船舶流体力学实验指导书解析.docx
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船舶流体力学实验指导书解析
船舶流体力学实验指导书
工程机械系
船舶与海洋工程教研室
实验1静水压力实验1
实验2烟风洞及水槽流线实验3
实验3伯努利方程实验4
实验4雷诺实验7
实验5动量方程实验9
实验6管路综合实验12
Bi
实验1静水压力实验
、实验目的
1•测定矩形平面上的静水总压力。
2.验证静水压力理论的正确性。
3•观察压强传递现象。
、实验装置
实验装置如图所示。
静水压力实验装置图
三、实验原理
对密封容器（即水箱）的液体表面加压时，设液体表面压强为P0,则P0>Pa,Pa为大
气压强。
从U形管中可以看到有压差产生，U形管与密封水箱上部连通的一面，液面下
降，而与大气相通的一面，液面上升。
密闭水箱内液体表面压强p0为：
P。
二Pah
式中一一液体的重度；
h――U形管中液面上升的高度。
当密闭水箱内压强Po下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即PoVPa,这时密
闭水箱内液面压强p0为：
Po二Pa-h
式中h――U形管中液面下降的高度。
四、实验步骤
1关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差h。
在加压的同时，观察左侧
A、B管的液柱上升情况。
由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在水箱内的淹没深度h不同，在压强向各点传递时，先到A点后到B点。
在测压管中反应出的是A管的液柱先上升，而B管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A、B两点在同一水平面上。
2•打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。
关闭排气阀，打开密闭容器底部的水
门，放出一部分水，造成容器内压力下降，观察U形管中液柱的变化情况。
五、分析和讨论
1液体表面压强Po与表压强、真空度有什么关系？
2•用该实验装置是否可以测出其他液体的重度？
为什么？
实验2烟风洞及水槽流线观察实验
一、实验目的
1.在烟风洞利用烟流法观察烟流绕过物体周围的流动图形；观察各种几何边界变化
条件下产生的旋涡现象，搞清楚旋涡产生的原因与条件；
2.通过对各种边界下旋涡强弱的观察，分析比较局部损失的大小；
3.观察绕流现象、分离点及卡门涡街现象。
二、实验装置
小型风洞，实验稳定速度大于5m/s。
。
小型水槽，水流稳定速度大于5m/s。
机翼型实验试件、圆柱形试验件。
三、实验原理
1•流体在流动过程中遇到其他物体时要发生绕流现象，流线形状会产生变化。
当绕过的物体曲率较大时，会产生边界层分离，产生明显漩涡。
当绕过圆柱形物体时，在物体的后方将产生卡门涡街。
四、实验步骤
1•烟风洞流线观察实验实验步骤
1点燃蜡烛，将其平稳置于风洞前部，距离试验段1米左右。
2将机翼型试验件平稳安放于试验段中，攻角为0度。
3启动风洞风机，调节流速达到2m/s，待烟流线稳定后，观察机翼型试件处流线情
况。
4改变攻角至15度，观察机翼型试件处流线情况。
5改变攻角至30度，观察机翼型试件处流线情况。
6将攻角改回0度，调节流速达到4m/s，待烟流线稳定后，观察机翼型试件处流线情况。
7重复步骤④⑤；
8关闭风机，更换另一规格的机翼型试件，重复步骤②~⑦。
9关闭风机，实验用品归位，实验结束。
2•水槽流线观察实验实验步骤
1将圆柱形试件平稳固定于水槽内；
2启动水槽水泵，调节流速达到1m/s，观察试样后的漩涡情况。
3调节流速达到3m/s,观察试样后的漩涡情况。
4调节流速达到5m/s,观察试样后的漩涡情况。
5关闭水泵，实验用品归位，实验结束。
五、分析和讨论
分析不同流速，不同攻角下流线的形状变化情况，讨论漩涡产生的原因和条件。
分析不同流速下水槽总流线的变化情况，讨论卡门涡街的产生原因。
实验3伯努利方程实验
、实验目的
1、测量位置势能与速度之间的关系，观察能量之间的转换关系;
2、计算流体流动的速度、速度与位置的关系。
、实验装置
伯努利方程试验仪
1.水箱及潜水泵2.上水管3.溢流管4.整流栅5.溢流板6.定压水箱7.实验细管8.实
验粗管9.测压管10.调节阀11.接水箱12.量杯13.回水管14.实验桌
三、实验原理
伯努利方程中
2
2g
三部分之和在整条流线上保证常数。
从物理意义来看，z表示单位质量流体的位置势能，
2
p表示压力能，V项表示动能，整个方程表示单位质量流体在流线上能量守恒。
本实验
2g
通过在仪器的某些位置测量高度、压力、速度，以验证上式的成立。
四、实验步骤
实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量流水流出，使
槽内液面平稳不变，最后，设法排尽设备内的气泡。
1.关闭实验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下个测试点（a、b和c三点）的压强。
2•开启实验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下测试点的压头变化。
3•缓慢开启实验导管的出口条件阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动压头和损失压头。
实验过程中必须注意如下几点：
（1）实验前一定要将实验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会影响准确性。
（2）开启进水阀或调节阀时，一定要缓慢，并随时注意设备内的变化。
（3）实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。
（4）为观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。
五、实验数据记录及计算
1•测量并记录实验基本参数
实验导管内径：
dA=20mm;dB=30mmdC=20mm;
水温
密度
各测试点的静压头
各测试点的静压强
T/C
p/kgm-3
pA/pg
pB/pg
pC/pg
pA/Pa
pB/Pa
pC/Pa
实验系统的总压头：
h=mmH2O
2•非流动体系的机械能分布及其转换
3•流动体系的机械能分布及其转换
实验序号
温度，T/C
密度，p/kgm-3
静压头
PA/Pg,mmH2O
PB/电,mmH2O
PC/电,mmH2O
压强
pA,Pa
pB,Pa
动压头
o
2
2A
u
o
2
Hmmg
2/
2cu
流速
1
-sm-UU
1
-smu
1
-sm-uc
损失压头
o
2Hmm
-
1
o2
Hmm
BB
-
1
o
2Hmm
-
1
验证流动流体的机械能恒算方程:
实验4雷诺实验
、实验目的
1.观察流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。
2.观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。
3.测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数Rec、实验装置
实验装置如图所示。
雷诺实验装置
1.水箱及潜水泵2.上水管3.溢流管4.电源5.整流栅6.溢流板7.墨盒8.墨针9.实验管10.调节阀11.接水箱12.量杯13.回水管14.实验桌
三、实验原理
流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。
在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。
如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定
的平均速度V,微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周
围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。
此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。
如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。
如果将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运
动。
流体的雷诺数Re浮，根据连续方程：
Q+,吒。
流量Q用体积法测出,
即在,:
t时间内流入计量水箱中流体的体积
cV
Q二—
At
式中A――管路的横截面积；
d――管路直径；
v――流体繁荣流速；――水的运动粘度。
四、实验步骤
1•准备工作。
将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度H不变。
2•缓慢开启阀门7,使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门9,使红色水以微小流
速在玻璃管内流动，呈层流状态。
3•开大出口阀门7,使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出口阀门7,
观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量，计算出下临界流速Vc。
重复做三次，即可算出下临界雷诺数。
五、实验数据记录及计算
d=mm水温=°C
Rec
Vc
实验次数
^v（m）
△t（s）
Q（m/s）
Vc（m/s）
2
v（m/s）
Rec
1
2
3
下临界雷诺数的计算公式为:
实验5动量方程实验
、实验目的
1.通过射流对水箱的反作用力和射流对平板的作用力验证不可压缩流体定常流动的动量方程。
2.通过对动量与流量、流速、射流角度等因素的相关性分析，进一步掌握流体的动量守恒定理。
动量方程实验装置简图
1.实验水箱2.控制阀门3.高位水孔4.低位水孔5.砝码6.转动轴承7.挡板8.固定插
销9.水平仪10.喷嘴11.水泵12.水箱13.挡水板14.实验台支架
三、实验原理
1•射流对水箱的反作用力原理
以水箱水面i—i,出口断面n—n及箱壁为控制面，对水平x轴列动量方程：
、Fx二Rx
二;?
QC02V2X-：
01%）
式中Rx—
水箱对射流的反作用；
二-
-水的密度；
Q-
-射流流量；
：
'01,
■■02动量修正系数，取
1;
V1X
—水箱水面的平均流速在
x轴的投影，取0；
V2x
-一出口断面的平均流速在
x轴的投影。
由对转轴计算力矩M求得Rx。
M=
RxL=?
QvL
式中L——出口中心至转轴的距离;
v――出口流速。
移动平衡砝码得到实测力矩M0:
M°=G:
S
式中G――平衡砝码重量；
S――:
S二S-S。
；
S――出流时（动态）砝码至转轴的距离；
S°――未出流时（静态）平衡砝码至转轴的距离。
2.射流对平面的作用力原理
取喷嘴出口断面I—I,射流表面，以及平板出流的截面n—n为控制面，对水平x
轴列动量方程：
Fx二Rx二QQ（：
02V2x--0lVix）
式中Rx――平板对射流的反作用力；
v1x――喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速；
v2x――n—n断面平均流速在x轴的投影，取0。
由对转轴计算力矩M求得Rx。
M=RxL^=：
QvL1
式中Li――水流冲击点至转轴的距离；
v――喷嘴出口的平均流速。
添加砝码得到实测力矩M0:
M0=GL2
式中G砝码重量；
L2――砝码作用点到转轴的距离。
四、实验步骤及注意事项
1.射流对水箱的反作用力实验
1）实验步骤
1开启进水阀门，将水箱充满水，关小阀门，使之保持较小溢流。
2拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（静态）砝码位置S0。
3插上插销，将出口转至高孔位置。
调节阀门，使之仍保持较小溢流。
4拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（动态）砝码的位置S。
5用体积法测量流量，计算流速。
6将出口转至低孔位置，重复步骤③~⑤。
2）注意事项
1调节前，必须将插销插上。
2拔出插销后，应用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器。
2.射流对平面的作用力实验
1）实验步骤
①在拉链端部加重量50克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持垂直位置，记下
砝码位置，用体积法测流量。
②改变砝码重量，重复步骤①。
2）注意事项
1应缓慢开启和调节阀门。
2注意单位换算。
五、实验数据记录及计算
1.水箱法
仪器常数：
L=cm,S0=m,G=N
S
（m
氏=
S-S。
（m）
Mg=
G也S
（Nm）
V
（m3）
t
（s）
Q
（m3/s）
v
（m/s）
RX=
PQv
（N）
M=
Rx丄
（Nm）
M0/M
（%）
高
孔
1
2
低
孔
1
2
2.平板法
仪器常数：
L1=m,L2=m
G
（N）
M°=
GL2
（Nm）
V
（m3）
t
（s）
Q
（m3/s）
v
（m/s）
Rx=fQv（N）
M=RxL（Nm
M0/M
（%）
1
2
3
六、分析和讨论
分析用动量方程求得的作用力值和实测值之间产生误差的原因。
实验6管路综合实验
（一）沿程阻力系数测定实验、实验目的
1.验证沿程水头损失与平均流速的关系。
2.测定不同管路的沿程阻力系数。
3.对照雷诺实验，观察层流和紊流两种流态及其转换过程。
、实验装置
管路综合试验仪。
三、实验原理
1.沿程水头损失与流速的关系对沿程阻力两测点的断面列伯努利方程
2
_P1av
Z1—石
因实验管段水平，且为均匀流动，所以
z1=z2,dr=d2,v由此得
hf=H.：
h
fyY
即管路两点的沿程水头损失hf等于测压管水头差=h。
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hf和v数据绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与平均流速的关系。
2•沿程阻力系数的测定
由上面的分析可以得到：
由达西公式:
用体积法测得流量Q，并计算出断面平均流速v,即可求得沿程阻力系数■:
2gd・：
h
Iv2
四、实验步骤
1•沿程水头损失与流速的关系实验
1）实验前准备工作。
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。
2）开启调节阀门，测读测压计水面差。
3）用体积法测量流量，并计算出平均流速。
4）将实验的hf与计算得出的v值标入对数坐标纸内，绘出Ighf-Igv关系曲线。
5）调节阀门逐次由大到小，共测定10次。
2•沿程阻力系数的测定实验
1）本实验共进行粗细不同管径的两组实验，每组各作出6个实验。
2）开启进水阀门，使压差达到最大高度，作为第一个实验点。
3）测读水柱高度，并计算高度差。
4）用体积法测量流量，并测量水温；
5）用不同符号将粗细管道的实验点绘制成IgRe-Ig100'对数曲线。
五、实验数据记录及分析
1•沿程水头损失与流速的关系实验数据及计算如表4.1所示，Ighf-Igv关系曲线
如图4.2所示。
表4.1数据表
No
h1
（cm）
h2
（cm）
hf
（cm）
lghf
V
（cm3）
t
（s）
Q
（cm3/s）
v
（cm/s）
lgv
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2•沿程阻力系数的测定实验数据及计算如表4.2所示，lgRe-IglOO'关系曲线如
图4.3所示。
仪器常数：
d粗=cm，d细=cm，l=m
t=°C叭水=N/m3
表4.2数据表
类
别
No
h1
（cm）
h2
（cm）
h汞
（cm）
h水
（cm）
V
3（cm）
t
（s）
Q
3
（cm/s）
v
（cm/s）
Re
lgRe
lg（
100扎）
1
粗
2
3
管
4
5
6
1
细
2
3
4
管
5
6
（二）局部阻力系数测定实验
一、实验目的
1.掌握三点法、四点法测量局部阻力系数的技能。
2.通过对圆管突扩局部阻力系数的包达定理和突缩局部阻力系数的经验公式的实验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径。
3.加深对局部阻力损失机理的理解。
二、实验装置
实验装置同实验4，如图4.1所示。
三、实验原理
写出局部阻力前后两断面的伯努利方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得局部
水头损失。
1.突然扩大沿程水头损失与流速的关系
采用三点法计算，下式中hfi^由hf2,按流长比例换算得出：
实测
理论
A1）2a2）
2
-av1
e2g
换算得出。
实测
2
av5
s=hrs/-
2g
经验
s=0.5（1-
av5
2g
hrs
四、实验步骤
1•测记实验有关常数。
2•打开水泵，排除实验管道中的滞留气体及测压管气体。
3•打开出水阀至最大开度，等流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法计量流量。
4•改变出水阀开度3~4次，分别测记压管读数及流量。
五、实验数据记录及计算
1.记录、计算有关常数：
d^=D^=cm,d2=d3=d4=D2=cm,d5=d6=D3二cm,
112=cm,12_3=cm,13_4=cm,14_b=cm,lb_5=cm,
I5』=—cm,e=（1_d）2,s=0.5（1_b）
A2A3
2.实验数据记录见表5.1，实验数据计算结果如表5.2所示。
3.将实测局部阻力系数与理论值或经验值进行比较。
表5.1实验数据记录表
次序
流量（cm/s）
测压管读数cm
体积
时间
流量
表5.2计算表
阻力形式
次
序
流量
cm3/s
前断面
后断面
hr
cm
kF
h；
cm
2av
2g
cm
Ecm
2av
2g
cm
Ecm
突然扩大
突然缩小
六、分析和讨论
1•根据实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。
2•结合流动演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？
产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在那里？
怎样减小局部阻力损失？
3•现有一段与调节阀相连，内径与实验管道相同的直管段（见图4.1）,如何用两点
法测量阀门的局部阻力系数？
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