流体力学实验指导书(新版)

1、水力学实 验 教 学 指 导 书 与 报 告：班级：学号：学院土木工程系1 / 24 序言水力学是应用性较强的专业技术基础课。从学科的发展来看，水力学属于技术基础学科，实验方法和实验技术是促进其发展的重要研究手段。由于流体运动的复杂性，水力学的研究与应用就更加离不开科学实验，其发展很大程度上取决于实验技术的进步。因此，水力学实验是巩固和加深理论知识的学习、探求流体运动规律、解决工程实际问题的重要环节，通过实验教学，掌握各种实验方法，规操作，提高实验技能。一、实验教学目的：（1）观察流动现象，增强感性认识，提高实验分析能力。（2）根据实测资料验证水力学基本理论，以加强和巩筑理论知识的学习。（3）

2、学会使用基本的测量仪器，掌握测量技术。（4）培养分析实验数据，整理实验成果和编写实验报告的能力。（5）培养严谨踏实的科学态度和合作精神，为未来进行研究和实际工作打下基础。二、实验教学要求：（1）每次实验前，预习教材中有关容与实验指导书，了解本次实验的目的、原理、步骤和所要验证的理论。（2）认真听取指导教师讲解，弄清实验方法和步骤后，方能动手实验。（3）实验中，应注意观察实验现象，细心读取实验数据，并做相应的记录，原始数据不得任意修改。（4）实验小组每位学生亲自动手、相互配合、共同完成实验。（5）实验态度严肃、方法严密，一丝不苟进行操作。（6）实验完毕应清理设备与实验室，实验设备摆放整齐。三、实

3、验报告要求：（1）实验报告是实验资料的总结、是实验的成果。通过完成实验报告，可以提高分析问题的能力，要求必须独立完成并按规定时间交给指导教师。（2）实验报告一般包括以下几项容：班级、 、同组人与实验日期。实验名称与实验目的。实验原理。实验装置简图与仪器。流动现象的描述与实验原始记录。计算实验结果。（3）报告要求字体工整，语言通顺，计算结果无误，所绘表格、曲线清楚、连续，书面整洁，无胡乱涂画现象。2 / 24 目录实验一水的流线、流动形态与能量转化实验(综合性实验 ) 实验二静水压强实验实验三雷诺实验实验四沿程阻力系数测定实验实验五局部阻力系数测定实验实验六文丘里流量计实验实验七恒定流动量定理实

4、验3 / 24 实验一水的流线、流动形态与能量转化实验(综合性实验) 一、实验目的1. 应用流动显示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以增强对流体运动特性的认识。2. 应用流动显示仪演示水流绕流不同形状物体的尾流涡街现象与非自由射流等，增强对流动现象的感性认识。3. 观察虹吸发生、发展与破坏的过程。4. 理解虹吸工作的原理与估算虹吸管能使虹吸管正常工作的高度。5. 认识水流过水断面的能量由位能、压能和动能三部分组成。6. 测压管水位显示的是位能和压能之和，即z+rp7. 测速管中水位显示的是总机械能，即z+rp+gv228. 了解测压管水头线与总水头线的变化规律，与其各自特点、相互关系。9.

5、 认识水流运动过程中的能量转化规律，验证恒定总流的能量方程。二、实验设备与仪器4 / 24 旋涡仪烟风洞演示仪5 / 24 虹吸实验仪6 / 24 能量方程演示仪流线和流谱可以形象的显示各种水流与气流形态与其液流部质点运动的特性。常用设备有漩涡仪、油槽流线演示仪、烟风洞、虹吸仪、能量方程演示仪等。三、实验容与步骤容与步骤一：（漩涡仪、油槽流线演示仪、烟风洞）1、显示气流、液流遇到碍障物时的绕流现象与其流谱。2、显示逐渐扩散，逐渐收缩、突然扩大和突然缩小与直角弯道等管道纵剖面上的流谱图象。3、显示圆柱与桥墩绕流的流谱。4、显示桥孔的水流谱。5、显示流体在驻点处的停滞现象，边界层分离状况与卡门涡街

6、的图象。7 / 24 容与步骤二：（虹吸仪）1、将测压烧杯加满水。2、开启水泵，向高位水箱、低位水箱注水，使高位水箱有溢流，低位水箱水位达2/3 后，关闭供水阀。3、打开低位水箱的放水阀，在虹吸管形成真空后，水流将由高位水箱向低位水箱流动，同时能看到烧杯中的三根测压管水位上升，这是由于管路中的真空造成，表明三个测压点的压力分布不同。4、拧开螺旋，吸入空气，可观察虹吸现象的破坏过程。容与步骤三：（能量方程演示仪）1. 开动水泵，将供水箱水位升至最高，溢流管开始溢流。2. 调节实验管道阀门，使测压管，测速管中水位和测压板上红、黄两条线一致。3. 实验过程中，始终应保持少量溢流；4. 测量流量、管径

7、、水头高度、水温。四、实验报告与成果分析1、绘制相应流动现象的流谱并观察其特性。2. 虹吸高度 h 的理论值推导。8 / 24 3. 实验数据计算表水温 t= 运动粘性系数=cm2/s 断面体积v （cm3）时间t (s) 流量q(cm3/s) 管径d(mm) 流速v(cm/s) re =vd测压管水头z+rp（cm）总水头z+rp+gv22（ cm）1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4绘制总水头线与测压管水头线9 / 24 5.思考问题1、旋涡区与能量损失有什么关系？2、什么情况下产生急变流？3、空化现象为什么常发生在旋涡区中？4、虹吸管道为什么有最大真空值的要求。5、长直管总水头线

8、与测压管水头线的相互关系与其高差的意义是什么？6、沿程水头损失与局部水头损失的变化规律。7、总水头线与测压管水头线的变化趋势有何不同？10 / 24 实验二静水压强实验一、目的1. 加深理解静力学基本方程式与等压面的概念。2. 理解封闭容器静止液体表面压强与其液体部某空间点的压强。3. 观察压强传递现象。二、演示原理对密封容器的液体表面加压时，设其压强为p0，即 p0pa。从 u 形管可以看到有压差产生， u 形管与密封容器上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。由此可知液面下降的表面压强即是密闭容器液体表面压强p0，即 p0= pa+gh，h是 u 形管液面上升的高度。当密闭

9、容器压强p0下降时，u 形管的液面呈现相反的现象，即 p0pa，这时密闭容器液面压强p0= pa-gh。h 为液面下降高度。水静压强实验台11 / 24 三、实验步骤如果对密闭容器的液体表面加压时，其容器部的压强向各个方向传递，在图中左侧的测压管中，可以看到由于a，b、两点在容器的淹没深度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。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，观察右侧a、b管的液柱上升情况。2. 打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上，

10、关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器压力下降。四、实验结果与分析1. 实验数据记录表单位 cm hahbp0 p0 p0 p0 1 2 3 h2.结果分析1. 表面压强0p 的改变、基准面0-0 位置的改变，对 a、b两点的位置水头与压强水头有什么影响？对真空度有什么影响？2. 相对压强、绝对压强真空度有什么相互关系？实验三雷诺实验（层流紊流流态和临界雷诺数量测实验）12 / 24 一、实验目的1. 观察流体流动的两种不同流态层流和紊流的流动特征，观察其临界状态与转变过程。2. 通过对临界雷诺数的量测来确定层流、紊流流态的判别标准。二、实验设备与仪器雷 诺 数 实 验 台

11、1. 水箱与潜水泵 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、实验容与步骤1. 观察流动型态水箱上水，并保持微小溢流，小开出水阀门和颜色水阀门，使颜色水成一条细线，此时为层流状态；逐渐开大出水阀门，增大流量，颜色水线开始颤动、弯曲，并逐渐扩散，此时为上临界状态；再次增大流量，色流扩散消失，水流呈紊流状态。逐渐关小出水阀门，流量减小，色流重复出现，呈波动扩散状，为下临界状态；再次减小流量，色流呈细直线，为层流状态。2. 测定临界雷诺数13 / 24 每调

12、节一次阀门，量测流量、水温，查表得运动粘性系数v，可得雷诺数： re=vvd同时记录色流状态，根据流动型态的变化确定上临界雷诺数rec和下临界雷诺数rec。四、实验结果与分析1. 记录表管径 d=cm 水温t=运动粘性系数=cm2/s no. 水体体积v(cm3) 时间t(s) 流量q(cm3/s) 流速v(cm/s) rre=vdv临界雷诺数 rec色流形状2. 数据计算q=tv v = q=24dq re=vdv五、思考问题1. 颜色水流的作用是什么？它与实际水流的关系是什么？2. 为什么上、下临界雷诺数数值会有差别？为什么用下临界雷诺数作为流态的判别标准？实验四沿程阻力系数测定实验一、实

13、验目的1. 测定流体在等直径圆管中流动不同雷诺数re 时的沿程阻力系数，并确定它们14 / 24 之间的关系。2. 了解流体在管道中流动时能量损失的测量和计算方法。二、实验设备与仪器沿程阻力系数测定仪1. 水箱（置潜水泵） 2. 供水管 3. 电器开关 4. 供水分配管 5. 稳压筒 6. 整流栅板7. 更换活结 8. 测压嘴 9. 实验管道 10. 差压计 11. 调节阀门 12. 调整与计量水箱三、实验容与步骤1. 实验原理：流体在管道中流动时，由于流体的粘性作用产生阻力，阻力作用表现为流体的能量损失。对长度为的管段两断面列能量方程式时，得长度上的沿程水头损失。hf =rpp21 = h1

14、-h2 = h 根据达西公式： hf =gvdl22实验测得 h (=hf)，再用体积法测得流量，算出断面的平均流速v，即可求得沿程阻力系数：=22lvdhgr15 / 24 2. 实验步骤：（1）关闭无关测点的小阀门。（2）打开阀门 2、4、5、7、8。（3）开泵。调节阀门，使测压管5、6 中出现高差，此高差即为h (=hf)。（4）用计量箱量测流量，测水温。（5）调节流量重复上述操作三次。四、实验结果与分析：d1=mm d2=mm d3=mm l=m t=运动粘性系数=cm2/s h1 (cm) h2 (cm) h (cm) v (cm3)t (s) q (l/s) v (cm/s) re

15、=vvd管道 1 管道 2 管道 3 五、思考问题1. 影响管道沿程阻力系数的因素有哪些？实验五局部阻力系数测定实验一、实验目的1. 掌握用实验方法测定三种局部管件（突扩、突缩和阀门）的局部阻力系数。2. 加深对局部水头损失机理的理解，学会其测定方法。二、实验设备与仪器：16 / 24 局部阻力系数实验台1. 水箱 2. 供水管 3. 水泵开关 4. 进水阀门 5. 细管沿程阻力测试段6. 突扩 7. 粗管沿程阻力测试段8. 突缩 9. 测压管 10. 实验阀门11. 出水调节阀门 12. 计量箱 13. 量筒 14. 回水管 15. 实验桌三、实验容和步骤：1. 实验原理阀门阻力实验原理阀门

16、的局部水头损失测压管段阀门的局部阻力对 1、2 两断面列能量方程式，由于实验管段为玻璃管，较光滑，所以这两个断面之间的沿程阻力损失可以忽略不计，这样通过列这两个断面的能量方程即可求得阀门的局部水头损失，以1wh 表示，则：1211hpphw2211vh阀门得：211vh2阀门17 / 24 突扩圆管的局部阻力对 2、3 两断面列能量方程式，同样忽略这两个断面间的沿程阻力损失，可求得突扩圆管的局部水头损失，以2wh表示，则2322hpphw2222vh突扩得：222vh2突扩突缩圆管的局部阻力对 4、5 两断面列能量方程式，同样忽略这两个断面间的沿程阻力损失，可求得突缩圆管的局部水头损失，以3w

17、h表示，则3543hpphw2243vh突缩得：243vh2突缩2. 实验数据记录表细管直径 d1=mm 粗管直径 d2=mmno h2(cm) h3(cm) v (l) t (s) q (cm3/s) v2(cm/s) v4(cm/s) 突扩突缩突扩突缩1 2 3 阀门开启度1h(cm) v (l) t (s) q (cm3/s) v1 (cm/s) 阀门30o45 o全开3. 分析实验结果与理论计算的数据存在误差的原因四、思考问题1. 产生局部水头损失的原因有哪些？2. 减少局部阻力的措施有哪些？18 / 24 实验六文丘里流量计实验一、实验目的1. 确定文丘里流量计的流量系数。2. 验证

18、能量方程的正确性。二、实验设备与仪器19 / 24 三、实验容和步骤1. 实验原理在文丘里流量计入口处取断面，在其喉部收缩段处取断面，由于流量计水平放置，则列上述两断面的能量方程如下，（不计水头损失）gvrpgvrp2222222111取0.121由连续性方程得：2211avav即：22221144dvdv得出：4212122)(ddvv代入能量方程中，求出流速：1)(24421211ddhgdv20 / 24 令1)(2442121ddgdkrpp21为两断面测压管水头差，即h hkq因此，根据测压管水位高差，即可求出计算流量（理论流量）q。由于实际上所取的两个断面间存在着水头损失，所以实际

19、流量0q 一般要略小于计算流量q。令qq0称1为文丘里流量系数。实际流量0q 可用体积法测定。2. 实验步骤：（1）检查测压计液面水平。（2）关闭测点 310 的小阀门。（3）开泵，此时 1、2 测压管中应出现较小高差。（4）缓慢开启阀门 7，使压差调至最大。（5）用夹子夹死 11 号管。（6）记录数据。四、实验结果与分析d1=cm d2=cm k = no h1 (cm)h2 (cm)h (cm)v (cm3) t (s) q (cm3/s) q0(cm3/s) =qq01 2 3 五、思考问题为什么流量系数只能小于1？实验七恒定流动量定理实验一、实验目的21 / 24 1. 实测射流对平板

20、或曲面板施加的作用力，并与用动量定理计算的作用力相比较，以验证恒定总流的动量方程式。2. 观察水箱的反作用力。二、实验设备与仪器三、实验原理与步骤1. 水箱（1）原理以水箱水面，射流收缩断面与箱壁为控制面，对x轴列动量方程：rx=q(v2x-v1x) rx水箱对水流的作用力，水流对水箱的作用力为反作用力。v1x水箱水面的平均流速在x轴的投影为零，（m/s） 。v2x射流出口收缩断面的平均流速在x轴的投影，（m/s） 。22 / 24 rx对转轴取矩，得计算力矩m ；m=rxl=qvl l射流出口中心至转轴的距离（m ） 。移动平衡砝码调平水箱，得实测力矩m 。m0=g s s=s-s0s出流时砝码平衡读数。s0起始状态砝码平衡读数。m0和 m应比较接近。（2）实验步骤a、开启进水阀门，将水箱充满水并射流。调节阀门，使其保持微小溢流。b、拨出插销，观察射流对水箱的作用效果，移动砝码，使水准泡居中，记下动态平衡时砝码位置为s。c、用体积法测流量（或重量法测流量） 。2. 平板（1）原理：取喷嘴出口断面，射流表面以与沿平板出流的截面为控制