合肥工业大学新流体实验指导书

1、课程编号：0230042课程名称：工程流体力学流体力学实验指导书（机械类）Hydrodynamics Experiment Instructor(Enginery)(Belong to Pyrology Staff Room)Hefei University of Technology2011.8实验一静压实验Experiment 1 Static Pressure Experiment一、实验目的1、通过实验理解流体静力学基本方程式的能量意义和几可意义。2、验证容器中流体内任意两点1和2的测压管水头相等，即有+。3、测量液体的密度（本实验为测量酒精密度）二、实验原理1、重力作用下处于静止状态

2、的连续均质不可压缩流体的基本方程式为：该式的能量意义是：流体中各点处单位重量流体所具有的总势能，即位置势能Z和压力势能()之和均相等。该式的几何意义是：流体中各点的测压管水头，即位置高度Z和测压管高度() 之和均相等。根据上述流体静力学基本方程式，对本实验的液体（水）中1、2两点有：+2、根据流体静力学基本方程式，可得有自由液面的静止的不可压缩流体中压强的基本公式为（推导过程见教材）：P=PO+g h式中：P液体内任一点的静压力，单位为N/m2(Pa)；PO容器内液体自由表面的静压力，单位为N/m2(Pa)；液体的密度，单位为kg/m3；h液体内的点到液面的距离，单位为m；g重力加速度m/s2

3、。由此式可求出液体内任意点处的静压力。3、本实验中还要用到连通器原理，即同一种相连通的流体在同高度上压强相等。三、实验设备静压实验器结构如下图所示：四、实验步骤1、熟悉实验设备，明确每根玻璃管的用途；熟悉实验方法；熟悉气压计的结构原理和使用方法。2、打开气阀，待各玻璃管内液面稳定后，关闭气阀。3、调节侧面小量筒高度，容器内液面上升或下降，压力P0大于大气压力Pa或小于大气压力Pa，利用滑动标尺记录各测压管的液面高度，并记录表1（）表2（）的数值。4、结束实验，打开气阀。五、思考题1、测压管“B”、“C”中的液面是否在任何情况下都在同一高度上，两者的液面连线叫什么？实验二不可压缩流体定常流能量方

4、程（伯努利方程）实验Experiment 2 Incompressible Fluid Steady State Flow Energy Equation Experiment一、实验目的1、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术；2、验证流体定常流的能量方程。3、测定管道沿程损失水头hf及沿程阻力系数，并了解随雷诺数Re的变化规律。4、测定局部损失水头hj和局部损失系数。二、实验装置:四、实验原理在实验管路中沿水流方向取n个过水截面，可以列出进口截面（1）至截面（i）的能量方程式（i=2,3,n）选好基准面，从已设置的各截面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出截面平

5、均流速v及动压，从而可得到各截面测管水头和总水头。1、沿程损失水头hf和沿程阻力系数的测定V2211h2Z2ZZ1Vh1Z2Z12211对实验装置选做材料管上的直管段两测点1、2截面，（见图一）应用实际流体的伯诺里方程，有： 由于v1=v2，故1、2截面间沿程损失水头hf为：h1 1、2两测点上两根测压管的液面差。1、2两测点间沿程损失水头hf测出后，可根据达西公式算出直管段沿程阻力系数： 达西公式中v为管道中流体流速， （Q为流量，单位m3/s；A为管1的截面积，单位：m2；流速的单位为m/s）。为测出与Re的关系，实验中可用流量调节阀调节流过管道中的流速，以改变雷诺数，从而测出不同Re下的

6、值，整理出“Re”关系曲线。2、局部损失水hj和局部阻力系数的测定（以90º弯头为例）对实验装置选做材料管上的1、2测点截面（见图二）应用实际流体的伯诺里方程，有：由于v1=v2，故有可以证明（证明方法略）hj=h2h2为连接1、2测点差压计左右两根测压管的液面差。hj测出后，根据实验得出的与hj的关系式，即就可算出局部阻力系数（式中v为弯头中流体流速）四、实验方法与步骤1、熟悉实验设备，分清各测压管与各测压点，毕托管测点的对应关系。2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查流量调节阀关闭时所有测压管水面是否齐平，若不平则进行排气调平（开关几次）。3、打流量调节阀，观察测压管水

7、头线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系，观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。4、调节流量调节阀开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时用体积法测记实验流量（与毕托管相连通的是演示用，不必测记读数）。5、再调节流量调节阀开度12次，其中一次阀门开度大到使液面降到标尺最低点为限，按第4步重复测量。实验三雷诺实验Experiment 3 Renault Experiment一、实验目的1、通过层流、湍流的流态观测和临界雷诺数的测量分析，掌握圆管流态转化规律；2、进一步掌握层流、湍流两种流态的运动学特性与动力学特性；3、测量沿程损失，计算沿程阻力系数。二、实验原理（1

8、） （其中：Q流量；V水体积；T时间；K系数。）式中v可根据用体积法测定的流量算出：（Q为流量，单位为m3/s; A为管道的截面积，单位为m2; 流速的单位为m/s.）三、实验装置四、实验方法与步骤1、观测两种流态：打开进水阀使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启流量调节阀，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线，通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大流量调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到湍流的水力特征，待管中出现完全湍流后，再逐步关小调节阀，观察由湍流转变为层流的水力特征。2、测定下临界雷诺数：（1）将流量调节阀打开，使管中呈完全湍流，再逐步关小流量调节阀使流

9、量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚刚拉成一直线状态时，即为下临界状态。每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。（2）待管中出现临界状态时，用体积法测定流量；（3）根据所测流量计算下临界雷诺数；（4）同时由水箱中的温度计测记水温，从而查得水的运动粘度。注意：流量不可开得过大，以免引起水箱中的水体紊动，若因水箱中水体紊动而干扰进口水流时，需关闭阀门，静止35分钟，再按步骤（1）重复进行。实验四 恒定总流的动量矩实验确定确定动量方程 流体与边界之间作用力大小；动量矩方程 流体与边界之间作用力位置；设为某参考点至流体速度矢量的作用点的矢径，则用矢量对动量方程两端进行矢性积运算，可得定常流动的动量矩方程为

10、：=-等式左端项是控制体上合外力对于坐标原点的合力矩。等式右端项是通过控制体面流出与流入的流体动量矩之差，或通过控制体面的净动量矩。现以定转速的离心式水泵或风机为例来推导叶轮中的定常流动的动量矩方程。如图所示，取叶轮出、入口的园柱面与叶轮侧壁之间的整个叶轮流动区域为控制体。图：叶轮的速度三角形假定叶轮叶片无限多，每个叶片的厚度均为无限薄，则流体在叶片间的相对速度必沿叶片型线方向。于是将动量矩方程式用于叶轮机时，需用绝对速度代替上式中质点速度。由于定常运动，故叶轮机中的定常流动的动量矩方程：=由图所示的速度三角形可以看出：因而上式可以写成：因为叶轮的角速度为：故叶轮机的功率：或这就是泵与风机的基

11、本方程式。它首先由欧拉在1754年得到，故又称欧拉方程。对于涡轮机械（如水轮机等），流体从叶轮外缘2流入内缘1，基本方程为：无论是泵类机械（工作机械）还是涡轮类机械（动力机械），均满足欧拉方程，不同的是离心泵是工作机械。它把原动机的机械能通过叶轮传递给流体介质，故M > 0，即轴矩方向与叶轮旋转角速度方向相同；而涡轮机是动力机械，它从流体介质中汲取能量，通过转轴将机械能传输出去，故M < 0，即轴矩方向与叶轮旋转角速度方向相反。注意：对于泵类机械，称为泵产生的扬程； 对于涡轮类机械，称为作用在涡轮上的水头。例题：旋转式洒水器由三个均匀分布在水平平面上的旋转喷嘴组成；总出水量为，喷嘴

12、出口截面积为，旋臂长为，喷嘴出流速度方向与旋臂的夹角为。（1） 不计一切摩擦，试求旋臂的旋转角速度；（2） 如果使已经具有角速度的旋臂停止，需施加多大的外力矩？解：每个喷嘴的出口为。这一速度的切向分量也就是旋臂的切向圆周速度，故 将 代入，则由动量矩方程 可知，现在入口处速度与切线方向的夹角。出口处速度与切线方向的夹角，于是 ，又 所以 力矩 以代入，则 实验五孔口与管嘴出流实验Experiment 5 Orifice and Nozzle Jet Flow Experiment一、实验目的1、掌握孔口与管嘴出流的流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数的测量技术；2、通过对不同管嘴与孔口

13、的流量系数测量分析，了解进口形状对出流能力的影响及相关水力要素对孔口出流能力的影响。二、实验装置三、实验原理 流量系数收缩系数流速系数阻力系数四、实验方法与步骤1、记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。2、打开水箱开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开园角管嘴，待水面稳定后，测记水箱水面高程标尺读数H，用体积法测定流量Q（要求重复测理三次，时间尽量长些，例如在15秒以上以求准确），测量完毕，将橡皮塞管再塞紧。3、依照上法，打开直角管嘴，测记水箱水面高程标尺读数H及流量Q，观察和量测直角管嘴出流时的真空情况，测量完毕，将橡皮塞管再塞紧。4、依次打开圆锥形管嘴，测定H及Q，测量完毕，将橡皮塞管再塞紧。5、打开孔口，观察孔口出流现象，测定H及Q，并按下述7（2）的方法测记孔口收缩截面直径随水头变化的情况。6、关闭开关3，清理实验桌面及场地。7、注意事项：（1）实验次序先管嘴后孔口。（2）测量收缩截面直径：移动调节千分表，使千分表触头抵住孔口表面，移动调节卡尺触头使其与水股切向接触，记录下卡