流体力学实验指导书.docx
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流体力学实验指导书
《流体力学》实验指导书
实验装置说明………………………………………2
实验一雷诺实验……………………………………4
一实验目的和要求………………………………4
二实验装置………………………………………4
三实验原理……………………………………4
四实验方法与步骤………………………………4
五实验成果及要求………………………………6
六思考题………………………………………6
实验二能量方程实验………………………………7
一实验目的和要求………………………………7
二实验装置………………………………………7
三实验原理……………………………………7
四实验方法与步骤………………………………8
五实验成果及要求………………………………8
六思考题………………………………………9
实验装置说明
利用《流体力学综合实验装置》可完成下述《流体力学》实验：
实验一雷诺实验；
实验二能量方程（不可压缩流体恒定流动总流伯努利方程）实验；
实验三毕托管测流速实验；
实验四沿程阻力系数测定实验；
实验五局部阻力系数测定实验。
实验台参数：
潜水泵：
型号HX-6500；最大扬程：
4.2m；最大流量：
4500L/h；
额定功率：
130W；电源：
单相～220V。
恒压水箱：
长×宽×高=450×330×600；
实验管A：
管径Φ16，长约1.2（m），沿程损失计算长度L=0.85（m）；
雷诺数及沿程损失实验水位：
H＝350～380（可调）；
实验管B：
小管内径Φ14，大管内径Φ20，轴线高度差200，总长约1.2（m）；
伯努利方程实验水位：
H＝370（可调）；
实验台总尺寸：
长×宽×高=1650×700×1600。
实验管道中液流循环如下（见图1）：
1．实验台由泵7供水到恒压水箱22，水箱内液体分别由实验管A（雷诺实验及沿程阻力系数测定实验）和实验管B（伯努利方程实验、毕托管测流速实验、局部阻力系数测定实验）流入辅助水箱14，再返回到供水水箱8中循环使用。
2．雷诺实验：
颜色水容器1的颜色水径调节阀2调节，进入实验管A，随A管内的流动水一起运动，显示有色的流线；经节流阀9流出的微染色水。
3．实验中基准水平面的选取。
用本实验装置做以上各项实验时，其基准水平面一律选择为工作台面板的上平面。
4．本实验指导书中各项实验所涉及的运算，均采用国际单位制。
实验一雷诺实验
雷诺数是区别流体流动状态的无量纲数。
对圆管流动，其下临界雷诺数Rec为2300～2320。
小于该临界雷诺数的流体为层流流动状态，大于该临界雷诺数则为紊流流动状态。
工程上，在计算流体流动损失时，不同的Re范围，采用不同的计算公式。
因此观察流体流动的流态，测定临界雷诺数，是《流体力学》课程实验的重要内容。
一、实验目的和要求
1．观察层流、紊流的流态及其转换特性；
2．测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；
3．学习雷诺数用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。
二、实验装置
本实验装置（见图1）所示：
实验时选用实验管A，将测压针头⒃、⒅向管外侧拉出，使针头与管内壁平齐，使其不致影响管内流体的流动状态。
逐渐打开进水节流阀37，排除管路及整个装置中的空气（实验管B必须停止测试，关闭节流阀31），调节旁路节流阀11，使实验时恒压水箱始终保持微溢流状态，以提高A管进口前水体稳定度。
颜色水经导入管4，注入实验管A，调节调节阀2，逐渐开启A管节流阀9，使颜色水流线形态清晰可见，观察颜色水线的状态变化（稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等）。
三、实验原理（本实验中，管内流体为循环水）
四、实验方法与步骤
1．观察两种流态
开泵，使恒压水箱充水至溢流水位，溢流水位调节至约0.35（m），颜色水容器水位高约0.80（m）。
待稳定后，微微开启节流阀9，并注入颜色水于实验管A内，使颜色水线呈一条直线。
通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态；然后逐渐开大节流阀9，观察颜色水直线的变化，记录层流转变为紊流的水力特征。
待管中出现完全紊流后，再逐步关小节流阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。
（调节器2也应根据节流阀9的开度大小相应调大或调小）。
2．测定下临界雷诺数
（1）将节流阀9打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小节流阀使流量减小。
当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一条稳定直线时，即为下临界状态；
（2）待管中出现临界状态时，用容积法测出流量；
（3）测记恒压水箱内水温计读数（以备计算水的运动粘度ν）；
（4）根据所测流量，计算出管中的平均流速，并根据所测的实验水温求出水的运动粘度，代入公式
，求出下临界雷诺数Rec，并与公认值（2320）比较。
若偏离过大，需重测Rec，重测次数不少于3次；
（5）重测步骤与上述
（1）～（4）的操作相同，根据重测数据再次计算Rec值，直到Rec的值在2000～2300之间。
注意事项：
（1）每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；
（2）关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；
（3）随出水流量减小，应适当调小进水节流阀37开度（右旋），以减小溢流量引发的扰动。
（4）做下临界雷诺数时，由于临界状态流量很小，应将恒压水箱的隔板插到底部，此时仅板间的缝隙流过的水足以满足流量要求。
3．测定上临界雷诺数（上临界雷诺数无实际意义，仅掌握测定方法）。
逐渐开启节流阀9，使管中水流由层流过渡到紊流，当颜色水线刚开始散开时，即为上临界状态。
测量此时管中的流量，计算管中的平均流速。
并根据恒压水箱水温表的读数计算水的运动粘度，由公式
求出上临界雷诺数。
测定上临界雷诺数1～2次。
五、实验成果及要求
1．记录有关实验装置参数，测记有关实验数据：
管径d=0.014（m），水温t=（）；C0
运动粘度
（也可以查表）。
2．整理、记录实验数据，填写下述实验用表：
六、思考题
１．试分析实验中产生误差的各种原因。
２．分析流动状态改变的原因。
3．雷诺数的大小与什么因素有关？
实验二能量方程实验
液体流动时的机械能，以位能、压力能和动能三种形式出现，这三种形式的能量可以互相转换，在无流动能量损失的理想情况下，它们三者总和是一定的。
伯努利方程表明了流动液体的能量守恒定律。
对不可压缩流体恒定流动的理想情况，总流伯努利方程可表示为：
对实际流体，要考虑流动时水头损失，此时方程变为：
式中hf1-2为1、2两个过流断面间单位重量流体的水头损失。
在国际单位制中，上述各量的单位为：
一、实验目的和要求
1．验证流体恒定流动时的总流伯努利方程；
2．进一步掌握有压管流中，流动液体能量转换特性；
3．掌握流速、流量、压强等动水力学水流要素的实际测量技能。
二、实验装置（见图1）
本实验选用实验管B完成此项实验。
B管管壁上共开有12个测压针头插孔：
⑴～（10）、⒂、⒄。
其中⑴～（10）与测压架上的相应测压管相连；⒂用于毕托管测速实验；⒄用于演示弯头处急变流的压强分布。
此外测压架上的（16）、（18）两根测压管用于A管测沿程阻力系数λ。
三、实验原理
实际流体在做稳定管流时的总流伯努利方程为：
式中hf1-2为1、2两个过流断面间单位重量流体的水头损失。
选测压点
（1）～（10），从相应各测压管的水面读数测得
值，并分别计算各测点速度水头
，并将各过流断面处的
与
相加，据此，可在管流轴线图上方绘制出测压管水头线P-P和总水头线E-E（见图2-1）。
四、实验方法和步骤
1．选择实验管B上的
（1）～（10）十个过流断面，每个过流断面对应有一根测压管。
2．开启水泵。
使恒压水箱溢流杯溢流，关闭节流阀31后，检查所有测压管水面是否平齐（以工作台面为基准）。
如不平，则应仔细检查，找出故障原因（连通管受阻、漏气、有气泡），并加以排除，直至所有测压管水面平齐。
3．打开节流阀31，观察测压管1～10的压强变化趋势，观察流量增大或减小时测压管水位如何变化。
4．当节流阀31的开度固定后，记测各测压管液位高度（即
的值），同时测量出实验管B中的流量。
5．测记恒压水箱实验水温（以备计算用）。
6．改变流量再做二次。
五、实验结果和数据整理
1．装置常数：
细圆管内径d细=0.014（m），粗圆管内径d粗=0.02（m）;圆管材质为有机玻璃管；管内壁绝对粗糙度
，细管相对粗糙度
，粗管相对粗糙度
。
2．记录有关常数
记录各测量点之间的距离，记录在下表2.1中
表2.1测量点之间的距离
测点
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
距离（mm）
小管内径Φ0.014（m），大管内径Φ0.02（m），测点⑶喉管内径Φ0.01（m）。
3．量测各测点的（
）值，并记录于表2-2。
4．计算各测压点速度水头
和总水头
，将计算值记入表2-2；上式中各测点的α值（动能修正系数）可参考附表根据雷诺数Re的范围确定。
5．绘制两次不同流量时的测压管水头线P-P和总水头线E-E（见图2-1）。
六、思考题
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．流量增大时，测压管水头线有何变化？
为什么？
3.有两根直径d，长度l和相对粗糙度▲相同的管道，一根输送水，另一根输送油，
（1）当两根管道中流体的流速相同时，其沿程损失是否相等？
（2）当两根管道中流体的雷诺数Re相同时，其沿程损失是否相等？
4.尼古拉兹实验分区的意义是什么？
5.层流中，沿程损失的计算公式为
，该公式是否与结论“层流中沿程损失与速度的一次方成成正比”矛盾？
为什么？
6.根据测得的P7点和P9点之间的能量损失，可以得出沿程损失系数λ1，另外查莫迪曲线图可得出沿程损失系数λ2，请找出两条λ1与λ2之间存在差别的原因。
表2.2各测量点水头值
次序
水箱水位（m）
水温（0C）
流量
（m3/s）
测量及测点
计算值
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
第一次
H=
T=
V=（m3）
t=（s）
Q=V/t=
第二次
H=
T=
V=（m3）
t=（s）
Q=V/t=
第三次
H=
T=
V=（m3）
t=（s）
Q=V/t=
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