工程流体力学及流体机械实验指导书

1、工程流体力学及流体机械实实 验验 指指 导导 书书王云中 杨成建 编西安建筑科技大学环境与市政工程实验中心二七年四月实验课规则实验课规则 1每次实验必须按时到达。 2实验前先预习有关实验内容，对实验目的及原理、设备图、操作步骤和方法，须了解清楚。来实验时应携带计算工具、记录纸张、指导书等。 3实验前由指导教师抽问，对有关问题如答复不正确，不准参加操作，直至了解清楚为止。 4实验时应听从指导人员指导，同学轮流担任各项工作，务须每人均能认真动手操作，了解实验各项内容。对贵重、精密仪表应在教师直接指导下进行操作。 5爱护公共财物，若仪器和设备有破损时应立即报告指导教师，听候处理（按实验室管理制度办理

2、） 。 6实验进行时不许大声喧哗，并禁止吸烟，以保持良好的实验课秩序和环境卫生。实验完后，整理好设备，如数完好地归还所用的仪表和工具。 7实验数据记录在实验结束前，应交指导教师查阅，经教师认为可以后方为有效，如结果误差太大，应查明原因重做实验。 8实验报告的内容一般应当包括实验目的、实验原理、实验仪器简图、实验结果、对实验讨论题的分析等。关于实验原理、设备图，实验步骤等，因实验指导书已有，为节省时间，可不在实验报告中重复。 9作实验报告时，除原始记录数据外，其余皆应各人自行计算分析和作出结果，不得互相抄袭，并按时送交报告。 10不得无故缺席，否则不能参加本课程的考试或考查。如因故缺席者，须实验

3、前或后，持证明报告教师，请示补作办法，否则以无故缺席论。本规则在实施中若与校、院规定不符，则按校、院规定办理。绪绪 言言 实验课的目的是使同学们巩固和验证所学的知识，受到实验方法和基本试验技能的训练，养成严肃认真、实事求是的科学态度和作风，并培养处理实验数据、分析实验结果、书写实验报告的能力。 本实验指导书是用于“工程流体力学”和“流体机械”等课程。 在工程流体力学的实验项目中，主要是其分支之一水力学方面的实验；另有专门水力学、气体力学方面的实验。流体机械的实验项目则包括泵与通风机的实验。根据不同专业的要求而对实验项目有所选择。 工程流体力学和流体机械都是应用科学，它们的发展同样体现了理论与实

4、践相结合的辩证关系。而实验则是在特定条件下的实践。由于流体的运动非常复杂，常常是用实验的方法把自然现象在实验室内重复进行，观察其中物理本质，用实验来验证和发展理论，指导实践，解决实际问题。而实践上升到理论又为实验提供了发展趋向。故实验在发展理论和解决实际问题中是很重要的一种手段。 实验结果的准确决定于测量仪器设备的精确性、高度的实验技术及实事求是的科学态度和作风。 有关每个实验的工作原理等将在各实验中分别介绍，这里仅就一些常见的共同性的的问题作一说明： 1我们认为实验中的工作液体水是不可压缩的，即牛顿/米3=常数。9807v 2水的粘性系数随温度而变。通常我们使用的是运动粘性系数（为水的动v力

5、粘性系数，为水的密度） 。运动粘性系数与温度的关系见实验 3 中所述。v 3流体的压力是采用测压管来测量，读数据应正视测压管的液柱面（如水的自由表面）这样才能读数准确。因数据在大多数情况下仅读取其压差值，此时可不考虑测压管的毛细现象对读取数据的影响。 4液体流量的测定。通常在实验中采用下列方法： 1）体积法：用量水桶和秒表来测定； 2）重量法：用盛水桶磅秤和秒表来测定，也可用电子秤； 3）差压法：用文德里管、毕托管、管中孔板或管嘴等来测定；4）堰流体：利用各种形式的水堰来测定，本室多用三角形量水堰，如下图所示。三角堰堰顶水位及水位用水位标尺读出。0hh当已知三角堰水头，可根据以下方法决定流量：

6、0hhh 根据关系曲线图查得（见上图）()qfh 根据公式2.52.471.40()1.343()qhqh或 应当指出，差压法、堰流法是间接测量法，事先常用体积法或重量法来校正（此工作由本室作） 。 另外，当需记录单向水流管道内流量的总和（非瞬时流量） ，可采用叶轮湿式水表超声波流量计、涡轮流量计等；对测定非浑浊液体、气体流量，可采用转子流量计；对测量各种酸、碱溶液及含有纤维或固体悬浮导电液体的流量，可采用电磁流量计。 还可采用现代技术，如用恒温测速仪（缩写为 cta，即热线流速仪） 、激光多普勒测速仪，测定过流断面流速分布，进而得出流量。 5实验操作时应注意的几个问题： 1）因我们是作稳定流

7、情况下（运动要素不随时间变化）的各种实验，故实验时需要有稳定的作用水头。这样流经实验设备时的水流是稳定流。 2）在改变流量后，需经一段时间让水流稳定后再读取实验数据（如读取量水堰的堰前水头等） ，由此读取之数据才是改变流量后的真正数据。 3）管路及测压管中的空气应排尽，接头处不应漏气，测压管应通畅。 4）对电器设备，应熟识后才可动手操作，注意安全用电。 5）实验完成后关闭电源。hqhq水位标尺三角堰进水管hhh01实验一实验一 静水压力实验静水压力实验 一、实验目的 1测定静水中任一点的压力和真空值； 2测定有色液体的重率。 二、应用的仪器设备 静水压力实验器。 三、仪器设备简图 四、实验原理

8、 1容器内静水中任一点 k 处的静水压力；kp （1）hhhhhhhppk)()(452110式中，pkk 点处静水压力（牛顿/米2） ； p0容器 e 流体表面压力（牛顿/米2） ； 容器 e 中液体的重率（牛顿/米3） ； 1u 形管内有色液体的重率（牛顿/米3） ；h1、h3、h5上端开口通气的测压管读数（米） ；h2、h4、h6上端通向容器空气室的测压管读数（米） 。kehhhhe容器 e 液面读数（米） ；hkk 点标高（米） 。2 2容器内静水中任一点 k 处的真空值 pk 真空： （2）hhhhhhhppk)()(541210真空有色液体的重率1：54112()hhhh 五、实验

9、步骤 1测静水压力（或剩余压力） ，这时容器 e 液体表面压力 p0大气压力 pa； 1）打开容器上端的排气阀观看各测压连通管内液面是否齐平，是否在同一个水平面上，如不齐平检查各管内是否阻塞，并加以疏通。 2）关紧容器上端的排气阀，抬高活动水箱至一定的高度，待水面稳定后读出各处测压管内液面的水位。 3）抬高活动水箱至三个不同的高度，测量三组数据。 2测真空值（或负压） ，这时容器 e 液体表面压力 p0pa312p0pa312p0pa 3七、讨论问题 1在 6 个玻璃管中的液面，哪些是压力相等面？ 2在连续的同一重力液体中任取两点，其=常数，试用实验数据阐明这个规律。pz 3实测 k 点的压力

10、及真空值时，为什么事前都将排气阀处于打开状态，然后再关闭？实验报告完成日期 年 月 日4实验设备号数指导教师(签字)5实验二实验二 伯诺里方程式的验证伯诺里方程式的验证 一、实验目的 绘制测管水头线和总水头线。 二、应用的仪器设备 1自循环管路系统一套； 2测压管一组； 3测量水箱、秒表、直尺。 三、实验设备示意图 四、实验原理 1根据实际液体稳定渐变流动伯诺里方程：whgapzgapz222222221111式中，及分别为断面 11 及 22 处的压力水头（压能） ；1p2p 及分别为断面 11 及 22 处的流速水头（动能） ；ga2211ga2222 及分别为断面 11 及 22 处的位

11、置水头（位能） ；1z2z 为断面 11 至 22 间的水头损失。wh6为 11 断面的测管水头；11pz为 11 断面的总水头。gapz221111各断面测压管水头及总水头连线分别为测压管水头线及总水头线。 由于实际液体流动时水流的单位能量沿程减少，所以总水头线是沿程下降的，但测管水头线则不一定，可能升高，可能降低，也可能水平。这可用实验加以验证。 2水量计算vl whqtt式中，vt时间内水箱内水的容积（米3） ；h水箱内水位高度（米） ；lw（长宽）水箱断面面积（米2） ； t测量时间（秒） ； q流量（米3/秒） 。 五、实验步骤 1开启水泵，打开管路进水阀门 a，这时水流进入恒压水箱

12、，待水箱水满溢流后，打开管路出水阀门 b，排走管路内的气体，待管道内的气体排完后，关闭阀门 b。 2阀门 b 关闭后，开始检查各测压管水位，如果所有测压管水头水位在同一个水平面上，就证明测压管内无气泡（或没有堵塞） ，处于正常状态，打开阀门 b 开始作实验。如果某一些测压管水头高（或低）就说明这些测压管内有气泡（或堵塞） 。这时就要将测压管内的气泡完全排出（或疏通） 。然后检查各测压管水头是否在同一个水平面上，只有各测压管水头在同一个水平面状态下，测得的实验数据才能准确。 3检查完所有测压管水头后，情况正常，打开阀门 b，开始实验。记录各测压管水头，测量流量，测量测点之间的距离。 4再次开大阀

13、门 b，重复上述步骤，在三种不同的流量下测量三组数据。六、实验设备固定常数所选管路断面管径（米）d1d1d2d2d3d3d4d41410-31410-32410-32410-31410-31410-31410-31410-37各测管的距离（米）l1ala2l2blb3l34七、记录及计算表格 1实测数值各断面测压管水头（米）各断面总水头（米）实验次数1p2p3p4ph1h2h3h4测量水箱水位h（米）测量时间t（秒）实测流量 q（米3/秒）123八、绘制测管水头线及总水头线（可任选一组数据绘图） （比例尺 120）九、讨论问题 1测压管水头线的坡度是否始终是沿流下降？为什么？总水头线沿流可否上

14、升、下降或水平？8 2为什么阀门 b 开度越大，测压管水位越下降？ 3当管路系统的流量不变时，管路位置的改变，能否影响测管水头线及总水头线的形状？实验报告完成日期 年 月 日实验设备号数指导教师(签字)9实验三实验三 管路沿程阻力实验管路沿程阻力实验 一、实验目的 在管壁相对粗糙度一定时，确定管路沿程阻力系数值与雷诺数的关系，并对kder已有公式进行验证。 二、应用的仪器设备 1三根不同管径的管路（安装在一套固定设备上） ，每根管路设备如下图所示； 2测量水箱、秒表、直尺、温度计。 三、实验设备示意图 四、实验原理 实际液体流经管路，由于有阻力必然产生水头损失，因沿程阻力产生的水头损失，称沿程

15、水头损失，其表达式为：fh22flhdg若写断面 1-1 及 2-2 的伯诺里方程，可得：21pphf则回水管10221222lgdpplgdhf式中，沿程阻力系数（无因次数） ；水管内径（米） ；d l两测压断面间距离（米） ； 平均流速，（米/秒） ；24qd 1-1 断面的测压管水头（米） ；1p 2-2 断面的测压管水头（米） 。2p 如果管径、两测压断面间距离 l 以及作用水头固定不变，则沿程阻力系数值与流d速有关，亦即与液体的流动形态有关，因而可以建立阻力系数值与雷诺数的关系。er 在不同流速下雷诺数的值为：ererdv式中符号同实验 3。待求出不同的值和相应的沿程阻力系数值后，即

16、可绘出的关系曲线，er()ef r并酌情与下述公式比较之： 布拉修斯公式（适用于紊流光滑区，当 2300100000。谢才系数 c 可用曼宁公式计算28gcer建议取 0.011，水力半径 r 的单位以米计） 。1/61crn 对于给排水工程旧钢管和旧铸铁管的水力计算，还常采用舍维列夫公式： 紊流过渡区（1.2 米/秒）：110.30.30.07190.8671d紊流粗糙区（1.2 米/秒）：0.30.021d式中为管道内径，单位以米计。d 五、实验步骤 1开启水泵，打开进水阀门 a 及出水阀门 b，以排除管路及测压管中的空气。 2全开阀门 a、b，使水流达最大流量。 3待水流稳定后读取测压管

17、水头值，并测量流量（流量测法与实验二相同） 。 4调节出水阀门 b，使流量逐渐减小，顺序改变 5 次，每次改变后重复步骤 3。 5测定水温、断面距离 l 及内管径。d 六、计算步骤 1计算平均流速：根据测得的测量水箱水位及时间 t 计算流量 q。由此得平h均流速（米/秒）24qd 2计算阻力损失jh 3计算阻力系数值 4计算雷诺数ererdv 式中运动粘性系数见实验三。v 5用上述布拉修斯、莫迪等公式验证。 七、记录计算表格管路两断面间距离l（米）管路内径（米）d管路断面面积a（米2）水温（）t水的粘性系数v（米2/秒）量水水箱水位读数h（米）测量时间（秒）t已定数值12010-3122141

18、0-331010-3实验项目计 算 项 目1p(米) 2p(米)h(米)t(秒)流量q(米3/秒)流速aq(米/秒)水头损失hf(米)实测阻力系数22lgdhf雷诺数re流动所属区域0.250.316re =0.0055 =)re1020000(1 316dk比较8 项11 项和12 项实验次数123456789101112123456平均值八、讨论问题1沿程水头损失与哪些影响因素有关？2将实验得到的、re 值标注在教材中的莫迪图或尼古拉兹图上，分析、re 和的关系。kd13实验报告完成日期 年 月 日实验设备号数指导教师(签字)14实验四实验四 管路局部阻力实验管路局部阻力实验 一、实验目的

19、 测定管路中突然扩大，突然缩小的局部阻力系数值。 二、应用的仪器设备 1管路设备一套，如下图所示。 2测压管一组。 3测量水箱、秒表、直尺。 三、实验设备示意图 四、实验原理 1实际液体运动时，由于局部阻力而产生能量损失，称为局部水头损失hj，其表达式为：ghj22式中，局部阻力系数（无因次数） ； 产生局部阻力后的管中平均流速（米/秒） ； g重力加速度，9.8 米/秒2。15于是可得局部阻力系数的计算式：22ghj 关于 hj值，可由产生局部阻力的前后断面的伯诺里方程式决定，即（忽略沿程损失）gaappzzhj22222112121 一般取121aa=gpphj2222121 可见局部水头损失 hj的值，即为产生局部阻力前后两断面的测压管水头差和流速水头差。 五、实验步骤 1开启水泵，待水泵运转正常后，全开阀门 a，部分开启出水阀门 b，并打开稳压罐上的排气阀 d，排除实验管路系统内的气体。待气体排完后关闭阀门 d。 2微关阀门 b，检查各测压管内是否有气泡，如果没有气泡开始进行实验测量，如果存有气泡，必须排除气泡，然后才能进行实验。 3全开阀门 b，开始第一组实验数据测量。依次逐渐关小阀门 b，在不同流量下测量三组实验数据，即共测三次。 4