流体力学与水力学实验报告及指导书Word文档下载推荐.docx

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管2的液体与水箱的液体相通，液面气体的压强同为p0。

因此管2的液面与水箱的液面高程相同。

盛有两种未知密度液体的U形管，其液柱高差是由于压差p0-pa引起的，故有

（1.1.2）

（1.1.3）

水的密度

是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度

1.1.4实验步骤

1．关闭密封阀，并检查密封效果。

其方法是，移动调压筒至某一高程位置，这时各管的液面也随之移动。

如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越来越慢，并最终停止

图1.1.2静水压强实验数据表

在某一高程位置，不再变化。

如果密封效果不好，各管的液面总是不停升降，直至各管液面与调压筒以及水箱的液面平齐。

这就说明水箱漏气。

2．将调压筒形移至某高度，并用螺丝固定。

待各管的液面稳定后，读取各管的液面高度读数，并填入数据表。

本实验测量4组数据，其中，p0>

pa（调压筒液面高于水箱液面）和p0<

pa（调压筒液面低于水箱液面）的情况分别测量2组数据。

测量内容：

各测压管的液柱高度。

1.1.6思考题

1．在什么情况下，管1，2，3的液面平齐？

2．当管2，3的液面平齐时，管4，5以及管6，7的液面是否全分别平齐？

为什么？

3．管1和管5都与大气相通，其液面是否处在同一个等压面上？

4．如果（z7-z6）>

（z5-z4），则

哪个较大？

1.1.5数据整理及误差分析

流体力学实验的数据整理是件复杂的工作，为此，可编制数据处理系统供实验课使用。

图1.1.2是编者研制的数据处理系统的静水压强实验数据表界面。

实验装置中的未知液体的密度值分别为

，

由数据表看出，测量误差小于7%，引起误差的主要原因是仪器的水柱高度读数的精度不够。

水柱高度的刻度为mm，小数点后面的值是目估的，从而引起误差。

1.3动量方程实验

1.3.1实验目的

用杠杆法测量水流对档板的冲击力，并用动量方程计算水流对档板的作用力，两者进行比较，加深对动量方程的理解。

1.3.2实验装置及实验原理

图1.3.1动量方程实验仪

图1.3.1是本实验使用的实验装置示图。

水箱为实验提供稳压水源，水箱的溢流板上开设若干泄流孔。

开、闭这些泄流孔可以控制水位的高低。

水流从设在水箱下部的管嘴射击，冲击一个轴对称曲面档板，档板将射流冲击力传递给杠杆。

移动砝码到某一位置，可使杠杆保持平衡。

本实验用杠杆平衡原理测量射流的冲击力。

另外，再用流体力学的动量方程计算射流对档板的作用力，并比较这两个冲击力的大小，以便进行误差分析。

设砝码的重量为G，作用力臂为L1，射流的作用力为F，作用力臂为L。

当杠杆平衡时，有

（1.3.1）

图1.3.2动量方程用图

射流的冲击力也可以由动量方程算出，图1.3.2是计算用图，设射流的偏转角度为

（即入射速度矢量转到出流速度矢量所旋转的角度），射流的流量为Q，入射速度为V，则有

（1.3.2）

本实验的射流偏角有90°

，135°

，180°

等3种。

1.3.3实验步骤

1．实验前，调节平衡锤的位置，使杠杆处于水平状态。

2．开启水泵，向水箱充水。

调节溢流档板泄孔的开启程度，使水箱的水位保持在某一高度位置。

3．打开出流孔口，使水流冲击挡板。

4．移动砝码至适宜位置，使杠杆保持水平，记录数据。

5．改变水位，重复以上测量。

另外，也可以更换另一种偏转角的挡板，并进行相应的测量。

6．实验结束后，关闭水泵，取下砝码，排空水箱。

流量、砝码力臂。

1.3.4数据处理及误差分析

图1.3.3是数据表的界面。

冲击力的实测值与计算值存在一定误差。

引起误差的原因有两个，一是杠杆支座存在摩擦力，另一个原因是动量方程没有考虑重力对水流的影响，认为射流的反射速度为轴对程分布。

其实，在重力作用下，挡板下部的反射水流速度大于上部的反射水流速度。

1.1.5思考题

1.请自己推导方程（1.3.2）

2.实验中如何确定砝码的作用力臂？

3.本实验的流量是用什么方法调节的？

图1.3.3动量方程实验数据表

1.5局部水头损失实验

1.5.1实验目的

测量管流中的5种局部水头损失，并确定局部损失系数。

1.5.2实验装置

图1.5.1所示的局部水头损失实验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段，局部损失（截面实扩，截面突缩，90°

弯管，180°

弯管，90°

折管）管件、21支测压管、回水箱组成。

此外，本实验用手工体积法和电子流量计两种方法测量管流的流量。

21支测压管中，有些是用于测量局部水头损失，有些则用于演示管流中水流静压的变化情况。

这里着重介绍电子流量计。

这种流量计由量水筒，水位传感器，单板机，显示表组成。

图1.5.2a表示电子流量计的工作原理。

量筒左侧有玻璃水位指示管，右侧有虹吸管。

水位传感器A、B用于记录水位信息。

当水面上升到B时，单板机开始计时，当水面上升到A

时，单板机结束计时，两个时间之差为充水时间，A、B之间的量筒体积（887cm3）为充水体积。

体积与时间之比为流量。

当水面继续上升，淹没虹吸管之后，水流在虹吸作用下自动出流，直至放空，同时还发出一种排空声响。

这样，每隔一段时间，量筒中的水就会自动排空，无需人为操作。

测量流量时，将出水通过漏斗引入量筒。

水面到达A、B的时间由单板

机自动纪录并显示在流量计的面板上。

流量仪表的板面上设有电源开关，控制电源的接通与断开。

参见图1.5.3。

板面上有“时间”、“体积”、“流量”、“测量”等四个命令按钮。

当按下“测量”按钮时，仪器开始测量。

如果按下“时间”、“体积”、“流量”，则仪表上显示时间、体积、流量的数值。

板面上还有三个指示灯，显示仪器的工作状态。

测量的指示灯点亮，表示正在测量。

图1.5.1局部损失实验仪

图1.5.2电子流量计的量筒

图1.5.3电子流量计的面板

测量之前，先按下板面上的“测量”按钮，这时候仪表就开始工作，量筒充水时，仪表连续显示充水时间（秒）。

充水结束后，仪表立刻显示出流量值（单位：

ml/s）。

如果要显示充水时间和充水体积，可以分别按下“时间”、“体积”按钮。

电子流量计有时会发生故障。

最常见的故障是虹吸管能够排水，但没有虹吸的抽水作用，

参见图1.5.2b。

这种情况下，量筒以及水位器水位稳定在某些方面某一高度，充水不能自动排空。

排除故障的方法，是加大出水量，使虹吸管满顶，充水就能排空。

1.5.3实验原理

对局部损失管件的上、下游某断面应用伯努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。

突扩管：

使用测压管3，9测量突扩管上、下游的压差，相应的伯努利方程为

（1.5.1）

速度等于流量除以管道截面积，水柱高度可直接读取，这样，由上式很容易求出局部损失系数

由流体力学，

的理论值为：

（1.5.2）

将理论值和实测值相比较，就可以确定测量误差。

突缩管：

使用测压管11,12测量突缩管上、下游的压差，相应的伯努利方程是

（1.5.3）

管流速度，可由流量算出，液柱高度可直接读出，因而突缩管的局部损失系数不难算出。

在流体力学中，实缩管的局部损失系数的经验公式为

（1.5.4）

比较实测值和经验值，就可以计算测量误差。

90°

弯管：

计算90°

弯管的局部水头损失所用的伯努利方程为

（1.5.5）

由此得到90°

弯管的局部损失系数

（1.5.6）

查阅有关手册，90°

弯管的局部损失系数的经验值为

180°

与90°

弯管的情况相似，180°

弯管的局部损失系数可由下式计算：

（1.5.7）

很少有文献提供180°

弯管的经验公式。

编者对本实验装置进行数次量测，得到局部损失系数的平均值为

折管：

列出截面18、19的伯努利方程：

（1.5.8）

可见

（1.5.9）

有关手册给出的90°

折管的经验值为

1.5.4实验步骤

1．启动水泵，向水箱充水，同时稍微打开尾阀，让水在管流中缓慢流动。

2．观察管道中，测压管内是否出现气泡，若有气泡，应设法排除。

3．调节尾阀，待水流稳定后，记录各测压管的读数，管流的流量值。

图1.5.4局部损失数据表

注意：

对于实扩管，读取测压管3、9的水柱高度。

对于突缩管，读取测压管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。

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

利用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失系数，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，将会出现什么样的误差？

1.6文丘里流量计、孔板流量计的标定实验

1.6.1实验目的

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1.6.1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大，因而使用由4支测压管组成的复合式测压计。

图1.6.2文丘里流量计图1.6.3孔板流量计

文丘里流量计和孔板流量计都属于节流式流量计。

即在管流中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，尽量接近流线型。

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相当大，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1.6.3。

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量流量的仪器，在使用之前，要预先测量它们的流量系数，称为流量计的标定。

1.6.3实验原理

为了计算管道的流量，在管道中安装一个文丘里流量计。

对于图1.6.2所示的断面1.2应用的努利方程，则有

（1.6.1）

利用连续性方程

，上式可化为

（1.6.2）

利用测压管直接测量压差，则有

，于是

（1.6.3）

速度与截面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

（1.6.4）

式中，

称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流量计的流量系数

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，图中的断面C是射流喉部，对断面3和断面C应用伯努利方程。

（1.6.5）

3，（A3为管道面积A），则得到射流喉部的流速

（1.6.6）

用A0表示孔板的孔口截面积，显然，射流喉部面积AC小于孔口面积A0。

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p6代替。

压差p3-p6很大，因而本实验采用复合式测压计测定压差p3-p6。

显然。

（1.6.8）

射流喉部的速度为

（1.6.9）

流量

，式中A0是孔的面积

（1.6.10）

引入流量系数，则

（1.6.11）

显示，流量系数

的取值除了受到粘性的影响之外，也还取决于孔口面积与管道面积的比值

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分别用胶管将其上部连接，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，依次增大流量，记录各测压管的液柱高度。

用体积法以及用电子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。

改变流量时，要等待3~5分钟，水流稳定后方可读数。

图1.6.4文丘里、孔板实验数据表

流量（分别用手工和流量计测量，取平均值），各测压管读数。

1.6.5数据处理

图1.6.4是数据表的界面。

由表中看出，文丘里流量计的流量系数，

=0.9446~0.995，实验值变化较大。

另外，孔板的流量系数可以进行估算。

在式（1.6.10）中，

取0.62，而

，因而式（1.6.11）中的

=0.6603。

此外，还应考虑粘性的影响，用p6取代pC也影响

因此，再乘一个系数0.95，则

=0.6273。

可以看出，孔板的流量系数与实测值也有较大误差。

产生误差的原因，主要是测压管读数不够精确。

一方面，高度读数刻度只精确到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）

4．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？

这样做会对测量精度产生哪些影响？

1.8雷诺实验

1.8.1实验目的

测量管流的沿程水头损失，绘制沿程水头损失与管流速度的对数曲线，并确定管流临界雷诺数。

1.8.2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。

1.8.3实验原理

对于图1.8.1的管段的首、尾两个断面应用伯努利方程，则有

（1.8.1）

管段水平放置，流速处相同，因而

（1.8.2）

用比压计测量压差p1-p2。

设比压计两支测压管的液柱长度之差为l，则有

（1.8.3）

（1.8.4）

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

管流速度等于流量除以截面积。

流量用量筒、秒表测量。

小流量的测量比较费时。

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。

运动粘度与水温有关。

本实验用温度计测量水温，水的运动粘度

与温度的经验公式可表示为

（1.8.5）

式中，大量水温单位是℃，

的单位是m2/s。

程水头损失

与速度V的函数关系与流态有关，层流时，

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

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中部，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面应该平齐。

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，让水流速度从小变大，流态从层流变为紊流。

当流量达到最大值之后，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。

层流时，水流达稳定状态所用的时间往往比较长，要耐心等待。

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

≤0.006m。

如果比压计的水平倾角

，则比压计液柱长度之差

一般来说，层流的实验点应布置3-4个。

总的实验点数可自行控制，本实验的目的之一是绘制形如图1.8.3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

曲线图。

流量（流量有小变大，大最大值后再有大变小）、比压力计液面读数。

1.8.5实验结果及其分析

图1.8.2是本实验的数据表，图1.8.3是

由图看出，实验结果不

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，但并非直线，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误差。

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d=8mm，与进口段、出口段落的长度应超过1m。

而本装置的进口段，出口段长度不足0.5m。

此外，小流量时，比压计液柱长度差很少，读数误差很大，要想提高实验精度，就要提高流量测量、压差测量的精度。

1.8.6思考题

1．层流时，本实验的沿程水头损失

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？

3．如何判断比压计的刻度（例如2:

1）与实际情况是否相符？

4．实验要求流量首先从小变大，再从大变小，如果使流量时而变大，时而变小，实验

图1.8.3

曲线

点能连成一条光滑曲线吗？

5．小流量时，水流达到稳定所需的时间为什么很长？

6．大流量时，比压计液面波动比较明显，这种情况下应如何读取液面读数？

（注：

素材和资料部分来自网络，供参考。

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）