流体力学实验指导

1、流体力学实验指导实验一.静水压力实验一、实验目的测定静水中任一点的压力和真空值；测定有色液体的重率。二、应用的仪器设备静水压力实验器E及测压管组。三、仪器设备简图如右图四、实验原理容器内静水中任一点K处的静水压力把P = + yAh - （豹一电）+-Z?4） + yAh（1）式中尻K点处静水压力（牛顿/米2）；比容器E流体表面压力（牛顿/米2）；容器E中液体的重率（牛顿/米3）； *U形管内有色液体的重率（牛顿/米3）；催一一上端开口通气的测压管读数（米）；、处、庵上端通向容器空气室的测压管读数（米）；容器内静水中任一点K处的真空值&空=%-必如=*腿一心一壮=&空=%-必如=*腿一心一壮=

2、冗稣一也）-必/(2)有色液体的重率”五、实验步骤测静水压力（或剩余压力），这时容器E液体表面压力 大气压力1）打开容器上端和下端的旋塞*观看各测压连通管内液面是否齐平，在同一个水平面上如 不齐平测检查各管内是否阻塞，并加以疏通。2）关紧容器上端的旋塞=,抬高大玻璃管F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）在大玻璃管被抬高状态下，降至三个不同的高度，测量三组数据。测真空值（或负压），这时容器E液体表面压力*大气压力女1）打开容器上端旋塞使压力恢复正常，使大玻璃管F处在最高位置。此时各测压连通管 液面应齐平。关闭旋塞*,并下降玻璃管F至一定距离，待液面稳定后，读记各测压管内液

3、 面的水位。2）重复步骤1），共实测三次。六、讨论问题在6个玻璃管中的液面，哪些是压力相等面？E+月在连续的同一重力液体中任取两点，其 v二常数，试用实验数据阐明这个规律。实测K点的压力及真空值时，为什么事前都将旋塞&处于打开状态，然后再关闭？实验二、雷诺实验（一）实验目的!、实际观察流体流动的两种型态，加深对层流和湍流的认识。2、测定液体（水）在圆管中流动的临界雷诺数，一一即下临界雷诺数，学会其测定的 方法。（二）实验装置实验装置图如下：图雷诺仪的结构示意图1、电测流量装置及其计量水箱2、出水阀门3、电测流量仪4、雷诺仪试管5、色液 罐6、实验桌口 7、恒水位水箱8、储水箱9、水泵10、进水

4、阀门11、集水槽12-放水 阀门实验装置的结构示意图如图4-5所示。恒水位水箱7靠溢流来维持水位恒定。在水箱的 下部装有水平放置的长直玻璃圆管4 （雷诺实验管），实验管与水箱相通，恒水位水箱中的 水可以过玻璃实验管恒定出流，实验管的另一端装有出水阀门2,可用以调节出水的流量。 阀门2的下面装有回水水箱和计量水箱，计量水箱里装有电测流量装置1（由浮子、光栅计 量尺和光电传感器等组成），可以在电测流量仪3上直接显示出实验时的流体流量（数字显 示出流体出流体积W立升和相应的出流时间t 秒）。在恒水位水箱的上部装有色液罐5, 其中的颜色液体可经细管引流到玻璃实验管的进口处。色液罐下部装有调节小阀门，可

5、以用 来控制和调节色液液流。雷诺仪还设有储水箱8，由水泵9向实验系统供水，而实验的回流 液体可经集水槽11回流到储水箱中。（三）实验步骤1、实验前的准备1）关闭出水阀门2。2）打开进水阀门10后，按下电测流量仪3上的水泵开关，启动水泵9，向恒水位水箱 放水。3）在水箱接近放满时，调节阀门10，使水箱的水位达到溢流水平，并保持有一定的溢 流。4）适度打开出水阀门2,使实验管出流，此时，恒水位水箱仍要求保持恒水位，否则， 可再调节阀门10，使其达到恒水位，应一直保持一定量的溢流。（注意：整个实验过程中都 应满足这个要求）。5）检查并调整电测流量装置，使其能够正常工作。6）测量水温。2、进行实验，观

6、察流态具体操作如下：1）微开出水阀门2,使实验管中的水流有稳定而较小的流速。2）微开色液罐下的小阀门，使色液从细管中不断流出，此时，可能看管中的色液液流 与管中的水流同步在直管中沿轴线向前流动，色液呈现一条细直流线，这说明在此流态下， 流体的质点没有垂直于主流方向的横向运动，有色直线没有与周围的液体混杂，而是层次分 明地向前流动。此时的流体即为层流。（若看不到这种现象，可再逐渐关小阀门2,直到看 到有色直线为止）3）逐渐缓慢开大阀门2至一定开度时，可以观察到有色直线开始出现脉动，但流体质 点还没有达到相互交换的程度，此时，即象征为流体动状态开始转换的临界状态（上临界点）， 当时的流速即为临界流

7、速。4）继续开大阀门2,即会出现流体质点的横向脉动，继而色线会被全部扩散与水混合， 此时的流态即为湍流。5）此后，如果把阀门2逐渐关小，关小到一定开度时，又可以观察到流体的流态从湍 流转变到层流的临界状态（下临界点）。继续关小阀门，实验管中会再次出现细直色线，流 体流态又转变为层流。以上只是认识性实验，实际观察一些过程和现象，没有具体的测试内容。3、测定临界雷诺数Rek具体操作如下：1）开大水阀门2,并保持细管中有色液流出，使实验管中的水流处于湍流状态，看不 到色液的流线。2）缓慢地逐渐关小出水阀门，仔细观察实验管中的色液流动变化情况，当阀门关小到 一定开度时，可看到实验管中色液出口处开始有色

8、脉动流线出现，但还没有达到转变为层流 的状态，此时，即象征为由湍流转变为层流的临界状态。3）在此临界状态下测量出水流的流量，具体步骤如下：i）关闭计量水箱的放水阀门12；ii）扳动出水阀门2下面的出水水嘴，使出流的水流入计量水箱中；iii）待流入计量水箱中的水已使电测流量计的浮子浮起一定高度时，即可开始计量。按下电测流量仪3上的复位按钮，流量显示器即开始计量显示，显示出即时的出流总 体积和相应的出流时间。计量到适当时间后，按下电测流量仪3上的锁定按钮，即停止计量，并显示出计量时 出流流体的总体积VX 10-303和相应的出流时间t。打开放水阀门12,把计量水箱中的水放回储水箱，再关闭阀门12。

9、按、步骤重复测量3次。将测试结果记入实验记录表中。（四）实验数据计算和处理1、实验记录表次数VtVs临界流速临界雷诺数附注1(X 10-303)(s)(m3/s)u (m/s)Re k实验管内径：d=mm水温：C232、实验数据计算% . d4 V(4-1)V5V5(4-2)u =m/sk A 兀d2/4VVs= m3/sT(4-3)式中：v -A水的运动粘度（根据实验的水温，从水的粘温曲线上查得）口人 Asfe t-l-t -kth 士卜二L实验官内横截面积，m2Uk临界流速，m/sVs体积流量，m3/s实验三、流体流动阻力实验（一）直管阻力实验一、实验目的掌握测定流体直管阻力损失的一般实验

10、方法。测定流体流过圆形直管时的摩擦因数。了解摩擦因数与流体流动型态的关系。二、基本原理计算直管阻力损失的范宁公式为：式中hf 直管阻力损失，m；f摩擦因数，无因次；L 流体流经的管路长度（本实验中为直管上两测压点间的长度），m；d 管路直径（内径），m；u流体在管内的平均流速，m/s；g重力加速度，m/s2。由此式可以看到，为求得流体流经某一直管段的直管阻力损失，就需要知道摩擦因数 的值。对于层流，可用理论方法求得 =64/Re，但它也需要通过实验来验证其是否正确。 而对于湍层，由于其流动机理的复杂性，以及管壁粗糙度的影响不能忽略，理论分析十分困 难，因此主要是通过实验测取，再经数据处理来得到

11、有关计算的经验式。实验测取的方法是：根据范宁公式可得：（1）上式中，由于实验装置已经存在，故d、l是已知量，而u可通过测定流量后得到，剩下就 是如何得到直管阻力损失hf 了。根据实际流体柏努利方程，单位质量的流体在直管的任意两截面间有下列衡算式：学+色+处=如+孕+鸟+龙2g pg2g pg当流体在水平等径直管中流动，且所取两截面间无外功输入时，由于zi = z2, ui=u2， he=0，则上式变为：Pg PM （2）这里的损失压头hf即为流体流经所取两截面间的管路时的直管阻力损失，它表现为两 截面处流体的压力降，可由两截面处的静压差来代表。因此，只要测得两截面上流体的静压 差Ap，就可以得

12、到直管阻力损失。两截面上流体的静压差可通过连接在两截面处的压差计来得到。在忽略空气的密度时， 有：A p=gR式中 流体的密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2；R 压差计中液柱的高度差，m。于是式可变为：hf=R代入式，计算摩擦因数 。三、实验装置及流程图为直管阻力实验装置示意图，实验管路内径d = 7mm，长度l = 850 mm。本装置使用两种压差计，在小流量（层流区、过渡区）时使用侄U形管压差计，在大流 量（过渡区、湍流区）时使用电子压差计。四、实验步骤熟悉实验装置及流程。注意观察并认清量筒的单位和刻度划分，了解秒表的使用方 法。排气操作：先全开旁路阀，关闭供水阀和出口阀，松开止水夹

13、，旋开旋塞，然后接 通水泵电源，再打开供水阀，启闭出口阀若干次，使实验管路及测压导管（实验管路上的测 压孔与压差计之间连接的管道）中的气体排出。（气体排尽的标志是，在出口阀关闭时，倒 U形管压差计两臂的液面能够达到齐平。）然后通过供水阀、出口阀及旋塞的配合，调整倒 U形管压差计两臂的液面在标尺中部处，并最终使旋塞处于拧紧、供水阀处于全开、出口阀 处于关闭的状态。接通电子压差计电源，并调整零点。开始测定数据：通过逐渐开大出口阀改变流量，当此阀达到全开后，再通过逐渐关 小旁路阀改变流量。流量大小的调节可参考压差计的读数来进行。要求流量改变10次，其中层流区（倒U形管压差计两臂液面差值在20mm以内

14、）改变4 次。在过渡区和湍流区时流量的改变量可按每次使压差变化400500mm进行调节。每次调节流量后要稳定12分钟，然后用量筒、秒表测定流量（连续测量3次，每次 接取流体的时间应在10秒以上，以减少相对误差。取3次流量的平均值做为本组流量的结 果），接着读取、记录压差数据，并同时测量水温。【注意】当倒U形管压差计某一臂的液面变化到接近标尺刻度尽头时，要将与其两臂相 连接的测压导管上的止水夹夹紧，使倒U形管压差计与实验管路断开，改由电子压差计测取 压差数据（其单位是cm）。实验完成后，先开大旁路阀到全开状态，再关闭出口阀，松开止水夹，检查倒U形 管压差计两臂液面是否齐平，电子压差计读数是否为零

15、。如果不齐平或不为零，则需重新排 气，并重新测定数据；如果齐平，则可关闭供水阀，并关断水泵和电子压差计电源，结束实 验。(二)局部阻力实验一、实验目的掌握测定流体局部阻力损失的一般实验方法。测定突然扩大、突然缩小的阻力系数，掌握获取阻力系数的方法。二、基本原理计算局部阻力损失的阻力系数法的公式为：姑 (1)式中hf 局部阻力损失，m；f阻力系数，无因次；u 流体在管道中的平均流速，m/s；g重力加速度，m/s2。利用此式计算局部阻力损失的关键是要知道阻力系数 。由式可得：，蚀(2)式中的流速u可在已知管径时通过测定流量得到，剩下的问题就是如何得到局部阻力损失 hf，可以通过实验来测取。f在产生

16、局部阻力损失的部位的两侧选取截面做为衡算体系，便可列出此体系的实际流动 的柏努利方程。当我们所取的衡算体系位于水平管路且无外功输入时，则有：十季一孚)+(色-冬契案 霏能(3)式中hf是流体流经该体系时的总阻力损失，它包括了局部阻力损失和直管阻力损失。由上 式可知，只要测得两截面处流体的流速和静压差便可得到总阻力损失。当所取的两截面与产生局部阻力损失的部位相距不远，即直管段较短时，与局部阻力损 失相比可以忽略这部分直管阻力损失，于是便可认为hf就是局部阻力损失hf。当直管阻力损失不容忽视，或者需要比较准确的局部阻力损失数据时，就要将总阻力损 失中的直管阻力损失扣除。可以按流长比例算出其中的直管

17、阻力损失，即通过测得一段与衡 算体系中的管路相同的直管的阻力损失后，再按单位管长的直管阻力损失根据衡算体系中的 直管的长度算出衡算体系中的直管阻力损失。通常采用三点法或四点法来进行这种局部阻力 损失的测定。用三点法求取局部阻力损失的算式是：式中hfi-2截面1、2间的直管阻力损失，m； hf2-3截面2、3间的直管阻力损失，m；l2截面1、2间的距离，m；12-3截面2、3间的距离，m；R12截面1、2处测压管中液柱的高度差，m。求出局部阻力损失hf后，可以由式得到阻力系数 了。三、实验装置及流程图为局部阻力实验装置示意图。管径DD2、D3在设备铭牌上读取。截面间距离li2=l3 4= 120

18、 mml=240 mm2-34l=lB5 = l5 6 = 60 mm。测压管1、2、3用来测取处（突然扩大）的局部阻力损失，即三点法。测压管3、4、5、6用来测取B处（突然缩小）的局部阻力损失，即四点法。四、实验步骤熟悉实验装置和流程。观察并认清量筒的单位和刻度划分，了解秒表的使用方法。关闭出口阀，然后开启水泵电源，使恒压水箱充水并达到溢流状态。启闭出口阀若干次，以排除实验管路及测压导管（实验管路上的测压孔与测压管之 间连接的管道）中的气体。气体排净的标志是在出口阀关闭时各测压管液柱高度能够达到齐 平。打开出口阀，逐次由小到大调节流量（流量大小的调节可参考测压管6中液柱高度 的读数来进行）。要求流量改变5次，且分布均匀。每次调节流量后要稳定12分钟，然后用量筒、秒表测定流量（连续测量3次，每 次接取流体的时间应在10秒以上，以减少相对误差。取3次流量的平均值做为本组流量的 结果）。接着读取、记录各测压管液柱高度。实验完成后，关闭出口阀，检查各测压管液柱是否齐平。如果不齐平，则需重新排 气，并重新测定数据；如果齐平，则可关闭水泵电源，结束实验。五、数据记录及实验结果自己设计表格，将实验所测数据及计算结果列出，表格中