流体力学实验指导书工程力学.docx
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流体力学实验指导书工程力学
前言
流体力学实验是学习流体力学课程的一个重要环节。
当我们感到流体力学的理论、公式难于理解和掌握的时候，实验将帮助我们解决一个又一个难题。
学完这门课之后的若干年，可能对流体力学的理论、公式的记忆已很淡薄，但一些实验方法、测试技术仍然记忆犹新，由此可见实验对于课程学习的重要作用。
事实上，实验方法与理论研究和数值计算一样都是流体力学研究的基本方法。
实验不但能检验理论和计算是否正确，还可以发现新的流动现象，探索新的理论方法。
实验技能是每一个科学工作者和工程技术人员的基本素质。
流体力学实验室为开放型实验室，全天为学生开放，只需提前三天预约即可。
为了保证实验的教学质量。
要求学生做到以下几点。
1、实验之前必须预习实验指导书及有关理论，了解实验的目的，仪器设备、实验原理、实验方法、操作规程及数据处理等等。
上实验课时，接受指导教师检查。
预习不合格者，不能参加实验。
2、在实验室中，要专心致志，遵守纪律，接受教师的指导与管理。
3、实验小组要协调一致，既要取得准确的测量数据，又要使每个学生掌握实验中的各个测试环节。
4、当场计算实测数据，以便检查实验的正确性。
5、实验观测完毕，应将仪器设备恢复为启用前的状态，请教师检查后才能离开实验室。
6、在实验过程中，如遇仪器设备工作不正常，应立即报告教师，在教师指导下排除故障，不得擅自拆卸。
7、爱护仪器设备，细心操作，倘有损坏，应立即报告教师，按规定处理。
8、实验后的一周内，提出个人的实验报告送教师审批。
要求报告书写工整，图表清晰、结果正确；有不符合要求者，应与实验室联系重新补做。
流体力学实验室
2012年春
实验一雷诺实验
（一）实验目的
1、观察液体在层流和紊流状态时流体质点的运动规律。
2、观察流体由层流变为紊流及由紊流变为层流的过渡过程。
3、测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数
。
（二）实验装置
图2—1雷诺实验仪
1—装红颜色水的水箱2—软管
（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，保持水箱的水位恒定，即水头H不变。
如果管路中出水阀门C开启较小，在管路中就有稳定的平均流速V，微启红颜色水阀门B，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。
如果将出水阀门C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，液体的流动呈临界状态。
如果将出水阀门C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。
流量Q用体积法测出，即在Δt时间内流入量筒中流体的体积ΔV。
式中：
管路的横截面积：
A
管路直径：
d=27mm
流速：
V
水的运动粘性系数：
υ
在实际工程中，上临界临界流速没有实际意义，一般指的临界流速即指下临界流速。
对应于临界流速的雷诺数称为临界雷诺数，通常用
表示。
大量实验表明，尽管在不同的管道、不同的液体以及不同的外界条件下，其临界雷诺数有所不同，但通常情况下，临界雷诺数总在2300附近，即
当管中雷诺数小于临界雷诺数时，管中流动处于层流状态，反之则为紊流。
（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、缓慢开启出水阀门C，使玻璃管中的水稳定流动，并开启红颜色水阀门B，使颜色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。
3、开大出水阀门C，注意观察层流、过渡状态、紊流时颜色水状态。
4、使颜色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出水阀门C，观察玻璃管中颜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。
重复三次，即可算出下临界雷诺数。
（五）实验记录与计算
表2—1
流量变化
实验序号
流量Q（L/S）
颜色水形态
流态
由小变大
1
2
3
4
5
由大变小
1
2
3
4
5
表2—2实验台编号：
次数
ΔV
t（s）
Q（m3/s）
V（m/s）
1
2
3
水温=℃；运动粘性系数υ=m2/s；
（六）思考题
1、实验时为什么要保持溢流状态？
2、比较实测的临界雷诺数和工程上采的临界雷诺数，分析误差原因。
实验二沿程阻力实验
（一）实验目的：
1、测定不同雷诺数Re时的沿程阻力系数λ
2、掌握沿程阻力系数的测定方法
（二）实验装置：
图3-1是本实验装置，它由供水器、实验管段、流量计、测压计组成。
图3-1
（三）实验原理：
对Ⅰ、Ⅱ两断面列能量方程式，可求L长度上的沿程水头损失
根据达西公式：
用流量计测得流量，（仔细阅读流量计使用方法），并算出断面平均流速，即可求得沿程阻力系数λ
（四）实验步骤
1、了解实验装置各组成部分的作用及工作原理，记录有关常数。
2、启动水泵：
接通电源，打开阀门后水泵会自动供水。
3、调节进水阀门，去除连接管中的气泡。
4、调节流量、记录数据：
用流量计量测流量，流量由小逐渐增大。
共测十次（十次所测量的数据应该从最小到最大）。
记录压差计读数、流量、水温。
5、实验结束后，要切断电源，关闭阀门。
（五）实验记录与计算
1、沿程阻力系数测定实验记录与计算表
实验日期：
实验装量台号：
圆管直径d=m管段长度L=m水温t=0c
水的运动粘性系数
=m2/s
表3-1
测量
次数
测压计读数
H1（m）
测压计读数
H2（m）
△H
（m）
流量
Q3（m3/s）
流速V
（m/s）
雷诺数
Re
λ
1
2
3
.
10
2、作入Re关系曲线，并与莫迪图对比，分析实验结果。
图3-2λ～Re关系曲线
实验三管道局部阻力实验
（一）实验目的
1、掌握测定管道局部水头损失系数
的方法。
2、将管道局部水头损失系数的实测值与理论值进行比较。
3、观测管径突然扩大时旋涡区测压管水头线的变化情况和水流情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况。
（二）实验设备
实验设备及各部分名称如图4--1所示。
图4--1局部阻力实验仪
（三）实验原理
由于边界形状的急剧改变，水流将与边界发生分离并出现旋涡，同时水流流速分布发生变化，因而将消耗一部分机械能。
由边界形状的急剧改变所消耗的部分机械能，以单位重量液体的平均能量损失来表示，即为局部水头损失（忽略沿程水头损失）。
边界形状的改变有过水断面的突然扩大或突然缩小、弯道及管路上安装的阀门等。
局部水头损失常用流速水头与一系数的乘积表示：
式中：
––––局部水头损失系数。
系数
是流动形态与边界形状的函数，即
=f（Re，边界形状）。
一般水流Re数足够大时，可认为系数
不再随Re数而变化，而看作常数。
目前仅有管道突然扩大的局部水头损失系数可采用理论分析，得出足够精确的结果。
其他情况则需要用实验方法测定
值。
突然扩大的局部水头损失可应用动量方程、能量方程以及连续性方程联合求解得到如下公式：
，
或
，
式中：
A1和v1分别为突然扩大上游管段的断面面积和平均流速；A2和v2分别为突然扩大下游管段的断面面积和平均流速，其中
。
（四）实验步骤
1、熟悉仪器，记录管道直径D和d。
2、检查各测压管的橡皮管接头是否漏水。
3、启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。
4、检查尾阀K全关时测压管的液面是否齐平，若不平，则需排气调平。
5、慢慢打开尾阀K，调出在测压管量程范围内较大的流量，待流动稳定后，记录各测压管液面高度，用体积法测量管道流量。
6、调节尾阀改变流量，重复测量三次。
注意事项：
1、实验数据必须在水流稳定后方可进行记录。
2、计算局部水头损失系数时，应注意选择相应的流速水头；所选择的量测断面应选在渐变流上，尤其下游断面应选在旋涡区的末端，即主流恢复并充满全管的断面上。
（五）实验记录与计算
表4--1管道局部水头损失实验数据记录及计算表
大管道直径D=cm；小管道直径d=cm；实验台编号：
测量次数
1
2
3
4
5
6
体积w
（cm3）
时间T
（s）
流量Q
（cm3/s）
流速v1
（cm/s）
流速v2
（cm/s）
测压管水头h1
（cm）
测压管水头h2
（cm）
（cm）
（cm）
实测的局部水头损失hj
（cm）
实测的局部水头损失系数
测
实测的局部水头损失系数平均值
测
理论计算的局部水头损失系数
（六）思考题
1、实测hj与理论计算hj有什么不同？
原因何在？
2、当三段管道串联时，如实验装置图4--1所示，相应于同一流量情况下，其突然扩大的
值是否一定大于突然缩小的
值？
3、不同的Re数时，局部水头损失系数
值是否相同？
通常
值是否为一常数？
实验四能量方程演示实验
能量方程（伯诺里方程）是水力学三大基本方程之一，反映了水流在流动时，位能、压能、动能之间的关系。
本实验台可直观地演示水流在不同管径、不同高程的管路中流动时，上述三种能量之间的复杂变化关系。
本实验台由高位水箱、供水箱、水泵、测压板、有机玻璃管道、铁架、量筒等部件组成。
（一）设备简图
（二）实验原理
过水断面的能量由位能、压能、动能三部分组成。
水流在不同管径、不同高程的管路中流动时，三种能量不断地相互转化，在实验管道各断面设置测压管及测速管即可演示出三种能量沿程变化的实际情况。
测压管中水位显示的是位能和压能之和，即能量方程中之前两项：
，测速管中水位显示的是位能、压能、动能之和。
即能量方程中三项之和：
。
将测压管中的水位连成一线，称为测压管水头线，反映势能沿程的变化；将测速管中的水位连成一线，称为总水头线，反映总能量沿程的变化。
两线的距离即为流速水头
本实验台在有机玻璃实验管道的关键部位处，设置测压管及测速管，适当的调节流量，就可把总水头线和测压管水头线绘制于测压板上。
学生在作本实验时应着重掌握：
（1）总水头线和测压管水头线在局部阻力处的变化规律；
（2）总水头线在不同管径段的下降坡度即水力坡度J的变化规律；
（3）总水头线沿程下降和测压管水头线升降都有可能的原理；
（4）用实测流量计算流速水头去核对测压板上两线的正确性；
（5）不同管径流速水头的变化规律。
（三）实验步骤及注意事项
（1）开动水泵，将供水箱内之水抽至高位水箱；
（2）高位水箱开始溢流后，调节实验管道阀门，使测压管、测速管中水位和测压板上红、黄两线一致；
（3）实验过程中，始终应保持微小溢流；
（4）如水位和红黄两线不符，有两种可能：
一是连接橡皮管中有气泡，可不断用手挤捏橡皮管，使气泡排出；二是测速管测头上挂有杂物，可转动测头使水流将杂物冲掉。
（四）记录格式：
NO
▽
（㎝3）
t
（S）
Q
（㎝3/s）
υ
（㎝/s）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
注：
计算所得流速水头值是采用断面平均流速求得，而实测流速水头值是根据断面最大速度得出，显然实测值大于计算值，两者相差约为1.3倍。
（绘图）：
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