浙江大学实验报告(流体力学)

⑥气体的导压管应向上引出，液体的应向下引出。2．本实验中，影响文丘里流量计流量因数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验的管道而言，若因加工精度影响，误将（d2－0.01）10-2m值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多少？由式可见本实验（水为流体）的μ值大小与Q、d1、d2、Δh有关。其中d1、d2影响最敏感。3．为什么计算流量与实际流量不相等？因为计算流量是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流能力，<，即μ<1.0。4．应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式,然后结合实验成果,便可进一步搞清流量计的量测特性。 对于平置文丘里管,影响u1的因素有:文氏管进口直径d1、喉径d2、流体的密度r、动力粘滞系数m及两个断面间的压强差Dp。根据p定理有:f(u2、d1、d２、p、m、Dp)=0(6) 从中选取三个基本量,分别为:共有6个物理量,有3个基本物理量,可得3个无量纲p数,分别为:根据量纲和谐原理,p1的量纲式为分别有L:1=a1＋b1－3c1T:0=－b1M:0=c1联解得:a1=1，b1=0，c1=0则 同理可解得：将各p值代入式(6)得无量纲方程为：或写成、=、进而可得流量表达式为、Re1) (7)式(7)与不计损失时理论推导得到的(8)相似。为计及损失对流量的影响,实际流量在式(3)中引入流量系数mQ计算,变为(9)比较(7)、(9)两式可知,流量系数与Re一定有关,又因为式(9)中d2/d1的函数关系并不一定代表了式(7)中函数f3所应有的关系,故应通过实验搞清与Re、d2/d1的相关性。 通过以上分析,明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径,只要搞清它与Re及d2/d1的关系就行了。 由本实验所得在紊流过渡区的～Re关系曲线(d2/d1为常数),可知随Re的增大而增大,因恒有m<1,故若使实验Re增大,mQ将渐趋向于某一小于1的常数。 另外,根据已有的很多实验资料分析,与d1/d2也有关,不同的d1/d2值,可以得到不同的～Re关系曲线,文丘里管通常使d1/d2=2。所以实用上,对特定的文丘里管均需实验率定～Re的关系,或者查用相同管径比时的经验曲线，以及实用上较适宜于被测管道中的雷诺数Re>2×105,使值接近于常数0.98。 流量系数的上述关系,也正反映了文丘里流量计的水力特性。实验报告课程名称： 流体力学 实验类型： 验证性实验项目名称： (四)雷诺实验 实验日期： 2019 年 12月 4日一、实验目的和要求1.观察层流和紊流的流态及其转换特征。2.通过临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则。3.掌握误差分析在实验数据处理中的应用。二、实验内容和原理操作方法与实验步骤五、实验数据记录和处理1．记录有关信息及实验常数实验设备名称：雷诺实验仪实验台号：_________实验者：______黄力、赵哲、阮佳妮、吴珂________________实验日期：_2019.12.4________管径d=__1.40___×10-2m，水温t=__18.9____oC运动粘度（m2/s）=0.010345×10-4m2/s计算常数K=87.91×106s/m3实验数据记录及计算结果六、实验结果与分析(1)测定下临界雷诺数（测量2~4次，取平均值）；见表.1(2)测定上临界雷诺数（测量1~2次，分别记录）；见表1(3)确定广义雷诺数表达式及其圆管流的广义下临界雷诺数实测数值。三次测量取平均值，可得下临界雷诺数为,与公认值相比，可得误差为%=0.435%Re=K*qvK=88.3*10^6s/m^3测定的临界流量=16.4*10^-6m^3/s则圆管流的广义下临界雷诺数实测数值为1448七、分析思考1．为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与湍流的判据？ 上临界雷诺数不稳定,变化范围大12000~40000,下临界雷诺数比较稳定,约为2320，因此认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据，工程中一般采用2320做为层流、紊流的分界。2．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到湍流的机理。从紊动机理实验的观察可知，异重流（分层流）在剪切流动情况下，分界面由于扰动引发细微波动，并随剪切流动的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以至于间断面破裂而形成一个个小旋涡。使流体质点产生横向紊动。正如在大风时，海面上波浪滔天，水气混掺的情况一样，这是高速的空气和静止的海水这两种流体的界面上，因剪切流动而引起的界面失稳的波动现象。由于园管层流的流速按抛物线分布，过流断面上的流速梯度较大，而且因壁面上的流速恒为零。相同管径下，如果平均流速越大，则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于是就容易产生紊动。紊动机理实验所见到的波动 破裂 旋涡 质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变成紊流的过程显示。实验报告课程名称： 流体力学 实验类型： 验证性实验项目名称： (五)动量定律综合型实验实验日期： 2019 年11 月 27 日一、实验目的和要求1.通过定性分析实验,加深动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关关系的了解；2.通过定量测量实验,进一步掌握流体动力学的动量守恒定理,验证不可压缩流体恒定总流的动量方程,测定管嘴射流的动量修正因数；3.了解活塞式动量定律实验仪原理、构造,启发创新思维。二、实验内容和原理恒定总流动量方程为F取控制体,因滑动摩擦阻力水平分力Ff<0.5%Fx,可忽略不计,故x方向的动量方程可化为F即β式中:hc—作用在活塞形心处的水深;D—活塞的直径;qV—射流的流量;v1x—射流的速度;β1—动量修正因数。实验中,在平衡状态下,只要测得流量qV和活塞心水深hc，由给定的管嘴直径d和活塞直径D,代入上式,便可验证动量方程,并测定射流的动量修正因数β1值。三、主要仪器设备图1动量定律综合型实验装置图1.自循环供水器2.实验台3.水泵电源开关 4.水位调节阀5.恒压水箱6.喇叭型进口管嘴7.集水箱 8.带活塞套的测压管9.带活塞和翼片的抗冲平板10.上回水管11.内置式稳压筒12.传感器13.智能化数显流量仪四、操作方法与实验步骤1.定性分析实验(1)观察、分析本实验装置中测力机构的结构创新点测射流冲击力的方法很多,装置各不相同,相比之下,本装置的测力机构测量方法简便,精度最高。本装置曾获国家发明专利,主要创新点有:1)将射流冲击力转变为活塞所受的静水总压力,用测压管进行测量。2)用双平板狭缝方式精确导流,确保v2x=0。3)采用动摩擦减阻减少活塞轴向位移的摩擦阻力。带翼片的平板在射流作用下获得力矩,使活塞在旋转中作轴向位移,到达平衡位置。活塞采用石墨润滑。4)利用导水管a和窄槽c的自动反馈功能,自动调节受力平衡状态下的测压管水位。5)利用大口径测压管内设置阻尼孔板的方法,减小测压管液位的振荡。(2)测定本实验装置的灵敏度为验证本装置的灵敏度,只要在实验中的恒定流受力平衡状态下人为地增、减测压管中的液位高度,可发现即使改变量不足总液柱高度的5%(约0.5-1mm),活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移,开大或减小窄槽c，使过高的水位降低或过低的水位提高,恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.5%(此量值越小,灵敏度越高),亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。(3)验证v2x≠0对Fx的影响取下平板活塞9,使水流冲击到活塞套内,便可呈现出回流与x方向的夹角α>90°(即v2x≠0)的水力现象。调整好位置,使反射水流的回射角度一致。以某动量实验台为例,某次实验测得作用于活塞套园心处的水深hc'-ρg就是说hc'随v2及α递增。故实验中2.定量分析实验——恒定总流动量方程验证与射流动量修正因数测定实验实验方法与步骤:参照基本操作方法,分别测量高、中、低三个恒定水位下的流量、活塞作用水头等有关实验参数,实验数据处理与分析参考第五部分内容。五、实验数据记录和处理1．记录有关信息及实验常数实验设备名称：计算机测控型动量定律实验仪实验台号：____6_____实验者：__阮佳妮、赵哲、黄力、吴珂____________________实验日期：___11.27______管嘴内径d=1.19510-2m活塞直径D=1.99010-2m2．实验数据记录及计算结果表1测量记录及计算表测次管嘴作用水头H0/10-2m活塞作用水头hc/10-2m流量/(10-6m3/s)流速v/(10-2m/s)动量力F/10-5N动量修正因数128.520.0259.4231.30.6101.02221.515.3224.5200.20.4661.04316.711.8194.4173.30.3601.07六、实验结果与分析(1)回答定性分析实验中的有关问题。(2)测定管嘴射流的动量修正因数。如表1所示。(3)取某一流量，绘出控制体图，阐明分析计算的过程。解：取第二次数据进行计算由于F故β即有β=代入数据计算得到β=1.04七、分析思考1．实测与公认值（＝1.02～1.05）符合与否？如不符合，试分析原因。答：实验测得的β平均值为1.04，符合公认值。2．带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响？为什么？答：没有影响。平板附加翼片时，在射流作用下获得力矩，但在x方向上不会产生附加力，所以对析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程没有影响。3．如指导书中图2所示，通过细导水管a的分流，其出流角度为什么需使之垂直于v1x？答：为了使通过细导水管a的分流在x轴方向上的速度为0。实验中计算时所列的是x方向上的动量方程，如果通过细导水管a的分流在x轴方向上的速度不为0，会对实验结果造成较大误差实验报告课程名称： 流体力学 实验类型： 验证性实验项目名称： (七)局部水头损失实验实验日期： 2019 年 12月 4日一、实验目的和要求1.学习掌握三点法、四点法测量局部阻力因数的技能,并将突扩管的实测值与理论值比较,将突缩管的实测值与经验值比较。2.通过阀门局部阻力因数测量的设计性实验，学习二点法测量局部阻力因数的方法。二、实验内容和原理流体在流动的局部区域,如流体流经管道的突扩、突缩和闸门等处,由于固体边界的急剧改变而引起速度分布的变化,甚至使主流脱离边界,形成旋涡区,从而产生的阻力称为局部阻力,由于局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失,用hj表示。局部水头损失是在一段流程上,甚至相当长的一段流程上完成的,如图2,断面1至断面2,这段流程上的总水头损失包含了局部水头损失和沿程水头损失。若用hi(i=1,2…)表示第断i面的测压管水头,即有h或h局部阻力因数ζ为ζ=(1)圆管突然扩大段,本实验仪采用三点法测量。三点法是在突然扩大管段上布设三个测点,如图1测点①、②、③所示。流段①至②为突然扩大局部水头损失发生段,流段②至③为均匀流流段,本实验仪测点①、②间距为测点②、③的一半,hf1-2按流程长度比例换算得出。则hf1-2=hf2-3/2=Δh2-3/2=(h2-h3)/2h式中hi为测压管水头值,当基准面选择在标尺零点时即为第i断面测压管液位的标尺读值:E′1、E′2分别表示式中的前、后括号项.因此只要实验测得三个测压点的测压管水头值h1、h2、h3及流量等即可得突然扩大段局部阻力水头损失。若圆管突然扩大段的局部阻力因数ζ用上游流速v1表示,为ζ=对应上游流速v1的圆管突然扩大段理论公式为ζ=(2)圆管突然缩小段。本实验仪采用四点法测量。四点法是在突然缩小管段上布设四个测点,如图1测点③、④、⑤、⑥所示。图中B点为突缩断面处。流段④至⑤为突然缩小局部水头损失发生段,流段③至④、⑤至⑥都为均匀流流段。流段④至B间的沿程水头损失按流程长度比例由测点③、④测得,流段B至⑤的沿程水头损失按流程长度比例由测点⑤、⑥测得。本实验仪l3-4=2l4-B，有hf4-B=hf3-4/2=Δh3-4/2,hfB-5=hf5-6=Δh5-6。则hf4-5=Δh3-4/2+Δh5-6=(h3-h4)/2+h5-h6h因此只要实验测得四个测压点的测压管水头值h3、h4、h5、h6及流量等即可得突然缩小段局部阻力水头损失。若圆管突然缩小段的局部阻力因数ζ用下游流速v5表示,为ζ=h对应下游流速v5的圆管突然缩小段经验公式为ζ=0.51-(3)测量局部阻力因数的二点法。在局部阻碍处的前后顺直流段上分别设置一个测点,在某一流量下测定两点间的水头损失,然后将等长度的直管段替换局部阻碍段,再在同一流量下测定两点间的水头损失，由两水头损失之差即可得局部阻碍段的局部水头损失。三、主要仪器设备图1局部水头损失实验装置简图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.圆管突然扩大8.气阀9.测压计10.测压管①~⑥11.滑动测量尺12.圆管突然收缩13.实验流量调节阀14.回流接水斗15.下回水管16.稳压筒17.传感器18.智能化数显流量仪四、操作方法与实验步骤1.测量突然扩大局部水头损失与突然缩小局部水头损失,并测定相应的局部水头损失因数。参照实验基本操作方法,在恒定流条件下改变流量2-3次,其中一次为最大流量,待流量稳定后,测记各测压管液面读数,同时测记实验流量。实验数据处理与分析参考第五部分2.设计性实验:利用图1实验装置,设计某开度下阀门的局部阻力因数的测量实验。要求:用二点法测量,设计实验装置改造简图,制定实验方案,并结合实验CAI软件(已随仪器配置),进行计算机仿真实验。五、实验数据记录和处理1．记录有关信息及实验常数实验设备名称：局部阻力实验仪实验台号：____3_____实验者：___阮佳妮、黄力、赵哲、吴珂_____实验日期：__2019.12.4_______实验管段直径：d1=D1=__0.96__10-2md2=d3=d4=D2=__2.05__10-2md5=d6=D3=__0.94_10-2m实验管段长度：l1-2=11.910-2ml2-3=23.810-2ml3-4=12.410-2ml4-B=6.410-2mlB-5=5.010-2ml5-6=6.010-2m2.实验数据记录及计算结果表1局部水头损失实验记录表次数流量/(10-6m3/s)测压管读数/10-2mh1h2h3h4h5h6162.630.4431.8331.7631.6425.3425.01276.726.5428.4328.3528.1619.0018.543105.117.9321.4221.2021.034.253.37表2局部水头损失实验计算表次数阻力形式流量/(10-6m3/s)前断面后断面hj/10-2m理论值经验值/10-2mE1/10-2m/10-2mE2/10-2m1突然扩大62.63.8234.260.1832.052.210.5790.609276.75.7332.270.2828.753.520.6140.6093105.110.7628.690.5222.056.640.6170.6091突然缩小62.60.1831.764.1529.821.940.4670.395276.70.2828.356.2325.692.660.4260.3953105.10.5221.4711.7016.834.640.3970.395注：对应于突扩段的v1或突缩段的v5。六、实验结果与分析(1)测定突扩断面局部水头损失因数ζ值并与理论值比较。见表1ζ=0.6测定突缩断面局部水头损失因数ζ值并与经验值比较。见表1ζ=0.4(3)完成设计性实验。七、分析思考1．管径粗细相同、流量相同条件下，试问d1/d2（d1<d2）在何范围内圆管突然扩大的水头损失比突然缩小的大？答：突然扩大的理论值ζ=突然缩小的理论值ζ=0.5要使突然扩大的水头损失大于突然缩小，即要使1-得到A1<1/2A2即d1/d2<0.7072．结合流动演示仪的水力现象，分析局部阻力损失机理。产生突扩与突缩局部水头损失的主要部位在哪里？怎样减小局部水头损失？答：局部水头损失的主要部位在产生的漩涡，漩涡中水质点相互摩擦，产生能量损耗，造成了局部水头损失。要减小局部水头损失，需要尽量减少漩涡，可以采用流线型的设计，或减小管直径的比值。3．局部阻力类型众多，局部阻力因数的计算公式除突然扩大是由理论推导得出之外，其它都是由实验得出的经验公式。试问，获得经验公式有那些途径？答：可以经过大量的实验，获取大量的数据，再对数据进行数学分析，先确定与所求物理量相关的物理量，再用量纲分析确定每一物理量的指数，最后用实验的数据确定系数就能得到经验公式了。实验报告课程名称： 流体力学 实验类型： 验证性实验项目名称： (八)沿程水头损失实验实验日期： 2019 年 12月 18日一、实验目的和要求1．学会测定管道沿程水头损失因数和管壁粗糙度的方法；2．分析园管恒定流动的水头损失规律、随雷诺数Re变化的规律，验证沿程水头损失hf与平均流速v的关系。二、实验内容和原理1．对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失由达西公式表达为式中：为沿程水头损失因数；l为上下游测量断面之间的管段长度；d为管道直径；v为断面平均流速。若在实验中测得沿程水头损失hf和断面平均流速，则可直接得沿程水头损失因数其中 k=由伯努利方程可得沿程水头损失hf即为两测点的测压管水头差h，可用压差计或电测仪测得。2．圆管层流运动3．管壁平均当量粗糙度在流动处于湍流过渡区或阻力平方区时测量，可由巴尔公式确定即三、主要仪器设备图1沿程水头损头实验装置图1.自循环高压恒定全自动供水器2.实验台3.回水管4.压差计5.滑动测量尺6.稳压筒17.实验管道8.压差数显仪9.压差传感器10.测压点11.实验流量调节阀12.供水管及供水阀13.旁通管及旁通阀14.稳压筒15.流量传感器16.智能流量数显仪四、操作方法与实验步骤1．沿程水头损失因数测量与分析实验参照实验基本操作方法，分别在层流和湍流两种流态下测量流量、水温、压差各4~6次。实验数据参考表4.3.1处理。2．设计性实验试利用图4.3.1实验仪器设计测定实验管段平均当量粗糙度的实验。五、实验数据记录和处理1．记录有关信息及实验常数实验设备名称：沿程水头损失实验实验台号：_________实验者：__阮佳妮、赵哲、吴珂、黄力_实验日期：_2019.12.18________圆管直径d=__0.710____10-2m测量段长度l=___85___10-22．实验数据记录及计算结果（参表1）六、实验结果与分析(1)测定沿程水头损失因数值，分析沿程阻力损失因数随雷诺数的变化规律。并将结果与穆迪图进行比较，分析实验所在区域。沿程阻力损失因数随雷诺数的增大而减小1-4组处于层流区5-9组处于湍流区根据实测管道内流量和相应沿程损失值，绘制lgv～lghf关系曲线，并确定其斜率m值，。将从图上求得的m值与已知各流区的m值进行比较验证。得到m=1.77(3)完成设计性实验。试利用图1实验仪器设计测定实验管段平均当量粗糙度的实验。根据第五组和第八组数据，可知其处于湍流粗糙区，则计算得出粗糙度=0.62七、分析思考1．为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？实验管道倾斜安装是否影响实验成果?在管道中的，水头损失直接反应于水头压力。测力水头两端压差就等于水头损失。 如果管道倾斜安装，不影响实验结果。  但压差计应垂直，如果在特殊情况下无法垂直，可乘以倾斜角度转化值。2．为什么管壁平均当量粗糙度不能在流动处于光滑区时测量？管道水流处于光滑区时，管壁上的突出高度被淹没在层流底层内，层流底层形成一个无形的光滑管壁，管中的水流就象在光滑的管道中流动，管壁的粗糙度对管道水流的水头损失不产生影响，所以管道平均当量粗糙度不能在流动处于光滑区时测量。实验报告课程名称： 流体力学 实验类型： 验证性实验项目名称： (九)毕托管测速与修正因数标定实验实验日期： 2019 年11 月 20 日一、实验目的和要求1.了解毕托管的构造和适用条件,掌握用毕托管测量点流速的方法;2.测定管嘴淹没出流时点流速,学习率定毕托管流速修正因数的技能；3.分析管嘴淹没射流的流速分布及流速系数的变化规律。二、实验内容和原理毕托管具有结构简单,使用方便,测量精度高,稳定性好等优点,应用广泛。测量范围水流为0.2-2m/s,气流为1-60m/s。毕托管是一根两端开口的90弯针管,下端垂直指向上游,另一端竖直,并与大气相通。沿流线取相近两点A、B,点A在未受毕托管干扰处,流速为u,点B在毕托管管口驻点处,流速为零。流体质点自点A流到点B,其动能转化为位能,使竖管液面升高,超出静压强为△h水柱高度。列沿流线的伯努利方程,忽略A、B两点间的能量损失,有0+及p由此得u=√2g∆h考虑到水头损失及毕托管在生产中的加工误差由上式得出的流速须加以修正。毕托管测速公式为u=c√2g∆h=k√∆h即k=c√2g式中：u——毕托管测点处的点流速；c——毕托管的修正因数，简称毕托管因数；△h——毕托管全压水头与静压水头之差。另外，对于管嘴淹没出流，管嘴作用水头、流速因数与流速之间又存在着如下关系：u=式中：u——测点处的点流速；φ'ΔH——管嘴的作用水头。联解得QUOTE故本实验仪只要测出QUOTEΔhΔh与QUOTEΔHΔH，便可测得点流速因数QUOTEφ'φ'，与实际流速因数（经验值QUOTEφ'φ'=0.995）比较，便可得出测量精度。若需标定毕托管因数c，则有c=三、主要仪器设备1314131415图1毕托管测速实验装置图1.自循环供水器2.实验台3.水泵电源开关 4.水位调节阀5.恒压水箱与测压点=1\*GB3①6.管嘴7.毕托管及其测压点=3\*GB3③、=4\*GB3④8.尾水箱与测压点=2\*GB3②9.测压管=1\*GB3①~=4\*GB3④10.测压计11.滑动测