流体力学实验指导书

1、流体力学实验指导书1.实验报告需要包括以下几个方面的内容：1、实验名称、学生姓名、班号、学号、组别和实验日期； 2、实验目的和要求； 3、实验原理； 4、实验仪器、设备（含设备的构造）； 5、实验步骤；6、注意事项； 7、实验原始记录；8、实验结果的整理与分析。数据的整理与分析包括：数据测量，数据分析及误差分析。2.实验报告格式见附件1。纸张A3,正反打印3.实验报告内容参考资料见附件2。附件1湖北工业大学流体力学实验报告 学院： 专业： 年 月 日实验名称指导老师班级姓名学号组号成绩一：预习部分 1：实验目的 2: 实验基本原理 3：主要仪器设备（含必要的元器件，工具）一、实验目的及要求二、

2、实验原理三、实验设备二：实验操作部分 1：实验数据，表格及数据处理 2：实验操作过程（可用图表示） 3：结论四、实验步骤五、注意事项六、实验成果 三： 实验效果分析（包括仪器设备等使用效果）七、误差来源分析 八、思考题教师评语 指导教师 年 月 日 附件21. 沿程水头损失1.1 实验目的测量管流的沿程水头损失系数，绘制沿程水头损失系数与雷诺数的变化曲线，并与尼古拉兹曲线相比较。1.2 实验装置图1.1 沿程水头损失实验装置图1.1是本实验装置，它由水泵、实验管段、测压计组成。流量的测量采用手工体积法，即将水接入量筒，用秒表记下接水时间，体积除以时间就得到流量。现对各种装置介绍如下：1. 供水

3、器由离心泵、进水阀、分流阀组成。离心式水泵将水输入实验管段。分流阀的作用是控制水泵的出水压强，使之保持恒定。如果水泵的压强较高，就必须开大分流阀，使实验段的流量、压强降低。分流阀的开度如果合适，则测压管的液面保持合适的高度。如果分流阀开度过小，实验段的压强就会很高，水柱就会冲出管口。调试时，应时刻注意分流阀的开度，避免测压管的水柱冲出。实验时，要合理调节分流阀和实验段的尾阀，才能得到合适的水流量。2. 实验管段为有机玻璃管道，管段的首、尾开设有测压管，用以测量管流的压差。3. 测压计：液柱式压差计由两支玻璃测压管1、2组成，其上部相接通，因而这种压差计实际上是形管压差计。测压管的高度只有500

4、mm，只能测出低于500mm水柱的压差。1.3 实验原理对于实验管段的两个断面应用伯努利方程，则有由压差计测量。当使用液柱式压差计时，的值就是两支测压管水柱的高差。管长，管径的值标示在仪器的标牌上，重力的速度取值为=9.807m/s2。速度等于流量除以管道截面积，流量则用手工体积法测量。1.4 实验步骤1. 关闭进水阀和分流阀。2. 接通电源，适度打开分流阀。缓慢打开水泵的进水阀，使流量逐渐增大。3. 对管段进行排气。排气是一件较为复杂的工作，需反复操作才能完成，排气工作完成后，连通胶管内不再残留气泡，液柱式压差计的两支测压管水柱在无流动的情况下应高度一致。4. 准备工作完成后，可测量流量：用

5、量筒接水，记录充水时间和冲水体积。本实验旨在测出管流的尼古拉兹曲线。为了作出此曲线，实验点不应少于10个，其中，层流段应有3-4个测点。一般来说，在层流情况下，管段的沿程水头损失小于2cm，因而，在<2cm的情况下应布设3-4个测点。调节流量时，待水流稳定1-2分钟才能读数，流量愈小，稳定时间愈长。5. 记录原始数据，即将测量流量所需的冲水体积和充水时间、水温（水循环使用，水泵电机的热会传入水流中，导致水温增高），测压管读数填入数据表中。实验数据表由数据处理系统给出。利用数据处理系统，可以及时计算实验结果，如果实验结果不理想，可对某些测点进行重新测量。表1.1 沿程损失数据表测次体积时间

6、水温左水柱高右水柱高水头损失hf流量速度粘度Re数误差%cm3scmcmcmcm3/scm/scm2/s123456789101.5 数据表及实验结果分析上表是数据记录表，沿程水头损失系数的实测值标在图1.2所示的Re曲线中。图1.2 Re的实验曲线1.6 思考题1. 为什么说液柱式压差计的水柱高度就是沿程水头损失？如果实验管倾斜放置，此结论能否成立？2. 试分析你的实验结果，有哪些实验点分布落在Re曲线的层流区、过渡区、水力光滑区？2局部水头损失实验2.1实验目的测量管流中突扩管和突缩管的局部水头损失，并确定局部损失系数。2.2 实验装置图2.1 局部水头损失实验装置图5.1所示的局部水头损

7、失试验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段、局部损失（截面突扩、截面突缩）管件、10支测压管、回水箱组成。本实验用手工体积法测量管流的流量。10支测压管中，有些是用于测量局部水头损失，有些则用于演示管流中水流静压的变化情况。2.3 实验原理对局部损失管件的上、下游某断面应用伯努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。突扩管：用测压管2,5测量其所在截面的压差，测压管2,5所在截面（相应的流动参数分别用下标2,5表示）的伯努利方程为 （2.1）式中，和、和分别表示测压管所在断面的水柱高度和水流平均速度。速度等于流量除以管道截面积，水柱高度可直接读取，这样，由上式很容易求出局部水头损失系数。 （

8、2.2）的经验公式为： （2.3）将经验值和实测值相比较，就可以确定测量误差。突缩管：使用测压管7,9测量突缩管上、下游的压差，相应的伯努利方程是 （2.4）式中，和、和分别表示测压管所在断面的水柱高度和水流平均速度。速度等于流量除以管道截面积，水柱高度可直接读取，因而突缩管的局部损失系数的实验值为： （2.5）突缩管的局部损失系数的经验公式为 （2.6）比较实测值和经验值，就可以计算测量误差。测量内容：流量（用体积法），、。共测量5组数据。2.4 实验步骤1. 关闭进水阀和分流阀。2. 启动水泵。打开进水阀，向水箱充水，同时稍微打开尾阀，使水流稳定。如果流量太大，则再开大分流阀，使水流向回水

9、箱。3. 观察管道中，测压管内是否出现气泡，若有气泡，应设法排除。4. 调节尾阀，待水流稳定后，记录各测压管的读数。5. 用量筒和秒表测量流量。注意：对于突扩管，读取测压管2,5的水柱高度。对于突缩管，读取测压管7,9的水柱高度，其他的测压管用于演示压强变化情况。6. 实验结束后，关闭进水阀和分流阀。关闭水泵，切断电源。2.5 实验数据处理利用数据处理系统计算各种数据。只要将流量，测压管水柱高度填入表格，系统自动算出各种局部损失系数，并给出误差，详见表2.1.2.6 思考题1. 数据表中为什么没有计算雷诺数？2. 当测压管、实验管段出现气泡时，你如何将其排除？3. 如果用测压管2,3的水柱高度

10、计算突扩管的局部水头损失，将会出现什么样的误差？表2.1 局部损失数据表测次体积时间水温h2h5h7h9流量突扩管突扩管误差突缩管突缩管误差cm3scmcmcmcmcm3/s%123453 文丘里流量计、孔板流量计的标定试验3.1 实验目的测量文丘里流量计和孔板流量计的流量系数。3.2 实验装置图3.1是本实仪置，它又水泵、实验管段、测压计组成。流量的测量采用手工体积法，即将接水接入量筒，用秒表记下接水时间，体积除以时间就是流量。现对装置介绍如下：1. 供水器由离心泵、进水阀、分流阀组成。离心式水泵将水输入稳压水箱。分流阀的作用是控制水泵的出水压强，使之保持恒定。如果水泵的压强较高，稳压水箱的

11、水面就出现波动，此时应开大分流阀，使压强降低，波动消失。图3.1 文丘里流量计、孔板流量计标定实验装置2. 文丘里流量计和孔板流量计文丘里流量计和孔板流量计安装在实验管段上。图3.2是文丘里流量计。测压管1、3用于测量文丘里流量计的压差，其他测压管用于演示文丘里管的压强变化。图3.3是孔板流量计，其压差用测压管8、9测量。图3.2 文丘里流量计 图3.3 孔板流量计文丘里流量计和孔板流量计都属于节流式流量计。即在管流中接入文丘里管或安装一块孔板，强制地改变局部地方的管流速度和压强，测量其压差就可以计算管道流量。文丘里流量计由收缩段、喉部、扩散段组成。收缩角为20°30°，折

12、角处圆滑，尽量接近流线型。喉部是文丘里流量计的断面最小的部位，此处的流线曲率半径相当大，流动可视为缓变流，扩散角一般为5°15°。孔板流量计是一块外径与管道内径相同的不锈钢板。孔板上开设一个内孔，这个内孔迫使过流断面突然变小，流苏变大，压强降低。文丘里管和孔板都是测量流量的仪器，在使用之前，要预先测量它们的流量系数，称为流量计的标定。3.3 实验原理为了计算管道的流量，在管道中安装一个文丘里流量计。对于图3.2中所示的测压管1,3所在断面应用伯努利方程，则有 （3.1）利用连续性方程，上式可化为 （3.2）利用测压管的水柱高差表示压差，则有，于是 （3.3）速度与截面积相乘

13、就得到流量，上面的计算中没有考虑粘性的影响，因此，流量的表达式可修正为 （3.4）式中，称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流量计的流量系数达0.99以上。利用孔板装置也可以测量管道的流量。如图3.3所示，流体受到孔板的节制，在孔板的下游形成一股射流，图中的断面C是射流喉部，对断面8和断面C应用伯努利方程。 （3.5）利用连续性方程，（A为管道面积），则得到射流喉部的流速 （3.6）用A0表示孔板的孔口截面积，显然，射流喉部面积Ac小于孔口面积A0，即（<1） （3.7）称为射流喉部的截面收缩系数。喉部的压强不能直接测出，一般用管壁上的静压代替。 （3.8）射流喉部的速度为 （3.9

14、）流量，式中是孔的面积，是管道截面积。 （3.10）引入流量系数，则 （3.11）显然，流量系数的取值除了受到粘性的影响之外，还取决于孔口面积与管道面积的比值。标定文丘里流量计或孔板流量计的流量系数的方法是：用体积法测出流量，读取测压管的液柱高差。利用式（3.4）或式（3.11）确定的值。3.4 实验步骤1. 排除测压管的气体启动水泵，向水箱充水，关闭尾阀。此时，各测压管的液面应该平齐。如果不平齐，则在测压管内存在气泡，应设法将其排除。2. 合理调节进水阀、分流阀、尾阀，使流量稳定，测压管的液面高度适中。记录各测压管的液柱高度。3. 用体积法测量管流的流量。流量要求改变6次。改变流量时，要等待

15、3-5分钟，水流稳定后方可读数。测量数据：流量（体积/时间），4支测压管的水柱高度：h1,h3,h8,h9。共测量5组数据。3.5 数据表表3.1是数据记录表，由表中看出，文丘里流量计的流量系数，=0.9760.99，实验值变化较大。另外，孔板的流量系数可以进行估算。例如，在式（3.10）中，取0.62，而，因而，式（3.11）中的=0.6603。此外，还应考虑粘性的影响，用代替也影响的值。因此，再乘一个系数0.95，则=0.6273。可以看出，孔板的流量系数与实测值也有较大误差。产生误差的原因，主要是测压管读数不够精确。一方面，高度读数刻度只精确到mm，而且用人工判读也产生误差。此外，水柱液

16、面常发生波动，其高度不易确定。3.6 思考题1. 的值可能大于1吗？2. 影响取值的因素有哪些？3. 请推导式（3.10）4. 请仔细观察孔板流量计。在射流喉部处是否装有测压管？测压管装在喉部的上游还是下游？这样做会对测量精度产生哪些影响？表3.1 文丘里流量计、孔板流量计实验记录表测次体积时间h1h3h8h9流量文丘里流量系数孔板流量系数cm3scmcmcmcmcm3/s123454 雷诺实验4.1 实验目的1. 观察红色液线所演示的流态。2. 测量管流的沿程水头损失，绘制沿程水头损失与管流速度的对数曲线，并确定管流临界雷诺数。4.2 实验装置图4.1 雷诺实验装置图4.1的实验装置由水泵、

17、稳压水箱、实验管段、红色液线注射器、测压计组成。稳压水箱向管道提供恒定水流。管段的压强差用测压计测量。本实验用量筒和秒表测流量。4.3 实验原理对于图4.1的两个测压孔所在断面1-1,2-2应用伯努利方程，则有 （4.1）管段水平放置，流速处处相同，因而 （4.2）用测压管测量压差p1-p2。即： （4.3） （4.4）管流速度等于流量除以截面积。流量用量筒、秒表测量。小流量的测量比较费时。冲水时间往往超过1分钟。计算管流雷诺数时，需用到水的运动粘度。运动粘度与水温有关。本实验用温度计测量水温，水的运动粘度可以查表，也可以用经验公式求: （4.5）式中，水温单位是，的单位是m2/s。沿程水头损

18、失的值与速度V与流态有关，层流时，与V的一次方成正比，紊流时，与V的1.752.0次方成正比，将实测值标在对数坐标V图上。如如果实验曲线斜率为45°，则说明流态为层流，否则为紊流。值得注意的是，流量从小变大的曲线与流量从大变小的曲线是不重合的。4.4 实验步骤1. 启动水泵，向水箱流水，待水位稳定后才全开尾阀，以便冲洗管道，排除管内气体。2. 排除测压计内的气泡。3. 微微打开尾阀，使流量尽量地小。观察红色液线的形状，判别流态。记录测压管水柱高度。测量流量。层流时，水流大稳定状态所用的时间往往比较长，要耐心等待。4. 稍微调大流量，观察红色液线的形状，测量数据。然后进一步调大流量，水流速度从小变大，流态从层流变为紊流。层流的实验点不少于4点。紊流的实验点约为4-5个。5. 当流量达到最大值之后，慢慢关小尾阀，使流速从大变小，流态从紊流变为层流。改变流量时，待水流稳定后，测量流量，记录测压计液柱读数。6. 实验时，流量从小变大。当流量达到最大值以后，再将流量逐渐变小。请严格按照此顺序调节流量。流量不可时大时小，也不能将流量先由大变小，再由小变大。一般来说，层流的实验点应布置