流体力学实验指导书-2011年.doc

流体力学实验指导书（二）
流体力学综合实验台为多用途实验装置，利用这种实验台可进行下列实验：
一、 雷诺数实验（必做）；
二、沿程水头损失与流速的关系（必做）
三、能量方程验证实验（必做）；
四文丘里流量计校正实验

其结构示意图如图0-1所示。

图0-1 流体力学综合试验台结构示意图
1. 储水箱 2.上水流量调节阀 3. 回水管 4.恒压水箱 5.颜料供给系统6.标尺组及滑板7.测压管固定板 8. 雷诺实验流量调节9.综合流量调节、切断阀10. 接水箱
该实验装置流量计量采用体积法。
每次测定一定定容积和接水时间，从而计算实验过程中的流量或标准流量。

实验一、 雷诺实验(必做)

1、实验目的
（1）观察流体在管道中的流动状态；
（2）测定几种状态下的雷诺数；
（3）了解流态与雷诺数的关系。

2、实验装置
在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺数实验管、调节尾部阀门、颜料水（可由甲基兰配制或蓝墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀，水泵和计量水箱等，温度计自备。
能量方程实验管道上的阀门始终处于关闭状态。
3、实验前准备
（1）、将实验台的各个阀门置于关闭状态。开启水泵，全开水箱下的上水阀门，把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不变。
（2）、用温度计测量水温。

图1-1 流体力学综合试验台雷诺实验示意图
1.储水箱 2.上水流量调节阀 3.恒压水箱 4.颜料流量调节阀 5.墨盒 6.实验管段 7.流量调节阀 8.计量水箱 9.回水管 10.实验桌

4、实验方法
（1）、观察状态
检查系统正常后，接通电源，打开水泵开关上水。关闭能量方程实验管道上的阀门。调节上水流量调节阀2使恒压水箱中的溢流板有少量溢流。调节流量调节阀7，排除实验管内的气泡，然后把流量调小，约管内水为层流状态。
打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，此时雷诺实验管中的流动状态为紊流；随着出水阀门的不断的关小，颜料水与雷诺实验管中的水掺混程度逐渐减弱，直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流，此时雷诺实验管中的流动为层流。
（2）测定几种状态下的雷诺系数
全开出水阀门7，然后在逐渐关闭出水阀门7，直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一个状态下用电测法测量体积流量，用温度计测量水温，并求出相应的雷诺数。
根据实验数据和计算结果，可绘制出雷诺数与流量的关系曲线。
（3）测定下临界雷诺数
调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后缓缓地逐渐关小出水阀门，观察管内颜料水流的变动情况。当关小到某一程度时，管内的颜料水开始成为一条直线的线流，即为紊流转变为层流的下临界状态。记下此时的相应数据，求出下临界雷诺数。
4)观察层流状态下的速度分布
关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管二到三下，使颜料水在一小段管内扩散到整个断面。然后，再微微打开出水阀门，管内呈层流流动状态，这时即可观察到水的层流流动时呈抛物线状，演示出管内水流流速分布。
注：每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。关小阀门过程中，只许渐小，不许开大。随着出水流量减少，应调小上水阀门，以减少溢流水量引发的振动。
5、实验数据处理：
水温：t= ℃，查表插值得， d= mm。
流速：
雷诺数：
实验记录表
项次
目数
Q
cm3/s
V
cm3
T
s

cm/s
Re
1

2

3

4

5

图1-2实验曲线
临界雷诺数：
不同温度下水的粘度

(℃)

(℃)

0
1.792
1.792

40
0.654
0.659
5
1.519
1.519

45
0.597
0.603
10
1.310
1.310

50
0.549
0.556
15
1.145
1.146

60
0.469
0.478
20
1.009
1.011

70
0.406
0.415
25
0.895
0.897

80
0.357
0.367
30
0.800
0.803

90
0.317
0.328
35
0.721
0.725

100
0.284
0.296

实验二、 沿程水头损失与流速的关系（必做）
1．实验目的
验证沿程水头损失与平均流速的关系。
2．实验前准备工作
在综合实验台上安装沿程阻力测试管，将实验台个阀门置于关闭状态，开启实验管道阀门，将泵开启，检验系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。
3．实验原理

图3-1 沿程水头损失与平均流速的关系实验管段
对沿程阻力两测点的断面列能量方程

因实验管段水平，且为均匀流动：

得：
上式中： ：测压管水头差即为沿程水头损失。
由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速V，将所得，V数据点绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与流速的关系。
4．实验步骤
1）开启调节阀门，测读测压计水面差；
2）用电测法测量流量，并计算出平均流速；
3）将实验的与计算得出的值标入对数坐标纸内，以横座标为流速，纵座标为沿程阻力损失，绘出lghf-lg关系曲线；
4）调节阀门逐次由大到小，共测定10次；使流速经过紊流区、过渡区、和层流区。
5．实验数据及曲线绘制
仪器常数：d= 1.4 cm, A= cm2
L= 0.5 m, t= ℃
表 3-1
No
h1(cm)
h2(cm)
hf(cm)
V(cm3)
lghf(cm3)
t(s)
q(cm3/s)
(cm/s)
lg
1

2

3

4

5

6

7

8

三伯努利方程实验（必做）
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． 掌握一种测量流体流速的原理：
3． 验证静压原理。
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。
图一 能量方程实验台示意图
实验台由储水箱及潜水泵，不锈钢恒压，位置不同高度、突然扩大突然缩小的带调节尾门的实验管段，全压、静压测压管，标尺、测压板，不锈钢会水箱，实验桌等组成。
三、 实验前的准备工作：
1．将回水管放于计量水箱的回水侧 2．接上各导压胶管 3．检验．测压板是否与水平线垂直 4．启动电泵使水工作循环5 ．检查各处是否有漏水的现象。6．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 7．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，必须把其排除，直至达到同一水平线。
四、 几种实验方法和要求：
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

测 点
1-1
2-2
3-3
4-4
5-5
6-6
Q

次数
全压cm
静压cm
全压cm
静压cm
全压cm
静压cm
全压cm
静压cm
全压cm
静压cm
全压cm
静压cm
1

2

3

4

5

表二 实验数据表

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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：
利用这一公式和求平均流速公式（）计算某一工况（如表中工况2平均速度栏）各测点处的轴心速度和平均流速得到表一
表一
测点
项目
1-1
2-2
3-3
4-4
5-5
6-6
点速度Vs（m/s）

平均速度（m/s）

表一还很清楚的说明了连续性方程，对于不可压缩流体稳定地流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。
3． 观察和计算流体、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，记到数据表中。
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。

思考题: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。

实验四、 文丘里流量计实验（必做）
1、 实验目的
1）通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术。
2）验证能量方程的正确性。
2、实验原理：

图8 文丘里测试简图
在文丘里流量计上取断面1-1，2-2列能量方程，令 ,不计水头损失，可得
（1）
由连续性方程
（2）
得：
代入（1）式，可得流量的计算公式如下：

式中为两断面测压管水头差。
令：并定义为仪器常数。
于是
但在实际测量中，由于水头损失的存在。实际流量略小于计算流量Q。令为流量常数。则实际流量为。
实验数据：，
3、 实验方法与步骤
1 测量各有关常数
2 打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达到测压计可测量的最大高度。
3测读压差，同时用体积法测量流量。
4逐次关小调节阀，改变流量7~9次，注意调节阀门应缓慢。
5 把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。
6 如测管内液面波动时，应取平均值。
4、 实验结果及要求
1 记录计算有关数据。
d1= cm, d2= cm, 水温 t= ℃

实验数据记录列表
实验次数
测压管读数

(m3)
t(s)

(m3/s)
Δh=h1-h2
(10-2m)

(10-6m3/s)

（m）

(m)
1

2

3

4

5

6

7

平均

实验结果表明该文丘里流量修正系数为
5、 实验分析回答思考题
1. 文丘里流量计在安装时是否必须保持水平，如不水平，上述计算公式是否仍可应用？
2、文丘里流量计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?
3、文丘里流量计的流量系数为什么小于1.0?
4、文丘里流量计的流量系数是否与雷诺数有关?通常给出一个固定的流量计流量系数应该怎么理解?

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