流体力学实验指导书.docx
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流体力学实验指导书
第一节雷诺实验
一、实验目的
1．观察流体在管道中的两种流动状态；
2．测定几种流速状态下的雷诺数，并学会用质量测流量Q方法；
3．了解流态与雷诺数的关系，并验证下临界雷诺数Recr=2000。
二、实验设备
流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺实验管、阀门、颜料水（红墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀、水泵和计量水箱等，此外，还有秒表、水杯、电子称及温度计，如图3-1-1所示。
1.稳压水箱2.颜色罐3.实验管4.计量水箱5.水箱
图3-1-1雷诺实验装置
三、实验原理
层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的各流层间的滑动摩擦力；紊流时则有大小不等的涡体动荡于各流层间。
当流速较小时，会出现分层有规则的流动状态即层流。
当流速增大到一定程度时，液体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流体互相剧烈掺混，就是紊流。
反之，实验时的流速由大变小，则上述观察到的流动现象以相反程序重演，但由紊流转变为层流的临界流速νcr小于由层流转变为紊流的临界流速νcr´。
称νcr´为上临界流速，νcr为下临界流速。
雷诺用实验说明流动状态不仅和流速ν有关，还和管径d、流体的动力粘滞系数µ、和密度ρ有关。
以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用Re表示。
Re＝ρνd/µ＝νd／υ（3-1-1）
对应于临界流速的雷诺数称临界雷诺数，用Recr表示。
Recr＝ρνcrd/µ＝2000（3-1-2）
工程上，假设流速时，流动处于紊流状态，这样，流态的判别条件是
层流：
Re＝ρνd/µ<2000
紊流：
Re＝ρνd/µ>2000
四、实验步骤
1．实验前准备工作
首先，实验台的各个阀门置于关闭状态。
开启水泵，全开上水阀门，使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水位保持不变，并有少量流体溢流。
其次，用温度计测量水温，并用电子称测量空杯的质量
，并作记录。
2．观察流态
全开出水阀门，待水流稳定后，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，这时雷诺实验管中的流动状态为紊流。
随着出水阀门的不断关小，颜料水和雷诺实验管中的水掺混程度逐渐减弱，直至颜料水在雷诺实验管中形成一条清晰的直线流，这时雷诺实验管中的流动状态为层流。
3．测定上临界雷诺数
当阀门开得很小时，能看见颜料水在雷诺实验管中形成一条清晰的直线流（为层流状态）。
然后，慢慢地逐渐开大阀门，当流量大到某一程度时，管内的颜料水抖动至断裂，这时，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量mt（水杯和流体的质量和），并测出接流体所用的时间T，将数据记入表3-1-1。
根据质流量Qm=mt-mk/T公式算出流量大小，根据流速V=4Qm/ρπd2公式算出流速，最后根据Re＝Vd／υ公式求出相应的上临界雷诺数。
4．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，然后慢慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。
当流量关小到某一程度时，管内的颜料水开始成为一条直线流，即紊流转变为层流的下临界状态。
由表3-1-2中的相应数据，用公式求出下临界雷诺数Recr，由理论可知Recr是稳定的，一般约为2000。
5．观察层流状态下的流速分布
关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管两到三下，使颜色水在一小段时内扩散到整个断面。
然后，再微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，这时即可观察到水在层流流动是呈抛物线状，演示出管内水流流速分布。
五、注意事项
1．每调节阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）一次，均需等待流动速度稳定几分钟。
2．在关小阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）过程中，只允许逐渐关小，不许开大。
随着出水量的不断减少，应调小上水阀门，以减少溢流量引起的振动。
六、实验结果
记录有关常数
空杯质量
=kg，水温t=℃，d=cm
水的运动粘性系数υ=m
/s
表3-1-1层流湍流实验实验数据记录表
次数
（层流湍流）
盛水时间
T（s）
总质量
（kg）
流体质量（kg）
质流量（kg/s）
Qm=m/t
流速（m/s）
V=4Qm/ρπd2
雷诺数
Re=Vd／υ
1
2
3
上临界雷诺数
平均值
表3-1-2湍流层流实验实验数据记录表
次数
（湍流层流）
盛水时间
T（s）
总质量
（kg）
流体质量（kg）
质流量（kg/s）
Qm=m/t
流速（m/s）
V=4Qm/ρπd2
雷诺数
Re=Vd／υ
1
2
3
下临界雷诺数
平均值
第二节能量方程实验
一、实验目的
1．观察流体经能量方程（又称伯努利方程）实验管时的能量转化情况，并对实验中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解；
2．掌握量杯测平均流速和毕托管测流速的方法；
3．验证流体恒定总流的能量方程。
二、实验设备
流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱，能量方程实验管，上水阀门，出水阀门，水泵、测压板和计量水箱等，详见图3-2-1。
1.恒压水箱2.实验管3.压差板4.计量水箱5.水箱
图3-2-1能量方程实验装置简图
三、实验原理
1．能量方程实验
对于总流的任意截面有能量方程z+
+
=常数（3-2-1）
式中，各项值都是截面值，它的物理意义、水头名称和能量解释分述如下：
（1）z是断面对于选定基准面的高度，水力学中称为位置水头，表示单位重量的位置势能，称单位位能。
（2）P/γ是断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度，水力学中称压强水头，表示单位重量的压强势能，称单位压能。
（3）v²/2g是以断面平均流速v为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度，流体力学中称为流速水头，表示单位重量的动能，称为单位动能。
2．毕托管测速实验
能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当一个毕托管，可测得管内的流体速度。
由于本实验台将总测压管置于能量方程实验管的轴线，所以，测得的动压头代表了轴心处的最大流速。
毕托管求点速度公式为：
u
=
（3-2-2）
式中：
u
为毕托管测点处的流速；
ΔH为毕托管全压水头与静压水头差。
在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度，平均流速v=0.8u
。
四、实验步骤
1．实验前准备工作
首先，开启水泵，全开上水阀门使水箱注满水，在调节上水阀门，使水箱水位始终保持不变，并有少溢流。
其次，用温度计测量水温t，并用电子称测量空杯的质量
，并作记录。
2．能量方程实验
首先，关闭阀门，测定能量方程实验四组测压管的液体高度，记下各测压管的读数，填入表3-2-1。
其次，调节出水阀门至小开开度，测定能量方程实验管的四组截面测压管的液体高度。
按照从小开、中开、大开的顺序改变阀门的开度，重复上述实验，并分别记下各测压管的读数，填入表3-2-1。
3．测流体平均速度
（1）量杯法测定平均速度
调节出水阀门至小开开度，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量（水杯和流体的质量和），并用秒表测出接流体所用的时间T。
然后，按照从小开、中开、大开的顺序改变阀门的开度，重复上述实验，并分别记下总质量
和时间T，填入下表3-2-2。
根据质流量Q=m/T公式及流速ν=4Q/ρπd2公式算出流量大小及流速，填入下表3-2-2。
（2）毕托管方法计算流速
根据步骤2中的测量数据，管轴中心处流速u
=
，其中
H=H双–H单（同一截面两测压管之差），平均流速v=0.8u
，算出
H、u
及平均流速v，填入下表3-2-3中。
4．验证伯努利方程
根据表3-2-1、表3-2-3及总水头
是质量流量计算值，计算数据填入表3-2-4。
五、注意事项
测压管读数据时，视线与液面保持水平，读凹液面最低点对应的数据。
六、实验结果
记录有关常数
空杯质量
=kg，水温t=℃，水密度ρ=kg/m³
截面Ⅰ测压管（1—2，5—6，7—8）的直径d=mm
截面Ⅱ测压管（3—4）的直径d=mm
表3-2-1各测压管读数记录（z+
）表
测压管读数（cm）
阀门状态
1
2
3
4
5
6
7
8
关闭
各管读数相同均为
小开（Ⅰ）
中开（Ⅱ）
大开（Ⅲ）
表3-2-2量杯法测流速实验数据记录表
阀门状态
盛水时间T（s）
总质量（水+杯）（kg）
水质量（kg）
质流量（kg/s）
Qm=m/t
平均流速ν=4Qm/ρπd2
截面Ⅰ
截面Ⅱ
小开
中开
大开
表3-2-3毕托管测流速实验数据记录表
实验
数据
阀门
状态
截面Ⅰ（1—2）
截面Ⅰ（5—6）
截面Ⅰ（7—8）
截面Ⅱ（3—4）
H
（m）
u
（m/s）
v
（m/s）
H
（m）
u
（m/s）
v
（m/s）
H
（m）
u
（m/s）
v
（m/s）
H
（m）
u
（m/s）
v
（m/s）
小开
中开
大开
表3-2-4验证粘性流体的能量方程实验数据记录表
截面
阀门
状态
各截面总水头Hi（m）
各截面间水头损失
1—2
3—4
5—6
7—8
小开
中开
大开
七、问题讨论
1．运用沿总流的伯努利方程时所选取的两个断面之间是否可以有急变流？
2．流量增加时，测压管水头线有何变化？
为什么？
第三节动量定律实验
一、实验目的
测定水流射向平板（或曲面板）时的冲击力，将测出的冲击力与用动量定律计算出的冲击力进行比较，加深对动量方程的理解。
二、实验设备
实验装置如图3-3-1所示，在一有机玻璃园筒内装一喷咀，当一股稳定水流经浮子流量计从喷咀射出射向受力板时，装在园筒侧盖板上的称杆便失去平衡。
通过砝码位置调整，可以测出水流对受力板的实际冲击力。
同时，通过流量的测定，应用动量定律定律可以计算出受力板上所受冲击力，加以比较，以加深对动量方程的理解。
1.进水阀2.流量计3.进水管4.平衡砝码5.刀口6.秤杆
7.砝码8.受力板9.进水口10.筒体11.排水管
图3-3-1动量定律实验装置图
三、实验原理
在实验前，砝码位于称杆标尺零点，旋动平衡螺母调零，将标尺称杆调成水平状态。
如图3-3-2所示。
图3-3-2实验前秤杆水平示意图
对支撑点列力矩平衡方程，可得：
（3-3-1）
式中：
G为游码重量（N）；
G1为受力板重量（N）；
G2为砝码重量（N）；
s0为标尺零点到支撑点距离（cm）；
L1为砝码到支撑点距离（cm）；
L为受力板到支撑点距离（cm）。
实验时，水流经喷嘴射到受力板上，标尺倾斜，此时调整游码至某一读数s位置，使标尺恢复水平，如图3-3-3所示。
对支撑点再列力矩平衡方程，可得：
（3-3-2）
式中：
F为水流对板的冲击力（N）；
s为游码移动距离（cm）。
比较式（3-3-1）、（3-3-2），可得：
即
（3-3-3）
由上式可见，标尺零点距支撑点距离s0最终在方程中消去，故在实验结果分析时不用考虑。
图3-3-3水流冲击后秤杆水平示意图
在完成上述步骤同时，通过转子流量计可测出流量，依喷嘴直径可求出喷咀出口截面平均流速v0，引用动量方程，可算出射流对受力板作用力。
F计=ρQv0（1+cosα）（3-3-4）
式中：
ρ为水密度（kg/m3）；
Q为射流流量（m3/s）；
v0为喷嘴出口流速（m/s）；
α为射流入口流速与出口流速夹角（平板α＝900，曲面板α＝450）（如图3-3-4）。
应当指出，由于射流高度差，能量损失及其他因素，实际射流作用力F测应小于F计。
=900
=450
图3-3-4实验平板和曲面板图
四、实验步骤
1．记录有关数据。
2．安装平面板，将游码移到标尺零点，调节砝码位置，使标尺处于水平状态。
3．接通电源启动泵，缓缓打开进水阀，水流从喷嘴射出，冲击受力板，导致标尺倾斜，调节砝码位置，使标尺恢复水平，记下标尺读数及测出此状态时的流量。
4．改变阀门开度，重复上述步骤，测出不同流量下数据，至少应调节5次这样就可以得到5个实验点。
5．关闭水泵，将水箱中水排空，关闭电源，结束实验。
五、实验结果
记录有关常数
管嘴内径d= cm，冲击力臂L= cm，
游码重量G=N，喷嘴出口距受力板距离l= cm，
水温t=℃，水密度ρ=kg/m³。
表3-3-1平板冲击实验（=900）实验数据记录表
次数
，
，
误差
距零点距离s（cm）
（N）
流量Q（L/h）
出口速度
修正速度
（N）
（N）
1
2
3
4
5
表3-3-2曲面板冲击实验（=450）实验数据记录表
次数
，
，
误差
距零点距离s（cm）
（N）
流量Q（L/h）
出口速度
修正速度
（N）
（N）
1
2
3
4
5
六、问题讨论
1．绘出控制体受力图，阐明理论分析计算的过程。
2．作用力的实测值和计算值有差异，除实验误差外，还有什么原因？
3．流量很大和流量很小时，各对实验有什么影响？
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