流体力学与水力学实验报告及指导书（页）

'流体力学与水力学实验 目录第一章流体力学基础实验（）§1-1流体静力学实验（）§1-3动量方程实验（）§1-5局部水头损失实验（）§1-6文丘里流量计、孔板流量计的标定实验（）§卜8雷诺实验（） 第一章流体力学基础实验本章介绍流体力学的基础实验。基础实验是指用传统的测试手段测量流体运动的压强、速度、流量等基本参数。这些实验都是教学大纲要求的必做实验。§1-1流体静力学实验1」」实验目的1.观察测点的测压管水头（位置水头与压强水头之和），加深对静压强公式的理解。2.求未知液体的密度1.1.2实验装置图1丄1是一•种静水压强实验仪。管1为开口测压管，管2和管3,管4和管5,管6和管7各组成一个U形管。管1、2、3均与水箱接通，构成一个连通器。其中，管1与密封水箱屮部某点接通。管2、3与水箱底部某点接通。管4和管6与水箱上方的气体压强接通。管4、5和管6、7分别盛冇两种液体，其密度为口和°2。水箱上方有密封阀，水箱液面上的气体与人气不相通，其压强为p（）o调压箱通过软管与水箱接通。上、下移动调压管就可以改变水箱小的水位，也改变水箱中密封气体的压强內。如果调压筒水面高于水箱的水面，水将从调压筒流入水箱，此时，水箱中的密封气体的体积将减小，压强增大。密封气体压强高于当地大气压，A）>Pao反之，则P0Pa（调压筒液面高于水箱液面）和P0421221315814213412911511631?4.820j622122.31?.516.115.414.913.713.39.141外921623D23119017317216715715,3IL75152.922523.723.9加.3192U.718.3】7・517.113.?・Forml2+中曲由枷・管道局部水头损失系数计算表夹扩営〈衰酒尹90厦0i5如1531788.8.184P8.73005112打0%25.516456J33213.1763》30S11411.1005035591373382■.1S166831141531.08W•945.1646I3483.1.1837S30621341.1025.255.399834313610.169522713.41.153148图1.5.4局部损失数据表注意：対于实扩管，读収测压管3、9的水柱高度。对于突缩管，读収测压管11、12的水柱高度，管道流量则用手工体积法和使用电子流量计分别测量，取其平均值作为流量值。4.实验结束后，立刻切断电源，关闭水泵。测量内容：用手工和流量计分别测量流量，取平均值填入表格，记录各种局部损失部件的上、下游的水柱高度。1.5.5实验数据处理利川数据处理系统计算各种数据。只要将流量，测压管水柱高度填入表格，系统自动算 出各种局部损火系数，并给出误差，详见图1.5.4。1.5.6思考题1.数据表中为什么没有计算雷诺数？2.当测压管、实验管段出现气泡时，你如何将其排除？3.如果用测压管3、4计算实扩管的局部水头损失，将会岀现什么样的课差?1.6文丘里流量计、孔板流量计的标定实验1.6.1实验冃的测量文丘里流量计，孔板流量计的流量系数1.6.2实验装置图1.6.3孔板流量计回水箱图161文丘里、孔板实验仪图1.6.1是文丘里管、孔板流量计的实验仪。图中，测压管1,2用于测量文丘里流量计的压差，孔板流量计的压差比较人，因而使用由4支测压管纟R成的复合式测压计。文丘里流量计和孔板流量计都属于节流式流量计。即在管流屮接入文丘里管或安装一块孔板，强制地改变局部地方的管流速度和压强，测量其压差就可以计算管道流量。文丘里流量计由收缩段、喉部、扩散段组成（参见图1.6.2）。收缩角为20°~25°,折角处应圆滑，尽最接近流线型。喉部是文丘里流量计的断面最小的部位，此处的流线曲率半径和当大，流动可视为缓变流，扩散角一般为5°〜15°。孔板流量计是一块外径与管道内径相同的不锈钢板，参见图1.6.3o孔板上开设一个内 孔，这个内孔迫使过流断面突然变小，流速变大，压强降低。文丘里管和孔板都是测最流最的仪器，在使用之前，要预先测量它们的流最系数，称为流量计的标定。1.6.3实验原理为了计算管道的流量，在管道屮安装一个文丘里流量计。对于图1.6.2所示的断血T.2应用的努利方程，则有Pl+YL=P±+YLPS2gpg2g利用连续性方程“內"2念，上式可化为y=]2（P—P2）/P2~Vl-（"dj4利用测压管直接测量压差,则冇p-p2=Pg（h{-如,于是v=]2侧-力2）力2~\-（d2/ciy(1.6.1)(1.6.2)(1.6.3)速度与截血积相乘就可以计算流量，上面的计算中没有考虑粘性的影响，因此流量的表达式可修正为亦/2e=M2v2=zz—l2g(h}-h2)hq1-(〃2何)“(1.6.4)式屮，“称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流最计的流最系数“达0.99以上。利用孔板装置也可以测量管道的流量。如图1.6.3所示，流体受到孔板的节制，在孔板的下游形成一股射流，图中的断血C是射流喉部，对断血3和断而C应用伯努利方程。也+处二企+止（1.6.5）Pg2gpg2g利用连续性方程ka=v3a3,（念为管道面积A），则得到射流喉部的流速(1.6.6)=]2（几一几）/pe_q1-（&./仃用Ao表示孔板的孔口截面积，显然，射流喉部面积Ac小丁孔口面积人）。即(1.6.7)£称为射流喉部的截面收缩系数。喉部的压强不能直接测出，一般用管壁上的静压必代替。压差〃3协很大，因而本实验采用复合式测压计测定压差P"g显然。卩3_卩6=怨（為_力4+力5_力6）(1.6.8)射流喉部的速度为y=(2g(力3-力4+◎-“6)r-(1.6.9)流量Q=AcVc=^yc,式中Ao是孔的面积 A)j2g(/?3—他+/?5-/?6)(1.6.10)引入流量系数，则Q=“4（）J2g（〃3_尽+力5_力6）（1・&11）显示，流量系数“的取值除了受到粘性的影响Z外，也还取决于孔口面积与管道面积的比值A）/a。标定文丘里流量计或孔板流量计的流量系数“的方法是：用体积法测出流量Q,读取测压管的液柱高度。利用式（1.6.4）或式（1.6.11）确定“的值。1.6.4实验步骤1.排除测压管的气体启动水泵，向水箱充水，关闭尾阀。此时，管1,2的液面应该平齐。管3,4以及管5,6分别川胶管将其上部连接，拔开这些连接胶管，管3,6和管4,5的液面应该平齐。如果不能平齐，则在测压管内存在气泡，应设法将其排除。2.调节尾阀，依次增大流虽，记录各测压管的液柱高度。用体积法以及用电了流量计分别测量管流的流量，取其平均值作为计算用。流量要求改变8次。改变流量吋，要等待3~5分钟，水流稳定后方可读数。-lojzi丈虫里渝董计及孔板浇量计流量糸救测定实殓教据衣(05?:m往：来中的话颂由系统茸出测汶命至ml/sh6cinh5cmh4cmh3cmh2cmh!cm文丘里直涼里系凌|丄147227.032026,8312274300肿6.630(5252225.331526.032426.829.8.0726,6024333228.030228.0戏628.930!.978.6207438.72&231.228.131628.8TO.6.9308.6218548226.731626.731927.4299.9837.6213633128.430828.430129.0302•9751@96759725.733025.433226.0298,9883,6293878022.6354229355234298.995,634图164文丘里、孔板实验数据表测量内容：流量（分别川手工和流量计测量，取平均值），各测压管读数。1.6.5数据处理图1.6.4是数据表的界而。由表中看出，文丘里流量计的流量系数，“=0.9446〜0.995,实验值变化较人。另外，孔板的流量系数可以进行估算。在式（1.6.10）屮，£収0.62,而州/A=（d/D）2,因而式（1.6.11）屮的“=0.6603。此外，还应考虑粘性的影响，用必取代 “C也影响“的值。因此，再乘一个系数0.95,则“二0.6273。可以看出，孔板的流量系数与实测值也冇较大谋差。产生谋羌的原因，主要是测压管读数不够精确。一方面，高度读数刻度只梢确到mm,而且用人工判读也产生误差。此外，水柱液面常发生波动，其高度不易确定。1.6.6思考题1.“的值可能大于1吗？2.影响〃取值的因素有哪些？3•请推导式(1.6.8)1.请仔细观察孔板流量计。在射流喉部处是否装有测压管？测压管装在喉部的上游还是下游？这样做会对测量粕度产生哪些影响？1.8雷诺实验1.&1实验目的测量管流的沿程水头损失，绘制沿程水头损失为管流速度的对数曲线，并确定管流临界雷诺数。1.&2实验装置图1.8.1雷诺仪图1.8.1的实验装置由稳压水箱，试验管段，倾斜式比压计组成。水箱向管道提供稳压水流。管段的压强差用比压计测量。本实验用手工体积法测流量。1.&3实验原理对于图1.&1的管段的首、尾两个断面应用伯努利方程，则有勺+斗各5+虽+竽+知(1.8.1)Pg2gpg2g管段水平放进，流速处相同，因而(1.8.2)二卩-卩2pg用比压计测量压差设比压计两支测压管的液柱长度之差为贝IJ有(1.8.3)(1.8.4)hf=/sin0 式中,0是比压计的水平倾角。只要测出比压计两支液柱长度的差值,由式(1.8.4)便可以计算管段水流的沿程水头损失心0管流速度等于流量除以截面积。流量用量筒、秒表测屋。小流虽的测屋比较费时。充水时间往往超过1分钟。计算管流雷诺数时，需用到水的运动粘度。运动粘度与水温冇关。木实验川温度计测量水温，水的运动粘度V与温度的经验公式可表示为(1.8.5)1.775x10"V=7l+().()337f+0.000221八式中，大量水温单位是。C,1/的单位是m%。程水头损失/y与速度V的函数关系与流态有关，层流吋，耳与V的一次方成正比，紊流时，与V的1.75〜2.0次方成正比，将实测值标在对数坐标log/?/~logV图上。如果实验曲线斜率为45。，则说明流态为层流，否则为紊流。值得注意的是，流量从小变大的曲线与流量从大变小的曲线是不重合的。1.8.4实验步骤1.启动水泵，向水箱注水，待水位稳定后才全开尾阀，以便冲洗管道，排除管内气体。2.关闭尾阀，松开倾斜比压计上端的止水夹，以使测压管内的残留气泡排出，气泡全部排出后，用气囊球向比压计的测压管打气，压迫测压管水面下降至屮部，再夹紧止水夹,防止液面上升。试验管段的水不流动时，比压计的两支测压管的液血应该平齐。若不平，说明测压管内残留有气泡，应该设法排除。3.微微打开尾阀，让水流速度从小变人，流态从层流变为紊流。当流量达到最人值之后，慢慢关小尾阀，使流速从大变小，流态从紊流变为层流。改变流量时，待水流稳定后，测量流量，记录比压计液柱读数。层流吋，水流达稳定状态所用的时间往往比较长，耍耐心等待。对于本实验装置，可根据比压计读数大概地判断流态。当流态为层流时，管段的沿程水头损失好W0.006m。如果比压计的水平倾角"30。，则比压计液柱长度Z差/<0.012^0一般來说，层流的实验点应布査3-4个。总的实验点数可占行控制，本实验的目的Z—是绘制形如图1.&3所示的对数曲线，实验点数在10个以上，并且尽量均匀地分布。4.测量结束后，关闭水泵，绘制loghf-logV曲线图。测量内容：流量(流量有小变人，人最人值后再有人变小)、比压力计液而读数。1.&5实验结果及其分析图1.&2是本实验的数据表，图1.&3是loglogV曲线图。由图看出，实验结果不 八、雷诺流态实验实监常数打E卩|-日期及人员甘径d励cm实验日期|2004-5-2314:55:1水温t[269买脸人|比压计倏斜糸数smx|心継续同组人量测次数［J?-注：表中的后钗由系统算岀.测次体积cm3|时间s比压计左读数曲|比压计右读数cm流量ml/s速度mfc|水头损失hfm雷诺数ML^hf|LogV138065.5320.921.305.7988.1153.0021053.301.062247264.5620.821.257.311.1454.002241327.3521.1627353249.1620.721.3510.8218•2152.003241965.5118.333456528.5620.321.6219.78293935.00663593.8195.595572021.6018.1023.4033.3333.6631.026560541.4232.8216679720.2515.9225.1439.358.783.046171481.6637.8937778819.0913.9026.7041.2781.8212.06474971.8061.9144883918.4312.5027.8245.5236.9056.076682681.8842.9569979215.9211.0029.0049.7437.9897.0990351.9542.99551080017.6212.0828.1245.4029.9032.080282461.9041.95581179820.0713.8526.7539.7608.791.0644972211.8095.89811279022.4115.2025.7135.2521.70130525564021.7205.84591349819.2518.7022.9025.8701J146.0209946981.3222.71151449428.0320.0021.8017.62393506.008993200.9542.54481554336.9720.4021.6114.6875.2922.00604266?.7817.46561652844.5920.6121.40118412.2355.003952150596537211750363.5420.6521.157.9162.1574.002491437.3979.1972图1.8.2雷诺实验数据表够理想，层流区的曲线斜率近似等于1,但并非肓线，有略微弯曲。上临界雷诺数不足4000。下临界雷诺数2000左右。与权威实验比较,本实验结果存在一定的谋差。主要原因是实验装置不够精细，尤其是实验管段长段不满足要求。例如，为了避开管流入口、出口的影响,实验段的两端应远离入口或出口的距离为管径的120倍。本实验的管径^8mm,与进口段、出口段落的长度应超过lm。而本装置的进口段，出口段长度不足0.5m。此外，小流量时,比压计液柱长度羌很少，读数课差很人，要想提高实验精度，就要提高流量测量、压差测量的精度。1.&6思考题1.层流时，本实验的沿程水头损失力/的值的变化范围是多少？2•比压计的刻度2:1表示什么含义？1.如何判断比压计的刻度（例如2:1）与实际情况是否相符？2.实验要求流最首先从小变人，再从人变小，如杲使流量时而变人，时而变小，实验 ■・Form?ILockf-1-.8-6-.4-20.2・Q・6・81LojV作g)I打印I图1.8.3loghf-logV曲线点能连成一条光滑曲线吗？1.小流量时，水流达到稳定所需的时间为什么很长？2.大流量时，比压计液血波动比较明显，这种情况下应如何读収液血读数?'