流体力学实验.doc

演示实验三 流谱流线显示实验（一）(一) 实验目的要求演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流的定常流动，运用电化学法显示流场，使同学们对这些基本流动有一个直观了解。(二) 实验装置本实验的装置如图I-3-1所示。图I-3-1 流谱流线显示仪1显示盘；2机翼；3孔道；4圆柱；5孔板；6闸板；7文丘里管；8突扩和突缩；9侧板；10泵开关；11对比度调解开关；12电源开关；13. 电极电压测点；14流速调节阀；15. 放空阀。（14、15内置于侧板内）本实验装置配备有：流线显示盘、前后罩壳、照明灯、小水泵、直流供电装置。(三) 实验原理现有的三种流谱仪，分别用于演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流。1、型 单流道，演示机翼绕流的流线分布。由图可见，机翼向天侧（外包线曲率较大）流线较密，由连续方程和能量方程知，流线密，表明流速大，压强低：而在机翼向地侧，流线较疏，压强较高。这表明整个机翼受到一个向上的合力，该力被称为升力。实验中为了显示升力方向，在机翼腰部开有沟通两侧的孔道，孔道中有染色电极。在机翼两侧压力差的作用下，必有分流经孔道从向地侧流至向天侧，这可通过孔道中染色电极释放的色素显现出来，染色液体流动的方向，即为升力方向。此外，在流道出口端（上端）还可观察到流线汇集到一处，并无交叉，从而验证流线不会重合的特性。2、型 单流道，演示圆柱绕流。因为流速很低（约为0.51.0cm/s），这是小雷诺数的无分离流动。因此所显示的流谱上下游几乎完全对称。这与圆柱绕流势流理论流谱基本一致；零流线（沿圆柱表面的流线）在前驻点分为左右两支，经900点（uumax），而后在背滞点处二者又合二为一。驻点的流线为何可分可合，这与流线的定义是否矛盾呢？这是不矛盾的。因为在驻点上流速为零，方向是不确定的。然而，当适当增大流速，Re数增大，此时虽圆柱上游流谱不变，但下游原合二为一的染色线被分开，尾流出现。3、型 双流道。演示文丘里管、孔板、渐缩和突然扩大、突然缩小、明渠闸板等流段纵剖面上的流谱。演示是在小Re数下进行，液体在流经这些管段时，有扩有缩。由于边界本身亦是一条流线，通过在边界上特别布设的电极，该流线亦能得以演示。同上，若适当提高流动的雷诺数，经过一定的流动起始时段后，就会在突然扩大拐角处流线脱离边界，形成漩涡，从而显示实际流体的总体流动图谱。利用该流线仪，还可说明均匀流、渐变流、急变流的流线特征。如直管段流线平行，为均匀流。文丘里管的喉管段，流线的切线大致平行，为渐变流。突缩、突扩处，流线夹角大或曲率大，为急变流。特别强调的是，上述实验中，其流道中的流动均为恒定流。因此，所显示的染色线既是流线，又是迹线和脉线（染色线）。因为流线是某一瞬时的曲线，线上任一点的切线方向与该点的流速方向相同；迹线是某一质点在某一时段内的运动轨迹线；脉线是源于同一点的所有质点在同一时刻的连线。固定在流场的起始段上的电极，所释放的颜色流过显示面后，会自动消色。放色消色对流谱的显示均无任何干扰。另外，在演示中如将泵关闭一下再重新开启的话，还可看到流线上各质点流动方向的变化。演示实验四 流谱流线显示实验（二）(一) 实验目的要求演示流体在多种不同形状流道中的非定常流动图案，鲜明地显示不同边界流场的迹线、边界层分离、尾流、涡旋等流动图谱，便于学生们直观理解流体非定常流动的基本特征及其产生机理。(二) 实验装置本实验的装置如图I-4-1所示。图I-4-1 显示面过流道示意图(三) 实验指导 各实验仪演示内容及实验指导提要如下：ZL1型（图I-4-1、1）用以显示逐渐扩大、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道等平面上的流动图像，模拟串联管道纵剖面流谱。在逐渐扩散段可看到由边界层分离而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，涡旋尺度越小，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，无分离，流线均匀收缩，亦无漩涡，由此可知，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。在突然扩大段出现较大的漩涡区，而在突然收缩段只在死角处和收缩断面的进口附近出现较小的漩涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部损失，而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。同时由于本仪器突缩段较短，故流谱亦可视为直角进口管嘴的流动图像。在管嘴进口附近，流线明显收缩，并有涡旋产生，致使有效过流断面减小，流速增大，从而在收缩断面上出现真空。在直角弯道和壁面冲击段，也有多处漩涡区出现。尤其在弯道流中，流线弯曲更剧烈，越靠近弯道内侧，流速越小。近内壁处，出现明显的回流，形成的回流范围较大，将此与ZL2型中圆角转弯流动对比，直角弯道涡旋大，回流更加明显。ZL2型（图I-4-1、2）显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴流量计以及壁面冲击、圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和漩涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇集在孔板的孔口处，只在拐角处有小漩涡出现，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的漩涡区。由此可见，孔板流量计的过流阻力较大；圆弧进口管嘴流量计入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和漩涡产生；在圆形弯道段，边界层分离的现象及分离点明显可见，与直角弯道比较，流线较顺畅，漩涡发生区域较小。ZL3型（图I-4-1、3）显示30o弯头、直角弯头、45o弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。由显示图像可知，在每一转弯的后面，都因边界层分离而产生漩涡。转弯角度不同，漩涡大小、形状各异。在圆弧转弯段，流线较顺畅，该串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的图谱。在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。在此流段上还可看到射流的“附壁效应”。该仪器可演示的主要流动现象为：各种弯道和水头损失的关系。短管串联管道局部水头损失的叠加影响。ZL4型（图I-4-1、4）显示30o弯头、分流、合流、45o弯头，YF溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图像。其中YF溢流阀为固定的全开状态，蝶阀活动可以调节。显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的漩涡出现。合流漩涡较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称为“水塞”现象。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。YF溢流阀中流动现象较为复杂。流体经阀门喷出后，在阀芯的大反弧段发生边界层分离，出现一圈漩涡带；在射流和阀座的出口处，也产生一较大的漩涡环带。在阀后，尾迹区大而复杂，并有随机的卡门涡街产生。经阀芯芯部流过的小股流体也在尾迹区产生不规则的左右扰动。调节过流量，涡旋的形态基本不变，表明在相当大的雷诺数范围内，涡旋基本稳定。5、ZL5型（图I-4-1、5）用以显示明渠逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。圆柱绕流是该型演示仪的特征流谱。由显示可见，单圆柱绕流时的边界层分离状况，分离点位置、卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合漩涡等流谱。6、ZL6型（图I-4-1、6）用以显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正、反流线体绕流等流段上的流动图谱。桥墩形柱体绕流，由于该绕流体为圆头方尾的钝形体，水流脱离桥墩后，形成一个漩涡区尾流，在尾流区两侧产生旋向相反且不断交替的漩涡，及卡门涡街。与圆柱绕流不同的是，该涡街的频率具有较明显的随机性。这说明非圆柱体绕流也会产生卡门涡街。流线形体绕流，流动顺畅，形体阻力最小，这是绕流体的最好形式，。从正、反流线体的对比流动可见，当流线体倒置时，也出现卡门涡街。7、ZL7型（图I-4-1、7）是一只“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。经喷嘴喷射出的射流（大信号）可附于任一侧面，若先附于左壁，射流经左通道后，向右出口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道与圆盘气孔相通时（通大气），因射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时若再转动控制圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。如要使射流再切换回来，只要再转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。因此，该装置既是一个射流阀，又是一个双稳射流控制元件。只要给一个小信号（气流），便能输出一个大信号（射流），并能把脉冲小信号保持记忆下来。演示实验五 能量方程演示实验（一）实验目的 1、观察恒定流情况下，有压管流所具有的位置势能（位置水头）、压强势能（压强水头）和动能（流速水头），以及在各种边界条件下能量守恒及转换的基本规律，加深对能量方程物理意义的理解。2、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律，以及水头损失现象。3、观察管流中的真空现象及渐变流、急变流过水断面上的动水压强分布规律。4、观察恒定总流连续性方程中速度与管径的变化关系。（二）实验原理实际液体在有压管道中作恒定流动时，单位重量液体的能量方程如下：上式表明：单位重量的液体在流动过程中所具有的各种机械能（单位位能、单位压能和单位动能）是可以相互转化的。由于实际液体存在粘性，运动的阻力要消耗一定的能量，也就是有部分机械能要转化为热能而散逸，称为水头损失。因而各断面的机械能沿程减小。在均匀流或渐变流过水断面上，其动水压强分布符合静水压强分布规律： 或 但不同的过水断面上c值不同。在急变流流段上，由于流线的曲率较大，每一质点处存在惯性力，表现为在这个流段中各过水断面上水流的压强分布不符合静水压强分布规律。（三）实验设备如图I-5-1所示的能量方程演示仪为自循环的水流系统，在进水管段设有进水阀、转子流量计，演示段由直管、突然扩大管、文丘里管、突然缩小管、垂直弯管和水平弯管等有机玻璃管段连接而成，在管道上沿水流方向的若干过水断面的边壁上设有测压孔，在设置测压管的过水断面上同时装有单孔毕托管，用以测量该断面中心点的总水头。在管道的出口还设有尾阀。进水阀和尾阀用来调节和控制流量。（四）操作步骤和演示内容1、熟悉设备，分辨测压管和单孔毕托管。2、接通电源。图I-5-1 能量方程演示仪1、测压排 2、转子流量计 3、尾阀 4、进水阀 5、水箱 6、水泵3、缓缓打开进水阀，反复开关尾阀将管道及测压管中的空气排净。4、调节进水阀，固定某一流量（以Q=1500 l/h左右为宜），待水流稳定后，根据能量方程观察管道各断面上单位重量水体的位能、压能、动能和水头损失，并了解能量守恒的物理意义及位能、压能和动能的相互转化。5、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律，并分析其原因。6、观察管道中各种局部水力现象，如突然扩大和突然缩小情况下测压管水头的变化；渐变流过水断面上各点的测压管水头相等，而急变流过水断面上各点的测压管水头不相等；垂直弯管段上的真空现象等。7、将尾阀开大或关小，观察各测压管水面连线的变化。8、演示结束后，切断电源。关闭总进水阀。（五）注意事项做演示实验时，一定要将管道和测压管中的空气排净。阀门开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，不宜过猛，以免使测压管中的压力上升过快，造成不良后果。（六）思考题1、如何确定管中某点的位置高度、压强高度、流速水头、测压管水头和总水头？2、总水头线和测压管水头线是否总是沿程下降？3、突然扩大和突然缩小段测压管水头线是否总是上升？4、文丘里管段上各断面的测压管水头变化说明了什么？5、垂直管段的最大真空值如何确定？6、弯管凸凹边壁上的测压管水头有何差异？为什么？量测实验一 静水压强量测实验（一）目的要求1、量测静水中任一点的压强；2、测定另一种液体的比重；3、要求掌握U形管和连通管的测压原理以及运用等压面概念分析问题的能力。（二）实验设备实验设备如图II-1-1所示。图II-1-1 静水压强实验仪（三）实验步骤及原理1、打开通气孔，使密封水箱与大气相通，则密封箱中表面压强等于大气压强。此时开口筒水面、密封箱水面及连通管1、2、3的水面均应平齐。2、关闭通气孔，将开口筒向上提升到一定高度。开口筒中的少量水将流向密封箱，并影响其它测压管。密封箱中空气的体积将减小而压强将增大。此时，待稳定后，开口筒与密封箱两液面的压强差为，两液面高度差h也等于及，而U形管两液面的压差也应等于。是测压管液面高程。3、如果将开口筒向下降到一定高度，使其水面低于密封箱中的水面，则密封箱中的少量水将流向开口筒。因此，密封箱中的空气的体积将增大而压强将减小，此时，这种情况称为真空，待稳定后，以水柱高度表示压强差即为真空度：4、按照以上原理，可以求得密封液体中任一点A的绝对压强。设A点处在密封箱水面以下的深度为，处在1号管和3号管水面以下的深度分别为和，则： 此式适用于和等多种情况。5、由于连通管和U形管反映着相同的压差，故有：由此可以求得另一种液体的容重:（四）注意事项1、首先检查密封箱是否漏气（检查方法自己考虑）。2、开口筒向上提升时不宜过高，在升降开口筒后，一定要用手拧紧左边的固定螺丝，以免开口筒向下滑动。（五）量测与计算静水压强仪编号 ；实测数据与计算（见表1-1、表1-2）。（六）回答问题1、第1、2、3号管和4、6号管，可否取等压面？为什么？2、第1、4、6号管和1、3号管中的液面，是不是等压面？为什么？表1-1 静水压强量测实验观测数据表名 称测压管液面高程读数液面高程1234567单 位厘米厘米厘米厘米厘米厘米厘米p0pa12p0pa12表1-2 计算表算序项 目单位1212123456注：设A点在水箱水面下的深度h0A 厘米。 静水压强量测实验(新)一、实验目的要求、1、掌握用测压管测量流体静压强的技能；2、验证不可压缩流体静力学基本方程；3、通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际问题的能力。4、巩固绝对压强、相对压强、真空度概念。二、实验装置、 图1.1 静水压强实验装置图1、测压管；2、带标尺测压管；3、连通管；4、真空测压管；5、U型测压管；6、通气阀；7、加压打气球； 8、截止阀；9、油柱；10、水柱；11、减压放水阀。说明：1、 所有测压管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；2、 仪器铭牌所注、系测点B、C、D标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准点，则、亦为、；3、 本仪器所有阀门旋柄顺管轴线为开。三、实验原理、1、在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程为：+ = 或： （1.1）式中： 被测点在基准面以上的位置高度； 被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同； 水箱中液面的表面压强； 液体容重； 被测点的液体深度。 另对装有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面原理可得油的比重有下列关系： = = （1.2） 据此可用仪器直接测得四、实验方法与步骤、1、搞清仪器组构及其用法，包括：1）阀门开关；2）加压方法 关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气；3）减压方法 开启筒底阀11放水；4）检查仪器是否密封 加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。2、记录仪器编号及各常数（记入表1.1）。3、量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。1）打开通气阀6（此时0=0），记录水箱液面标高和测管2液面标高（此时=）；2）关闭通气阀6及截止阀8，加压使形成00，测记及；3）打开放水阀11，使形成00（要求其中一次0，即），测记及。4、测出4# 测压管插入小水杯中的深度(现场)。 5、测定油比重。1）开启通气阀6，测记；2）关闭通气阀6，打气加压（00），微调放气螺母使U型管中水面与油水交界面齐平（图1.2），测记及（此过程反复进行三次）；3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（00），使U型管中的水面与油面齐平（图1.3），测记及（此过程亦反复进行三次）。五、实验成果及要求、1、记录有关常数 实验台号：No. 各测点标尺读数为：= = = = 9.810-3 2、分别求出各次测量时A、B、C、D点的压强，并选择一基准面验证同一静止液体内的 任意二点（C、D）的（）为常数。3、求出油的容重。0 = 0.0080 N/cm3六、实验分析与思考题、1、实验分析：1）若再备一根直尺，如何采用最简便的方法测定0 ？最简单的方法是，用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度和，由式求得。2）如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响 ？设被测液体为水，如测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，会造成测量误差，毛细高度由下式计算： 式中，为表面张力系数；为液体容重；为测压管内径；为毛细升高。常温（=20）的水，=7.28，=0.983。水与玻璃的浸润角很小，可认为cos=1.0。于是有 （、单位均为）一般来说，当玻璃测压管的内径大于10时，毛细影响可忽略不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度也较静水小；当采用有机玻璃管作测压管时，浸润角较大，其较普通玻璃管小。如果用一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。 3）过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是否等压面？哪一部分液体是同一等压面？不全是等压面，他仅相对管1、2及水箱中的而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面：重力液体；静止；连通；连通介质为同一均质液体；同一水平面。上述问题中，管5与水箱之间不符合条件，因此，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。2、实验思考题：1）同一静止液体内的测管水头线是一根什么线？2）当B0时，试根据记录数据，确定真空度大小及所在区域。量测实验七 动量方程验证实验(新)一、实验目的、1、验证不可压缩流体恒定总流的动量方程；2、通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研究，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理；3、测定动量修正系数。二、实验装置、 图1.1 动量方程实验装置图1、自循环供水器；2、实验台；3、可控硅无级调速器；4、水位调节阀；5、恒压水箱； 6、管嘴；7、集水箱；8、带活塞的测压管；9、带活塞和翼片的抗冲平板；10、上回水管。 三、实验内容与原理、1、计算机CAI实验教学模拟。2、测量活塞中心点的静水压强来计算水流的冲力：利用自动反馈原理，使实验过程中达到需要测量的静水作用力与射流的冲击力自动平衡。射流冲击在平板上的冲力全部作用在活塞体中，当活塞处于稳定位置时，只需测得活塞所受到的静水作用力，便可足够精确地得知射流的冲击力。3、恒定总流动量方程为 Q () 图 1.2 图 1.3取隔离体如图1.3所示，因滑动摩擦阻力水平分力 0.5%，可忽略不计，故x方向的动量方程化为 Q（）即 Q 式中： 作用在活塞形心处的水深； 活塞直径； Q 射流流量； 射流速度； 动量修正系数。实验中，在平衡状态下，只要测得流量Q和活塞形心水深，由给定的管嘴直径和活塞直径代入上式，便可率定射流的动量修正系数值，并验证动量定律。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数即为作用在活塞圆心处的水深。4、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0.5l mm)，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，亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5。四、实验方法与步骤、1、准备熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。2、开启水泵打开调速器开关。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后进行实验3、确认测压管垂直已调整好。如果测压管位置不垂直，待恒定水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快，然后旋转螺丝固定好。再不要随意松动4、测读水位标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即值。5、测量流量用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于3秒，若用电测仪器测量时，则需在仪器量程范围内。重复测三次再取均值。6、改变水头重复实验逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。7、使用SL数据处理程序计算数据（体积值可将测得的流量用时间为1秒记入）五、实验成果及要求、1、记录有关常数： 实验台号No. 管嘴内径= 1.198 ， 活塞直径D = 1.990 2、编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数（见表3.1）。3、取某一流量，绘出隔离体图，阐明分析计算的过程（参见图3.2，3.3及表3.1）。 表1.1 测量记录表及计算表 测 次体积 V 时间 T管嘴作用水头 H 0活塞作用水头 流量 Q 流速 v动量力 F动量修正系数 123456六、实验分析与讨论、1、实测与公认值（=1.021.05）符合与否？试分析原因。实测=1.0342，与公认值符合良好。（如不符合，其最大可能原因之一是翼轮不转所致。为排除此故障，可用4B铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面）。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？无影响。因带翼片的平板（图1.4）垂直于x轴，作用在轴心上的力矩T是由射流冲击平板时，沿 y平面通过翼片造成动量矩的差所致，即Q Q Q 式中 Q 射流的流量； 入流速度在平面上的分速； 出流速度在平面上的分速； 入流速度与圆周切线方向的夹角，接近900； 出流速度与圆周切线方向的夹角； 分别为内、外圆直径。 图 1.4该式表明力矩T 恒与x方向垂直,动量矩仅与y z平面上的流速分量有关。也即是说平板上附加翼片后，尽管在射流作用下可获得力矩，但并不会产生x方向的附加力，也不会影响x方向的流速分量。所以x方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。3、通过细导水管的分流，其出流角度与相同，试问对以上受力分析有无影响？无影响。当计及该分流影响时（图1.3），动量方程为 即 该式表明只要出流角度与垂直，则x方向的动量方程与设置导水管与否无关。 七、实验报告要求、1、用16开纸书写，卷面整洁，计算表格、曲线、图形等正规化。2、说明成果计算和整理过程、主要计算公式及常数的取值。3、根据所学理论对实验中的现象、问题进行分析。八、思考题、1、通过细导水管的分流，其出流角度与v 2相同，试问对以上受力分析有无影响? 2、对管咀出流的动量修正系数理论值进行试分析。