華科流體力學教學實驗指導書

1、靜水壓強實驗 （Experime nt of Stastic Hydraulics Pressure 一、實驗目的要求、 1、掌握用測壓管測量流體靜壓強的技能； 2、驗證不可壓縮流體靜力學基本方程； 3、通過對諸多流體靜力學現(xiàn)象的實驗分析研討，進一步提高解決靜力學實際問題的 能力。 4、鞏固絕對壓強、相對壓強、真空度概念。 二、實驗裝置、 12367485 I b I I 圖1.1 靜水壓強實驗裝置圖 1、測壓管；2、帶標尺測壓管；3、連通管；4、真空測壓管；5、U型測壓管; 6、通氣閥；7、加壓打氣球；8截止閥；9、油柱；10、水柱；11、減壓放水閥。 說明： 1、所有測壓管液面標高均以標尺

2、（測壓管2）零讀數(shù)為基準; 2、 儀器銘牌所注B、 C、 D系測點B、c、D標高；若同時取標尺零點作為靜力學基本方 程的基準點，貝U B、 c、 D亦為ZB、ZC、ZD ； 3、本儀器所有閥門旋柄順管軸線為開。 三、實驗原理、 1、在重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程為： P z+= const 或：p Poh(1.1) 式中： z 被測點在基準面以上的位置高度； 被測點的靜水壓強，用相對壓強表示，以下同； Po 水箱中液面的表面壓強； 液體容重； 被測點的液體深度。 另對裝有水油(圖1.2及圖1.3) U型測管，應用等壓面原理可得油的比重色有下列 關系: h1 (1.2 ) hi p H

3、01 h1 h2 S 13 據(jù)此可用儀器直接測得 四、實驗方法與步驟、 1、搞清儀器組構及其用法，包括: 1）閥門開關； 2）加壓方法一一關閉所有閥門（包括截止閥），然后用打氣球充氣； 3）減壓方法一一開啟筒底閥11放水； 4）檢查儀器是否密封一一加壓后檢查測管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏氣，應查 明原因并 加以處理。 2、記錄儀器編號及各常數(shù)（記入表1.1）。 3、量測點靜壓強（各點壓強用厘米水柱高表示）。 1）打開通氣閥6 （此時0=0），記錄水箱液面標高0和測管2液面標高 h （此時0 = h ）; 2）關閉通氣閥6及截止閥8,加壓使形成。0,測記0及H ； 2b 3） 打

4、開放水閥11,使形成00（要求其中一次0）,微調放氣螺母使U型管中水面與油水交界面齊平（圖1.2）,測 記0及h （此過程反復進行三次）； 3）打開通氣閥，待液面穩(wěn)定后，關閉所有閥門；然后開啟放水閥11降壓（00）,使U型管中的水 面與油面齊平（圖1.3）,測記0及h （此過程亦反復進行三次）。 五、實驗成果及要求、 1、 記錄有關常數(shù)實驗臺號：No. 各測點標尺讀數(shù)為： b =cmC =cmd =cm =9.8X 10_3 N / cm3 2、分別求出各次測量時A、B、C、D點的壓強，并選擇一基準面驗證一一同一靜止 液體內的 z 任意二點（C、。）的（ 3、求出油的容重。 P ）為常數(shù)。 0

5、 = O.OO8ON/CR13 六、實驗分析與思考題、 1、實驗分析： 1）若再備一根直尺，如何采用最簡便的方法測定0 ? 最簡單的方法是，用直尺分別測量水箱內通大氣情況下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的 垂直高度hw和ho，由式 whwoho求得0。 2）如測壓管太細，對測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？ 設被測液體為水，如測壓管太細，測壓管液面因毛細現(xiàn)象而升高，會造成測量誤差，毛細高度由下 式計算： ,4 cos h d 式中， 為表面張力系數(shù)；為液體容重；d為測壓管內徑；h為毛細升高。 常溫（t=20C）的水，=7.28dyn/mm , =o.98dyn/mm3。水與玻璃的浸潤角 很小，

6、可認為 cos -1.0。于是有 h 297 d（ h、d單位均為mm） 般來說，當玻璃測壓管的內徑大于10mm時，毛細影響可忽略不計。另外，當水質不潔時, 減小，毛細高度也較靜水??；當采用有機玻璃管作測壓管時，浸潤角 較大，其h較普通玻璃管小。 如果用一根測壓管測量液體相對壓差值，則毛細現(xiàn)象無任何影響。因為測量高、低壓強時均有毛細 現(xiàn)象，但在計算壓差時，互相抵消了。 3）過C點作一水平面，相對管1、2、5及水箱中液體而言，這個水平面是否等壓面？哪一部分液體 是同一等壓面？ 不全是等壓面，他僅相對管1、2及水箱中的而言，這個水平面才是等壓面。因為只有全部具備下 列5個條件的平面才是等壓面：重力

7、液體；靜止；連通；連通介質為同一均質液體；同一 水平面。上述問題中，管5與水箱之間不符合條件，因此，相對管5和水箱中的液體而言，該水平面不是等壓面。 2、實驗思考題： 1）同一靜止液體內的測管水頭線是一根什么線？ 2）當B0時，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定真空度大小及所在區(qū)域。 文透里流量計實驗 (Determine of flow with V enturi Pipe) 一、實驗目的和要求、 1、掌握文透里流量計的原理。 2、學習用比壓計測壓差和用體積法測流量的實驗技能。 3、利用量測到的收縮前后兩斷面1-1和2-2的測管水頭差h ,根據(jù)理論公式計算管道 并與實測流量進行比較，從而對理論流量進行修正

8、，得到流量計的流量系數(shù)，即 對文透里 流量計作出率定。 二、實驗裝置、 壓差計 星水箱 上水 廠 水箱 水箱 三、實驗原理、 1、文透里管是一種常用的量測有壓管道流量的裝置，屬壓差式流量計。它包括“收縮 段”“喉 道”和“擴散段”三部分，安裝在需要測定流量的管道上。在收縮進口斷面1-1和喉 道斷面 2-2上設測壓孔，連接比壓計，通過量測兩個斷面的測管水頭差h，就可計算管道 的理論 流量Q，再經(jīng)修正得到實際流量。 定總流 2、 。根據(jù)恒 能量方程，若不考慮水頭損失，速度水頭的增加等于測管水頭的減?。幢葔河嬕?面高差 h），這樣我們就可以通過量測到的h建立兩斷面平均流速vi和v2之間的一個關 系

9、： h h h2(乙 R) (z R) 2 2g 2g 如果我們假設動能修正系數(shù)12 （乙R）億P） 1.0，則 2 2 V2V1 2g 2g 另一方面，由恒定總流連續(xù)方程有: 所以 于是 解得 Av 2 V2 V2 A2V2,即 V2 2 V1 2 V2 2g 2g 2g h V2A2 dd2g h K . h 最終得到理論流量為： 式中 42g 2 3、流量系數(shù): 流量計流過實際流體時，由于兩斷面測管水頭差中還包括了因粘性造成的水頭損失, 流量應_ 修正為：實K h 式中 v 1.0,稱為文透里流量計的流量系數(shù)。 流量系數(shù)除了反映粘性的影響外，還包括了在推導理論流量時將斷面動能修正系數(shù) 近

10、似取為1.0帶來的誤差。 流量系數(shù)還體現(xiàn)了漸變流假設是否得到了嚴格的滿足這個因素。對于文透里流量計而 言，下游斷面設置在喉道，可以說漸變流假設得到了嚴格的滿足。 對于某確定的流量計，流量系數(shù)取決于流動的雷諾數(shù): 大（流速較高）時，流量系數(shù)基本不變。 Re V2d2 ，但當雷諾數(shù)較 2 量水箱斷面積A= cm 進口直徑di = cm喉道直徑d2= cm 四、實驗方法與步驟、 1、認真閱讀實驗目的要求、實驗原理和注意事項，了解用壓差計測壓差和用體積法測 流量的原理和步驟。 2、記錄設備編號、水溫及有關常數(shù)。 3、做好準備工作后，啟動水泵給水箱充水并保持溢流狀態(tài),使水位恒定。 4、檢查下游閥門全開時

11、，比壓計測管水面是否持平，如不平，則需排氣調平。 5、實驗流量調節(jié)：從最大流量開始，順次減小閥門開度。待水流穩(wěn)定（比壓計液面穩(wěn) 定）后,測讀比壓計讀數(shù)及測讀流量。順序進行8個測點以上。 6、本實驗配有計算機自動量測系統(tǒng),可實現(xiàn)率定過程中壓差和流量的數(shù)據(jù)自采及處理 7、檢查數(shù)據(jù)記錄是否缺漏？是否有某組數(shù)據(jù)明顯地不合理？若有此情況，進行補正 8、 課后整理實驗結果，得出流量計在各種流量下的h，Q理，Q實，Re和 值, 繪制Qh的率定關系曲線及 Re曲線。 9、對實驗結果進行分析討論，閱讀思考問題，作簡要回答。 五、實驗成果及要求、 1、有關常數(shù)： 儀器編號： 有關常數(shù)：水溫T = C 2.5/s

12、cm 記錄及計算表格 次 測壓管讀數(shù) 體積 時間 = Q理= = 數(shù) (cm h2 (cm) (cm （cm3） (s) Re / (cm3/ s kC (cm3/ s Q實/Q理 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 六、實驗分析及思考題、 1、文透里的實際流量與理論流量為什么會有差別？這種差別是由哪些因素造成的? 2、文透里流量計的流量系數(shù)為什么小于1.0? 3、為什么在實驗中要反復強調保持水流恒定的重要性? 4、影響文透里流量系數(shù)的因素有哪些？ 5、文透里流量計水平或垂直放置對值有無影響？ 動 量 方 程 實 驗 (Momentum Principle) 一、實驗目的、 1、驗證不可

13、壓縮流體恒定總流的動量方程； 2、通過對動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關性的分析研究，進一步 掌握流體 動力學的動量守恒定理； 3、測定動量修正系數(shù)。 二、實驗裝置、 456 739 10 圖1.1動量方程實驗裝置圖 1、自循環(huán)供水器；2、實驗臺；3、可控硅無級調速器；4、水位調節(jié)閥；5、恒壓 水箱； 6、管嘴；7、集水箱；8、帶活塞的測壓管；9、帶活塞和翼片的抗沖平板；10、上 回水管。 三、實驗內容與原理、 1、計算機CAI實驗教學模擬。 2、測量活塞中心點的靜水壓強來計算水流的沖力： 利用自動反饋原理，使實驗過程中達到需要測量的靜水作用力與射流的沖擊力自動 平衡。射 流沖擊

14、在平板上的沖力全部作用在活塞體中，當活塞處于穩(wěn)定位置時，只需測得活 塞所受到 的靜水作用力，便可足夠精確地得知射流的沖擊力。 3、恒定總流動量方程為 Q (2V 21V1) c 圖1.3 圖1.2 取隔離體如圖1.3所示，因滑動摩擦阻力水平分力fxv 0.5%Fx，可忽略不計，故x 方向的動量方程化為 F xPc A Vix 式中：hc 作用在活塞形心處的水深; 活塞直徑; Q 射流流量; 射流速度; 動量修正系數(shù)。 實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得流量Q和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d 和活塞直徑代入上式，便可率定射流的動量修正系數(shù)值，并驗證動量定律。其中，測 壓管的標尺零點已固定在活塞

15、的圓心處，因此液面標尺讀數(shù)即為作用在活塞圓心處的 水深 4、測定本實驗裝置的靈敏度： 為驗證本裝置的靈敏度，只要在實驗中的恒定流受力平衡狀態(tài)下，人為地增、減測 壓管中的液位高度，可發(fā)現(xiàn)即使改變量不足總液柱高度的5%。（約0.5H mm），活塞在 旋轉下亦能有效地克服動摩擦力而作軸向位移，開大或減小窄槽:，使過高的水位降 低或過低的水位提高，恢復到原來的平衡狀態(tài)。這表明該裝置的靈敏度高邊0.5%, 亦即活塞軸向動摩擦力不足總動量力的5%。 四、實驗方法與步驟、 1、準備一一熟悉實驗裝置各部分名稱、結構特征、作用性能，記錄有關常數(shù)。 2、開啟水泵一一打開調速器開關，水泵啟動23分鐘后，關閉23秒鐘

16、，以利用回 水排除 離心泵內滯留的空氣。 3、調整測壓管位置一一待恒定水箱滿頂溢流后，松開測壓管固定螺絲，調整方位，要 求測壓管 垂直、螺絲對準十字中心，使活塞轉動松快，然后旋轉螺絲固定好。 4、測讀水位一一標尺的零點已固定在活塞圓心的高程上。當測壓管內液面穩(wěn)定后，記 下測壓管 內液面的標尺讀數(shù)，即hc值。 5、測量流量一一用體積法或重量法測流量時，每次時間要求大于20秒，若用電測儀器 測量時， 則需在儀器量程范圍內。重復測三次再取均值。 6、改變水頭重復實驗逐次打開不同高度上的溢水孔蓋，改變管嘴的作用水頭。調 節(jié)調速器， 使溢流量適中，待水頭穩(wěn)定后，按35步驟重復進行實驗。 五、實驗成果及要

17、求、 實驗臺號No. 活塞直徑D = 1.990 cm 1、記錄有關常數(shù)： 管嘴內徑d = 1.198 cm， 2、編制實驗參數(shù)記錄、計算表格并填入實驗參數(shù)（見表3.1）。 3、取某一流量，繪出隔離體圖,闡明分析計算的過程（參見圖3.2,3.3及表3.1） 測 次 體積 V 時間 T 管嘴作 用水頭 H o 活塞作 用水頭 hc 流量 Q 流速 V 動量力 F 動量修 正系數(shù) 1 1 2 3 4 5 6 六、實驗分析與討論、 1、 實測 與公認值（=1.021.05）符合與否？試分析原因。 實測 =1.0342與公認值符合良好。（如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉所致。為排除 此故障，可用

18、4B鉛筆芯涂抹活塞及活塞套表面）。 2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程有無 影響？為 什么？ 無影響。 因帶翼片的平板（圖1.4）垂直于x軸，作用在軸心上的力矩T是由射流沖擊平板時，沿yz平面 通過翼片造成動量矩的差所致，即 TQ Vyz2 COS 22Q Vyz1 COS 訂1Q Vyz2COS 2 D 式中 Q 射流的流量； Vyz1 入流速度在yz平面上的分速; Vyz2 出流速度在yz平面上的分速; 入流速度與圓周切線方向的夾角，接近900； 出流速度與圓周切線方向的夾角; r1.2 分別為內、外圓直徑。 圖1.4 該式表明力矩T恒與x方向垂直，動量矩僅與y Z平面上的流速分量有關。也即是說平板上附加翼片 后，盡管在射流作用下可獲得力矩，但并不會產(chǎn)生x方向的附加力，也不會影響x方向的流速分量。 所以x方向的動量方程與平板上設不設翼片無關。 3、通過細導水管的分流，其出流角度與V相同，試問對以上受力分析有無影響?