皮托管测流速和文丘里流量计测流量要点.docx

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皮托管测流速和文丘里流量计测流量要点

目录

实验须知

实验一实验二实验三实验四实验五实验六实验七实验八

烟气流线实验………………………………………………………2液体流线实验………………………………………………………4皮托管测流速和文丘里流量计测流量………………………6流量计流量系数的测定方法……………………………………10雷诺实验……………………………………………………………11能量方程实验………………………………………………………13圆管沿程阻力和局部阻力实验…………………………………15动量方程实验………………………………………………………18

实验一烟气流线演示实验

一、实验目的

烟风洞是利用烟流法观察空气流过物体周围的流动图形。

二、实验原理

图一是烟风洞中的翼型绕流的流谱，其特点是：

气流过翼型时，烟流变密，流速加大，压力降低。

翼型前部烟流分叉的地方是驻点，在该处流速等于零。

在翼型尾部某一区域，烟流被冲散，反映流动极不规则，这里是旋涡区。

随着冲角的加大，上下翼面烟流的稀密程度相差愈大。

翼面上面速度V大，压力P小，产生吸力。

翼面下面速度V小，压力P大，产生压力。

飞机的升力是由压力差产生的。

当冲角大于某一值时，气流从翼型前缘就开始分离，旋涡区过于扩大，这时升力迅速降低，阻力急剧增加，这种现象称为“失速”。

此时的冲角称为“失速冲角”。

低速翼型的失速冲角一般在15º~20º。

流线密集

图一翼形绕流的流谱

三、设备如图二

图二烟气流线仪简图

四、实验步骤

1.点燃卫生香，使其产生烟流。

2.打开日光灯，调整机翼的冲角，使其中一根流线对准零度角，形成驻点，

使其速度V=0；

3.打开仪器风扇，使风洞内的空气流通，导直烟流；

4.改变冲角、观察烟流的变化；

5.将冲角调整至15º~20º。

五、烟风洞实验现象观察

烟风洞实验演示的是流线在空气中的形状和性质。

流线的概念：

流线是某一特定时刻，在流场中所作的空间曲线，线上的每一点处，

质点在该时刻的速度矢量都与曲线相切。

通过观察了解流线的如下性质：

1.不相交，否则位于交点处的质点将有两个速度矢量，这是不可能的。

2.流线不是折线，必须是光滑曲线。

原因同上。

3.流线密集的地方流速大，流线稀疏的地方流速小。

这类似于磁场中的

磁力线。

4.非恒定流中，流线随时间的变化而变化，在恒定流中，流线不随时间的

变化而变化，与迹线重合。

但是，在有些特定的条件下，如速度为零或为无穷大处，即驻点或奇点处，

流线是相交的。

在本实验中，我们看到机翼模型的上面流线密集，机翼模型的下面流线稀

疏，可以得到流速上大下小的结论。

根据能量方程，可以知道机翼上面的压力小于机翼

下面的压力。

这一压力差就是机翼的升力。

附：

实验报告要求

1．实验名称

2．实验目的

3．实验装置

4．实验原理

5．实验记录及结果计算（表格）

6．实验结论

实验二液体流线演示实验

一、实验目的

将带有泡沫的液体加在水箱中，当其流过导液栅后形成许多平行的流线，把相应的不同形状的固体试件放在水槽中，以观察其流线绕经不同固体壁面的变化，从而加深对理论课中的流线、迹线、压强分布、阻力产生的原因等内容的理解和认识。

二、实验原理

液体流线仪可直观的观察流线绕经不同固体壁面（如机翼、圆柱体桥墩、突扩、突缩管道断面）时流线的变化情况，如流线的疏密程度、扭曲变形现象及程度、旋涡、死区等，见图一。

图一模型绕流的流谱

三、实验设备

实验设备由水箱、水泵、梳形输水管、水槽、试件、回水箱、回水管、实验桌组成。

见图二：

图二液体流线仪简图

四、实验步骤

1.向水箱内加入少量洗涤剂并加水；

2.接通电源；

3.调节水槽下游底面的两个调整旋钮，使液体流出的厚度均匀、流线平直；

4.放入试块；

5.观察流线变化情况，调整流量调节阀使流线达到演示要求。

五、思考题

1.什么是流线？

2.什么是迹线？

3.叙述你所观察到的现象和所说明的问题．

实验三皮托管测流速和文丘里流量计测流量

1.实验目的

学习用皮托管测流速和文丘里流量计测流量的方法

2实验原理

（1）皮托管测量运动流体某点的流速

皮托管是用以测量运动流体中某点流速的仪器。

其理论依据是，在流管中沿流向取两彼此靠近的两点1和2点。

在2点安装一正对流向并弯成900的弯管。

当1点和2点无限靠近时，通过伯努利方程可得计算流速的公式：

u=

2g（pB−pA）

=2g∆h

考虑到实际流体的粘性和流管的加工质量和粗糙度对流速的影响，引入流速系数ζ进行修正。

从而皮托管流速计的流速计算公式为：

u=ς2g∆h

其中,

ς是皮托管修正系数，通常取ς＝0.998；pA是1点的静压强，pB是2点的总压强，

；∆h是压差板显示的1点和2点对应的液柱包括静压强和动压强；g是重力加速度（m3/s）高差；γ是测压管中流体重度（kg/m3）。

（2）文丘里流量计测流体流量

文丘里流量计是测量管路中流体流量的仪器，由渐缩管、喉管和渐扩管组成。

分别在渐缩管和渐扩管中轴线上取1点和2点。

在过1点和2点的两过水断面上列伯努利方程，并考虑一元管路流动的连续性方程，可得流速：

2g[（z1+v1=

（

其中

p1

γ

−（z2+

p2

γ

）=

（

2g∆hd

−1）d

2g（

4142

d

−1）d

4142

=C∆h

C=

d

−1）d

4142

从而可得流量计算公式：

Q=A1v1=

其中

πd12

4

C∆h=K∆h

K=

πd12

4

（

2gd

−1）d

4142

3实验装置

流体力学综合试验台为多用途实验装置，其结构示意图如图1所示：

图1流体力学综合实验台

利用这种试验台可进行下列实验：

一皮托管测流速和文丘里流量计测流量

二流量计流量系数的测定方法

三雷诺实验

四能量方程实验

五管路阻力实验

1沿程阻力实验

2局部阻力实验

4实验方法与测试数据

文丘里和孔板流量计的流量系数测定可同时进行，做这两种实验时要关闭其他阀门，以免分流。

检查各阀门的开闭状态无误后，即可启动水泵，是水循环。

同时，调节流量，把导压管中的气体排出，以保证测压准确。

待液体流动平稳后，方能进行测压和流量计量。

调节流量，进行不同流量工况下的测试。

在记下孔板流量计和文丘里流量计的流量和压差后，即可以读取皮托管的测试数据，将测试的数据记在表1中。

实验装置的几何参数

文丘里管：

直径d2=m，d1=m，面积A＝m2

孔板流量计：

直径d2=m，d1=m，面积A＝m2

表1：

测试数据记录

5测试误差的消除

皮托管所测的是管道截面上某一点的流速，故用以探测截面上的速度分布最为适宜。

若要测定截面的平均速度，应测定管中心之壁间若干点的速度，然后用图解积分法求其平均值。

测试时，可把管子断面积分成几个等面积的同心环，然后测量液体流入次环的平均流速。

平均流速的所在点是取在平分这个环面积的圆周上，由于一般流速分布并不完全对称，所以，在每个环中测两个对称点而平均之。

等面积同心圆同心环的分法如下：

要分成n个同心环，因πR=nπr1，所以r1=

2

2

122R；又因为πr2=2πr1和n

πr32=3πr12等等，可得r2=R和r3=R。

图2所示为分为3个等面积的同心环，沿3个环的直径线上测6个测点的流速，然后求出总的平均流速：

1

u=[（u1+u6）/2+（u2+u5）/2+（u3+u4）/2]×

3

=（u1+u2+u3+u4+u5+u6）/6

若要测量平均流量：

Q=

u1+u6Au2+u5Au3+u4A

×+×+×232323

=[u1+u2+u3+u4+u5+u6]A6

式中A为管横截面积。

图2等分同心圆环

实验四流量计流量系数的测定方法

1.实验目的

确定文丘里及孔板流量计的流量系数测定

2.实验原理

由于流体流经的管路的材料、几何尺寸、管壁粗糙程度、流体粘度以及流动速度等的影响，使得按理论公式计算得出的流量值大于实际管路流经的流量。

实际工作中用流量系数进行修正。

流量系数定义为实际流量Q1与理想流量Q2即计算流量的比值：

ς=Q1/Q2

其中，Q1为实际流量，实验中可用量桶和计时秒表测得。

Q2为计算流量。

其计算式为：

Q2=

πd12

4

2g∆h

d14

（4−1）d2

=K∆h[m3/s]

其中

K=

πd12

4

（

2g

d

−1）d

4142

式中d1，d2分别为流量计两侧管路的直径。

3实验方法与测试数据

文丘里和孔板流量计的流量系数测定可同时进行，做这两种实验时要关闭其他阀门，以免分流。

检查各阀门的开闭状态无误后，即可启动水泵，使水循环。

同时，调节流量，把导压管中的气体排出，以保证测压准确。

待液体流动平稳后，方能进行测压和流量计量。

调节流量，进行不同流量工况下的测试，将测试的数据记在表2中。

实验装置的几何参数

文丘里管：

直径d2=m，d1=m，面积A＝m2表2

实验五雷诺实验

1.实验目的

1）观察流体在管道中的流动状态；

2）测定几种状态下的雷诺数；

3）了解流态与雷诺数的关系；

2.实验原理

流体在不同条件下，具有两种不同的流态，即层流和紊流。

流体的流态可以用雷诺数表υd示。

雷诺数的定义为：

Re=ν

其中v是流体流速，单位m/s，d是管路直径，单位m，ν是流体运动粘度，单位m2/s。

对于圆管路，Re>2320，流体处于紊流状态，当Re<2320，流体处于层流状态。

水的运动粘度与温度的关系，通过大量的实验总结出经验公式：

ν=0.01781+0.0337t+0.000221t2

−53其中ν为运动粘度，厘米2/秒，t是水温，oC。

也可以通过查表得到。

实验数据的处理举例：

某一工况下体积流量Q为3.467×10m，雷诺实验管内径

d=0.014m，实验时的水温为5℃，计算出或查出相应的运动黏度ν=1.159×10−6/sQ3.467×10−5流速υ===0.225m/sπ/4）×0.014]F

雷诺数Re=υ×d=0.014×0.=2075.159×10−6

根据实验数据和计算结果，可绘制出雷诺数和流量的关系曲线，见图3。

不同温度下，

其曲线的斜率不同。

图3雷诺数与流量的关系曲线

3.实验装置

在流体力学综合试验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱，雷诺实验管，阀门，伯努力（能量）方程实验管道，颜料水（兰墨水）瓶（及其开关），上水阀，水泵和计水量箱等，并自备秒表及温度计。

4.实验前的准备

1）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，使水箱的水位能保持不变。

2）用温度计测量水温

5.实验方法与测试数据

（1）观察流态

打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针中流出，颜料水和雷诺实验管中的水将迅速混合成均匀的颜色水，此时，雷诺实验管中的水为紊流；随着出水阀门的不断关小，颜料水与雷诺实验管中水的掺混程度逐渐减弱，直至颜料水在雷诺实验管中成一条清晰的线流，此时，雷诺实验管中的水为层流流动，成为层流。

（2）测定几种状态下的雷诺数

全开出水阀门，再逐渐关闭出水阀门，直至能使雷诺试管内颜料水处于层流状态。

然后，按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。

（3）测定下临界雷诺数

调整出水阀门，使雷诺试管的水处于紊流状态，然后缓缓地逐渐关小阀门，观察管内颜色水流动的变动情况，当关小到某一开度时，管内的颜料水流动开始成为一条直的线流，此时，即为由紊流转变成层流的下临界状态。

记下此时的相应的数据，填入表3中，便可求出下临界雷诺数。

（4）观察层流状态下的速度分布

关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关下的胶管二到三下，使颜料水在一小段管内扩散到整个断面，然后，再微微打开水阀门，使管内呈层流状态流动，这时，就可以看到水在层流流动时呈抛物线状，演示出管水流流速的分布。

表3

实验六能量方程实验

1.实验目的

（1）观察流体流经能量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）掌握一种测量流体速度的原理。

2.实验原理

单位重量不可压缩粘性流体总流的伯努利方程为：

z1+

p1

γ

+

α1v12

2g

=z2+

p2

γ

+

2α2v2

2g

+hl

其中每一项都有相应的能量意义和几何意义。

z为流体流经给定点时所具有的位置高度，称为位置水头；p/γ为流体流经给定点时所具有的压强高度，称为压强水头；αv2/2g为流体流经给定点时所具有的动能，称为速度水头，α为动能修正系数，实际工作中取值为1。

hl为单位重量流体在流动过程中所损失的机械能，称为能量损失水头。

皮托管求点速度的公式为：

υB=

2g∆h

Q

而管内的平均流速可以通过流量来确定，平均流速公式为：

υ=

3.实验装置

流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上下水箱，能量方程实验管，雷诺实验管，上水阀门，水泵，测压板（图中未绘出）和计量水量等。

4.实验前的准备工作

开启水泵，全开上水阀门使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱水位能保持不变，有少量溢流。

5.实验方法与测试数据

（1）能量方法实验

调节阀门至一定开度，测量能量实验管内的四个断面四组测压管液柱高度，并利用计量水箱和秒表测定流量。

改变阀门的开度，重复上述方法进行测试。

将这些数据记入表4中。

表4：

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

备注

左

（1）右

（2）左（3）右（4）左（5）右（6）左（7）右（8）

1

液柱高度位置水头压强水头速度水头总水头能量损失水头2

液柱高度位置水头压强水头

速度水头总水头能量损失水头

能量方程管径（mm）

根据测试数据和计算结果，在图4中绘出某一流量下伯努利方程的各种水头线，并运用能量方程进行分析，解释各测点各种能头的变化规律。

可以看出，能量损失沿着流体流动方向是增大的；6点与8点比较，两点管径相同，所以动能头基本相同，但8点处的压力能头比6点处增大了，这是由于位置能转化而来的；2点与4点与比较，其位置能头相同，但4点处点比2点的压力能头大，这是由于管V径变粗；速度减慢，动能头转变为压力能头；4点与6点比较，位置能头相同，但压力能头小了，可以明显看出，是压力能头转化为速度能头了。

实验结果还清楚地说明了连续方程，对于不可压缩流体稳定流动，当流量定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。

图4水头坡度图

2）测速

能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当于一个皮托管，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。

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。

测试的结果可记入表5中，如果用皮托管求出所在截面的理论平均流速，可根据该截面中心处的最大流速.雷诺数与平均流速的关系，参考有关流体力学求出。

表5：

轴心速度u（m/s）平均速度υ（m/s）速度比u/υ

Ⅰ

d1=mm

Ⅱ

d2=mm

Ⅲ

d3=mm

Ⅳ

d4=mm

实验七管路阻力实验

1.实验目的

1）观察和测定流体稳定地在的等直管道中流动及通过阀门时的能量损失情况。

2）掌握管道沿程阻力系数和局部阻力系数的测定方法。

3）了解阻力系数在不同流态，不同雷诺系数下的变化情况。

2.实验原理

粘性流体在管路中流动受到两种阻力，即沿程阻力和局部阻力，产生相应的两种能量损失，这两种损失分别用沿程阻力损失和局部阻力损失表示。

（1）沿程阻力损失

根据沿程阻力损失∆hf计算沿程阻力系数λ；

∆hf=λ×L/d×υ2/2g

λ=2gd/L×υ2×∆hf=2gπ2d5/16LQ2×∆hf

式中：

d—试验管道内径，单位m

L—试验管道实验段长度，单位m

Q—试验时的体积流量，单位m3

相应的雷诺数：

Re=υd=4Qddν2=1.273Qν

式中：

ν实验工况下水的运动黏度，单位m2/s

υ试验工况下水流的平均流速，单位m/s

（2）局部阻力损失

进行此项实验时，被阀门两侧的压力信号在侧压板所指的液柱差∆hj，表示出流体经门时的能量损失，由此，即可确定该阀门的局部阻力系数ς；

ς=2g∆hj/ν2

3.实验前准备工作

将实验各阀门置于关闭状态，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。

1）等直径管道沿程阻力实验

①开启水泵待压差稳定后，读取有关数据，填入表6中。

因此，调节不同的流量，进行不同的流量下的测试。

②实验数据处理和分析

将实验结果绘制在坐标系中，可以看出，在Re〈2000（LgRe=3.3）时，所得实验数据均落在直线λ=导结果一致。

在2000

因为在此区间，流态可能是层流，也可能是紊流，是个过度区，从而出现这种现象。

附近，此时λ仅与Re有关，而与管壁的粗糙度无关，这与理论的推

当4000〈Re〈8000（3.6

0.25

附近，这与拨拉休斯（HBlasius）给出的计算公式相吻合，这是因为实验管段采用的焊接钢管，当量粗糙度为0.04—0.1。

由于水泵及试验台结构的限制，不能作出高雷诺数Re与不同粗糙度管子阻力系数的关系。

2）阀门阻力实验

实验管的阀门为被测阀门，压力损失信号出导压管引入压差板。

调节不同流量，把测量不同的流量下的能量损失及有关的数据记入表6中。

进行计算后，即可获得阀门的阻力系数及其与雷诺数的关系。

注意：

1）用水柱压表计测量能量损失时，由于压差不稳定而容易产生误差，特别是在小流量，小压差下，误差会更大，因此要多做几个工况才能准确。

2）实验时，开关阀门要缓慢，否则会使紊流状态提前出现，从而影响实验结果。

表6

实验八动量方程实验

一、实验目的

通过以下两种方法验证恒定流量方程。

１、射流对水箱的反作用力；

２、射流对平板的作用力。

二、实验装置（如图一）

图一实验装置简图

1．实验水箱2.控制喷嘴3.高位水孔4.低位水孔5.砝码6.转动轴承7.档板8.固插销9.水平仪10.喷嘴11.水泵12水箱13挡水板14实验台支架

三、实验原理及步骤

1、射流对水箱的反作用力

1）原理：

以水箱水面I—1，出口断面II—II及箱壁为控制面，对Ｘ轴列动量方程：

式中：

RX—水箱对水流的反作用力（N）；∑FX=RX=ρQ（a02v2X−a01v1X）

ρ—水的密度（kg/m）；

Q—流量（m/s）；

a02、a01—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—出口断面的平均流速在X轴的投影（m/s）；

由对转轴计算力矩M=RX*L=ρQvL=4ρQL/πd

式中：

L—出口中心至转轴的距离（m）；

d—出口直径（m）；

v—出口流速（m/s）。

移动平衡砝码得到实测力矩MO：

MO=G*∆S（N・m）；

式中：

G—平衡砝码重量（N）；

∆S—∆S=S－SO（m）；

SO—未出流时（静态）平衡砝码至转轴的距离（m）；

Ｓ—出流时（动态）砝码至转轴的距离（m）；

2）实验步骤

⑴开启进水阀门，将水箱冲满水，关小阀门，使之保持较小溢流；

⑵拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（静态）砝码位置SO；⑶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；⑷拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（动态）砝码位置S；⑸用体积法测量流量，计算流速。

3）注意事项

⑴调节前必须将插销插上；

⑵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

1）原理

取喷嘴出口断面I—I为射流表面，以平板出流的截面II—II为控制面，对X轴列动量方程：

2233∑FX=RX=ρQ（a02v2X−a01v1X）

式中：

RX—平板对水流的反作用力（N）；

v1X—喷嘴出口平均流速在X轴的投影，即流速（m/s）；v2X—II—II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=RX*L1=ρQvL1=4ρQL1/πd（N・m）式中：

L1—水流冲击点至转轴的距离（m）；d—喷嘴的内径（mm）；

v—喷嘴出口的平均速度（m/s）。

添加砝码得到实测力矩MO：

MO=G*L2式中：

G—砝码重量（N）；

L2—砝码作用点到转轴的距离（m）。

2）实验步骤

⑴在拉链端部加重量50克的砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持平衡位置，记下码位置，用体积法测流量；

⑵改变砝码重量，重复步骤➀。

3）注意事项

⑴应缓慢开启和调节阀门；⑵注意单位换算。

四、实验记录及结果计算：

1、水箱法：

仪器常数d=mm，L1=m，SO=m，G=N

S∆S（m）

S-S0

M0=G*∆S（N*M）

t（s）

Q（m/s）

32

2

V（m/s）

M0M（%）

V

（m）

3

RX=

PQv（N）

M=

RXL（N·

高1

孔2低1

孔2

2、平板法：

仪器常数：

d=mm,L1=m,L2=mG=N

M0=G*L2（N）

（N・M）

V（m）

3

G

t（s）

Q（m２/S）

v（m/s）

RX=PQv（N）

M0/M（%）

M=

RXL1（N・m）

123

五、思考题：

分析用动量定律求得：

力和实测值之间产生误差的原因。