工程流体力学实验学生指导书.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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(Von Karman)“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

9、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、

10、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

11、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。

12、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

13、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l3。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

14、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

15、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

16、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； 5U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

17、 （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12及图13)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

18、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Po0，测记o及H；（3）打开放水阀11，使之形成P00(要求其中一次0，即HB)，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

19、阀11降压（ p00 ) ，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 ，w 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。0 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PB0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

20、的方法测定o。 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

21、箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到35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

22、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，

23、即为上临界状态，测定上临界雷诺数l2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/cm32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

24、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

25、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uv），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，

26、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

27、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）1.371.002.00(2

28、)总水头表1-3（2）总水头表测点编号23457913151719Q（cm3/s）实验次数1234绘制上述成果中最大流量下的总水头线EE和测压管水头线PP(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： 1PP线依表1-2资料绘制，其中测点l0、11、13资料不用； 2EE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PP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