相差约为1.3倍。（四）实验步骤1开动水泵，将供水箱内之水箱至高位水箱；2高位水箱开始溢流后，调节实验管道阀门，使测压管，测速管中水位和测压板上红、黄两线一致；3实验过程中，始终保持微小溢流；4如水位和红黄两线不符，有两种可能：一是连接橡皮管中有气泡，可不断用手挤捏橡皮管，使气泡排出；二是测速管测头上挂有杂物，可转动测头使水流将杂物冲掉。（五）报告要求实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用流体力学实验报告用纸书写。（六）讨论题1. 什么是速度水头，位置水头，压力水头？速度水头、测压管水头和总水头什么关系？2. 总水头线和测压管水头线在局部阻力和沿程阻力处有怎样的变化？为什么？二 局部阻力综合性实验（一）文丘里流量计实验1实验目的（1）测定文丘里流量计的流量系数。（2）验证伯努利方程的正确性。2设备简图3实验原理在文丘里流量计入口II断面，在其喉部收缩段处取断面，由于流量计系数水平放置，则可列出上述两断面的伯努利方程如下，（不计水头损失）： （1）其中： 根据连续性方程得： （2）令： 解（1）（2）两式可得计算流量的公式如下：或 式中为两断面测压管水头差，亦即测压计内的液面高差h。令 （1）上式可写成 （2）因此，测出测压计水位高差h后，即可求出计算流量Q。 由于实际上所取的两个断面之间存在着水头损失，所以实际流量Q0一般要略小于计算流量Q。实际流量Q0用体积法测定。 （3）为时间内，水由管道流入计量箱内的体积。如令 （4）则是一小于1的数，称为流量系数。本实验的目的就是用实验的方法确定流量系数的具体数值。4实验步骤（1）准备工作： 记录仪器常数d1，d2并计算出k值。 检查测压计液面是否水平（此时Q=0），如果不在同一个水平面上，必须将橡胶管内空气排尽，使两测压管的液面处于水平状态，方能进行实验。 阀门1、2为实验阀门。可先调至较小开度。 文丘里流量计收缩断面（测点2），经常处于负压状态，实验前应将连接胶管灌满水，才能进行实验，否则往里进气。2.进行实验： 开泵，此时1、2测压管内应出现较小高差。 缓慢开启阀门1，使压差调到最大（如2号测压管中液位降得太低可关小阀门2，使液位抬高。如测压计中液位太高，可用压气球加压，压低液位）。注意事项：如出现测压管冒水现象，不必惊慌，可把阀门2全开、或停泵重做。5报告要求实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用流体力学实验报告用纸书写。6讨论题影响流量系数的因素是什么？（二）局部阻力系数的测定1实验目的（1）测定阀门不同开启度时（全开、30、45三种）的阻力系数。（2）掌握局部水头损失的测定方法。2设备简图3实验原理在本实验中伯努利方程式可表示如下：其中： 对测点1、2两断面列伯努利方程式，可求得阀门的局部水头损失及 长度上的沿程水头损失，以hw1表示： （1）对测点3、4两断面列伯努利方程式，可求得阀门的局部水头损失及（L1+L2）长度上的沿程水头损失，以hw2表示，则： （2） 即为阀门的水头损失hw：所以，阻力系数：4实验步骤（1）开泵。调节进水阀门，使测压管1、2、3、4种出现压差，如管中液位太高，可用压气球打压，使液位降低，以增加量测范围。（2）先闭进水阀门，测压管中水位应一平，如不平，说明连接胶管中有气泡，应赶净后再进行实验。（3）用流量计量侧流量。注意事项：如出现测压管冒水现象，不必惊慌，可把出水阀门全关或停泵重做。5报告要求实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用流体力学实验报告用纸书写。6讨论题什么叫局部阻力，影响因素是什么？三 流体沿程阻力实验（一）实验目的1测定不同雷诺数Re时的沿程阻力系数2掌握沿程阻力系数的测定方法（二）设备简图（三）实验原理在本实验中伯努利方程式可表示如下：其中： 对、两断面列伯努利方程，可求得L长度上的沿程水头损失根据达西公式： 用流量计测得流量，（仔细阅读流量计使用方法），并计算出断面平均流速，即可求得沿程阻力系数（四）实验步骤1开泵，调节进水阀门，使测压管中出现 高差。2关闭进水阀门，测压管中水位应一平，如仍有高差，说明连接管中有气泡，应赶净。3用流量计测流量。（五）报告要求实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用流体力学实验报告用纸书写。（六）讨论题什么叫沿程阻力，影响因素是什么？四 雷诺实验（一）概述1883年英国科学家雷诺（Osbome Reynolds）在他著名的雷诺试验中揭示了流体流动存在两种性质不同的型态层流和紊流。这两种流态不仅流体质点的运动轨迹不同，其水流内部结构也有着本质的差异。雷诺通过大量实验得出判断层流和紊流的标准临界雷诺数。（二）设备简图（三）实验目的及意义1了解流体流动的两种流态，并观察其临界状态及转变过程。2测定上临界雷诺数Re：（四）实验步骤水箱上水，并保持微小溢流，打亮灯箱，小开出水阀门和颜色水（可用红墨水）阀门，使颜色水成一条细线，此时为层流状态。逐渐开大出水阀门至颜色水线开始微微颤动，此时为临界状态，量测流量、水温，查表得运动粘性系数，即可求出上临界雷诺数：式中d为实验玻璃管内径，上临界雷诺数是一个不稳定的数值，1200，甚至更大。因此Re就没有实际意义。3测定下临界雷诺数Re在上述实验基础上，将出水阀门继续开大，使颜色水完全混乱，达到紊流状态。在逐渐关小出水阀门，使颜色水恢复成细纹，说明水流又由紊流变成层流，量测流量、水温。计算下临界雷诺数：根据大量实验资料，下临界雷诺数是一个相当稳定的数值，约为2300，因此在工程上都采用下临界雷诺数作为判别流动型态的标准。一般实验设备由于进水口、边界条件等不尽完善，很难达到这个标准，当Re