流体力学实验报告hong汇编.docx
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流体力学实验报告hong汇编
福州大学土木工程学院本科实验教学示范中心
学生实验报告
工程流体力学实验
题目：
实验项目1：
毕托管测速实验
实验项目2：
管路沿程阻力系数测定实验
实验项目3：
管路局部阻力系数测定实验
实验项目4：
流体静力学实验
姓名：
学号：
实验指导教师姓名：
庞胜华
同组成员：
___范富童____吴怀强_____辛睿_______
2013年6月23日
实验一毕托管测速实验
一、实验目的和要求
1．通过对管嘴淹没出流点流速系数的测量，掌握用毕托管测量点流速的技能；
2．了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其量测精度，进一步明确传统流体力学量测仪器的现实作用。
二、实验装置
本实验的装置如图一所示
说明：
经淹没管嘴6，将高低水箱水位差的位能转换成动能，并用毕托管测出其点流速值。
测压计11的测压管1、2和以测量高、低水箱位置水头，测压管3、4用以测毕托管的全压水头和静压水头，水位调节阀4用以改变测点的流速大小。
三、实验原理
（1）
式中u——毕托管测点处的点流速；
c——毕托管的校正系数；
Δh——毕托管全压水头与静水压头差。
（2）
联解上两式可得
（3）
式中u——测点处流速，由毕托管测定；
——测点流速系数；
Δh——管嘴的作用水头。
四、实验方法与步骤
1．准备（a）熟悉实验装置各部分名称、作用性能，分解毕托管，搞清构造特征、实验原理。
（b）用医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管1、2相连通。
（c）将毕托管对准管嘴，距离管嘴出口处约2～3cm，上紧固定螺丝。
2．开启水泵顺时针打开调速器开关3，将流量调节到最大。
3．排气待上、下游溢流后，用吸气球（如医用洗耳球）放在测压管口部抽吸，排除毕托管及各连通管中的气体，用静水匣罩住毕托管，可检查测压计液面是否齐平，液面不齐平可能是空气没有排尽，心须重新排气。
4．测记各有关常数和实验参数，填入实验表格。
5．改变流速操作调节阀4并相应调节调速器3，溢流量适中，共可获得三个不同恒定水位与相应的不同流速。
改变流速后，按上述方法重复测量。
6．完成下述实验项目：
（1）分别沿垂向和纵向改变测点的位置，观察管嘴淹没射流的流速分布；
（2）在有压管道测量中，管道直径相对毕托管的直径在6～10倍以内时，误差在2～5%以上，不宜使用。
试将毕托管头部伸入到管嘴中，予以验证。
7．实验结束时，按上述3的方法检查毕托管比压计是否齐平。
五、实验成果及要求
实验装置台号No3
表1记录计算表校正系数c=1.002，k=44.360cm0.5/s
实验
次序
上、下游水位差（cm）
毕托管水头差（cm）
测点流速
（cm/s）
测点流速系数
h1
h2
ΔH
h3
h4
Δh
1
36.6
15.5
21.1
35.4
15.9
19.5
195.888
0.963
2
36.6
15.5
21.1
16.0
15.4
0.6
34.361
0.169
3
36.6
15.5
21.1
15.5
15.4
0.1
14.028
0.069
4
32.2
15.5
16.7
29.8
15.7
14.1
166.572
0.921
5
32.2
15.5
16.7
30.6
15.6
15.0
171.806
0.950
6
32.2
15.5
16.7
15.8
15.4
0.4
28.056
0.155
7
27.4
15.5
11.9
27.0
15.6
11.4
149.777
0.981
8
27.4
15.5
11.9
15.8
15.4
0.4
28.056
0.184
9
27.4
15.5
11.9
15.4
15.3
0.1
14.028
0.092
六、实验分析与讨论
1．利用测压管测量点压强时，为什么要排气？
怎样检验排净与否？
答：
若测压管内存有气体，在测量压强时，水柱因含气泡而虚高，使压强测得不准确。
排气后的测压管一端通静止的小水箱中（此小水箱可用有透明的机玻璃制作，以便看到箱内的水面），装有玻璃管的另一端抬高到与水箱水面略高些，静止后看液面是否与水箱中的水面齐平，齐平则表示排气已干净。
2．毕托管的压头差Δh和管嘴上、下游水位差ΔH之间的大小关系怎样？
为什么？
答：
由于
且
即
一般毕托管校正系数c=11‰（与仪器制作精度有关）。
喇叭型进口的管嘴出流，其中心点的点流速系数
=0.9961‰。
所以
。
3．所测的流速系数
说明了什么？
答：
若管嘴出流的作用水头为
，流量为Q，管嘴的过水断面积为A，相对管嘴平均流速v，则有
称作管嘴流速系数。
若相对点流速而言，由管嘴出流的某流线的能量方程，可得
式中：
为流管在某一流段上的损失系数；
为点流速系数。
本实验在管嘴淹没出流的轴心处测得
=0.995，表明管嘴轴心处的水流由势能转换为动能的过程中有能量损失，但甚微。
4．据激光测速仪检测，距孔口2～3cm轴心处，其点流速系数
为0.996，试问本实验的毕托管精度如何？
答：
若以激光测速仪测得的流速为真值u，则有
而毕托管测得的该点流速为203.30cm/s，则
=3.7‰
5．普朗特毕托管的测速范围为0.2～2m/s，流速过小过大都不宜采用，为什么？
另，测速时要求探头对正水流方向（轴向安装偏差不大于10度），试说明其原因（低流速可倾斜压差计）。
答：
（1）施测流速过大过小都会引起较大的实测误差，当流速u小于0.2m/s时，毕托管测得的压差
亦有
若用30倾斜压差计测量此压差值，因倾斜压差计的读数值差
为
那么当有0.5mm的判读误差时，流速的相对误差可达6%。
而当流速大于2m/s时，由于水流流经毕托管头部时会出现局部分离现象，从而使静压孔测得的压强偏低而造成误差。
（2）同样，若毕托管安装偏差角（
）过大，亦会引起较大的误差。
因毕托管测得的流速u是实际流速u在其轴向的分速
，则相应所测流速误差为
若
>10，则
6．为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器？
答：
毕托管测速原理是能量守恒定律，容易理解。
而毕托管经长期应用，不断改进，已十分完善。
具有结构简单，使用方便，测量精度高，稳定性好等优点。
因而被广泛应用于液、气流的测量（其测量气体的流速可达60m/s）。
光、声、电的测速技术及其相关仪器，虽具有瞬时性，灵敏、精度高以及自动化记录等诸多优点，有些优点毕托管是无法达到的。
但往往因其机构复杂，使用约束条件多及价格昂贵等因素，从而在应用上受到限制。
尤其是传感器与电器在信号接收与放大处理过程中，有否失真，或者随使用时间的长短，环境温度的改变是否飘移等，难以直观判断。
致使可靠度难以把握，因而所有光、声、电测速仪器，包括激光测速仪都不得不用专门装置定期率定（有时是利用毕托管作率定）。
可以认为至今毕托管测速仍然是最可信，最经济可靠而简便的测速方法。
实验二管路沿程阻力系数测定实验
一、实验目的要求
1．加深了解园管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律；
1．掌握管道沿程阻力系数的量测技术和应用气—水压差及水—水银多管压差计测
量压差的方法；
3．将测得的Re～λ关系值与莫迪图对比，分析其合理性，进一步提高实验成果分析能力。
二、实验装置
本实验的装置如图一所示。
根据压差测法不同，有两种型式：
型式Ⅰ压差计测压差。
低压差用水压差计量测；高压差用水银多管式压差计量
测。
装置简图如图一所示。
型式Ⅱ电子量测仪测压差。
低压差仍用水压差计量测；而高压差用电子测仪（简
称电测仪）量测。
与型式Ⅰ比较，该型唯一不同在于水银多管式压差计被电测仪（图二）所取代。
本实验装置配备有：
1．自动水泵与稳压器
自循环高压恒定全自动供水器3由离心泵、自动压力开关、气—水压力罐式稳压器等组成。
压力超高时能自动停机，过低时能自动开机。
为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影响，离心泵的输水是先进入稳压器的压力罐，经稳压后再送向实验管道。
2．旁通管与旁通阀
由于本实验装置所采用水泵的特性，在供水流量时有可能时开时停，从而造成供水压力的较大波动。
为了避免这种情况出现，供水器设有与蓄水箱直通的旁通管（图中未标出），通过分流可使水泵持续稳定运行。
旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门，即旁通阀，实验流量随旁通阀开度减小（分流量减小）而增大。
实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要阀门之一。
3．水封面为了简化排气，并防止实验中再进气和误操作引起的水银外溢。
在水银压差计的连通管上装有水封器，水封器由2只充水（不满顶）的密封立筒构成（图一）。
4．电测仪由压力传感器和主机两部分组成。
经由连通管将其接入测点（畋7.2）。
压差读数（以米水柱为单位）通过主机显示。
三、实验原理
由达西公式
得
（1）
另由能量方程对水平等直径园管可得
（2）
压差可用压差计或电测。
对于多管式水银压差有下列关系：
*
（3）
式中，
、
分别为水银和水的容重；
为汞柱总差。
四、实验方法与步骤
准备Ⅰ对照表装置图和说明搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查
蓄水箱、水位是否够高及旁通阀12是否已关闭。
否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数；工作管内径d和实验管长L（标志于蓄水箱）。
准备Ⅱ启动水泵。
本供水装置采用的是自动水泵，接通电源，全开阀12打开供水阀11，水泵自动开启供水。
准备Ⅲ调通量测系统。
（1）通水、排气对各有关量测仪及其连通管按下列程序充水排气：
【实验管道】关闭旁通阀12，全开水供水阀11和出水阀10。
【水压差计】关闭阀10/全开阀12/松开（水压计连通管）止水夹/开启阀11（待测管升至一定高度，再按下列步序适当降低，以保证有足够的量程）/旋开倒U管旋钮F1（图一）/全关阀1/（待倒U型管水位降至测尺标值10cm左右）拧紧F1，
【水银压差计】检查水封器13充水度是否够，当无压下水位低于2/3筒高时，按下列步骤进行充水：
关闭阀10/开启阀10若干次，直至连通管气泡排净为止。
【压力传感器】关闭阀10/开启阀11/打开排气旋钮（图二）待旋孔溢水再拧紧。
（2）校核关闭阀10/全开阀11/检查水压差计两测管中水位平否？
以及水银压差计是否满足
？
否则按上述步骤重新排气。
实验量测
（1）调节流量实验可按流量由小到大依资助进行；微开阀10（阀12已全开），使流量逐次增大，其增量，在流量较小时，用水压差计水柱差
控制，每次增量可取
=4～6mm（初次小些）。
大流量通过渐关旁通阀调大压差量测改用水银压差计（或电测仪），流量增量改用汞柱差控制，第一次取
=30～40mm，以后各次取
=150mm（如用电测相应取
=0.4m和2.0m）。
注意：
①当换用水银压差计时，务心夹紧水压差计连通管；
②流量每周一次，均需稳定2～3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；
③每次测流时段水小于8～10秒（流量大可短些）；
④要求变更流量不少于10次。
（2）依次测定压差计测管（或电测仪）读数、相应流量和温度（温度表应挂在水箱中）。
（3）结束工作
①关闭阀10，检查
=0及
与否。
否则表明压差计已进气，需重做实验；
②关闭阀11，切断电源。
五、实验成果及要求
1．有关常数。
实验装置台号08010541
圆管直径d1=1.4cm,d2=1.9cm,d3=2.6cm量测段长度L=85cm。
及计算（见表1）。
表1记录及计算表
常数K1=π2gd15/8L=76.50cm5/s2，K2=π2gd25/8L=352.20cm5/s2，K3=π2gd35/8L=1690.00cm5/s2
次
序
体积
cm3
时间
s
流量
Q
cm3/s
流速
v
cm3/s
水温
C
粘度
v
cm2/s
雷诺数
Re
比压计数
cm
沿程损失
hf
cm
流程损失
系数λ
h1
h2
d1=1.4cm
1
4240
17.5
242.29
157.33
34
0.00743
29644
47.1
25.2
21.6
0.028
2
5560
31
179.35
116.46
34
0.00743
21944
28.1
16.1
12
0.029
3
20000
20
100.00
64.94
34
0.00743
12236
68.5
64.5
4.0
0.031
d2=1.9cm
4
3400
20
170.00
59.96
34
0.00743
15333
21.5
19
2.5
0.030
5
1800
11
163.34
58.07
34
0.00743
14850
29.9
27.8
2.1
0.028
6
2360
14.6
161.64
57.02
34
0.00743
14581
51.9
49.9
2.0
0.027
d3=2.6cm
7
2080
15.1
137.75
25.94
34
0.00743
9077
18.0
17.5
0.5
0.045
8
2040
15
136.00
25.61
34
0.00743
8962
27.5
27.0
0.5
0.046
9
1960
15
130.67
24.61
34
0.00743
8612
58.8
59.3
0.5
0.049
3．绘图分析*绘制lgυ～lghf曲线，并确定指数关系值m的大小。
在厘米纸上以lgυ为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的lgυ～lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。
求厘米纸上直线的斜率
将从图上求得的m值与已知各流区的m值（即层流m=1，光滑管流区m=1.75，粗糙管紊流区m=2.0，紊流过渡区1.75六、实验分析与讨论
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，是否影响实验成果？
答：
在管道中的，水头损失直接反应于水头压力。
测力水头两端压差就等于水头损失。
如果管道倾斜安装，不影响实验结果。
但压差计应垂直，如果在特殊情况下无法垂直，可乘以倾斜角度转化值。
2．据实测m值判别本实验的流动型态和流区。
答：
fhlg～vlg曲线的斜率m=1.0～1.8，即fh与8.10.1v成正比，表明流动为层流（m=1.0）、紊流光滑区和紊流过渡区（未达阻力平方区）。
3．实际工程中钢管中的流动，大多为光滑紊流或紊流过渡区，而水电站泄洪洞的流动，大多为紊流阻力平方区，其原因何在？
答：
钢管的当量粗糙度一般为0.2mm，常温下，，经济流速，若实用管径D=（20～100）cm，其～，相应的=0.0002～0.001，由莫迪图可知，流动均处在过渡区。
若需达到阻力平方区，那么相应的～，流速应达到（5～9）m/s。
这样高速的有压管流在实际工程中非常少见。
而泄洪洞的当量粗糙度可达（1～9）mm，洞径一般为（2～3）m，过流速往往在（5～10）m/s以上，其大于，故一般均处于阻力平方区。
4．管道的当量粗糙度如何测得？
答：
当量粗糙度的测量可用实验的方法测定及的值，然后用下式求解：
（1）考尔布鲁克公式
莫迪图即是本式的图解。
（2）S．J公式
（3）Barr公式
其中（3）式精度最高。
在反求
时，
（2）式开方应取负号。
也可直接由
～
关系在莫迪图上查得
，进而得出当量粗糙度
值。
实验三管路局部阻力系数测定实验
一、实验目的要求：
1．掌握三点法、四点法量测局部阻力系数的技能；
1．通过对园管突扩局部阻力系数的表达公式和突缩局部阻力系数的经验公式的实
验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径；
3．加深对局部阻力损失机理的理解。
二、实验成果及要求
1．记录计算有关常数。
实验装置台号No5
d1=D1=0.95cm，d2=d3=d4=D2=2.01cm，
d5=d6=D3=1.00cm，l1—2=12cm，l2—3=24cm，
l3—4=12cm，l4—B=6cm，lB—5=6cm，l5—6=6cm，
=0.6，
=0.38。
2．整理记录、计算表。
3．将实测
值与理论值（突扩）或公认值（突缩）比较。
表1记录表
序号
流量cm3/s
测压管读数cm
体积
时间
流量
1
515
15.5
33.23
36.1
36.4
36.3
36.3
35.3
35.1
2
705
10
70.50
28.4
30.0
29.9
29.9
23.2
22.3
3
1400
15
93.33
22.8
25.5
25.3
25.2
14.9
13.6
4
1560
15
104.00
19.6
23.9
22.7
22.6
9.8
8.1
表2计算表
阻力
形式
次
序
流
量
cm3/s
前断面
后断面
hj
cm
ξ
hj′
cm
cm
E
cm
cm
E
cm
突
然
扩
大
1
33.23
1.12
37.22
0.06
36.56
0.66
0.59
0.67
2
70.50
5.05
33.45
0.25
30.25
3.20
0.63
3.03
3
93.33
8.83
31.63
0.44
26.04
5.59
0.63
5.30
4
104.00
10.98
30.58
0.55
24.05
6.53
0.59
6.59
突
然
缩
小
5
33.23
0.06
36.36
0.91
36.01
0.35
0.38
0.34
6
70.50
0.25
30.15
4.11
27.31
2.84
0.40
2.76
7
93.33
0.44
25.74
7.20
22.10
3.64
0.35
3.84
8
104.00
0.55
23.25
8.95
18.75
4.50
0.36
4.80
三、实验分析与讨论
1．结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系：
1）不同Re的突扩ξe是否相同？
2）在管径比变化相同的条件下，其突扩ξe是否一定大于突缩ξs？
答：
由式
及
表明影响局部阻力损失的因素是
和
。
由于有
突扩：
突缩：
则有
当
或
时，突然扩大的水头损失比相应的突然收缩的要大。
在本实验最大流量Q下，突然扩大损失较突然缩小损失约大一倍，即
。
接近于1时，突然扩大的水流形态接近于逐渐扩大管的流动，因而阻力损失显著减小。
2．分析局部阻力损失机理何在？
怎样减小局部阻力损失？
答：
对局部阻力损失的机理分析如下：
从显示的图谱可见，凡流道边界突变处，形成大小不一的漩涡区。
漩涡是产生损失的主要根源。
由于水质点的无规则运动和激烈的紊动，相互摩擦，便消耗了部分水体的自储能量。
另外，当这部分低能流体被主流的高能流体带走时，还须克服剪切流的速度梯度，经质点间的动能交换，达到流速的重新组合，这也损耗了部分能量。
这样就造成了局部阻力损失。
从流动仪可见，突扩段的漩涡主要发生在突扩断面以后，而且与扩大系数有关，扩大系数越大，漩涡区也越大，损失也越大，所以产生突扩局部阻力损失的主要部位在突扩断面的后部。
而突缩段的漩涡在收缩断面前后均有。
突缩前仅在死角区有小漩涡，且强度较小，而突缩的后部产生了紊动度较大的漩涡环区。
可见产生突缩水头损失的主要部位是在突缩断面后。
从以上分析知，为了减小局部阻力损失，在设计变断面管道几何边界形状时应流线型化或尽量接近流线形，以避免漩涡的形成，或使漩涡区尽可能小。
如欲减小管道的局部阻力，就应减小管径比以降低突扩段的漩涡区域；或把突缩进口的直角改为园角，以消除突缩断面后的漩涡环带，可使突缩局部阻力系数减小到原来的1/2～1/10。
突然收缩实验管道，使用年份长后，实测阻力系数减小，主要原因也在这里。
实验四流体静力学实验
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、实验成果及要求
1．记录有关常数。
实验装置台号No20085703
各测点的标尺读数为：
▽B=2.1cm，▽C=-2.9cm，▽D=-5.9cm，
=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．求出油的密度。
三、实验分析与讨论
1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？
答：
测压管水头指
，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。
测压管水头线指测压管液面的连线。
实验直接观察可知，同一静止液面内的测压管水头线是一根水平线。
2．当pB<0时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。
答:
，相应容器的真空区域包括以下三个部分：
（1）过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占区域，均为真空区域。
（2）同理，过箱顶小不杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。
（3）在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区域。
这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。
3．若再箅一根直尺，试采用另外最简便的方法测定
。
答：
最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度
和
，由式
，从而求得
。
4．如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？
答：
设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算
式中，
为表面张力系数；
为液体容量；
为测压管的内径；
为毛细升高。
常温的水，
，
。
水与玻璃的浸润角
很小，可以认为
。
于是有
（
、
均以
计）
一般来说，当玻璃测压管的内径大于10
时，毛细影响可略而不计。
另外，当水质不洁时，
减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机下班玻璃作测压管时，浸润角
较大，其
较普通玻璃管小。
如果用同
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