流体力学基础实验指导书

流体力学基础实验指导书编写：张进审核：何国毅、史卫成南昌航空大学

飞行器工程学院飞行器设计与工程系实验一不可压缩流体定常流能量方程实验l=J（伯努利方程实验）一、实验目的要求验证不可压定常流的能量方程；通过对流体动力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中的能量转换特性；掌握流速、流量、压强等流体动力学水力要素的实验量测技能。二、实验装置本实验的装置如图1所示:图1自循环能量方程实验装置图l自循环供水器2.实验台l自循环供水器2.实验台3可控硅无级调速器 4溢流板5稳水孔板 6恒压水箱7测压计8滑动测量尺9测压管10实验管道10实验管道11测压点12毕托管13实验流量调节阀说明:仪器测压管有两种：①用毕托管测压管探头对准测量处的轴心位置，测量该点的总水头H’（=PU2 p V2Z+匕+〜），测得轴心处速度。须注意一般情况下H’与断面总水头H（=Z+^+〜）

Pg2g Pg2g不同（因一般u君），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；②普通测压管用以定量量测测压管水头（位置水头与压强水头之和）。实验流量用阀13调节，流量由体积时间法或重量时间法测量。三、 实验原理在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面（1）至另一断面（i）的能量方程式（i=2,3,……,n）pav2pav27+—+-^^=Z+—+-^^+h1Pg 2giPg 2gw取a=a=……=a=1,选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出Z+』值；测出1 2 n pgav2通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及k，从而得到各断面测管水头和总水头。2g四、 实验方法与步骤熟悉实验设备，分清哪些管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。打开调节阀13,观察思考：1） 测压水头线和总水头线的变化趋势；2） 位置水头压强水头之间的相互关系；3） 流量增加或减少时测管水头如何变化？调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量。改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。6.收拾实验台，整理数据。

五、实验数据及整理1.记录有关常数： d1=^13.7mm d2=425.8mm表1不同工况下各测量点处实验数据记录、\液柱高序号9/1011/1213/1415/16流量Q(m3/s)总压静压总压静压总压静压总压静压1234表2表1中 工况(流量Q= )各测量点处的轴心速度和平均流速测量处项目9/1011/1213/1415/16轴心点处速度Vp(m/s)管内径(mm)平均速度V(m/s)速度水头命?(m)六、实验分析及讨论1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？2.流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？实验二文丘里流量计实验一、 实验目的和要求1、 掌握文丘里流量计的原理。2、 掌握压差计的使用方法和体积法测流量的实验技能。3、 利用收缩前后两断面7和18的测管水头^h，根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理论流量进行修正，得到流量计的流量系数即对文丘里流量计作出率定。二、 实验装置图一文丘里流量计实验装置图1.自循环供水器2,实验台3.可控硅无级调速器4.恒压水箱5.溢流板6.稳水孔板7.文丘里实验管段 8,测压计气阀9,测压计10.滑尺11.多管压差计实验原理如果能求得任一断面的流速v,然后乘以面积A,即可求得流量Q'。。对于文丘里管前断面及喉管处，处于该两处面积分别为A17、A18只要测得该两处流速v,便可测得流量Q'。为此，我们可根据能量方程式和连续性方程式对该两断面立方程求解。取管轴线为基准，并且不计阻力作用时0+P17+写=0+%+UPg 2g Pg 2g(1)Q=AV=AV1717 1818即t丁nd2 nd2V 17=V 1817 4 18 4(2)由式(1)、(2)可解得V=J2gAh/(')4—117 ' \id'18因此 Q，=气7匕7=：d2J2gAh/J。—1=k<A41% 叭d)1、187(3)k4d1vV2gA(^17)41V18(4)(3)、(4)式中，Ah为两断面测压管水头差：TOC\o"1-5"\h\zp p V2 V2Ah=hi7-hi8Ah=hi7-hi8Pg Pg 2g 2g然而，由于阻力的存在，用量筒测量的实际流量Q恒小于此方法所测得的流量Q'。今引入一个无量纲系数(文丘里管的流量系数)：Q .——R=Q=Q/"Ah (5)四、实验方法与步骤、1、 查阅用压差计和用体积测量流量的原理和方法；2、 对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤；3、 启动水泵给水箱充水并保持溢流状态，使水位恒定。4、 检查下游阀门关闭时，压差计各个测管水面是否处于同一平面上。如不平，则需排

气调平;5、 录断面管径等数据；6、 实验流量调节：从最大流量开始，开启下游阀门，使压差计上出现最大的值，待水流稳定（比压计液面稳定）后，再进行测量，并将数据记录入表中;7、依次减小阀门开度，分别待水流稳定（比压计液面稳定）后，重复上述步骤并按序记录数据;8、检查数据记录是否缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，进行补测。9、课后整理实验结果，得出流量计在各种流量下的，Q理，Q实，A和r值，绘制Q实〜\h的率定关系曲线及~R曲线。五、实验成果及要求、1、有关常数:0.017750.01775有关常数：水温丁=进口直径/17=业V— 一1+0.003377+0.00022172-cm 喉道直倒广迫&cm六、实验分析及思考题1、文丘里的实际流量与理论流量为什么会有差别？这种差别是由哪些因素造成的?2、文丘里流量计的流量系数为什么小于0?3、为什么在实验中要反复强调保持水流恒定的重要性?4、影响文丘里流量系吸的因素有哪些?5、文丘里流量计水平或垂直放置对值有无影响?实验三雷诺实验一、 实验目的观察层流和紊流的流态及其转换特征。通过临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则。二、 实验原理1、 实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有，如图1所示。TOC\o"1-5"\h\z0一 12、 圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷 _口,诺：开始颤动开始颤动二勺ma图1三种流态示意图R= = e日 兀dV式中Q——流体断面体积流量d——圆管直径v——流体的运动粘度在本实验中，流体是水。水的运动粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托克斯提出的经验公式计算0.01775V= 1+0.003377+0.00022172式中V——水在t°C时的运动粘度，cm2/s；T 水的温度，。。。3、 判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速，从紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。4、 圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，对应于上、下临界速度的雷诺数，称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数

表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。而且极不稳定，只要稍有干扰，流态即发生变化。上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不同有所不同。因此，上临界雷诺数在工程技术中没有实用意义。有实际意义的是下临界雷诺数，它表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值。通常均以它作为判别流动状态的准则，即Re<2320时，层流Re>2320时，紊流该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，工程实际中一般取Re=2000。5、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小d，减小V，加大v三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。6、由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十分必要的。圆管中恒定流动的流态为层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的1.75〜2.0次方成正比，如图2所示。7、通过对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较，可以看出层流流速分布呈旋转抛物面，而紊流流速分布则比较均匀，壁面流速梯度和切应力都比层流时大，如图3所示。图2三种流态曲线图图2三种流态曲线图3圆管断面流速分布三、实验装置a星、红墨水可移动指针四、实验数据分析有关常数：管径d=2.58cm,水温T=°C,运动粘性系数：v=cm2/s表1 数据记录表格项目测次流量(L/h)雷诺数(Re)颜色水形态上临界雷诺数1上临界雷诺数2上临界雷诺数3上临界雷诺数平均值：下临界雷诺数1下临界雷诺数2下临界雷诺数3下临界雷诺数平均值：注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。下临界雷诺数与公认值Re=2300相比，可得误差为：8=五、分析思考问题1、层流、紊流两种水流流态的外观表现是怎样的?2、雷诺数的物理意义是什么？为什么雷诺数可以用来判别流态?3、临界雷诺数与哪些因素有关？为什么上临界雷诺数和下临雷诺数不一样?4、流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速?5、破坏层流的主要物理原因是什么？实验四沿程水头损失实验一、实验目的要求加深了解圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律，绘制lgV-lghf曲线；掌握管道沿程阻力系数的量测技术和应用水压差计及电测仪测量压差的方法；将测得的Re~入关系值与莫迪图对比，分析其合理性，并且与莫迪图比较，进一步提高实验成果分析能力。二、实验原理二、实验原理由达西公式〜尸盅X=冬±二冬区f"匕lV2l\4QIQ2式中，K式中，K=兀2gd5/81由能量方程对水平等直径圆管可得hf=（P]-p2）pg即为压差计水柱的高度差。三、实验方法与步骤1、 对照装置图和说明，搞清各组成部件的名称、作用及工作原理；检查蓄水箱水位是否够高。否则予以补水并关闭阀门。2、 接通电源，启动水泵排除管道中的气体。3、关闭出水阀，排除其中的气体。随后，关闭进水阀，开出水阀，使水压计的液面降至标尺零附近。再次开启进水阀并立即关闭出水阀，稍候片刻检查水位是否齐平，如不平则需重调。4、 气-水压差计水位齐平。5、 实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在进水阀全开的前提下，逐次开大出水阀，每次调节流量时，均需稳定2-3分钟，流量越小，稳定时间越长；测流量时间不小于8-10秒；测流量的同时，需测记压差计读数。6、 结束实验前，关闭出水阀，检查水压计是否指示为零，如均为零，则关闭进水阀，切断电源，否则，表明压力计已进气，需重新做实验。7、 收拾实验台，整理数据。四、实验数据及整理1、记录有关常数：测量段长度l=100cm；圆管直径d=1.37cm；水温T=OC； 粘度v=cm2s2、记录实验数据并计算。记录及计算表次序体积cm3时间流量Qcm3s流速Vcmjs雷诺数水压计高cm沿程损失h于cm沿程损失系数人错误！未找到引用源。Re<2320x=%h2123456783、绘图分析：绘制lgV-lgh曲线，并确定指数关系值m的大小。在厘米纸f上以lgV为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的lgV-lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。求厘米纸上直线的斜率m=】ghTghlgV2-lgV1将从图上求得的值与已知各流区的值进行比较（层流m=1，光滑管流区m=1.75，粗糙管流区m=2.0，紊流过渡区1.75<m<2.0），确定流区。五、实验分析与讨论为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？如实验管道安装成倾斜，是否影响实验成果？2.根据实测山值判别本实验的流区。实验五局部阻力损失实验一、 实验目的本实验测量扩张段和收缩段的局部阻力系数，然后与圆管突扩局部阻力系数的公式和突缩局部阻力系数的公式进行对比分析，从而掌握用理论分析法和经验法建立函数式的技能。进而加深对局部阻力损失的理解。二、 实验原理写出局部阻力前后两断面的能量方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得:突然扩大（忽略沿程损失）实测局部水头损失：h土+P+M日z+P+刍sk"3Pg 2g)\4 pg 2g/局部损失因子：Ksk=/23g理论局部损失因子：K,k=^1-d,2理论局部水头损失：V2yKe药2.突然缩小（忽略沿程损失）实测局部水头损失：h=(z+p+Ml"+p+◎ss"5 pg 2g)\6 pg 2g)局部损失因子:Kss下列经验公式计算中的速度应取小管径中的速度值:局部损失因子:rK局部损失因子:rK=0.42x1Ils局部水头损失:7局部水头损失:7 ,,V2hls=Kls