流体力学与水力学实验报告及指导书Word文档下载推荐.docx

1、管2的液体与水箱的液体相通，液面气体的压强同为p0。因此管2的液面与水箱的液面高程相同。盛有两种未知密度液体的U形管，其液柱高差是由于压差p0-pa引起的，故有 （1.1.2） （1.1.3）水的密度是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度1.1.4 实验步骤 1关闭密封阀，并检查密封效果。其方法是，移动调压筒至某一高程位置，这时各管的液面也随之移动。如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越来越慢，并最终停止 图1.1.2 静水压强实验数据表在某一高程位置，不再变化。如果密封效果不好，各管的液面总是不停升降，直至各管液面与调压筒以及水箱的液面平齐。这就说明水箱漏气。 2将调压筒

2、形移至某高度，并用螺丝固定。待各管的液面稳定后，读取各管的液面高度读数，并填入数据表。本实验测量4组数据，其中，p0pa（调压筒液面高于水箱液面）和p0（z5-z4），则哪个较大？1.1.5 数据整理及误差分析流体力学实验的数据整理是件复杂的工作，为此，可编制数据处理系统供实验课使用。图1.1.2是编者研制的数据处理系统的静水压强实验数据表界面。实验装置中的未知液体的密度值分别为，由数据表看出，测量误差小于7%，引起误差的主要原因是仪器的水柱高度读数的精度不够。水柱高度的刻度为mm，小数点后面的值是目估的，从而引起误差。1.3 动量方程实验1.3.1 实验目的 用杠杆法测量水流对档板的冲击力，

3、并用动量方程计算水流对档板的作用力，两者进行比较，加深对动量方程的理解。1.3.2 实验装置及实验原理 图1.3.1 动量方程实验仪图1.3.1是本实验使用的实验装置示图。水箱为实验提供稳压水源，水箱的溢流板上开设若干泄流孔。开、闭这些泄流孔可以控制水位的高低。水流从设在水箱下部的管嘴射击，冲击一个轴对称曲面档板，档板将射流冲击力传递给杠杆。移动砝码到某一位置，可使杠杆保持平衡。本实验用杠杆平衡原理测量射流的冲击力。另外，再用流体力学的动量方程计算射流对档板的作用力，并比较这两个冲击力的大小，以便进行误差分析。设砝码的重量为G，作用力臂为L1，射流的作用力为F，作用力臂为L。当杠杆平衡时，有

4、（1.3.1）图1.3.2 动量方程用图射流的冲击力也可以由动量方程算出，图1.3.2是计算用图，设射流的偏转角度为（即入射速度矢量转到出流速度矢量所旋转的角度），射流的流量为Q，入射速度为V，则有 （1.3.2）本实验的射流偏角有90，135，180等3种。1.3.3 实验步骤 1实验前，调节平衡锤的位置，使杠杆处于水平状态。2开启水泵，向水箱充水。调节溢流档板泄孔的开启程度，使水箱的水位保持在某一高度位置。3打开出流孔口，使水流冲击挡板。4移动砝码至适宜位置，使杠杆保持水平，记录数据。5改变水位，重复以上测量。另外，也可以更换另一种偏转角的挡板，并进行相应的测量。6实验结束后，关闭水泵，取

5、下砝码，排空水箱。流量、砝码力臂。1.3.4 数据处理及误差分析图1.3.3 是数据表的界面。冲击力的实测值与计算值存在一定误差。引起误差的原因有两个，一是杠杆支座存在摩擦力，另一个原因是动量方程没有考虑重力对水流的影响，认为射流的反射速度为轴对程分布。其实，在重力作用下，挡板下部的反射水流速度大于上部的反射水流速度。1.1.5 思考题1.请自己推导方程（1.3.2）2.实验中如何确定砝码的作用力臂？3.本实验的流量是用什么方法调节的？ 图1.3.3 动量方程实验数据表1.5 局部水头损失实验1.5.1 实验目的测量管流中的5种局部水头损失，并确定局部损失系数。1.5.2 实验装置 图1.5.

6、1 所示的局部水头损失实验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段，局部损失（截面实扩，截面突缩，90弯管，180弯管，90折管）管件、21支测压管、回水箱组成。此外，本实验用手工体积法和电子流量计两种方法测量管流的流量。21支测压管中，有些是用于测量局部水头损失，有些则用于演示管流中水流静压的变化情况。这里着重介绍电子流量计。这种流量计由量水筒，水位传感器，单板机，显示表组成。图1.5.2a表示电子流量计的工作原理。量筒左侧有玻璃水位指示管，右侧有虹吸管。水位传感器A、B用于记录水位信息。当水面上升到B时，单板机开始计时，当水面上升到A 时，单板机结束计时，两个时间之差为充水时间，A、B之间的量筒体积

7、（887cm3）为充水体积。体积与时间之比为流量。当水面继续上升，淹没虹吸管之后，水流在虹吸作用下自动出流，直至放空，同时还发出一种排空声响。这样，每隔一段时间，量筒中的水就会自动排空，无需人为操作。测量流量时，将出水通过漏斗引入量筒。水面到达A、B的时间由单板机自动纪录并显示在流量计的面板上。流量仪表的板面上设有电源开关，控制电源的接通与断开。参见图1.5.3。板面上有“时间”、“体积”、“流量”、“测量”等四个命令按钮。当按下“测量”按钮时，仪器开始测量。如果按下“时间”、“体积”、“流量”，则仪表上显示时间、体积、流量的数值。板面上还有三个指示灯，显示仪器的工作状态。测量的指示灯点亮，表

8、示正在测量。 图1.5.1 局部损失实验仪 图1.5.2 电子流量计的量筒 图1.5.3 电子流量计的面板测量之前，先按下板面上的“测量”按钮，这时候仪表就开始工作，量筒充水时，仪表连续显示充水时间（秒）。充水结束后，仪表立刻显示出流量值（单位：ml/s ）。如果要显示充水时间和充水体积，可以分别按下“时间”、“体积”按钮。电子流量计有时会发生故障。最常见的故障是虹吸管能够排水，但没有虹吸的抽水作用， 参见图1.5.2b。这种情况下，量筒以及水位器水位稳定在某些方面某一高度，充水不能自动排空。排除故障的方法，是加大出水量，使虹吸管满顶，充水就能排空。1.5.3 实验原理对局部损失管件的上、下游

9、某断面应用伯努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。突扩管：使用测压管3，9测量突扩管上、下游的压差，相应的伯努利方程为 （1.5.1）速度等于流量除以管道截面积，水柱高度可直接读取，这样，由上式很容易求出局部损失系数由流体力学，的理论值为： （1.5.2）将理论值和实测值相比较，就可以确定测量误差。突缩管：使用测压管11,12测量突缩管上、下游的压差，相应的伯努利方程是 （1.5.3）管流速度，可由流量算出，液柱高度可直接读出，因而突缩管的局部损失系数不难算出。在流体力学中，实缩管的局部损失系数的经验公式为 （1.5.4）比较实测值和经验值，就可以计算测量误差。90弯管：计算90弯

10、管的局部水头损失所用的伯努利方程为 （1.5.5） 由此得到90弯管的局部损失系数 （1.5.6） 查阅有关手册， 90弯管的局部损失系数的经验值为 180与90弯管的情况相似，180弯管的局部损失系数可由下式计算： （1.5.7）很少有文献提供180弯管的经验公式。编者对本实验装置进行数次量测，得到局部损失系数的平均值为折管：列出截面18、19的伯努利方程： （1.5.8）可见 （1.5.9）有关手册给出的90折管的经验值为1.5.4 实验步骤 1启动水泵，向水箱充水，同时稍微打开尾阀，让水在管流中缓慢流动。2观察管道中，测压管内是否出现气泡，若有气泡，应设法排除。3调节尾阀，待水流稳定后，

11、记录各测压管的读数，管流的流量值。图1.5.4 局部损失数据表注意：对于实扩管，读取测压管3、9的水柱高度。对于突缩管，读取测压管11、12的水柱高度，管道流量则用手工体积法和使用电子流量计分别测量，取其平均值作为流量值。4实验结束后，立刻切断电源，关闭水泵。用手工和流量计分别测量流量，取平均值填入表格，记录各种局部损失部件的上、下游的水柱高度。1.5.5 实验数据处理 利用数据处理系统计算各种数据。只要将流量，测压管水柱高度填入表格，系统自动算出各种局部损失系数，并给出误差，详见图1.5.4。1.5.6 思考题1数据表中为什么没有计算雷诺数？2当测压管、实验管段出现气泡时，你如何将其排除？3

12、如果用测压管3、4计算实扩管的局部水头损失，将会出现什么样的误差？1.6 文丘里流量计、孔板流量计的标定实验1.6.1 实验目的测量文丘里流量计，孔板流量计的流量系数1.6.2 实验装置图1.6.1 文丘里、孔板实验仪图1.6.1是文丘里管、孔板流量计的实验仪。图中，测压管1,2用于测量文丘里流量计的压差，孔板流量计的压差比较大，因而使用由4支测压管组成的复合式测压计。 图1.6.2 文丘里流量计 图1.6.3 孔板流量计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

13、、扩散段组成（参见图1.6.2）。收缩角为2025，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515孔板流量计是一块外径与管道内径相同的不锈钢板，参见图1.6.3。孔板上开设一个内孔，这个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，要预先测量它们的流量系数，称为流量计的标定。1.6.3 实验原理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1.6.2所示的断面1.2应用的努利方程，则有 （1.6.1）利用连续性方程，上式可化为 （1.6.2）利用测压管直接测

14、量压差，则有，于是 （1.6.3）速度与截面积相乘就可以计算流量，上面的计算中没有考虑粘性的影响，因此，流量的表达式可修正为 （1.6.4）式中，称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流量计的流量系数达0.99以上。利用孔板装置也可以测量管道的流量。如图1.6.3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C是射流喉部，对断面3和断面C应用伯努利方程。 （1.6.5）3，（A3为管道面积A），则得到射流喉部的流速 （1.6.6）用A0表示孔板的孔口截面积，显然，射流喉部面积AC小于孔口面积A0。即 （1.6.7）称为射流喉部的截面收缩系数。喉部的压强不能直接测出，一般用管壁

15、上的静压p6代替。压差p3 -p6很大，因而本实验采用复合式测压计测定压差p3-p6。显然。 （1.6.8）射流喉部的速度为 （1.6.9）流量，式中A0是孔的面积 （1.6.10）引入流量系数，则 （1.6.11）显示，流量系数的取值除了受到粘性的影响之外，也还取决于孔口面积与管道面积的比值标定文丘里流量计或孔板流量计的流量系数的方法是：用体积法测出流量Q，读取测压管的液柱高度。利用式（1.6.4）或式（1.6.11）确定的值。1.6.4 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的液面应该平齐。管3，4以及管5，6分别用胶管将其上部连接，拔开这些连接胶管，管3

16、，6和管4，5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。用体积法以及用电子流量计分别测量管流的流量，取其平均值作为计算用。流量要求改变8次。改变流量时，要等待35分钟，水流稳定后方可读数。 图1.6.4 文丘里、孔板实验数据表流量（分别用手工和流量计测量，取平均值），各测压管读数。1.6.5 数据处理图1.6.4是数据表的界面。由表中看出，文丘里流量计的流量系数，=0.94460.995，实验值变化较大。另外，孔板的流量系数可以进行估算。在式（1.6.10）中，取0.62，而，因而式（1.6.11）中的=0.6603。

17、此外，还应考虑粘性的影响，用p6取代pC 也影响因此，再乘一个系数0.95，则=0.6273。可以看出，孔板的流量系数与实测值也有较大误差。产生误差的原因，主要是测压管读数不够精确。一方面，高度读数刻度只精确到mm，而且用人工判读也产生误差。此外，水柱液面常发生波动，其高度不易确定。1.6.6 思考题 1的值可能大于1吗？ 2影响取值的因素有哪些？ 3请推导式（1.6.8） 4请仔细观察孔板流量计。在射流喉部处是否装有测压管？测压管装在喉部的上游还是下游？这样做会对测量精度产生哪些影响？1.8 雷诺实验1.8.1 实验目的测量管流的沿程水头损失，绘制沿程水头损失与管流速度的对数曲线，并确定管流

18、临界雷诺数。1.8.2 实验装置 图1.8.1 雷诺仪图1.8.1的实验装置由稳压水箱，试验管段，倾斜式比压计组成。水箱向管道提供稳压水流。管段的压强差用比压计测量。本实验用手工体积法测流量。1.8.3 实验原理对于图1.8.1的管段的首、尾两个断面应用伯努利方程，则有 （1.8.1）管段水平放置，流速处相同，因而 （1.8.2）用比压计测量压差p1-p2。设比压计两支测压管的液柱长度之差为l，则有 （1.8.3） （1.8.4）是比压计的水平倾角。只要测出比压计两支液柱长度的差值，由式（1.8.4）便可以计算管段水流的沿程水头损失管流速度等于流量除以截面积。流量用量筒、秒表测量。小流量的测量

19、比较费时。充水时间往往超过1分钟。计算管流雷诺数时，需用到水的运动粘度。运动粘度与水温有关。本实验用温度计测量水温，水的运动粘度与温度的经验公式可表示为 （1.8.5）式中，大量水温单位是，的单位是m2/s。程水头损失与速度V的函数关系与流态有关，层流时，与V的一次方成正比，紊 流时，与V的1.752.0次方成正比，将实测值标在对数坐标图上。如果实验曲线斜率为45，则说明流态为层流，否则为紊流。值得注意的是，流量从小变大的曲线与流量从大变小的曲线是不重合的。1.8.4 实验步骤1启动水泵，向水箱注水，待水位稳定后才全开尾阀，以便冲洗管道，排除管内气体。2关闭尾阀，松开倾斜比压计上端的止水夹，以

20、使测压管内的残留气泡排出，气泡全部排出后，用气囊球向比压计的测压管打气，压迫测压管水面下降至中部，再夹紧止水夹，防止液面上升。试验管段的水不流动时，比压计的两支测压管的液面应该平齐。若不平，说明测压管内残留有气泡，应该设法排除。3微微打开尾阀，让水流速度从小变大，流态从层流变为紊流。当流量达到最大值之后，慢慢关小尾阀，使流速从大变小，流态从紊流变为层流。改变流量时，待水流稳定后，测量流量，记录比压计液柱读数。层流时，水流达稳定状态所用的时间往往比较长，要耐心等待。对于本实验装置，可根据比压计读数大概地判断流态。当流态为层流时，管段的沿程水头损失0.006m。如果比压计的水平倾角，则比压计液柱长

21、度之差一般来说，层流的实验点应布置3-4个。总的实验点数可自行控制，本实验的目的之一是绘制形如图1.8.3所示的对数曲线，实验点数在10个以上，并且尽量均匀地分布。4测量结束后，关闭水泵，绘制曲线图。流量（流量有小变大，大最大值后再有大变小）、比压力计液面读数。1.8.5 实验结果及其分析图1.8.2是本实验的数据表，图1.8.3是由图看出，实验结果不 图1.8.2 雷诺实验数据表够理想，层流区的曲线斜率近似等于1，但并非直线，有略微弯曲。上临界雷诺数不足4000。下临界雷诺数2000左右。与权威实验比较，本实验结果存在一定的误差。主要原因是实验装置不够精细，尤其是实验管段长段不满足要求。例如

22、，为了避开管流入口、出口的影响，实验段的两端应远离入口或出口的距离为管径的120倍。本实验的管径d=8mm，与进口段、出口段落的长度应超过1m。而本装置的进口段，出口段长度不足0.5m。此外，小流量时，比压计液柱长度差很少，读数误差很大，要想提高实验精度，就要提高流量测量、压差测量的精度。1.8.6 思考题 1层流时，本实验的沿程水头损失的值的变化范围是多少？2比压计的刻度2:1表示什么含义？3如何判断比压计的刻度（例如2:1）与实际情况是否相符？4实验要求流量首先从小变大，再从大变小，如果使流量时而变大，时而变小，实验 图1.8.3 曲线点能连成一条光滑曲线吗？5小流量时，水流达到稳定所需的时间为什么很长？6大流量时，比压计液面波动比较明显，这种情况下应如何读取液面读数？ （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）