工程流体力学实验指导书

1、工程流体力学实验指导书北京科技大学土木与环境工程学院2003 年 9 月工程流体力学实验是工程流体力学课程教学的重要环节。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。本实验指导书是根据教学大纲的要求，并结合实验室的具体设备编写的。 实验内容包括水静压强实验， 不可压缩流体定常流动动量方程实验， 雷诺实验， 管路沿程阻力实验， 管路局部阻力实验， 毕托管测速实验， 文丘里流量计实验。 这些实验可以使学生掌握流体力学的实验技术和测量技巧，为进行科学实验研 究做准备。由于编者

2、水平有限和实验设备的限制，书中不足之处在所难免，敬请读者 批评指正。编者2003年7月目录实验1水静压强实验 1实验2不可压缩流体定常流动动量方程实验 3实验3雷诺实验 6实验4管路沿程阻力实验 8实验5管路局部阻力实验 12实验6毕托管测速实验 15实验7文丘里流量计实验 17实验1水静压强实验、实验目的1 .加深理解流体静力学基本方程及等压面的概念。2 理解封闭容器内静止液体表面压强及其液体内部某空间点的压强。3观察压强传递现象。、实验装置实验装置如图1.1所示。丸HW-Jmu ill图1.1水静压强实验装置图Po,则 PoPa, Pa 为大三、实验原理对密封容器（即水箱）的液体表面加压时

3、，设液体表面压强为气压强。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：Po Pa式中 液体的重度；h U 形管中液面上升的高度。当密闭水箱内压强 Po下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即PoV Pa,这时密闭水箱内液面压强 p0为：po pah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

4、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 Po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？实验2不可压缩流体定常流动动量方程实验一、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

5、素的相关性分析，进一步掌握流体的动 量守恒定理。二、实验装置实验装置如图2.1所示。”a.图2.1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、实验原理对水平01V1x)x轴列动量方程:1 射流对水箱的反作用力原理以水箱水面i i,出口断面n n及箱壁为控制面,F x RxQ( 02V2x式中 Rx 水箱对射流的反作用；水的密度；Q 射流流量；02 动量修正系数，取 1;水箱水面的平均流速在x轴的投影，取v2x 出口断面的平均流速在 x轴的投影。由对转轴计算

6、力矩 M求得Rx。M Rx L Qv L式中 L 出口中心至转轴的距离；v 出口流速。移动平衡砝码得到实测力矩M 0 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i I,射流表面，以及平板出流的截面n n为控制面，对水平x轴列动量方程：Fx RxQ( 02v2x01v1x)式中 Rx 平板对射流的反作用力；喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速；n n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 Rx 。M Rx L1 Qv L1 式中 L1 水流冲击

7、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 M 0 ：M 0 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

8、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 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 = NS(m)SS So(m)MoG S(Nm)V(m3)t(s)Q(m3/s)v(m/s)RxQv(N)MRx L(Nm)M0/M(%)高孔12低孔122.平板法仪器常数： L1 =m , L2 = mG(N)M0G L2(Nm)V(m3)t(s)Q(m3/s)v(m/s)Rx

9、Qv(N)MRx(NmM0/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。实验3雷诺实验、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Rec 、实验装置实验装置如图3.1所示。图3.1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

10、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，出此时流体的流动状态为紊流运现流体质点的横向脉动， 使红色线完全扩散与自来水混合, 动。流体的雷诺数Re 一，根据连续方程:Q Av, vQ。流量Q用

11、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。Vd2Q _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 Vc。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下

12、临界雷诺数的计算公式为：d = mm水温= C实验次数V (m3)t (s)Q (m/s )Vc (m/s)（m/s）Re。123Rec 3实验4管路沿程阻力实验、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。 、实验装置实验装置如图4.1所示。图4.1阻力综合实验装置込T时龙瞬不滇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1

13、2.测阻阀门13.测压管及测压管固定板14.D=14mm沿程阻力实验管段岀水阀15阀门阻力实验管段岀水阀16.孔板及比托管实验管段岀水阀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 里流量计22排水阀门19.管支架20.D=10mm沿程阻力实验管段21.文丘Z22P2a 2 V 2三、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2P1az2g因实验管段水平，且为均匀流动，所以hf乙 Z2, d1 d2,w v2, 12 1, h|由此得hf匕匕 h y即管路两点的沿程水头损失 hf等于测压管水头差由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均

14、流速 v ,将所得hf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：由达西公式:hfP1 P2yl d 用体积法测得流量Q,并计算出断面平均流速hf2v2gv,即可求得沿程阻力系数2gd hlv2四、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。234)2.)3)5 )开启调节阀门，测读测压计水面差。用体积法测量流量，并计算出平均流速。将实验的hf与计算得出的V值标入对数坐标纸内，绘出 lg hf lg v关系曲线。调

15、节阀门逐次由大到小，共测定10次。沿程阻力系数的测定实验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。开启进水阀门，使压差达到最大高度，作为第一个实验点。 测读水柱高度，并计算高度差。用体积法测量流量，并测量水温； 用不同符号将粗细管道的实验点绘制成lg ReIglOO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，lg hf |g v关系曲线如图4.2所示。仪器常数：d = cm, A = cmL=m, t=表4.1 数据表Noh1(cm)h2(cm)hf(cm)lg hfV(cm3)t(s)Q(cm3/s)v(cm/s)lg v12345

16、678910图4.3所示。仪器常数：d 粗=cm，d细=cm,l=mt =C水=N/m32 沿程阻力系数的测定实验数据及计算如表4.2所示，lg Re lg 100关系曲线如表4.2 数据表类别Nohi(cm)h2(cm)h汞(cm)h水(cm)V(cm3)t(s)Q(cm3/s)v(cm/s)RelgRelg(100 )1粗23管4561细234管56100411 J | | | | | | | | | | | | | |001 01 1 10图4.3 ig Re igioo关系曲线实验5管路局部阻力实验一、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

17、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米用三点法计算，下式中 h f 1 2由hf2 3按流长比例换算得出：实测2P1、av1hre (Z1)2gehreP2、(Z2)2严2g2av22 hf1 22g理论e(1A1)2A22hreav1e 2g2. 突然缩小米用四点法计算，下式中B点为突缩点，hf 4 B由h f

18、3 4 hf3-4换算得出，hfB 5由h f5 6 换算得出。实测2 2P4 av4P5 av52ghrs（Z4-）-） hf4 b） （Z5-）-） hfB 52gs经验2h /av5_hrs /2g0.5(1A5hrsav5s2g四、实验步骤1 测记实验有关常数。2 打开水泵，排除实验管道中的滞留气体及测压管气体。3 打开出水阀至最大开度，等流量稳定后，测记测压管读数, 量。4改变出水阀开度 34次，分别测记压管读数及流量。五、实验数据记录及计算1.记录、计算有关常数：d1 D1 cm, d2 d3 d4l1 2 cm, 12 3 cm, 13A1）2 a2），同时用体积法计量流Cm ,

19、e(1cm , cm , I4 b A s 0.5（1 亍）D2d5 d 6 D3 cm , 1b 5cm,cm,所示。2. 实验数据记录见表 5.1 ,实验数据计算结果如表5.23. 将实测局部阻力系数与理论值或经验值进行比较。表5.1 实验数据记录表次序流量（cm3/s）测压管读数cm体积时间流量表5.2 计算表阻力 形式次序流量cm3/s前断面后断面hrcmhrcm2 av2gcmE cm2 av2gcmE cm突然扩大突然缩小六、分析和讨论1 根据实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。2 结合流动演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻 力损

20、失的主要部位在那里？怎样减小局部阻力损失？3现有一段与调节阀相连，内径与实验管道相同的直管段（见图4.1）,如何用两点法测量阀门的局部阻力系数？实验6毕托管测速实验一、实验目的1. 通过对管嘴淹没出流流速及流速系数的测量，掌握用毕托管测量某一点流速的技 能。2. 了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其测量精度，进一步明确传统流体 力学测量仪器的现实作用。二、实验装置实验装置同实验4,如图4.1所示。三、实验原理用毕托管测量流速时，u c 2g h k、. h式中u 毕托管测点处的流速；c毕托管的流速校正系数；h毕托管的全压水头与静水压水头差；k 仪器常数，k c 2g。对管嘴出流：u 2g H式中 u测点处流速，由毕托管测定；管嘴的流速系数；H 管嘴的作用水头。联立解以上两式，可得：ci h/ H四、实验步骤1打开水泵和出水阀，读取管嘴的上下游水位和毕托管水头。2.调节出水阀，再重复步骤1)三次。五、实验数据记录及计算1 .计算常数。毕托管的校正系数c =，常数k