流体力学实验指导书资料.docx

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流体力学实验指导书资料

一液体管内雷诺系数测定

一、实验目的

1、观察流体在管内流动的两种不同流型。

2、测定临界雷诺数Rec。

二、基本原理

流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流，Laminarflow）和湍流（或称紊流，Turbulentflow），这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。

流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。

流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。

但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。

若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：

（1－1）

式中：

Re—雷诺准数，无因次；

d—管子内径，m；

u—流体在管内的平均流速，m／s；

—流体密度，kg／m3；

μ—流体粘度；Pa·s。

层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Rec表示。

工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。

式（1－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。

本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。

三、实验装置及流程

实验装置如图1－1所示。

主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为

mm硬质玻璃。

图1－1流体流型演示实验

1－红墨水储槽；2－溢流稳压槽；3－实验管；4－转子流量计；

5－循环泵；6－上水管；7－溢流回水管；8－调节阀；9－储水槽

实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。

待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。

水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。

水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。

示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。

细孔玻璃注射管（或注射针头）位于试验导管人口的轴线部位。

注意：

实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。

四、演示操作

（1）层流流动型态

试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。

再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。

待流动稳定后．记录主体流体的流量。

此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。

（2）湍流流动型态

缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。

此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。

随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。

当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。

二流体管内沿程、局部阻力测定

一、实验目的

1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。

2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。

3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数x。

4．学会压差计和流量计的使用方法。

5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二、基本原理

流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于黏性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。

流体流经直管时所造成的机械能损失称为直管阻力损失。

流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。

1．直管阻力摩擦系数λ的测定

流体在水平等直径直管中稳定流动时，阻力损失可按下式计算：

（3-1）

即

（3-2）

式中：

λ—直管阻力摩擦系数，量纲为1；

d—直管内径，m；

—流体流经l米直管的压力降，Pa；

—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；

ρ—流体密度，kg/m3；

l—直管长度，m；

u—流体在管内流动的平均流速，m/s。

—直管前后端截面压差，Pa。

滞流（层流）时，

（3-3）

（3-4）

式中：

Re—雷诺准数，量纲为1；

μ—流体黏度，

。

湍流时λ是雷诺准数Re和管子相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。

由式（3-2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定

、u、ρ、μ等参数。

l、d为装置参数（装置参数表格中给出）；ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得；u通过测定流体流量，再由管径计算得到。

例如本装置采用涡轮流量计测流量Vs，m3/h。

（3-5）

可用U形管、倒置U形管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示测定。

（1）当采用倒置U形管液柱压差计时

（3-6）

式中：

R－液柱高度差，m。

（2）当采用U形管液柱压差计时

（3-7）

式中：

R－液柱高度差，m；

－指示液密度，kg/m3。

根据实验装置结构参数l、d，指示液密度

，流体温度t（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量Vs、液柱压差计的读数R，通过式（3-5）、（3-6）或（3-7）、（3-4）和式（3-2）求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。

2．局部阻力系数的测定

局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。

（1）当量长度法

流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为

的等直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号

表示。

这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失

为：

（3-8）

（2）阻力系数法

流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。

即：

（3-9）

故

（3-10）

式中：

—局部阻力系数，量纲为1；

－局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。

）

ρ—流体密度，kg/m3；

g—重力加速度，9.81m/s2；

u—流体在小截面管中的平均流速，m／s。

待测的管件和阀门由现场指定。

本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。

根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度

，流体温度t（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量Vs、液柱压差计的读数R，通过式（3-5）、（3-6）或（3-7）、（3-10）求取管件或阀门的局部阻力系数。

三、实验装置与流程

1．实验装置

实验装置如图3-1所示：

图3-1实验装置流程示意图

1离心泵2流量仪3测温点4、5、6管路进口阀

7管路出口阀8差压变送器9~14引压阀

15、16引压管排气阀17闸阀

2.实验流程

实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。

管路部分有三段并联的长直管，分别用于测定局部阻力系数、光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。

测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀）；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。

水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。

3．装置参数

装置参数如表1所示。

表1

装置1

名称

材质

管内径（m）

测量段长度（m）

管路号

管内径

局部阻力

闸阀

1A

0.02

1

光滑管

不锈钢管

1B

0.02

1

粗糙管

镀锌铁管

1C

0.02

1

四、实验步骤

1．确认管路所有阀门处于关闭状态。

2．打开控制面板上总电源，选择流动阻力实验，打开仪表开关。

3．泵启动：

首先对水箱灌水，然后灌泵，之后启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开到最大。

4.实验管路选择和管路排气：

选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5－10min，即可认为管路排气结束。

5．引压室及差压变送器排气：

管路排气结束后，微开管路出口阀7（否则排气太慢），打开相应管路引压阀及差压变送器后面两阀门进行引压室排气，待有水连续流出时即可认为引压室排气结束，关闭差压变送器后面两阀门。

（注：

每根管路均需如上排气操作）

6．实验数据测定：

管路、引压室排气结束后，全开管路出口阀7，进行实验数据测量。

7．流量调节：

手控状态，变频器输出选择100，然后开启管路出口阀，调节流量，让流量从1到4m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.5m3/h左右。

每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的流体流量、温度、压差值；自控状态，流量控制界面设定流量值或设定变频器输出值，待流量稳定记录相关数据即可。

8．再次选择管路，重复上述步骤47。

9．实验结束：

关闭泵后管路阀门，停水泵和关闭仪表电源，清理装置。

五、实验数据处理

（1）记录实验原始数据如下表2：

实验日期：

实验人员：

学号：

同组人员：

装置号：

直管长度：

光滑管径：

粗糙管径：

局部阻力管径：

表2原始数据记录表

粗糙管实验数据表

光滑管实验数据表

局部阻力实验数据表

序号

流量V

温度t

压差∆p

流量V

温度t

压差∆p

流量V

温度t

压差∆p

m3/h

℃

kPa

m3/h

℃

kPa

m3/h

℃

kPa

表2原始数据记录表

序号

光滑管mmH2O

粗糙管mmH2O

流量m3/h

温度°C

左

右

压差

流量m3/h

温度°C

左

右

压差

表2原始数据记录表续

序号

局部阻力mmH2O

流量m3/h

温度°C

左

右

压差

（2）根据原理部分的公式，计算不同流量下摩擦系数、局部阻力系数，列表。

计算示例：

粗糙管、光滑管数据以粗糙管序号为例

局部阻力系数以序号为例

六、实验结果

1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。

2．根据光滑管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照柏拉修斯方程，计算其误差。

3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。

4．对实验结果进行分析讨论。

七、思考题

1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀?

为什么?

2．如何检测管路中的空气已经被排除干净?

3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?

如何应用?

4．在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上?

5．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?

三柏努利方程的应用

一、实验目的

1加深对“无粘性，不可压缩流体沿管道作稳定流动时其总能量（即动压能、静压能和位压能之和）保持不变”这个柏努方程的理解。

2了解实际流体由于粘性的存在和附面层的产生，在运用柏利方程式进行计算所造成的偏差。

二、实验原理

理想流体在管道作稳定流动时，遵守能量守恒定律——柏努利方程.

（1）

或者写为：

（2）

考虑气体的密度很小，在高度变化不大的情况下，略去位压能的影响，则：

（3）

即：

（4）

实际流体都具有粘性，在流动过程中有能量损失，其能量平衡关系应为：

（5）

或写为：

（6）

即截面2处的总压能不再等于截面1处的总压能，沿途有能量损失。

通过测量一个截面逐渐收缩的锥体，截面不变的喉管，和截面逐渐扩大的锥体的试验段，动压力和静压力因截面不同的变化及相互转换的关系，深入理解能量转换规律。

为了更清楚地表明其转换关系，选取在喉管处，即最小截面处的流速Vt为标准，这时

（7）

式中：

pt——喉管处的静压力。

得到：

（8）

如果将流动看成是一维管流，即认为在管道任一横截面上的流速都是均匀的，同时管道的横截面是变化的，根据连续性方程可以写为：

（9）

即：

由于实验段的深度是一定的，仅是其宽度发生变化，所以横截面之比即为宽度之比。

（10）

与（9）式

（11）

式中：

—喉管处的截面宽度。

实验时将测得结果代入（8）式与（11）式计算结果相比较，即可验证柏努利力程能量转换的关系。

三、实验设备

试验段如图1，按装在实验台上。

试验段尺寸如下：

上口宽度B1=76mm上锥体高度H1=190

喉管宽度B2=44mm喉管高度H2=40

下口宽度B3=76mm下锥体高度H3=70

图1

高度X与宽度B之关系为：

下锥体B=B3-（B3-B2）

（x

喉管B=B2（H3〈x〈H2+H3）

上锥体B=B2+（B1-B2）

（H2+H3

毕托管全压力测点与静压力测定点的距离为40mm。

四、实验数据

大气温度t=大气压力P大气=

毕托管校出系数多管压力计柱起点位置

x

mm

P全

mm水柱

p静

mm水柱

p动=P全－p静

mm水柱

X

mm

P全

mm水柱

p静

mm水柱

p动=P全－p静mm水柱

五、数据整理

x=Cp/Cu

将上列数据整理成表和图

x

mm

P静

N/m2

P动

N/m2

B

mm

B喉/B

V

m/米

（v/v喉）测

（v/v喉）计

六、讨论

由测得结果可以看出：

沿管道长度方向上的全压力下降很少，入口处与出口处的全压力非常接近，而这时静压力和动压力的变化却非常大，这就很好地证明了流体流动时，能量守恒与转换原理，柏努利方向程的正确性。

由测得结果还可以看出，由测得压力变力变化算出的速度比（V/V喉）测和由宽度变化计算出的速度比（V/V喉）计在收缩段和喉管处，数值非常接近，图示曲线比较吻合，而在扩张段则出现较大的偏差，越向出口端，其偏差越大。

造成这种偏差的原因是由于附面层的影响。

在收缩段和流速较快的喉管，附面层较薄，故其对速度比（v/v喉）测影响较大，而在扩张段，附面层厚不断增厚，故其影响也就愈益增大。

由于附面层中流体速度逐渐降为0，当避面粘附一层具有一定厚度（可达2—3毫米）的附面层时，实际上就等于减小了管道的宽度，因而增加了B喉/B算得的（v/v喉）计算与测得的（v/v喉）差别的原因。

七、思考题

1．为什么测得的全压力数值会产生很小的变化，其原因有哪些？

2．为什么测得的（v/v喉）测量和计算的数值不相符合，由试验结果，你能估算出附面层的厚度吗？

3．从计算所得的马赫数，说明是否需要修正，其相对误差是多少？

八、实验报告内容要求。

1．简述实验目的和必要的步骤；

2．整理数据，根据图表绘制x~P静，P全，P动，（v/v喉）测，（v/v喉）计曲线；

3．分析思考题。

图2