工程流体力学实验指导书(石油工程)

1、工程流体力学 实验指导书开 课 单 位 :机械电子工程系开课实验室:机械电子工程系流体力学实验室编写:邓晓刚审核:李良(三伯努利能量方程实验测定一、实验目的1、观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况,对实验中出现的现象进行分析,加深对 能量方程的理解;2、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能: 3、验证静压原理。4、进一步掌握有压管流中,动能、压能和位置能三者之间的转换关系。 5、测定管道的测压管水头和总水头值,并绘制管道的测压管水头线及总水头线。二、实验设备本实验台由压差板、实验管道、水泵、实验桌和计量水箱等组成。 图 3.1 能 量 方 程 实 验 台 示 意 图每一组测

2、压管都有两种不同的测点位置:一种是测点处于管道中心位置,称为毕托管测压管(后续课堂内容会讲到 ,测量对应截面的总水头 g u g p Z H 22+=(全压 。注意这里的速度 u 为管道中心处的点流速,与截面平均速 度 v 有所差异。但在紊流状态下两者之间差异有限。另一种是测点处于管道壁面,称为普通测压管,测量对应截面的静压头,即只包含 Z 和gp 两项。全压与静压之差,称为动压,即 gu 22。三、实验准备工作1、熟悉实验设备,分清毕托管测压管和普通测压管的区别以及各自表征的物理量。 2、接上各导压胶管;3、检验测压板是否与水平线垂直;4、启动电泵使水工作循环,检查各处是否有漏水的现象。5、

3、用手堵住出水口突然放水,重复几次,直至使实验管中的气泡排除。关闭尾阀,检查各 个测压管水位高度是否在同一水平线上, 如果不在同一水平线上, 说明有气泡存在, 必须全部排 除。否则测量数据无效。四、实验步骤1、验证静压原理:启动电泵, 关闭给水阀, 此时能量方程试验管上各个测压管的液柱高度相同,因管内的水不 流动没有流动损失, 因此静水头的连线为一平行基准线的水平线, 即在静止不可压缩均匀重力流 体中,任意点单位重量的位势能和压力势能之和(总势能保持不变,测点的高度和测点位置的 前后无关,记下四组数据于表二的最下方格中。2、测速:能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管, 可测得管

4、内任一点的流体点 速度, 本试验已将测压管开口位置在能量方程试验管的轴心, 故所测得的动压为轴心处的,即最 大速度。毕托管求点速度公式: gh u 2=利用这一公式和求平均流速公式(F Q V /=计算某一工况(如表中工况 2平均速度栏 各测点处的轴心速度和平均流速得到表 3.1。在能量方程中,使用截面平均流速 v=Q/A。表 3.1 3、观察计算流体、管径,能量方程试验管(伯努利管对能量损失的情况:在能量方程试验管上布置八对测压管,测量 1-1、 2-2、 3-3、 4-4、 5-5、 6-6、 7-7、 8-8截面上 的总压和静压, 全开给水阀门,观察总压沿着水流方向的下降情况,这说明流体

5、的总势能沿着流 体的流动方向是减少的, 改变给水阀门的开度, 同时用计量水箱和秒表测定不同阀门开度下的流 量及相应的八组测压管液柱高度,记在数据表 3.2中。根据以上数据和计算结果,绘出流量下的各种水头线,并解释图中现象。HS能量曲线图4、自行设计一个表格,用所取得的数据,计算突然扩大断面和突然缩小断面的局部水头损 失及局部阻力系数。 (如单独开设阻力损失实验,这一部分计算可以不做 五、结束实验全开阀门,把管道内的水放掉,然后关闭各阀门。六、思考1、为什么截面 3和 4的直径一样,但截面 3处的动压远远小于截面 4的动压?2、阀门全关时,为什么所有截面的水头高度会一样?3、为什么截面 4的动压

6、会小于截面 1的动压?4、分析表一的数据,结合连续性方程,讨论不可压缩流体稳定流动时,管径与流速之间的 关系。表 3.2 实验数据表 俩测点间距离:L 1-2=250mm; L 2-3=332 mm; L 3-4=500 mm; L 4-5=174 mm; L 5-6=250mm4(四雷诺数的测定一、实验目的1、用实验方法观察液体层流、紊流的流态区别及其相互转换的过程。以加深对层流、紊流 形态的感性认识。2、测定临界雷诺数,掌握圆管流态判别准则;3、学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法,并了解其实用意义。二、实验装置 如图 4.1所示。供水流量由调速器控 制, 使恒压水箱 4始终

7、保持溢流状态, 以 稳定进口处水体压力。 稳水隔板的作用是 使水面的扰动时间缩短。 有色水调整流量 后,经水管 5注入实验管道 8,根据有色 水散开与否判别流态。 为防止自循环水体 污染, 有色指示水采用自行消色的专用色 水。三、实验原理同一种液体在同一管道中流动,当 流速不同时, 液体在运行中有两种不同的 流态。 当流速较小时, 管中水流的全部质点以平行而不互相混杂的方式分层流动, 这种形态的游体流动称为层流。 当流速较大时, 管中水 流各质点间发生相互混杂的运动,这种形态的液体流动称为紊流。图 4.1 雷 诺 实 验 台1、 自 循 环 供 水 器 ; 2、 实 验 台 ; 3、 调 速

8、器 ; 4、 恒 压 水 箱 ; 5、 有 色 水 水 管 ; 6、 稳 水 板 ; 7溢 流 板 ;8、 实 验 管 道 ; 9-流 量 调 节 阀44Re d K KQ d Qvd=实验中, s m /10126-=。在 106实验室和 109实验室中的雷诺实验仪器,直径值不同。 请注意记录 106实验室中黑板上的原始数据。临界雷诺数有两个:当流量从 0开始逐渐开大, 当红线散开时将产生一个上临界雷诺数 1Re c ; 当流量由大逐渐关小, 当红线聚成一条稳定直线时, 产生一个下临界雷诺数 2Re c 。 上临界雷诺数 受干扰较大, 数值不稳定, 有时候会得出临界雷诺数高达几万的结果。 而

9、下临界雷诺数相对较稳 定。雷诺经反复实验,测得圆管水流的下临界雷诺数 2Re c 为 2320。这也作为了层流、紊流的流 态判别依据。四、实验步骤1、记录本实验的有关常数(实验管道直径 d 、水的运动粘度 。2、打开水泵,使水箱充水至溢流水位。水面稳定后,微微开启调节阀 9,调整有色水流量 控制阀,将有色水注入实验管道内,有色水形成一直线。再逐步开大调节阀 9。观察层流、紊流 两种流态的变化。记录在紊流的几种不同状态下的流量。3、测定下临界雷诺数。将调节阀 9开得较大,使管中完全紊流。逐步关小调节阀,每调节 一次,需等待一段时间,红线稳定后再观察其形态,直至红色水流成一直线为止。此时表明紊流

10、转化为层流。此时的雷诺数称为下临界雷诺数。用量筒、秒表测量此时的流量,计算水流速度。4、将调节阀 9开大,从步骤 3开始重复,记录 3组数据。5、将三次测量的数据进行处理,计算各次的下临界雷诺数,记录在数据表中。 注意事项:1、缓慢调节阀门,尤其当流量较小时,每一次的调节量要注意控制。每次调节阀门后,都 须等待水流稳定,即停留 15秒以上。2、调节阀门的过程中,只许逐渐关小阀门,调节过程中不许开大阀门。3、水箱进水量调到合适位置,保持有少量溢水即可。如果进水量过大,将增大水箱液面处 的位置波动,从而导致管道内压力波动。4、 由于上临界雷诺数不容易得到一个固定值,且参考意义不大,所以在实验中不要

11、求测定。五、实验数据记录及计算 六、思考1、雷诺数的量纲是什么?2、如果阀门从小逐渐开大,所得到的上临界雷诺数为何数值有时候会较大?3、下临界雷诺数,在测量计算的过程中,受到哪些因素的影响?(五节流式流量计测量实验一、实验目的1.了解文德里和孔板流量计测流量的原理及其简单构造。2.绘出压差与流量的关系,确定文丘里流量计和孔板流量计的系数 。二、实验原理文丘里流量计是在管道中常用的流量计。它包括收缩段、喉管、扩散段三部分。由于喉管过 水断面的收缩, 该断面水流动能加大, 势能减小, 造成收缩段前后断面压强不同而产生的势能差。 此势能差可由压差计测得。孔板流量计原理与文丘里流量计相同, 根据能量方

12、程和连续方程可得出不计阻力作用时的文 德里流量计 (孔板流量计 的流量计算公式:h K Q =理武中:gdD d D k 242222-=(孔板 ;gD d A k 242-=(文丘里( (2211gp z g p z h +-+= 根据实验室的设备条件,管道的实测流量 Q 实可由体积法测出。在实际液体中,由于阻力的存在,水流通过文德里流量计 (或孔板流量计 时有能量损失,故 实际通过的流量 Q 实 一般比 Q 理 稍小,因此在实际应用时,上式应予以修正,实测流量与理想流 体情况下的流量之比称为流量系数,即理 实Q Q = (课本中,孔板流量计的流量系数,使用符号 。 三、实验设备实验设备与各

13、部分名称如图 5.1所示。1号 管2号 管3号 管图 5.1 流 体 力 学 综 合 实 验 台 示 意 图四、实验步骤1.熟悉仪器,记录有关数据。 ,2.启动水泵,打开总进水闸阀,使水进入管道系统;打开 1号管和 2号管的进水闸阀,确 认出水管有稳定出流。3.检查压差计内是否有气泡。如有气泡,必须排除干净。4.分别调整 1号管和 2号管进水闸阀,依次增大流量和依次减小流量。量测各次流量相应 的压差值,使用体积法测量实际流量 Q (记录水箱高度,使用秒表记录时间 。每管各做 6次。 将数据记录在表 5.1中。五、注意事项1.改变流量时,需待开关改变后,水流稳定之后 (至少需 35分钟 ,方可记

14、录。2.当管内流量较大时,测压管内水面会有波动现象。可读取波动水面的最高与最低读数的 平均值作为该次读数。六、思考题1.收缩断面前与收缩断面后相比,哪一个压强大 ? 为什么?2实验求出的 m 值是大于 l，还是小于 1？是否合理？ 3每次测出流量系数 m 值是否是常数?若不是常数则与哪些因素有关? 表 5.1 数据记录和计算表格 数据组数 1 2 1 号 管 3 4 5 6 1 2 2 号 管 3 4 5 6 压差计读数 (cmH2O 水箱高度 时间（s） 测量流量 (m /s 3 实际流量(m3/s 结论：1 号管中，流量系数 a = ；2 号管中，流量系数 m = 10 （六）流动阻力水头

15、损失测量实验 一 、实 验 目 的 和 要求 1、掌握管道沿程阻力系数 l 的测量技术； 2、通过测定不同雷诺数 Re 时的沿程阻力系数 l ，掌握 l 与 Re 的影响关系； 3、测量弯头局部阻力系数 x 。 1 号管 2 号管 3 号管 图 6.1 流体力学综合实验台示意图 二 、实 验 仪 器 和 设备 实验设备装置如图 6.1 所示。这台实验装置可对不可压缩流体流经管道系统的规律性进行比 较详细的实验研究。 利用这台装置可以进行的主要实验项目如下： 1、滞流区和过渡区摩擦系数的测定利用 2 号管进行。 （见图 1，下同） 2、不同直径的管子湍流区磨擦系数的测定利用 1，3 号管子。 3

16、、螺旋槽管（相似于粗糙管）摩擦系数的测定。 4、认识文丘里流量计，测定它的孔流系数。 11 5、验证孔板流量计的孔流系数。 6、对比孔板和文丘利两种流量计的阻力损失。 7、认识毕托管流速计，利用毕托管测量管内流速。 8、测量 90°标准弯头的局部阻力系数。 9、测量截止阀局部阻力系数。 10、测量突然扩大管局部阻力系数。 本实验将使用 1 号管（水力光滑管） ，对层流、紊流状态下的沿程阻力损失进行测量和计算 分析，弄清沿程阻力损失系数 l 和雷诺数 Re 的关系。对弯管局部阻力损失系数进行测量，找出 局部阻力损失与速度头之间的关系。 1 号测管标称直径 40（实际内径请按样品管测量）

17、 ，测压孔距为 2000 毫米。 三 、实 验 原 理 1、沿程阻力系数 l 的测量与计算 由达西公式， hf = l × L v2 × d 2g 而沿程阻力系数 l ，在管道中不同流态情况下， l 值不相同。在水力光滑管中， l = f (Re ) 式中，d 为管道直径，L 为研究管段的长度，hf 为沿程阻力损失水头，由测压管测量得出；v 为 断面平均流速，通过量筒测单位时间液体体积求得。 Re = vd 雷诺数 u ，已知水的运动粘度u = 1´ 10-6 m 2 / s 0.3164 64 l= 4 Re Re ；紊流时，在水力光滑管内 层流时， l= 通过实验，测量数据，计算指定管道内的沿程阻力损失系数 l ，并与理论值进行比较。 2、弯管局部阻力损失系数测量 根据计算公式： 实验中， hj = x × v2 2g hj 通过测压管 2 测出。计算出弯管局部阻力损失系数 x 四 、实 验 步 骤 1、关闭泵出口阀，再打开潜水泵。 2、检查各测压管内是否有气泡存在。如有气泡，必