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水力学实验623
水力学实验（2013.6.23）
水力学实验指导书
第一部分：
实验装置
一、多功能水力学实验装置
本实验装置由蓄水箱、水泵、恒定水箱、计量水箱以及实验管道、阀门、测压管和实验台等组成，见图1所示。
图1GD-Ⅵ-14型多功能水力学实验装置
二、开出实验
1、雷诺实验；2、沿程阻力实验；3、局部阻力实验；4、文丘里流量实验；5、孔板流量实验
第二部分：
实验部分
实验1：
雷诺实验
一、实验目的
1．观察液体的层流、紊流两种流态，掌握圆管流态转化的规律。
2．测定液体在圆管中稳定流动时的上、下临界雷诺数Rec。
二、实验原理及计算公式
1．实验原理
液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。
当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。
当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。
这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。
液体的流态可用临界雷诺数Rec来判别。
液流型态开始变化时的雷诺数叫做临界雷诺数，有上临界雷诺数和下临界雷诺数。
上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它受实验条件影响较大，大小很不确定，跨越一个较大的取值范围，因此不作为液态的判别标准。
下临界雷诺数表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，大致是一个常数。
通常把下临界雷诺数作为液态的判别标准，简称临界雷诺数。
在雷诺实验装置中，通过有色液体的质点运动，可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。
在层流中，有色液体与水互不混惨，呈直线运动状态，在紊流中，有大小不等的涡体振荡于各流层之间，有色液体与水混掺。
如图a、b、c所示。
2．计算公式雷诺数：
Re?
vd
?
?
4Q4Q?
?
?
d?
?
d?
三、实验方法与步骤
1．测定实验有关的常数。
2．观察两种流态：
打开水泵开关使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀，并有颜色水注入管道内，使颜色水流成一条直线。
通过颜色水质点的运动观察管内水流层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察水流从流层流到紊流变化的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察水流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刚拉成一条直线状态时，即为下临界状态。
每调节一次阀门，均须等待稳定几分钟。
（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。
（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按上述步骤重复测量不少于3次。
（5）同时由水箱中的温度计测记水温，从而查得水的运动粘滞性系数ν。
注意：
流量不宜开得过大以免引起水箱中的水体紊动，若因水箱中水体紊动而干扰进口水流，须关闭阀门静止3~5分钟，再按步骤
（1）重复进行。
4．测定上临界雷诺数（*）
逐步开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当颜色水线刚刚开始散开时即为上临界状态，测定上临界雷诺数次1~2次。
四、资料整理与结果分析
1．记录有关计算常数
雷诺管内径d=14.5mm，水温=℃，水的粘度ν=m2/s
表1.1雷诺实验记录表
五、思考与讨论
1、雷诺数与哪些因素有关？
其意义何在？
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断依据？
实验2：
沿程阻力实验
一、实验目的
1、加深了解圆管层流和紊流的沿程阻力损失随断面平均流速变化的规律。
2、掌握管道沿程阻力系数的测量方法。
3、将测得的-关系值与莫迪图对比，分析其合理性，进一步提高实验结果分析能力。
二、实验原理
图1所示实验装置中，在被测直管段的两测量点之间列伯努利方程式，可得：
?
Pf?
?
P
（1）
Lv2
hf?
（2）?
?
?
gd2g
2d?
Pf?
?
（3）L?
v2
Re?
?
Pf?
.d（4）?
式中：
d—管径，m；
L—管长，m；
v—流速，m/s；
?
Pf?
?
P—直管阻力引起的压差，Pa；
?
—流体密度，kg/m3；
?
—流体运动粘度，m2/s；
?
—摩擦阻力系数；
Re—雷诺数。
三、实验步骤
1．接通电源，检查蓄水箱，水位是否够高，否则予以补水。
2．对整个实验管道及测压管进行充水排气。
3．调节流量调节阀进行实验，可按流量由小到大依次进行：
微开阀门，使流量逐次增大，其增量，用水压差计水柱差Δh控制，每次增量可取Δh=4～6mm（初次还小些），记录两测压点间的液面差以及秒表和计量水箱内水的体积于表2.1中。
四、注意事项
（1）实验过程中，要始终保持恒定流这个条件。
（2）实验过程中，每调节一次流量之后，需稳定2～3min，流量愈小，稳定时间愈长，待流量和测压管压降的数据稳定以后方可记录数据。
（3）每次测流时段不少于8～10s（流量大可短些）
（4）要求变更流量不少于10次。
（5）若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。
五、实验数据整理
1．基本数据
使用的设备编号：
号实验台
圆管直径d=cm，测量管长度L=cm，
水温T=℃，流体运动粘度?
=m2/s
2．实验数据记录与计算，见表2.1。
3．绘图分析绘制lghf?
lgv曲线，并确定指数关系值m的大小。
在双对数坐标纸上以lgv为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的lghf?
lgv曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。
求直线的斜率，将从图上求得的m值与已知各流区的mi值（即层流m=1，光滑管流区m=1.75，粗糙管紊流m=2.0，紊流过渡区1.75<m<2.0）进行比较，确定流区。
六、思考与讨论
1.为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？
如实验管道安装成倾斜，是否影响实验结果？
2.确定本实验的流区。
3.本次实验结果与莫迪图吻合与否？
试分析其原因。
实验3：
局部阻力实验
一、实验目的
1．掌握测量管路中局部水头损失和局部阻力系数的方法。
2．观察分析，掌握局部障碍物前后管道中液体之压力变化的规律。
二、实验原理
根据推导条件列出沿水流方向发生水头损失管段的前后两端面的能量方程（忽略沿程水头损失）。
（1）突然扩大段：
v12
实测值：
hj?
（z1?
?
）?
（z2?
?
），则?
?
hj/
?
2g?
2g2g
p1
?
1v12
p2
?
2v22
A12A2v12v222
理论值：
?
扩大1?
（1?
）或?
扩大2?
（或hj?
?
扩大2?
1），hj?
?
扩大1
A2A12g2g
（2突然缩小段：
v42
实测值：
hj?
（z3?
?
）?
（z4?
?
），则?
?
hj/
?
2g?
2g2g
p3
?
3v32
p4
?
4v42
A4v42
理论值：
?
缩小?
0.5（1?
）,hj?
?
缩小（?
?
1.0）
A32g
三、实验步骤
1．接通电源，检查蓄水箱，水位是否够高，否则予以补水。
2．对整个实验管道及测压管进行充水排气。
3．调节流量进行实验，记录测压点间的液面差以及秒表和计量水箱内水的体积于表3.1和表3.2中。
4．改变流量3～4次，记录数据。
四、注意事项
（1）实验过程中，要始终保持恒定流这个条件。
（2）实验过程中，每调节一次流量之后，需稳定2～3min，流量愈小，稳定时间愈长，待流量和测压管压降的数据稳定以后方可记录数据。
（3）每次测流时段不少于8～10s（流量大可短些）。
（4）读压差时不要搞错次序，沿着水流方向，h1为干扰前侧点，h2为干扰后测点。
（5）若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。
五、实验数据整理
1．基本数据
使用的设备编号：
号实验台
突然扩大管：
d1，d2；突然缩小管：
d3cm，d4cm。
2．实验数据记录与计算，见表3.1和表3.2中。
六、思考与讨论
1．实测?
和理论计算?
是否相同？
2．相同管径条件下，对于同一流量突然扩大?
是否一定小于突然缩小?
值？
为什么？
实验4：
文丘里及孔板流量计实验
一、实验目的
1．了解和掌握文丘里流量计、孔板流量计的构造和工作原理；
2．掌握应用测压管测量压差的方法；
3．理解伯努利方程在实验中的应用；
4.测定文丘里流量计、孔板流量计的流量系数。
二、实验装置
图1是文丘里管、孔板流量计实验原理图，测压管1、2用于测量文丘里流量计的压差，测压管3、4用于测量孔板流量计的压差。
三、实验原理
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2），其收缩角为20～250，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5～150。
孔板流量计是一块外径与管道内径相同的孔板（参见图3），孔板上开设一个内孔，该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，要预先测量它的流量系数，称为流量计的标定。
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、2所示的断面，应用伯努利方程（因1-1和2-2断面相距很近，暂时不计水头损失），则有
2p1?
1v12p2?
2v2z1?
（1）?
?
z2?
?
?
g2g?
g2g
式中：
z1、z2---分别为测压管1、2的位置水头，单位：
m，本实验z1=z2；
pp1、2---分别为测压管1、2的压力水头，其值可用h1、h2的读数表示，单位：
m；?
g?
g
?
1、?
2---动能修正系数，其值约等于1；
v1、v2---测压管1、2断面处液体的速度；
利用连续性方程v1A1?
v2A2，上式可转化为
v2?
2（p1?
p2）/?
（2）41?
（d2/d1）
利用测压管直接测量压差，则有p1?
p2?
?
g（h1?
h2），于是
v2?
因此通过文丘里管流量计的流量为
Q?
A2v2?
令
K?
则
Q?
K?
h12（6）
很显然，当水管直径d1及喉管直径d2确定以后，K为一定值，可以预先算出。
由（6）式可见，只要没得水管断面与喉部断面的测压管高差△h，很快就可以得出流量Q值。
由于在上面的分析计算中，没有考虑水头损失，而水头损失将会促使流量减小，因而实际流量比按（6）式计算得的小，对于这个误差一般用一个修正系数?
（称为文丘里管流量系数）来修正，实际流量为
Q?
?
K?
h12（7）流量系数?
一般约为0.95-0.98。
利用孔板装置也可以测量管道的流量，如图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4是射流喉部（收缩断面），对断面3和断面4应用伯努利方程（因3-3和4-4断面相距很近，暂时不计水头损失）（注：
列伯努利方程时，不能取孔口所在的断面，因为孔口断面为急变流）
22p3?
3v3p4?
4v4z3?
（8）?
?
z4?
?
?
g2g?
g2g
由于z3=z4；?
3=?
4≈1，上式可以简化为
222?
2g?
h34（9）v4?
v3?
p3?
p4）?
由于射流喉部（收缩断面）位置因流速而改变，因而难以确定，其截面A4也难于测得，而孔2g（h1?
h2）（3）41?
（d2/d1）?
d2242g（h1?
h2）（4）41?
（d2/d1）?
d2242g（5）41?
（d2/d1）板的孔直径d0和截面积A0则是设计确定的；再则，在设备一旦制成后，测压管的位置是不能在测量过程中随意改变的，因此，用孔板孔口处的流速v0来代替上式中的v4是切实可行的，但需要加以校正，即用系数C校正流体流速v0与v4之间的差别，同时校正实际流体与理想流体之间的
差别，即校正由于实际流体流经孔板所造成的能量损失，因此（9）又可写为
22v0?
v3?
C2g?
h34（10）
利用连续性方程v3A3?
v0A0（A3为管道面积，A0为孔口面积），可得
v3?
v0
将（12）代入（10）并整理得
2v0?
A0（11）A32g?
h34（12）C
2
令C0?
2?
A0?
1?
?
?
A?
?
?
3?
C
2?
A0?
1?
?
?
A?
?
?
3?
（13）
并将两式开方，则得
v0?
C02g?
h34（14）根据v0和A0即可算出流量：
Q?
v0A0?
C0A02g?
h34（15）
C0称为孔板流量计的流量系数，其数值取决于孔板流量计的构造和雷诺数，需由实验测定。
标定文丘里流量计的流量系数?
或孔板流量计的流量系数C0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（7）或式（15）确定?
值和C0值。
四、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、3、4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。
改变流量时，要等待3～5分钟，水流稳定后方可读数。
文丘里和孔板流量的流量系数测定可同时进行，通水后，调节流量，进行测压和流量的计算，将测试的数据填入表中。
五、注意事项
（1）注意稳压；
（2）避免管内进气；
（3）若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。
六、实验数据整理
1.记录有关信息及实验常数
使用的设备编号：
号实验台
文丘里管：
d1=mmd2=mm
孔板流量计：
d3=mmd0=mm
流量系数：
?
=Q1/Q2
2.实验数据记录及计算结果（参表4.1，表4.2）
表4.1文丘里与孔板压力表测量值及其压差值
七、思考与讨论
1．文丘里及孔板流量计的作用是什么？
2．为什么文丘里流量计的理论流量与实际流量不相等？
3.为什么引入孔板流量计的流量系数？
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