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船舶流体力学实验指导书 船舶流体力学实验指导书工程机械系船舶与海洋工程教研室目录实验1静水压力实验1实验2烟风洞及水槽流线实验3实验3伯努利方程实验4实验4雷诺实验7实验5动量方程实验9实验6管路综合实验12实验1静水压力实验 一、实验目的1测定矩形平面上的静水总压力。 2验证静水压力理论的正确性。 3观察压强传递现象。 二、实验装置实验装置如图所示。 静水压力实验装置图 三、实验原理对密封容器（即水箱）的液体表面加压时，设液体表面压强为P0，则P0P a，p a为大气压强。 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p0为p0?p a?h1式中?液体的重度；hU形管中液面上升的高度。 当密闭水箱内压强P0下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即P0P a，这时密闭水箱内液面压强p0为p0?p a?h式中hU形管中液面下降的高度。 四、实验步骤1关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差?h。 在加压的同时，观察左侧A、B管的液柱上升情况。 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打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。 关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器内压力下降，观察U形管中液柱的变化情况。 五、分析和讨论1液体表面压强p0与表压强、真空度有什么关系？2用该实验装置是否可以测出其他液体的重度？为什么？2实验2烟风洞及水槽流线观察实验 一、实验目的1.在烟风洞利用烟流法观察烟流绕过物体周围的流动图形；观察各种几何边界变化条件下产生的旋涡现象，搞清楚旋涡产生的原因与条件；2.通过对各种边界下旋涡强弱的观察，分析比较局部损失的大小；3.观察绕流现象、分离点及卡门涡街现象。 二、实验装置小型风洞，实验稳定速度大于5m/s。 小型水槽，水流稳定速度大于5m/s。 机翼型实验试件、圆柱形试验件。 三、实验原理1流体在流动过程中遇到其他物体时要发生绕流现象，流线形状会产生变化。 当绕过的物体曲率较大时，会产生边界层分离，产生明显漩涡。 当绕过圆柱形物体时，在物体的后方将产生卡门涡街。 四、实验步骤1烟风洞流线观察实验实验步骤点燃蜡烛，将其平稳置于风洞前部，距离试验段1米左右。 将机翼型试验件平稳安放于试验段中，攻角为0度。 启动风洞风机，调节流速达到2m/s，待烟流线稳定后，观察机翼型试件处流线情况。 改变攻角至15度，观察机翼型试件处流线情况。 改变攻角至30度，观察机翼型试件处流线情况。 将攻角改回0度，调节流速达到4m/s,待烟流线稳定后，观察机翼型试件处流线情况。 重复步骤；关闭风机，更换另一规格的机翼型试件，重复步骤。 关闭风机，实验用品归位，实验结束。 2水槽流线观察实验实验步骤将圆柱形试件平稳固定于水槽内；启动水槽水泵，调节流速达到1m/s，观察试样后的漩涡情况。 调节流速达到3m/s,观察试样后的漩涡情况。 调节流速达到5m/s,观察试样后的漩涡情况。 关闭水泵，实验用品归位，实验结束。 五、分析和讨论分析不同流速，不同攻角下流线的形状变化情况，讨论漩涡产生的原因和条件。 分析不同流速下水槽总流线的变化情况，讨论卡门涡街的产生原因。 3实验3伯努利方程实验 一、实验目的 1、测量位置势能与速度之间的关系，观察能量之间的转换关系； 2、计算流体流动的速度、速度与位置的关系。 二、实验装置伯努利方程试验仪1.水箱及潜水泵2.上水管3.溢流管4.整流栅5.溢流板6.定压水箱7.实验细管8.实验粗管9.测压管10.调节阀11.接水箱12.量杯13.回水管14.实验桌 三、实验原理伯努利方程中v2z?C?2gp三部分之和在整条流线上保证常数。 从物理意义来看，z表示单位质量流体的位置势能，v2表示压力能，项表示动能，整个方程表示单位质量流体在流线上能量守恒。 本实验?2gp通过在仪器的某些位置测量高度、压力、速度，以验证上式的成立。 四、实验步骤实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量流水流出，使槽内液面平稳不变，最后，设法排尽设备内的气泡。 1关闭实验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下个测试点（a、b和c三点）的压强。 2开启实验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下测试点的压头变化。 43缓慢开启实验导管的出口条件阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动压头和损失压头。 实验过程中必须注意如下几点 (1)实验前一定要将实验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会影响准确性。 (2)开启进水阀或调节阀时，一定要缓慢，并随时注意设备内的变化。 (3)实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。 (4)为观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。 五、实验数据记录及计算1测量并记录实验基本参数实验导管内径dA=20mm；dB=30mm；dC=20mm;水温密度各测试点的静压头pB/g pC/g各测试点的静压强pA/Pa pB/Pa pC/Pa/kgm-3pA/g实验系统的总压头h=mmH2O2非流动体系的机械能分布及其转换3流动体系的机械能分布及其转换实验序号温度，/密度，/kgm-3静压头P A/?g,mmH2O PB/?g,mmH2O PC/?g,mmH2O pA,Pa压强pB,Pa5pC,Pa u2A/2g,mmH2O动压头u2B/2g,mmH2O2u C/2g,mmH2O流速损失压头验证流动流体的机械能恒算方程UA，ms-1UB，ms-1UC，ms-1Hf(1-A)，mmH2O Hf(1-B)，mmH2O Hf(1-C)，mmH2O6实验4雷诺实验 一、实验目的1观察流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。 2观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。 3测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数Re c 二、实验装置实验装置如图所示。 雷诺实验装置1.水箱及潜水泵2.上水管3.溢流管4.电源5.整流栅6.溢流板7.墨盒8.墨针9.实验管10.调节阀11.接水箱12.量杯13.回水管14.实验桌 三、实验原理流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。 在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。 如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均速度v，微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。 此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。 如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。 如果将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运7动。 流体的雷诺数Re?vd?，根据连续方程Q?Av，v?Q。 流量Q用体积法测出，A即在?t时间内流入计量水箱中流体的体积?V。 ?V?d2Q?，A?t4式中A管路的横截面积；d管路直径；v流体繁荣流速；?水的运动粘度。 四、实验步骤1准备工作。 将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度H不变。 2缓慢开启阀门7，使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门9，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。 3开大出口阀门7，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出口阀门7，观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量，计算出下临界流速v c。 重复做三次，即可算出下临界雷诺数。 五、实验数据记录及计算d=mm水温=实验次数123?V（m）3?t（s）Q（m/s）3v c（m/s）?（m/s）2Re c下临界雷诺数的计算公式为Re c?v c?d?8实验5动量方程实验 一、实验目的1.通过射流对水箱的反作用力和射流对平板的作用力验证不可压缩流体定常流动的动量方程。 2.通过对动量与流量、流速、射流角度等因素的相关性分析，进一步掌握流体的动量守恒定理。 二、实验装置动量方程实验装置简图1.实验水箱2.控制阀门3.高位水孔4.低位水孔5.砝码6.转动轴承7.挡板8.固定插销9.水平仪10.喷嘴11.水泵12.水箱13.挡水板14.实验台支架 三、实验原理1射流对水箱的反作用力原理以水箱水面，出口断面及箱壁为控制面，对水平x轴列动量方程?F?水的密度；Q射流流量；x?R x?Q(?02v2x?01v1x)式中R x水箱对射流的反作用；?01，?02动量修正系数，取1；v1x水箱水面的平均流速在x轴的投影，取0；v2x出口断面的平均流速在x轴的投影。 由对转轴计算力矩M求得R x。 M?R x?L?Qv?L式中L出口中心至转轴的距离；9v出口流速。 移动平衡砝码得到实测力矩M0M0?G?S式中G平衡砝码重量；?S?S?S?S0；S出流时（动态）砝码至转轴的距离；S0未出流时（静态）平衡砝码至转轴的距离。 2射流对平面的作用力原理取喷嘴出口断面，射流表面，以及平板出流的截面为控制面，对水平x轴列动量方程?F x?R x?Q(?02v2x?01v1x)式中R x平板对射流的反作用力；v1x喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速；v2x断面平均流速在x轴的投影，取0。 由对转轴计算力矩M求得R x。 M?R x?L1?Qv?L1式中L1水流冲击点至转轴的距离；v喷嘴出口的平均流速。 添加砝码得到实测力矩M0M0?G?L2式中G砝码重量；L2砝码作用点到转轴的距离。 四、实验步骤及注意事项1射流对水箱的反作用力实验1）实验步骤开启进水阀门，将水箱充满水，关小阀门，使之保持较小溢流。 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（静态）砝码位置S0。 插上插销，将出口转至高孔位置。 调节阀门，使之仍保持较小溢流。 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（动态）砝码的位置S。 用体积法测量流量，计算流速。 将出口转至低孔位置，重复步骤。 2）注意事项调节前，必须将插销插上。 拔出插销后，应用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器。 2射流对平面的作用力实验1）实验步骤在拉链端部加重量50克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持垂直位置，记下10砝码位置，用体积法测流量。 改变砝码重量，重复步骤。 2）注意事项应缓慢开启和调节阀门。 注意单位换算。 五、实验数据记录及计算1水箱法仪器常数L=cm，S0=m，G=N S（m）?S?S?S0(m)M0?G?S(Nm)V3t Q3v R X?(m)(s)(m/s)(m/s)?Qv(N)M?R x?L(Nm)M0/M(%)1高孔21低孔22.平板法仪器常数L1=m，L2=m G(N)M0?G?L2(Nm)V3t(s)Q(m/s)3v(m/s)RX?Qv(N)(m)M?R x?L1(Nm M0/M(%)123 六、分析和讨论分析用动量方程求得的作用力值和实测值之间产生误差的原因。 11实验6管路综合实验（一）沿程阻力系数测定实验 一、实验目的1验证沿程水头损失与平均流速的关系。 2测定不同管路的沿程阻力系数。 3对照雷诺实验，观察层流和紊流两种流态及其转换过程。 二、实验装置管路综合试验仪。 1.水泵电机2.水泵3.循环储水箱4.计量水箱5.孔板及比托管实验管段进水阀6.阀门阻力实验管段进水阀7.D=14mm沿程阻力实验管段进水阀8.D=14mm沿程阻力实验管段9.阀门阻力实验管段10.孔板流量计11.比托管12.测阻阀门13.测压管及测压管固定板14.D=14mm沿程阻力实验管段出水阀15阀门阻力实验管段出水阀16.孔板及比托管实验管段出水阀17.文丘里实验管段出水阀18.D=10mm沿程阻力实验管段出水阀19.管支架20.D=10mm沿程阻力实验管段21.文丘里流量计22排水阀门 三、实验原理1沿程水头损失与流速的关系对沿程阻力两测点的断面列伯努利方程2P2a2v2a1v1z1?z2?h l?2g?2gp1212因实验管段水平，且为均匀流动，所以z1?z2,d1?d2,v1?v2,?1?2?1,h l?h f由此得p1p2?h y?即管路两点的沿程水头损失h f等于测压管水头差?h。 h f?由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速v，将所得h f和v数据绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与平均流速的关系。 2沿程阻力系数的测定由上面的分析可以得到h f?由达西公式p1p2?h y?h f?l v2d?2g用体积法测得流量Q，并计算出断面平均流速v，即可求得沿程阻力系数?2gd?h2lv 四、实验步骤1沿程水头损失与流速的关系实验1）实验前准备工作。 将实验台个阀门置于关闭状态，开启实验管道阀门，将泵开启，检验系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。 2）开启调节阀门，测读测压计水面差。 3）用体积法测量流量，并计算出平均流速。 4）将实验的h f与计算得出的v值标入对数坐标纸内，绘出lgh f?lgv关系曲线。 5）调节阀门逐次由大到小，共测定10次。 2沿程阻力系数的测定实验1）本实验共进行粗细不同管径的两组实验，每组各作出6个实验。 2）开启进水阀门，使压差达到最大高度，作为第一个实验点。 3）测读水柱高度，并计算高度差。 4）用体积法测量流量，并测量水温；5）用不同符号将粗细管道的实验点绘制成lgRe?lg100?对数曲线。 五、实验数据记录及分析1沿程水头损失与流速的关系实验数据及计算如表4.1所示，lghf?lgv关系曲线如图4.2所示。 2仪器常数d=cm,A=cm L=m,t=13表4.1数据表No12345678910h1h2h f（cm)(cm)(cm)lgh fV3(cm)t(s)Q3(cm/s)v(cm/s)lg v2沿程阻力系数的测定实验数据及计算如表4.2所示，lgRe?lg100?关系曲线如图4.3所示。 仪器常数d粗=cm，d细=cm，l=m3t=?水=N/m表4.2数据表类别No12h1h2h汞h水V tQ lg(v?Re lgRe33(cm)(cm)(cm)(cm)(cm)(s)(cm/s)(cm/s)100?)粗管34561细管2345614（二）局部阻力系数测定实验 一、实验目的1掌握三点法、四点法测量局部阻力系数的技能。 2通过对圆管突扩局部阻力系数的包达定理和突缩局部阻力系数的经验公式的实验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径。 3加深对局部阻力损失机理的理解。 二、实验装置实验装置同实验4，如图4.1所示。 三、实验原理写出局部阻力前后两断面的伯努利方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得局部水头损失。 1突然扩大沿程水头损失与流速的关系采用三点法计算，下式中h f1?2由h f2?3按流长比例换算得出实测av p avh re?(z1?)?1?(z2?2)?2?h f1?2?2g?2gav1?e?h re/2g理论2p122?(1?eA12)A22av?e?1h re2g2突然缩小采用四点法计算，下式中B点为突缩点，