工程流体力学实验学生指导书.docx
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工程流体力学实验学生指导书
目录
实验须知……………………………………………………………………1
实验一自循环流动演示实验……………………………………………5
实验二水击综合实验……………………………………………………2
实验三流体静力学实验…………………………………………………16
实验四雷诺实验…………………………………………………………36
实验五不可压缩流体恒定流能量方程（伯努利方程）实验……………31
实验六不可压缩流体恒定流动量定律实验……………………………39
实验须知
一、实验基本要求
1．认真预习实验讲义、教材的有关原理部分，弄懂实验的大致步骤、主要设备、实验方法，熟悉实验中要接触的化学物质的物理、化学性质及操作时应注意的事项，完成预习报告。
2．实验过程中，认真操作，细心观察，深入思考，以科学的态度填写实验原始数据记录。
3．实验结束后，认真处理数据，完成思考题，并编写项目齐全、整洁、清楚的实验报告。
二、实验注意事项
1．遵守实验室的各项制度，听从指导教师的安排。
2．准时进入实验室，不准吸烟、吃零食，不准大声喧哗。
3．爱护各种仪器设备（电动搅拌器、循环水真空泵、电炉、各类玻璃仪器），轻拿轻放，未经指导教师同意不得动用与本实验无关的仪器。
4．对实验中损坏的仪器应及时登记，并报告指导教师，等待处理。
5．格外注意水、电的使用，防止触电及热灼伤发生，电炉严禁直接放在实验台上加热。
6．在实验过程中，保持实验室整洁卫生，实验台面无杂物、无积水，实验完毕，一切动用过的物品应恢复原样，立即清洗用过得玻璃仪器，搞好台面和地面卫生，关好水电阀门。
7．实验数据（实验现象及产量）记录经指导教师签字后方可离开实验室。
三、实验报告
实验报告是实验的总结，整理实验结果也是一种基本训练。
因此，要求各自独立完成实验报告。
实验报告文句应力求简明，书写清楚，正确使用标点。
实验报告封面上中应正确填写出课程名称、专业、班级、姓名等信息。
应在规定时间内交给指导教师批阅。
实验报告应包括下列内容：
1．实验目的及要求
2．实验原理
3．实验步骤（包括主要仪器、药品和实验方法及步骤）
4．数据记录及处理（含实验现象及产量）
5．实验结果讨论与思考题
实验一自循环流动演示仪
一、实验目的
1、显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道等平面上的流动图像。
2、显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管咀流量计以及壁面冲击、圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。
3、显示30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头、45°弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。
4、显示30°弯头、分流、合流、45°弯头，YF一溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。
其中YF一溢流阀固定，为全开状态，蝶阀活动可调。
5、显示明渠逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。
6、显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正反流线体绕流等流段上的流动图谱。
7、显示“双稳放大射流阀”流动原理。
二、实验原理
1、在逐渐扩散段可看到由边界层分离而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，涡旋尺度越小，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，无分离，流线均匀收缩，亦无旋涡，由此可知，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。
在突然扩大段出现较大的旋涡区，而突然收缩只在死角处和收缩断面的进口附近出现较小的旋涡区。
表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失（缩扩的直径比大于O.7时例外），而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。
由于本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管咀的流动图像。
在管咀进口附近，流线明显收缩，并有旋涡产生，致使有效过流断面减小，流速增大。
从而在收缩断面出现真空。
在直角弯道和壁面冲击段，也有多处旋涡区出现。
尤其在弯道流中，流线弯曲更剧，越靠近弯道内侧，流速越小。
且近内壁处，出现明显的回流，所形成的回流范围较大，将此与ZL一2型中圆角转弯流动对比，直角弯道旋涡大，回流更加明显。
2、文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和旋涡产生。
在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的孔口处，只在拐角处有小旋涡出现，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。
由此可知，孔板流量计的过流阻力较大；圆弧进口管嘴流量计入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产生：
在圆形弯道段，边界层分离的现象及分离点明显可见，与直角弯道比较，流线较顺畅，旋涡发生区域较小。
3、在每一转弯的后面，都因边界层分离而产生旋涡。
转弯角度不同，旋涡大小、形状各异。
在圆弧转弯段，流线较顺畅，该串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的图谱。
在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。
在此流段上还可看到射流的“附壁效应”现象。
4、在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的旋涡出现。
合流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称之为“水塞”现象。
为避免“水塞”，给排水技术要求合流时用45°三通连接。
闸阀半开，尾部旋涡区较大，水头损失也大。
蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。
蝶阀通常检修用，故只允许全开或全关。
5、单圆柱绕流时的边界层分离状况，分离点位置、卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱。
（1）边界层分离将引起较大的能量损失。
（2）卡门涡街圆柱的轴与来流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离后，不断交替在两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游，形成冯·卡门（VonKarman）“涡街”。
多圆柱绕流，被广泛用于热工中的传热系统的。
“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等，流体流经圆柱时，边界层内的流体和柱体发生热交换，柱体后的旋涡则起混掺作用，然后流经下一柱体，再交换再混掺。
换热效果较佳。
6、流线形柱体绕流，这是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。
又从正、反流线体的对比流动可见，当流线体倒置时，也现出卡门涡街。
因此，为使过流平稳，应采用顺流而放的圆头尖尾形柱体。
7、经喷嘴喷射出的射流（大信号）可附于任一侧面，若先附于左壁，射流经左通道后，向右出口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道与圆盘气孔相通时（通大气），因射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左出口输出。
这时若再转动控制圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。
如要使射流再切换回来，只要再转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。
三、实验仪器
四、实验步骤
1、起动打开旋钮，关闭掺气阀，在最大流速下便显不回网侧下水道充满水。
2、掺气量调节旋动调节阀5，可改变掺气量（ZL--7型除外）。
注意有滞后性，调节应缓慢，逐次进行，使之达到最佳显示效果。
掺气量不宜太大，否则会阻断水流或产生振动（仪器产生剧烈噪声）。
五、实验现象分析与讨论
1、旋涡的大小和紊动强度与流速有何关系？
2、突扩段比突缩段的局部水头损失大小比较？
3、合流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称之为‘‘水塞”现象。
为避免“水塞”应采取什么措施？
4、流线形柱体绕流，这是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。
又从正、反流线体的对比流动比较，为使过流平稳，应采用哪种流线体？
实验二水击综合实验
一、实验目的
1．观察管道水击现象的发生、传播与消失过程，增强对水击现象的感性认识。
2．量测水击引起的压强增量，加深对水击影响的定量认识。
3．了解水击的利用—水击扬水原理。
4．通过调压室水位振荡现象的演示，以及使用调压室前、后水击压强增量的变化情况，了解调压室消减水击压强的作用。
二、实验原理
1、水击的产生：
在有压管道中，由于某种原因（如迅速关闭或开启阀门、水泵机突然停电等）使得水流速度发生突然的变化，从而引起管内压强急剧升高和降低的交替变化以及水体、管壁压缩与膨胀的交替变化，并以波的形式在管中往返传播的现象称为水击（或水锤）。
2、水击的危害：
强烈震动、噪声和声穴，有时甚至引起管道的变形、爆裂或阀门的损坏（工程安全问题）。
3、水击的利用——水击扬水原理（可利用水击产生的压强将水提升到高处）。
水击扬水机由图中的l、9、11、12、13、5、4、2等部件组成。
水击发生阀11每关闭一次，在水击室13内就产生一次水击升压，逆止阀12随之被瞬时开启，部分高压水被注入压力室5，当阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。
由于阀11的不断运作水击连续多次发生，水流亦一次一次地不断注入压力室，因而便源源不断地把水提升到高处。
这正是水击扬水机工作原理，本仪器扬水高度为37cm，即超过恒压供水箱的液面达1.5倍的作用水头。
水击扬水虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒规律。
扬水提升的水量仅仅是流过供水管的一部分，另一部分水量通过阀11的阀孔流出了水击室。
正是这后一部分水量把自身具有势能（其值等于供水箱液面到阀11出口处的高差），以动量传输的方式，提供了扬水机扬水。
由于水击的升压可达几十倍的作用水头，因而若提高扬水机的出水管2的高度，水击扬水机的扬程也可相应提高，但出水量会随着高度的增加而减小。
4、水击危害的消除——调压筒（井）工作原理
如上所述，水击有可利用的一面，但更多的是它对工程具有危害性的一面。
例水击有可能使输水管爆裂。
为了消除水击的危害，常在阀门附近设置减压阀或调压筒（井）、气压室等设施。
本仪器设有由阀l0和调压筒6组成水击消减装置。
实验时全关阀4、全开阀10。
然后手动控制阀11的开与闭。
由气压表3可见，此时，水击升压最大值约为120m汞柱，其值仅为阀10关闭时的峰值的l／3。
同时，该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。
当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位（以下称库水位），而当阀11突然关闭时，调压筒中的水位很快涌高且超过库水位，并出现和竖立U形水管中水体摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。
三、仪器简介
1、仪器装置简图
本实验仪由恒压水箱、供水管、调压筒、水击室、压力室、气压表、扬水机出水管、水击发生阀、水泵、可控硅无级调速器及集水箱等组成其装置如下图所示。
1、恒压水箱2、水击扬水机出水管3、气压表4、扬水机截止阀
5、压力室6、调压筒7、水泵8、水泵吸水管
9、供水管10、调压筒截止阀11、水击发生阀12、逆止阀
13、水击室14、集水箱15、底座16、回水管
四、实验步骤：
1、通电试验
放水前插上市电220V电源，顺时针旋转调速器旋钮，水泵启动。
2、启动水击发生阀11
启动阀11，必须先向下推开，并使过水系统中的空气全部排出，然后松手，阀11就会自动地往复上下运动，时开时闭而发生水击。
3、量测水击压强
量测时，应全关阀10和4。
4、水击扬水实验
应全开阀4，全关阀10。
5、调压井实验
应全关阀4，全开阀10。
五、实验数据记录及实验现象记录
1、无调压井时水击压强达到的最大值,有调压井时水击压强达到的最大值，并分别与位置水头比较
2、扬水机演示现象
六、实验结果分析及讨论
1、水击产生的压强值与工作水头值比较有何结论？
2、水击预防措施有哪些？
3、若改变扬水机出水管的高度，水击扬水机扬程是否会提高，且出水管水量有何变化？
4、直接水击和间接水击的区别？
实验三流体静力学实验
一、实验目的要求
1．掌握用测压管测量流体静压强的技能；
2．验证不可压缩流体静力学基本方程；
3．通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决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l.1流体静力学买验装置图
1．测压管；2．带标尺测压管；3．连通管；4．真空测压管；5．U型测压管；6．通气阀；7.加压打气球；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
（1.1）
或
式中z一一被测点在基准面以上的位置高度；
p一一被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；
p0一一水箱中液面的表面压强；
一一液体容重；
h一一被测点的液体深度。
另对装有水油（图1．2及图1．3）U型测管，应用等压面可得油的比重S0有下列关系：
（1.2）
据此可用仪器（不用另外尺）直接测得S0
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、5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No．及各常数（记入表1.1）。
3、量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。
（1）打开通气阀6（此时p0=0），记录水箱液面标高▽o和测管2液面标高▽H（此时▽0=▽H）；
（2）关闭通气阀6及截止阀8，加压使之形成Po>0，测记▽o及▽H；
（3）打开放水阀11，使之形成P0<0（要求其中一次
<0，即▽H<▽B），测记▽0及▽H。
4、测出4＃测压管插人小水杯中的深度。
5、测定油比重S0。
（1）开启通气阀6，测记▽o
（2）关闭通气阀6，打气加压（p0＞0），微调放气螺母使U形管中水面与油水交界面齐平（图1.2），测记▽o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（p0＜0），使U形管中的水面与油面齐平（图1.3），测记▽o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。
各测点的标尺读数为：
▽B=cm，▽C=cm，▽D=cm，γw＝N/cm3。
2、分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，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。
γ0＝N/cm3
4、测出4#测压管插入小水杯中的深度。
△h4=cm
六、实验分析与讨论
1、同一静止液体内的测管水头线是根什么线?
2、当PB<0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γo。
4、过c点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面?
哪一部分液体是同一等压面?
实验四雷诺实验
一、实验目的
1．观察层流、紊流的流态及其转换特征；
2．测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；
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，并了解其实用意义。
二、实验装置
本实验的装置如图2-1所示．
图2-1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始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。
本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到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、实验步骤
1．测记本实验的有关常数。
2．观察两种流态。
打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，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，用体积法或电测法测定流量；
（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2320）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、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；
c、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。
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，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数l～2次。
五、实验数据记录及处理
1．记录、计算有关常数：
实验装置台号No_______
管径d=水温t=℃
运动黏度
计算常数K=s/cm3
2．整理记录计算表
实验号
颜色水线形态
水体积
时间
T（s）
流量
Q（cm3/s）
雷诺数
Re
阀门开度
增（↑）或减（↓）
备注
实测下临界雷诺数（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，完全散开等。
六、思考题与讨论
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?
实测下临界雷诺数为多少?
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．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在?
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?
实验五不可压缩流体恒定流能量方程
（伯努利方程）实验
一、实验目的
1．验证流体恒定总流的能量方程；
2．通过对动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动水力学的能量转换特性；
3．掌握流速、流量、压强等动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1-1所示。
图1-1自循环伯努利方程实验装置图
1．自循环供水器；2．实验台；3．可控硅无级调速器；4．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:
本仪器测压管有两种：
1．毕托管测压管（表1-1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H’与断面总水头
，不同（因一般u≠v），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1-1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）、重量时间法（电子称另备）或电测法测量（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）的能量方程式（i=2，3，……，n）
取a1=a2=…an=1,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u及
，从而即可得到各断面测管水头和总水头。
四、实验步骤
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．打开开关供水，使水箱充水，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、压强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、实验数据记录及处理
1．记录有关常数实验装置台号No．_____
表1-1管径记录表表
2．量测
，并记人表1-2。
表1-2
3．计算流速水头和总水头。
（1）流速水头
表1-3
（1）流速水头表
管径d
（cm）
Q＝（cm3/s）
Q＝（cm3/s）
Q＝（cm3/s）
A
（cm2）
V
（cm/s）
V2/2g
（cm）
A
（cm2）
V
（cm/s）
V2/2g
（cm）
A
（cm2）
V
（cm/s）
V2/2g
（cm）
1.37
1.00
2.00
（2）总水头
表1-3
（2）总水头表
测点编号
2
3
4
5
7
9
13
15
17
19
Q
（cm3/s）
实验次数
1
2
3
4．绘制上述成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可以绘在图2-2上）。
提示：
1．P－P线依表1-2资料绘制，其中测点l0、11、13资料不用；
2．E－E线依表1-3
（2）资料绘制，其中测点10、11资料不用；
3．在等直径管段E-E与P—P线平行
图2
六、思考题及讨论
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）处形成真空有哪几种技术措施?
分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。
5．毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。
实验六不可压缩流体恒定流动量定律实验
一、实验目的
1．验证不可压缩流体恒定流的动量方程；
2．通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研讨，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理；
3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，进一步启发与培养创造性思维的能力。
二、实验装置
本实验的装置如图3-1所示。
图3-1动量定律实验装置图
1．自循环供水器；2．实验台；3．可控硅无级调速器；4．
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