流体力学三个实验34274.docx
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流体力学三个实验34274
流体力学
实验指导书与报告
静力学实验
流体伯诺里方程实验
雷诺实验
中国矿业大学能源与动力实验中心
学生实验守则
一、学生进入实验室必须遵守实验室规章制度，遵守课堂纪律，衣着整洁，保持安静，不得迟到早退，严禁喧哗、吸烟、吃零食和随地吐痰。
如有违犯，指导教师有权停止基实验。
二、实验课前，要认真阅读教材，作好实验预习，根据不同科目要求写出预习报告，明确实验目的、要求和注意事项。
三、实验课上必须专心听讲，服从指导教师的安排和指导，遵守操作规程，认真操作，正确读数，不得草率敷衍，拼凑数据。
四、预习报告和实验报告必须独自完成，不得互相抄袭。
五、因故缺课的学生，可向指导教师申请一次补做机会，不补做的，该试验以零分计算，作为总成绩的一部分，累计三次者，该课实验以不及格论处，不能参加该门课程的考试。
六、在使用大型精密仪器设备前，必须接受技术培训，经考核合格后方可使用，使用中要严格遵守操作规程，并详细填写使用记录。
七、爱护仪器设备，不准动用与本实验无关的仪器设备。
要节约水、电、试剂药品、元器件、材料等。
如发生仪器、设备损坏要及时向指导教师报告，属责任事故的，应按有关文件规定赔偿。
八、注意实验安全，遵守安全规定，防止人身和仪器设备事故发生。
一旦发生事故，要立即向指导教师报告，采取正确的应急措施，防止事故扩大，保护人身安全和财产安全。
重大事故要同时保护好现场，迅速向有关部门报告，事故后尽快写出书面报告交上级有关部门，不得隐瞒事实真相。
九、试验完毕要做好整理工作，将试剂、药品、工具、材料及公用仪器等放回原处。
洗刷器皿，清扫试验场地，切断电源、气源、水源，经指导教师检查合格后方可离开。
十、各类实验室可根据自身特点，制定出切实可行的实验守则，报经系（院）主管领导同意后执行，并送实验室管理科备案。
1984年5月制定
2014年4月再修订
中国矿业大学能源与动力实验中心
流体静力学实验
一、实验目的要求
1.掌握用测压管测量流体静压力的技能；
2.验证不可压缩流体静力学基本方程；
3.通过诸多流体静力学现象的实验分析和研讨，进一步提高解决流体静力学实际问题的能力。
二、实验装置
本实验的装置如图1.1所示。
图1.1流体静力学实验装置图
1.测压管2.带标尺测压管3.连通管4.通气阀5.加压打气球6.真空测压管
7.U型测压管8.截止阀9.油柱10.水柱11.减压放水阀
说明：
1.所有测管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；
2.仪器铭牌所注▽B、▽C、▽D系测点B、C、D标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则▽B、▽C、▽D亦为zB、zC、zD；
3.本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。
三、实验原理
1.在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程
或
（1.1）
式中：
——被测点在基准面的相对位置高度；
——被测点的静水压力，用相对压力表示，以下同；
——水箱中液面的表面压力；
——液体容重；
——被测点的液体深度。
另对装有水油（图1.2及图1.3）的U型测管，应用等压面可得油的比重
有下列关系：
*（1.2）
图1.2图1.3
据此可用仪器（不用另外尺）直接测得
。
四、实验方法与步骤
1.搞清仪器组成及其用法。
包括：
1）各阀门的开关；
2）加压方法关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球5充气；
3）减压方法开启筒底阀11放水；
4）检查仪器是否密封加压后检查测管1、2、7液面高程是否恒定。
若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。
2.记录仪器号№及各常数（记入表1.1）。
3.量测点静压力（各点压力用厘米水柱高表示）。
1）打开通气阀4（此时
），记录水箱液面的标高▽0和测管2液面标高▽H（此时▽0=▽H）；
2）关闭通气阀4及截止阀8，加压使之形成
，测记▽0及▽H；
3）打开放水阀11，使密闭箱体内形成
（要求其中一次
，即
），测记▽0及▽H。
4.测出真空测压管6插入小水杯中的深度。
5.测定油比重S0。
1）开启通气阀4，测记▽0；
2）关闭通气阀4，打气加压（
），微调放气螺母使U型管中水面与油水交界面齐平（图1.2），测记▽0及▽H（此过程反复进行3次）；
3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（
），使U型管中的水面与油面齐平（图1.3），测记▽0及▽H（此过程亦反复进行3次）。
五、实验成果及要求
1.记录有关常数。
实验装置台号№
各测点的标尺读数为：
▽B=cm，▽C=cm，▽D=cm，
N/cm3。
2.分别求出各次测量时，A、B、C、D点压力，并选择一基准检验同一静止液体内的任意二点C、D的
是否为常数。
3.求出油的容重。
4.测出真空测压管6插入小水杯中的深度。
表1.1流体静压强测量记录及计算表单位：
cm
实验条件
次序
水箱液面
▽0
测压管液面
▽H
压强水头
测压管水头
1
1
2
3
（其中一次
）
1
2
3
注：
表中基准面选在，zC=cm，zDcm
表1.2油溶重测量记录及计算表单位：
cm
条件
次序
水箱液面
标尺读数
▽0
测压管2液面标尺读数▽H
h1
h2
且U型管中水面与油水交界面齐平
1
2
3
且U型管中水面与油面齐平
1
2
3
六、实验分析与讨论
1.同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？
2.当
时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。
3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定
。
4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？
5.过C点作一水平面，相对测压管1、2、7及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？
哪一部分是同一等压面？
6.用图1.1装置能演示变液位下的定常流实验吗？
7.该仪器在加气增压后，水箱液面将下降
而测压管液面将升高H，实验时，若以
时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实验压力（H+δ）与视在压力H的相对误差值。
本仪器测压管内径为0.8cm，箱体内径为20cm。
伯诺里方程实验
一、实验目的要求
1.验证流体定常总流的能量方程；
2.通过对水力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中水力学的能量转换特性；
3.掌握流速、流量、压力等水力学水力要素的实验量测技能。
二、实验装置
本实验的装置如图2.1所示。
图2.1自循环伯诺里方程实验装置图
1.自循环供水箱；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.溢流板；5.稳水孔板；6.恒压水箱；7.测压计
8.滑动测量尺；9.测压管；10实验管道；11.测压点；12.毕托管；13.实验流量调节阀。
说明：
仪器的测压管有两种：
1.毕托管测压管（表2.1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头
，须注意一般情况下
与断面总水头
不同（因一般
），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；
2.普通测压管（表2.1未标*者），用以定量量测测压管水头。
实验流量用阀13调节，流量由体积时间法（量筒、秒表另备）或重量时间法（电子称另备）测量（以下实验类同）。
三、实验原理
在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。
可以列出进口断面
（1）至另一断面（i=2，3，……，n）
选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出
值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及
，从而即可得到各断面测压管水头和总水头。
四、实验方法与步骤
1.熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。
2.打开调速开关3，将水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。
如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。
3.打开阀13，观察思考：
1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位置水头、压力水头之间的相互关系；3）测点
（2）、（3）测管水头同否？
为什么？
4）测点（12）、（13）测管水头是否不同？
为什么？
5）当流量增加或减少时测管水头如何变化？
4.调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（毕托管供演示用，不必测记读数）。
5.改变流量2次，重复上述测量。
其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。
五、实验成果及要求
1.把有关常数记入表2.1实验装置台号№
水箱液面高程▽0cm，上管道轴线高程▽Zcm。
D1=cm，D2=cm，D3=cm。
表2.1有关常数记录表
测点编号
1*
2
3
4
5
6*
7
8*
9
10
11
12*
13
14*
15
16*
17
18*
19
管径cm
两点间距cm
4
4
6
6
4
13.5
6
10
29
16
16
注：
（1）测点6、7所在断面内径为D2，测点16、17为D3，余均为D1。
（2）标“*”者为毕托管测点（测点编号见图2.2）。
（3）测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。
2.量测
并记入表2.2。
表2.2测记
数值表（基准面选在标尺的零点上）单位：
cm
测点
编号
2
3
4
5
6*
7
8*
9
10
11
12*
13
14*
15
16*
17
18*
19
t
s
V
cm3
Q
cm3/s
实验次序
1
2
3
3.计算流速水头和总水头。
4.绘制上述测试结果中最大流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P（轴向尺寸参见图2.2，总水头线和测压管水头线绘在图2.2上）。
提示：
1.P-P依表2.2数据绘制，其中测点10\11数据不用；
2.E-E线依表2.3
（2）数据绘制，其中测点10、11数据不用；
3.在等值径管段E-E与P-P线平行。
图2.2（水头线）测试结果
表2.3计算数值表
（1）流速水头
管径d
（cm）
Q=（cm3/s）
Q=（cm3/s）
Q=（cm3/s）
A
（cm2）
v
（cm/s）
（cm）
A
（cm2）
v
（cm/s）
（cm）
A
（cm2）
v
（cm/s）
（cm）
（2）总水头
单位：
cm
测点编号
2
3
4
5
7
9
13
15
17
19
Q
（cm3/s）
实
测
次
序
1
2
3
六、成果分析及讨论
1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？
为什么？
2.流量增加，测压管水头线有何变化？
为什么？
3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？
4.试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪些技术措施？
分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压力的影响情况。
5.毕托管所显示的总水头与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。
雷诺实验
一、实验目的要求
1.观察层流、紊流的流态及其转换特征；
2.测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；
3.学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实际意义。
二、实验装置
本实验的装置如图3.1所示。
图3.1自循环雷诺实验装置图
1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.有色水水管；
6.稳水孔板；7.溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。
供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持轻微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。
本恒定水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短3~5分钟。
有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。
为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。
三、实验原理
；
四、实验方法与步骤
1.测记本实验的有关常数。
2.观察两种流态。
打开调速器3的开关使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，使颜色水流入实验管内并使颜色水流成一直线。
通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。
3.测定下临界雷诺数
（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小，当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；
（2）待管中出现临界状态时，用体积法测定流量；
（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2000）比较，偏离过大，需重测；
（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；
（5）同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。
注意：
a.每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；
b.在关小阀门过程中，只许逐渐关小，不许开大；
c.随出水流量减小，应适当调小调速器3的开关（右旋）使供水量减少，以减轻由溢流量引发的扰动。
4.测定上临界雷诺数。
逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1~2次。
五、实验成果及要求
1.记录、计算有关常数：
实验装置台号№
管径d=cm，水温t=℃计算常数K=s/cm3
运动粘度
cm2/s
2.整理、记录计算表
表3.1记录计算表
实验
次序
颜色水线
形态
水体积
V（cm3）
时间
T（s）
流量
Q（cm3/s）
雷诺数
Re
阀门开度增
（↑）或减（↓）
备注
1
2
3
4
5
实测下临界雷诺（平均值）
=
注：
颜色水形态指：
稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开。
六、实验分析与讨论
1.流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？
2.为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？
实测下临界雷诺数
与公认值偏离多少？
原因何在？
3.雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？
4.为什么在测定Rec调小流量过程中，不许有反调？
5.分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？
沿程阻力实验
一、实验目的要求
1.加深了解园管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律；
2.掌握管道沿程阻力系数的量测技术和应用气—水压差计及水—水银多管压差计测量压差的方法；
3.将测得的Re~λ关系值与莫迪图对比，分析其合理性，进一步提高实验成果的整理和分析能力。
二、实验装置
本实验的装置如图4.1所示。
图4.1自循环沿程阻力实验装置图
1.高压恒定自动供水器；2.实验台；3.回水管；4.供水管与供水阀；5.旁通管与旁通阀；
6.测压计；7.水压差计；8.水银压差计；9.滑动测量尺；10.实验管道；
11.水封器；12.测压点；13.实验流量调节阀。
根据压差测法不同，有两种型式：
型式Ⅰ压差计测压差。
低压差用水压差计量测；高压差用水银多管式压差计量测。
装置简图如图4.1所示。
型式Ⅱ电子量测仪测压差。
低压差用水压差计量测；而高压差用电子量测仪（简称电测仪）量测。
与型式Ⅰ比较，该型唯一不同在于水银多管式压差计被电测仪（图4.2）所取代。
本实验装置配备有：
1.自动供水泵与稳压器
自循环高压恒定全自动供水器3由离心泵、自动压力开关、气—水压力罐式稳压器等组成。
压力超高时能自动停机，过低时能自动开机。
为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影响，离心泵的输水是先进入稳压器的压力罐，经稳压后再送向实验管道。
图4.2电测仪
1.压力传感器；2.排气旋钮；3.连通器；4.主机
2.旁通管与旁通阀
由于本实验装置所采用水泵的特性，在供小流量时有可能时开时停，从而造成供水压力的较大波动。
为了避免这种情况出现，供水器设有与蓄水箱直通的旁通管（图中未标出），通过分流可使水泵持续稳定运行。
旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门，即旁通阀，实验流量随旁通阀开度减小（分流量减小）而增大。
实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要阀门之一。
3.水封器
为了简化排气，并防止实验中再进气和误操作引起的水银外溢。
在水银压差计的连通管上装有水封器，水封器由2只充水（不满顶）的密封立筒构成（图4.1）。
4.电测仪
由压力传感器和主机两部分组成。
经由连通管将其接入测点（图4.2）。
压差读数（以米水柱为单位）通过主机显示。
三、实验原理
由达西公式
得
（4.1）
另由能量方程对水平等直径园管可得
（4.2）
压差可用压差计或电测仪。
以于多管式水银压差有下列关系：
*
（4.3）
式中，
、
分别为水银和水的容生：
为汞柱总差。
四、实验方法与步骤
准备Ⅰ对照装置图和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理：
检查蓄水箱、水位是否够高及旁道阀5是否全部打开。
否则予以补水并关闭阀门：
记录有关常数：
工作管内径d和实验管长L（标志于蓄水箱）。
准备Ⅱ启动水泵，本供水装置采用的是自动水泵，接通电源，全开阀5，打开供水阀4，水泵自动开启供水。
如关闭阀5和供水阀4，则水泵无法正常运转，且会对电机造成损坏。
准备Ⅲ调试量测系统。
（1）通水、排气对各有关量测仪及其连通管按下列程序充水排气；
实验管道将旁通阀5，供水阀4和出水阀13全开，将气体排出后，关闭出水阀13。
水压差计关闭阀13，全开阀5，松开（水压计连通管）止水夹，开启阀4，旋开倒U型管旋钮F1（图4.1）（待测管升至一定高度，再按下列步骤适当降低。
以保证有足够的量程），全关阀4，（待倒U型管水位降至测尺值22cm左右）拧紧F1。
压力传感器关闭阀13，开启阀4，打开排气旋钮F2（图4.2），待旋孔溢水再拧紧。
（2）校核关闭阀13，全开阀4和阀5，检查水压差计两测管中水位平否？
否则近上述步骤重新排气。
实验量测
（1）调节流量实验可按流量由小到大依次进行：
微开阀13（阀5已全开），使流量逐次增大，其增量，在流量较小时，用水压差计水柱关△h控制，每次增量可取△h=4~6mm。
初次小些。
按些增量作5个点，第6个点使水压差计达到最大压差。
大流量通过渐关旁通阀，调大压差，量测改用电测仪，流量增量改用电测仪计数控制。
电测仪读数为△hm， 第一次读数（即第7个点）为200cm左右，每次增加200cm，做到第9个点，第10个点也就是最后一个点，使旁通阀5全关，电测仪达到最大读数。
（1）注意：
①当换用电测仪时，务必夹紧水压差计连通管；
②流量每调一次，均需稳定2~3分钟，流量愈大，稳定时间愈长；
③每次测流时段不小于8~10秒（流量大可短些）；
④要求变更流量不少于10次。
（2）依次测定压差计测管（或电测仪）读数、相应流量和温度（温度表应挂在水箱中）。
（3）结束工作
①关闭阀13，检查△h=0及△hm=0与否。
否则表明压差计已进气，需重做实验；
②关闭阀4，切断电源。
五、实验成果及要求
1.有关常数。
实验装置台号№
圆管直径d=cm。
量测段长度L=85cm。
2.记录及计算（见表4.1）。
3.绘图分析*绘制lgv~lghf曲线，并确定指数关系值m的大小。
在厘米纸上以lgv为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的lgc~lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。
求厘米纸上直线的斜率
将从图上求得的m值与已知各流区的m值（即层流区m=1，光滑管流区m=1.75，粗糙管紊流区m=2.0，紊流过渡区1.75
表4.1记录及计算表常数
cm5/s2
次序
体积
（cm3）
时间
s
流量
Q
（cm3/s）
流速
v
（cm/s）
水温
℃
粘度
ν
（cm2/s）
雷诺数
Re
比压计读数
沿程损失
hf
cm
沿程损失
系数λ
Re<2320
h1
h2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
六、实验分析与讨论
1.为什么压差计的水柱差就是沿程阻力损失？
如实验管道安装成倾斜，是否影响实验成
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