流体力学实验二.pdf

清华大学水利水电工程系水力学实验室 水 力 学 水 力 学 流体力学 流体力学 课 程 教 学 实 验 指 示 书 课 程 教 学 实 验 指 示 书 沿程水头损失量测实验沿程水头损失量测实验 原理简介原理简介?对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为：hgpzgpzhf=+=)()(2211，即上下游量测断面的比压计读数差。沿程水头损失也常表达为：gvdlhf22=，称为沿程水头损失系数，l 为上下游量测断面之间的管段长度，d 为管道直径，v 为断面平均流速。若在实验中测得和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失系数：hgvdlh22=?不同流动型态及流区的水流，其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。层流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的 1 次方成正比；紊流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的 1.752.0 次方成正比。?沿程水头损失系数是相对粗糙度dks与雷诺数的函数，keRs为管壁当量粗糙，vdRe=（其中为水的运动粘滞系数）。?圆管层流流动 eR64=，?光滑圆管紊流流动可取 413164.0eR=.可见在层流流动和紊流光滑区，沿程水头损失系数)10(5eR只取决于雷诺数。?粗糙圆管紊流流动 2)74.12/lg2(1+=skd，沿程水头损失系数完全由粗糙度决定，与雷诺数无关，此时沿程水头损失与断面平均沿程-1 流速的平方成正比，所以紊流粗糙区通常也叫做阻力平方区。?在紊流光滑区和紊流粗糙区之间存在过渡区，此时沿程水头损失系数与雷诺数和粗糙度都有关。?粗糙系数 n 可按下列公式进行计算：618Rgn=，式中 R 为管道的水力半径，圆管的水力半径 R=d/4，该式适用于紊流粗糙区。实验设备实验设备 本实验分别在直径不同的玻璃管、细铜管、粗铜管、粗铁管和人工加糙管中进行。由于不同管道中流量和水头损失的数值差别很大，故采用不同的量测方法。各组可按照所选管道，采用相应的设备及量测仪器。本实验对于各种管道均采用比压计（或水银比压计）量测水头损失，流量的量测分别用三角堰、体积法进行。实验设备简图：实验目的和要求实验目的和要求 1.学会测定管道沿程水头损失系数的方法。2.分析圆管恒定流动的水头损失规律，验证在各种情况下沿程水头损失hf与平均流速v的关系以及随雷诺数和相对粗糙度eRdks的变化规律。3.根据紊流粗糙区的实验结果，计算实验管壁的粗糙系数n值及管壁当量粗糙ks值，并与莫迪图比较。实验步骤实验步骤 1.预习实验指示书，认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。2.查阅用测压管量测压强和用体积法或三角堰法量测流量的原理和步骤。沿程-2 3.开启上下游阀门排气，检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否处于同一水平面上。如不平，则需排气调平。4.核对设备编号，记录所用设备的断面管径、量测段长度、三角堰零点读数等数据。5.开启下游阀门，流量应先放到最大，待水流恒定后，观察测管水头的变化。量测流量及相应的水头损失，登录到数据表格上。6.减小阀门开度，重复上述步骤，并按序登录数据。流量的调整逐步由大到小，每改变一次流量需要等待 12 分钟，待水流恒定后再进行量测。水流的紊动使比压计的水面有波动，应记录水面的时均值。7.检查数据记录表是否有缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，进行补正。为了提高实验精度，便于分析整理，实验点尽可能多一些。要求改变流量不少于 15 次。8.在实验开始和结束时分别量测水温，加以平均作为实验水温。实验数据记录实验数据记录 仪器编号：有关常数：d=cm，l=cm，三角堰零点读数：0=cm，水温：T=，运动粘滞系数：C0=cm2/s 比压计读数 三角堰法 体积法 计算 测次 h1(cm)h2(cm)hf(cm)测针读数(cm)堰上水头H(cm)体积 V(l)时间 T(s)流量 Q(m3/s)流速 v(m/s)雷诺数Re 1 2?实验成果要求实验成果要求 1.绘制hf v的关系曲线，并确定在不同流动区域中指数关系的m值。在双对数纸上以v为横坐标，以hmfvh f为纵坐标，点绘所测的hf v关系曲线，根据具体情况连成一段或几段线。由于，所以对数纸上直线段斜率 mfvh 1212loglogloglogvvhhmff=，就是指数关系的m值。将从图上求得的与已知各流区的m值进行比较验证。2.绘制Re的关系曲线，并分析的变化规律。在双对数纸上以Re为横坐标，以为纵坐标，点绘所测Re的关系曲线。为了解dks对的影响，将其他组所测管道的Re关系曲线也移置过来，点绘在同一对数纸上，然后将成果进行分析，并与已知一般规律进行比较。3.在Re图中，如有紊流粗糙区的范围，定出它相应的值，再求出当量粗糙度ks和粗糙沿程-3 系数n值，并与一般经验数据进行比较。分析思考问题分析思考问题 1.如将实验管安装成倾斜的，比压计中的读数差是不是沿程水头损失hf值？2.如果用气流代替水流进行实验，是否能得出同样的结果？为什么？实验的量测方法相应要有那些改变？3.体积法、三角堰法测流量各适用于什么情况？量测如何进行？用三角堰测流量要注意哪些问题才能确保量测精度？4.为了得到管道的沿程水头损失系数，在实验中需要量测沿程水头损失hf，管径d，管段长度l，流量Q等，其中哪一个的精度对的影响最大？量测时应注意什么？5.如果要测定管道的糙率 n，实验应怎样进行？成果应如何整理？6.为什么要把实验结果点绘在双对数纸上？使用双对数纸要注意些什么？注意事项注意事项 1.实验时一定要待水流恒定后，才能量测数据。2.两个以上同学参加量测实验，读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。3.注意爱护秒表等仪器设备。4.实验结束后，将上游阀门关闭。附附：直角形三角薄壁堰流量公式 48.2365.1HQ=H的单位为m，Q的单位为m3/s.沿程-4