工程流体力学实验指导书-2

（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”=Z+£+匕（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

Pg2g

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2

Pg

两项。全压与静压之差，称为动压，即《

2g

三、实验准备工作

1、熟悉实验设备，分清也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立线垂直；

4、启动电泵使水工作循环，检查各处是否有漏水的现象。

5、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：u=12gh

利用这一公式和求平均流速公式（狂二。//）计算某一工况（如表中T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

1-12-23-34-45-56-67-78-8

项目

点速度Us(m/s)

平均速度v（m/s）

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。

H

0S断百

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

表3.2实验数据表

、测

1-12-23-34-45-56-67-78-8

Q

全压栉压全压全压济压全压怖压全压静压全压静压全压静压全压静压cm'/s

次数cmcmcmc«cmcm(11cmcrnCMcmcmcmcmcmcn

I

2

3

4

5

/

管中心与

珞线而cm

管内行ran13.413.421.221.212.912.912.912.9

'两测点间距离：Li-2=250mm；LI-3=332mm；LM=500mm；L45=174mm；Ls-6=250mm

（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、实验原理图4.1雷诺实验台

同一种液体在同一管道中流动，当I、自循环供水器；2、实验台；3、调速器；4、恒

流速不同时，液体在运行中有两种不同的压水箱；5、有色水水管；6、稳水板；7溢流板；

流态。当流速较小时，管中水流的全部质8、实验管道；9-流量调节阀

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。

Re=«*=KQ

v7idv

K=^—

71du

实验中，p=1xlO-6/n2/5o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Re~:

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R。02。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Rc,?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u）。

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

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，所以在实验中不要求测定。

五、实验数据记录及计算

实验流量Q流态判断（层流、

红线形态体积V(cm3)时间t(s)雷诺数Re

组数(cm3/s)紊流、过渡）

飘散

1微弯、微动

稳定直线

飘散

2微弯、微动

稳定直线

飘散

3微弯、微动

稳定直线

六、思考

I、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。i1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：

武中：4J。一小（孔板）；

（文丘里）

A/2=(Z1+—)-(Z2+—)

pg~pg

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

Q理（课本中，孔板流量计的流量系数，使用符号a。）

三、实验设备

实验设备与各部分名称如图5.1所示。

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3〜5分钟），方可记录。

2.当管内流量较大时，测压管内水面会有波动现象c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〃值是大于1,还是小于1?是否合理？

3.每次测出流量系数〃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

压差计读数测量流量

数据组数水箱高度时间(s)实际流量(n?/s)

(cmH20)(m3/s)

1

2

1

3

行.

4

管

5

6

1

2

2

3

后

4

管

5

6

结论：1号管中，流量系数。=;2号管中，流量系数"=

（六）流动阻力水头损失测量实验

一、实验目的和要求

1、掌握管道沿程阻力系数2的测量技术；

2、通过测定不同雷诺数Re时的沿程阻力系数"掌握/与Re的影响关系;

3、测量弯头局部阻力系数4。

f

Ml,Cj

f11活镂1号管

D=0=^

U片“闸阀

孔板压度计,2号管

D—

1”闸阀

H文丘里充皇计/3号管

k『华任旨派星计

r1"闸阖

L

尸闸阀JF

水稻

•Assn

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一利用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一一利用1,3号管子。

3、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。

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2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），测压孔距为2000毫米。

三、实验原理

1、沿程阻力系数4的测量与计算

,LV1

h/=A3,------

由达西公式，d2g

而沿程阻力系数％,在管道中不同流态情况下，几值不相同。在水力光滑管中，4=/低。）

式中，d为管道直径，L为研究管段的长度，