工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn) 機(jī)械工程學(xué)院二四年緒論一、工程流體力學(xué)課程工程流體力學(xué)是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它以水為主要對(duì)象研究流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律以及流體與邊界的相互作用，是高等學(xué)校眾多理工科專業(yè)的必修課。在自然界中，與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的力學(xué)問題是很普遍的，所以流體力學(xué)在許多工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。水利工程、機(jī)械工程、環(huán)境工程、熱能工程、化學(xué)工程、港口、船舶與海洋工程等專業(yè)都將流體力學(xué)或流體力學(xué)作為必修課之一。工程流體力學(xué)課程的理論性強(qiáng)，同時(shí)又有明確的工程應(yīng)用背景。它是連接前期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁。課程教學(xué)的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握工程流體力學(xué)的基本概念、基本理論和解決流體力學(xué)問題的基本方法，具備一定的實(shí)驗(yàn)技

2、能，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，培養(yǎng)分析和解決工程實(shí)際中有關(guān)流體力學(xué)問題的能力。二、工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)學(xué)科及教學(xué)中占有重要位置。從學(xué)科發(fā)展看，流體力學(xué)是一門技術(shù)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)方法是促進(jìn)其發(fā)展的重要研究手段。近年來，流體力學(xué)與古典流體力學(xué)日益兼容滲透，理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合成為流體力學(xué)和工程流體力學(xué)的主要研究方法。三個(gè)方面是互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能互相取代的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)方法仍是檢驗(yàn)與深化研究成果的重要手段，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的迅猛進(jìn)展，更促進(jìn)了現(xiàn)代流體力學(xué)及流體力學(xué)的蓬勃發(fā)展。工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)課程中一個(gè)不可缺少的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教育目的是：1.

3、 在實(shí)驗(yàn)中觀察水流現(xiàn)象，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，鞏固理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。2. 通過量測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)流體力學(xué)原理，提高理論分析的能力。3. 學(xué)會(huì)量測(cè)水力要素和使用基本儀器的方法，掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能，了解現(xiàn)代量測(cè)技術(shù)。4. 培養(yǎng)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、整理實(shí)驗(yàn)成果和編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。5. 培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的科學(xué)作風(fēng)和融洽合作的共事態(tài)度以及愛護(hù)國家財(cái)產(chǎn)的良好風(fēng)尚。三、工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)總的要求：1. 實(shí)驗(yàn)課前必須閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、原理和方法。了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本構(gòu)造、工作原理和使用方法。2. 嚴(yán)格按照約定的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，做到不遲到，不早退。3. 實(shí)驗(yàn)分小組進(jìn)行，由課代表根據(jù)教師的要求分組，并指定組長。實(shí)驗(yàn)時(shí)要有

4、指揮，有分工，做到有條不紊。4. 要遵守實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度，愛護(hù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施，非實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不得隨意動(dòng)用，因非實(shí)驗(yàn)造成的損壞由當(dāng)事人賠償。5. 實(shí)驗(yàn)過程中，如果儀器設(shè)備發(fā)生故障，應(yīng)立即向指導(dǎo)教師報(bào)告，以便及時(shí)排除故障，保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。6. 實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉電源，整理好使用后的儀器、設(shè)備 、工具。將實(shí)驗(yàn)原始記錄交指導(dǎo)教師審閱。7. 要認(rèn)真做好并及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，按時(shí)交給指導(dǎo)教師批閱。不交者，該次實(shí)驗(yàn)按零分計(jì)。8. 因病、事假缺習(xí)者可以憑病、事假條找指導(dǎo)教師安排補(bǔ)做。無故缺席者一律不安排補(bǔ)做。9. 未完成全部實(shí)驗(yàn)報(bào)告者按學(xué)院的有關(guān)規(guī)定處理。實(shí)驗(yàn)一靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)流體靜力

5、學(xué)基本方程的理解。2、驗(yàn)證靜止流體中不同點(diǎn)對(duì)于同一基準(zhǔn)面的測(cè)壓管水頭為常數(shù)，即常數(shù)3、實(shí)測(cè)靜水壓強(qiáng)，掌握靜水壓強(qiáng)的測(cè)量方法。4、鞏固絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)、真空度的概念，加深理解位置水頭、壓力水頭以及測(cè)壓管水頭之間的關(guān)系。5、已知一種液體重度測(cè)定另一種液體的重度。二、實(shí)驗(yàn)原理加減壓氣缸 h0 h3 h4 3 3 4 4 z3 1 2 z4 0O O 圖1靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)原理圖靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，相對(duì)靜止的液體只受重力的作用，處于平衡狀態(tài)。以表示液體靜壓強(qiáng)，表示液體重度，以表示壓強(qiáng)測(cè)算點(diǎn)位置高度（即位置水頭），流體靜力學(xué)方程為常數(shù)上式說明1、在重力場(chǎng)中靜止液體的壓強(qiáng)與深度成線性分布，即2、同一水

6、平面（水深相同）上的壓強(qiáng)相等，即為等壓面。因此，水箱液面和測(cè)點(diǎn)3、4處的壓強(qiáng)（絕對(duì)壓強(qiáng)）分別為 與以上各式相對(duì)應(yīng)的相對(duì)壓力（相對(duì)壓強(qiáng)）分別為 式中 大氣壓力， 液體的重度， 液面壓力水頭， 液面位置水頭， 、 3、4處測(cè)壓管水頭， 、 3、4處位置水頭， 、 3、4處壓力水頭， 3、靜水中各點(diǎn)測(cè)壓管水頭均相等，即或 或 即測(cè)壓管3、4的液位在同一平面上。4 、由于密封容器頂部與左側(cè)U型管聯(lián)通，根據(jù)聯(lián)通器原理，得即 式中 U型管中液體的重度，、 U型管中兩液面位置高度 , 根據(jù)上式可知，已知某種液體（如水）的重度，可以通過本實(shí)驗(yàn)確定另一種液體的重度。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、讀出液面初始位置高度0 , 并

7、記入表內(nèi)。2、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)加減壓氣缸手柄，使水箱液面壓力升高，此時(shí),讀出、,并記入表內(nèi)。再繼續(xù)給水箱加壓兩次，記下各測(cè)壓管位置高度。3、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)加減壓氣缸手柄，使水箱內(nèi)減壓，并獲得的狀態(tài)。同樣讀取三組數(shù)據(jù)記入表內(nèi)。實(shí)驗(yàn)二流譜及流線演示實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠脦в信菽淖儔浩饔图釉谟筒壑薪?jīng)過導(dǎo)葉柵后形成許多平行的流線，以觀察其繞經(jīng)不同固體壁面的變化。二、實(shí)驗(yàn)原理液體流線儀是研究液流在模型試件出口和入口的流線變化，特別是當(dāng)試件的突擴(kuò)、突縮而發(fā)生流線的扭曲現(xiàn)象和旋渦、死區(qū)等。另外，根據(jù)教學(xué)的需要可以定作補(bǔ)充各種模型試件，以觀察流線在繞經(jīng)不同固體壁面時(shí)的變化。三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置由油泵、供油箱、回油箱、油盤

8、調(diào)整螺栓、支架、供油管等組成（見圖2）。油盤的傾斜度可通過前端調(diào)整螺栓調(diào)整。實(shí)驗(yàn)裝置帶有園柱、機(jī)翼、突擴(kuò)（反放為突縮）模型試件。圖2 流譜及流線演示實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)步驟1、接通電源。2、開始時(shí)不同箱中可多放些油，開動(dòng)油泵后，首先將供油管上的銅閥旋松，放出管路中空氣，然后用燒杯在后面不斷把油接走，直到流線清晰為止。并通過調(diào)整油盤前端的調(diào)整螺栓改變油盤的傾斜，以改變油的流速。3、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕M合更換。實(shí)驗(yàn)三文丘里管實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、在文丘里管收縮段和擴(kuò)張段，觀察壓力水頭、速度水頭沿程的變化規(guī)律，加深對(duì)伯努利方程的理解。2、了解文丘里流量計(jì)的工作原理。3、掌握文丘里管流量系數(shù)的測(cè)定方法。二、實(shí)驗(yàn)

9、原理1、理想流體伯努利方程的驗(yàn)證文丘里管是在管路中安裝一段斷面急速變小，而后又逐漸恢復(fù)原來斷面的異徑管，如圖3所示。理想 總水 頭線 H h11 h1 h4 喉管圖3理想流體伯努利方程示意圖在收縮段，由于流體流動(dòng)斷面減小，因而流速增加，測(cè)壓管水頭連續(xù)下降，喉管處斷面最小，流速最大， 測(cè)壓管水頭因而最低；相反，在漸擴(kuò)管中流體流動(dòng)截面逐漸擴(kuò)大，流速減小，測(cè)壓管水頭也不斷得到恢復(fù)。這些現(xiàn)象都是由于流體流徑文丘里管時(shí)，遵守連續(xù)性方程（常數(shù)） (1) 和伯努利方程（常數(shù)） (2)以上兩個(gè)方程表明，無論流體流動(dòng)過程中斷面幾何參數(shù)如何變化，所有斷面上的總水頭H和流量都保持不變，也就是說流體流動(dòng)一直遵守著能量

10、守恒和物質(zhì)守恒這兩個(gè)基本定律。上述現(xiàn)象和規(guī)律將在實(shí)驗(yàn)中通過11根測(cè)壓管的液面變化加以驗(yàn)證。為了便于實(shí)驗(yàn)分析，現(xiàn)將公式(2)作如下變換，并以下標(biāo) 表示測(cè)壓管序號(hào)，例如 表示第四根測(cè)壓管即喉管。公式(2)可以寫成 兩邊同除以, 并移項(xiàng)得(3)公式(1)可以寫成所以 代入公式(3)得 (4) 公式(3)和公式(4)表明，測(cè)壓管水頭變化的相對(duì)值，完全決定于流動(dòng)斷面的幾何比例，從而進(jìn)一步揭示了斷面流速與測(cè)壓管水頭之間的關(guān)系。我們根據(jù)公式(4)畫出測(cè)壓管水頭相對(duì)變化的理論曲線和實(shí)際曲線（分別為上式右項(xiàng)和左項(xiàng)），通過比較，兩者應(yīng)當(dāng)是一致的（橫坐標(biāo)為測(cè)壓管序號(hào)，縱坐標(biāo)分別為以上兩項(xiàng)）。2、流量系數(shù)的測(cè)定將公式

11、(1)、(2)應(yīng)用于1、4兩斷面，可以得到前式代入后式得流量為 若以流量系數(shù) 表示阻力損失的影響，上式可以寫成 （ml/s） (5)式中 儀器常數(shù)，為定值（）(6) 因此，在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得流量 和測(cè)壓管水頭 、，即可求得流量系數(shù)，一般在0.920.99之間。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、緩緩打開進(jìn)水閥和針閥，使測(cè)壓管1、4的水面差達(dá)到最大，并適當(dāng)調(diào)節(jié)，觀察測(cè)壓管水頭的變化，理解伯努利方程的含義。2、讀取各測(cè)壓管水頭刻度，并按測(cè)壓管編號(hào)為序記入表內(nèi)。3、在讀取測(cè)壓管水頭的同時(shí)，用體積法測(cè)量流量，記入表內(nèi)。4、調(diào)節(jié)進(jìn)水閥和針閥，改變各測(cè)壓管讀數(shù)，并記錄各讀數(shù)和流量。5、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉進(jìn)水閥門。實(shí)驗(yàn)四雷諾實(shí)驗(yàn)一、

12、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察圓管內(nèi)流體恒定流動(dòng)層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。2、測(cè)定不同流動(dòng)狀態(tài)下流體的雷諾數(shù)。3、測(cè)定圓管內(nèi)流體恒定流動(dòng)層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)下的沿程水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4 所示。 8 4 3 2 5 11 10(a) 層流 hf H (b) 過渡狀態(tài)(c) 紊流 9 7 61 12圖4 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1、玻璃管 2、注色水細(xì)管 3、色水閥門 4、色水容器 5、水箱 6、蜂窩板 7、溢水隔板 8、供水閥門 9、放水管 10、出水閥門 11、測(cè)壓管 12、量水筒1、實(shí)際流體的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流，它們的區(qū)別在于：

13、流動(dòng)過程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動(dòng)中存在隨機(jī)變化的脈動(dòng)量，而在層流流動(dòng)中則沒有。2、圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)。雷諾根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料，將影響流體流動(dòng)狀態(tài)的因素歸納成一個(gè)無因次數(shù)，稱為雷諾數(shù)Re，作為判別流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則式中 流體斷面平均流速 , 圓管直徑 , 流體的運(yùn)動(dòng)粘度 , 在本實(shí)驗(yàn)中，流體是水。水的運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的關(guān)系可用泊肅葉和斯托克斯提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算式中水在時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度，；水的溫度，。3、判別流體流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素是臨界速度。臨界速度隨流體的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改變。流體從層流到紊流的過渡時(shí)的速度稱為上臨界流速，從紊流到層流的過渡時(shí)的速度為下臨界

14、流速。4、圓管中定常流動(dòng)的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，對(duì)應(yīng)于上、下臨界速度的雷諾數(shù)，稱為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為紊流，它很不確定，跨越一個(gè)較大的取值范圍。而且極不穩(wěn)定，只要稍有干擾，流態(tài)即發(fā)生變化。上臨界雷諾數(shù)常隨實(shí)驗(yàn)環(huán)境、流動(dòng)的起始狀態(tài)不同有所不同。因此，上臨界雷諾數(shù)在工程技術(shù)中沒有實(shí)用意義。有實(shí)際意義的是下臨界雷諾數(shù)，它表示低于此雷諾數(shù)的流動(dòng)必為層流，有確定的取值。通常均以它作為判別流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則，即 Re 2320 時(shí)，紊流該值是圓形光滑管或近于光滑管的數(shù)值，工程實(shí)際中一般取Re = 2000。5、實(shí)際流體的流動(dòng)之所以會(huì)呈現(xiàn)出兩種不

15、同的型態(tài)是擾動(dòng)因素與粘性穩(wěn)定作用之間對(duì)比和抗衡的結(jié)果。針對(duì)圓管中定常流動(dòng)的情況，容易理解：減小 d ，減小 v ，加大 v 三種途徑都是有利于流動(dòng)穩(wěn)定的。綜合起來看，小雷諾數(shù)流動(dòng)趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動(dòng)穩(wěn)定性差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。6、由于兩種流態(tài)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力特性存在很大的區(qū)別，對(duì)它們加以判別并分別討論是十分必要的。圓管中恒定流動(dòng)的流態(tài)為層流時(shí)，沿程水頭損失與平均流速成正比，而紊流時(shí)則與平均流速的1.752.0次方成正比。7、通過對(duì)相同流量下圓管層流和紊流流動(dòng)的斷面流速分布作一比較，可以看出層流流速分布呈旋轉(zhuǎn)拋物面，而紊流流速分布則比較均勻，壁面流速梯度和切應(yīng)力都比層流時(shí)大，如圖5所示。圖5

16、圓管層流和紊流流動(dòng)的斷面流速分布三、實(shí)驗(yàn)步驟1、打開供水閥門8，給水箱5充水，待水箱充滿并保持溢流狀態(tài)，使水位恒定。2、打開出水閥門10至最大，排出實(shí)驗(yàn)管道中的氣泡。反復(fù)開閉出水閥門10，排出壓差計(jì)中氣泡，即可開始實(shí)驗(yàn)。3、稍微打開出水閥門10和色水閥門3，觀察流體的層流狀態(tài)。繼續(xù)開大出水閥門10，色水細(xì)流出現(xiàn)波動(dòng)，即過渡狀態(tài)。再開大出水閥門10，水流穩(wěn)定性遭到破壞，色跡消失，變?yōu)槲闪?。整個(gè)過程可以清晰地看到流體從層流變化到紊流。4、在流體完全變到紊流時(shí)，逐漸關(guān)閉出水閥門10，在觀察流體從紊流變化到層流的同時(shí)，記錄沿程水頭損失和流量。5、在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)分別量測(cè)水溫，加以平均作為實(shí)驗(yàn)水溫。6

17、、整理所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)五管路沿程阻力損失及局部阻力損失實(shí)驗(yàn)管路沿程阻力損失一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)會(huì)測(cè)定管道沿程水頭損失系數(shù)的方法。 2、分析圓管恒定流動(dòng)的水頭損失規(guī)律，驗(yàn)證在各種情況下沿程水頭損失與平均流速的關(guān)系以及隨雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的變化規(guī)律。 3、根據(jù)紊流粗糙區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算實(shí)驗(yàn)管壁的粗糙系數(shù) n 值及管壁當(dāng)量粗糙值，并與莫迪圖比較。二、實(shí)驗(yàn)原理1、對(duì)于通過直徑不變的圓管的恒定水流，沿程水頭損失為即上下游量測(cè)斷面的比壓計(jì)讀數(shù)差。沿程水頭損失也常表達(dá)為其中， 稱為沿程水頭損失系數(shù)；為上下游量測(cè)斷面之間的管段長度；為管道直徑，為斷面平均流速。若在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得和斷面平均流速，則可直

18、接得到沿程水頭損失系數(shù) 2、不同流動(dòng)型態(tài)及流區(qū)的水流，其沿程水頭損失與斷面平均流速的關(guān)系是不同的。層流流動(dòng)中的沿程水頭損失與斷面平均流速的1次方成正比；紊流流動(dòng)中的沿程水頭損失與斷面平均流速的1.52次方成正比。 3、沿程水頭損失系數(shù)是相對(duì)粗糙度與雷諾數(shù)的函數(shù)，為管壁當(dāng)量粗糙，（其中為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)）。4、圓管層流流動(dòng)5、光滑圓管紊流流動(dòng)可取?？梢娫趯恿髁鲃?dòng)和紊流光滑區(qū)，沿程水頭損失系數(shù)只取決于雷諾數(shù)。6、粗糙圓管紊流流動(dòng)沿程水頭損失系數(shù)完全由粗糙度決定，與雷諾數(shù)無關(guān)，此時(shí)沿程水頭損失與斷面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙區(qū)通常也叫做“阻力平方區(qū)”。7、在紊流光滑區(qū)和紊流粗糙區(qū)之間存在過渡

19、區(qū)，此時(shí)沿程水頭損失系數(shù) 與雷諾數(shù)和粗糙度都有關(guān)。 8、粗糙系數(shù)可按下列公式進(jìn)行計(jì)算式中，為管道的水力半徑，圓管的水力半徑，該式適用于紊流粗糙區(qū)。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指示書，認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)。 2、查閱用測(cè)壓管量測(cè)壓強(qiáng)和用體積法或三角堰法量測(cè)流量的原理和步驟。 3、開啟上下游閥門排氣，檢查下游閥門全關(guān)時(shí)，各個(gè)測(cè)壓管水面是否處于同一水平面上。如不平，則需排氣調(diào)平。 4、核對(duì)設(shè)備編號(hào)，記錄所用設(shè)備的斷面管徑、量測(cè)段長度、三角堰零點(diǎn)讀數(shù)等數(shù)據(jù)。 5、開啟下游閥門，流量應(yīng)先放到最大，待水流恒定后，觀察測(cè)管水頭的變化。量測(cè)流量及相應(yīng)的水頭損失，登錄到數(shù)據(jù)表格上。 6、減小閥門

20、開度，重復(fù)上述步驟，并按序登錄數(shù)據(jù)。流量的調(diào)整逐步由大到小，每改變一次流量需要等待12分鐘，待水流恒定后再進(jìn)行量測(cè)。水流的紊動(dòng)使比壓計(jì)的水面有波動(dòng)，應(yīng)記錄水面的時(shí)均值。7、檢查數(shù)據(jù)記錄表是否有缺漏？是否有某組數(shù)據(jù)明顯地不合理？若有此情況，進(jìn)行補(bǔ)正。為了提高實(shí)驗(yàn)精度，便于分析整理，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)盡可能多一些。要求改變流量不少于15次。8、 在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)分別量測(cè)水溫，加以平均作為實(shí)驗(yàn)水溫。管路局部阻力損失一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察突擴(kuò)管旋渦區(qū)測(cè)管水頭線，以及其它各種邊界突變情況下的測(cè)管水頭變化情況，加深對(duì)局部水頭損失的感性認(rèn)識(shí)。 2、掌握測(cè)定管道局部水頭損失系數(shù)的方法，并將突擴(kuò)管的實(shí)測(cè)值與理論值比較，將突

21、縮管的實(shí)測(cè)值與經(jīng)驗(yàn)值比較。 3、學(xué)習(xí)用測(cè)壓管測(cè)量壓強(qiáng)和用體積法測(cè)流量的實(shí)驗(yàn)技能。二、實(shí)驗(yàn)原理1、有壓管道恒定流遇到管道邊界的局部突變的尾部時(shí)，流動(dòng)會(huì)分離形成剪切層，剪切層流動(dòng)不穩(wěn)定，引起流動(dòng)結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，并產(chǎn)生旋渦，平均流動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)能量，造成不可逆的能量耗散。與沿程因摩擦造成的分布損失不同，這部分損失可以看成是集中損失在管道邊界的突變處，每單位重量流體承擔(dān)的這部分能量損失稱為局部水頭損失。2、根據(jù)能量方程，局部水頭損失這里我們認(rèn)為因邊界突變?cè)斐傻哪芰繐p失全部產(chǎn)生在1-1，2-2兩斷面之間，不再考慮沿程損失。 上游斷面1-1應(yīng)取在由于邊界的突變，水流結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化的漸變流段中，下游2-

22、2斷面則取在水流結(jié)構(gòu)調(diào)整剛好結(jié)束，重新形成漸變流段的地方?？傊?，兩斷面應(yīng)盡可能接近，又要保證局部水頭損失全部產(chǎn)生在兩斷面之間。經(jīng)過測(cè)量兩斷面的測(cè)管水頭差和流經(jīng)管道的流量，進(jìn)而推算兩斷面的速度水頭差，就可測(cè)得局部水頭損失。 3、局部水頭損失系數(shù)是局部水頭損失折合成速度水頭的比例系數(shù)，即當(dāng)上下游斷面平均流速不同時(shí)，應(yīng)明確它對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)速度水頭？例如，對(duì)于突擴(kuò)圓管就有和之分。其它情況的局部損失系數(shù)在查表或使用經(jīng)驗(yàn)公式確定時(shí)也應(yīng)該注意這一點(diǎn)。通常情況下對(duì)應(yīng)下游的速度水頭。4、局部水頭損失系數(shù)隨流動(dòng)的雷諾數(shù)而變，即但當(dāng)雷諾數(shù)大到一定程度后， 值成為常數(shù)。在工程中使用的表格或經(jīng)驗(yàn)公式中列出的就是指這個(gè)范圍

23、的數(shù)值。5、局部水頭損失的機(jī)理復(fù)雜，除了突擴(kuò)圓管的情況以外，一般難于用解析方法確定，而要通過實(shí)測(cè)來得到各種邊界突變情況下的局部水頭損失系數(shù)。6、對(duì)于突擴(kuò)圓管的情況，局部水頭損失系數(shù)有理論結(jié)果，推導(dǎo)如下：流動(dòng)經(jīng)過突擴(kuò)圓管的局部水頭損失 取1-1，2-2兩斷面如圖， 這里要特別注意1-1斷面取為突擴(kuò)開始的斷面，2-2斷面則取在水流結(jié)構(gòu)調(diào)整剛好結(jié)束，重新形成漸變流段的地方。兩斷面面積都為，而和則分別為細(xì)管和粗管中的平均流速。根據(jù)動(dòng)量方程可知所以有將其代入局部水頭損失的表達(dá)式，得取的值均為1.0，則或可見，7、突擴(kuò)圓管局部水頭損失之所以能夠?qū)С錾鲜鼋馕霰磉_(dá)式是因?yàn)椋何覀兗僭O(shè)1-1斷面上的測(cè)管水頭為常數(shù)

24、；1-1，2-2兩斷面的面積相等。而突縮圓管的1-1，2-2兩斷面必須分別取在粗管和細(xì)管中，這是由流動(dòng)結(jié)構(gòu)決定的，因此突縮圓管的局部水頭損失不能解析表達(dá)，只有經(jīng)驗(yàn)公式這里的對(duì)應(yīng)下游，即細(xì)管中的速度水頭。8、其它各種彎管、截門、閘閥等的局部水頭損失系數(shù)可查表或由經(jīng)驗(yàn)公式獲得。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)。 2、查閱用測(cè)壓管量測(cè)壓強(qiáng)和用體積法（手工、自動(dòng)）量測(cè)流量的原理和步驟。 3、對(duì)照實(shí)物了解儀器設(shè)備的使用方法和操作步驟，做好準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)抽水機(jī)，打開進(jìn)水開關(guān)，使水箱充水，并保持溢流狀態(tài)，使水位恒定。 4、檢查下游閥門全關(guān)時(shí)，各個(gè)測(cè)壓管水面是否處于同一水平面上。如不

25、平，則需排氣調(diào)平。 5、核對(duì)設(shè)備編號(hào)，確認(rèn)數(shù)據(jù)記錄表上列出的斷面管徑等數(shù)據(jù)。 6、開啟下游閥門，待水流恒定后，觀察測(cè)管水頭的變化，正確選擇實(shí)驗(yàn)配件前后的量測(cè)斷面，進(jìn)行數(shù)據(jù)的量測(cè)，并登錄到數(shù)據(jù)記錄表的相應(yīng)位置。 7、改變閥門開度，待水流恒定后，重復(fù)上述步驟，并按序登錄數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)要求做三個(gè)流量。 8、檢查數(shù)據(jù)記錄表是否有缺漏？是否有某組數(shù)據(jù)明顯地不合理？若有此情況，進(jìn)行補(bǔ)正。 9、計(jì)算整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出各實(shí)驗(yàn)配件局部水頭損失系數(shù)實(shí)測(cè)值，并同時(shí)列出突擴(kuò)管局部水頭損失系數(shù)的理論值和突縮管的經(jīng)驗(yàn)值。 10、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。閱讀思考問題，作簡要回答。實(shí)驗(yàn)六孔口、管嘴出流實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察孔

26、口、管嘴出流的水力現(xiàn)象。2、測(cè)定孔口、管嘴出流的各項(xiàng)系數(shù)：出流斷面收縮系數(shù)、流量系數(shù)、流速系數(shù)和阻力系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理在容器壁上開一個(gè)任意形狀的孔，流體1 1從此孔向外泄出，這種現(xiàn)象稱為孔口出流。在孔口上連接一段管子，流體從此管流出， 這種現(xiàn)象稱為管嘴出流。如圖6所示。 1、 孔口出流 dc 在水箱側(cè)壁開一個(gè)直徑為的圓形孔口， 液體受不變水頭作用下，沿不同方向從孔口向外流出，在慣性作用下，液體的流線不 圖6孔口、管嘴實(shí)驗(yàn)原理圖能急劇改變方向，因此，在離孔口很近的出流處（約距孔口1 / 2處），將產(chǎn)生一個(gè)收縮斷面。水箱中水位保持不變，孔口直徑與孔口在液面下的深度比較起來，是很小的，因此可以認(rèn)為孔

27、口斷面上的流速是相同的，收縮斷面可以近似圓形。如果測(cè)出收縮斷面的直徑，那么收縮斷面可求。截取自由液面11和收縮斷面CC，以通過孔口形心的水平面為基準(zhǔn)面，列能量方程式中 ，自由液面保持恒定，上式變成 孔口出流流量為 孔口出流斷面收縮系數(shù)為 將代入上式得 式中 稱為孔口出流流量系數(shù)。將以上孔口出流的基本關(guān)系式進(jìn)行反推，可得孔口出流的各項(xiàng)系數(shù)流量系數(shù)： 收縮系數(shù)： 流速系數(shù)： 阻力系數(shù)： 因此，測(cè)出、，即可求出各項(xiàng)系數(shù)。根據(jù)對(duì)薄壁小孔口充分收縮的實(shí)驗(yàn)：、。2、孔口出流的分類小孔口出流、大孔口出流（按H / d 是否大于 10 來判定）；定常出流、非定常出流；淹沒出流、非淹沒出流；薄壁出流、厚壁出流。

28、薄壁出流確切地講就是銳緣孔口出流，流體與孔壁只有周線上接觸，孔壁厚度不影響射流形態(tài)，否則就是厚壁出流，如孔邊修圓的情況，此時(shí)孔壁參與了出流的收縮，但收縮斷面還是在流出孔口后形成。如果壁厚達(dá)到34d，就稱為管嘴，收縮斷面將會(huì)在管嘴內(nèi)形成，而后再擴(kuò)展成滿流流出管嘴。管嘴出流的能量損失只考慮局部損失，如果管嘴再長，以致必須考慮沿程損失時(shí)就是短管了。3、管嘴出流管嘴出流的流動(dòng)特點(diǎn)是，水股先在管內(nèi)收縮形成真空，而后再逐漸擴(kuò)張以至充滿整個(gè)管嘴而流出。由于管嘴出流與孔口出流的流動(dòng)情況有著明顯的區(qū)別，因而在孔口上加設(shè)短管即管嘴，既影響出流的流速系數(shù)又影響流量系數(shù)，亦即改變出流的流量和流速。管嘴出流時(shí)的阻力損失

29、，主要是管嘴入口處的局部阻力損失和水股收縮斷面擴(kuò)大的局部阻力損失，而管嘴的沿程阻力損失可以忽略不計(jì)。管嘴出流各項(xiàng)系數(shù)計(jì)算公式與孔口出流的形式完全一樣。但由于管嘴出口斷面沒有變化，即，。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，左右。管嘴出流各項(xiàng)系數(shù)計(jì)算公式如下：流量系數(shù)： 收縮系數(shù)： 流速系數(shù)： = 阻力系數(shù)： 3、管嘴的真空現(xiàn)象管嘴是在孔口上加設(shè)一段適當(dāng)?shù)亩坦?，雖然加一段短管將使阻力增大，但是管嘴的出流量反而會(huì)比同樣情況下的孔口出流量大，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是在管嘴內(nèi)也存在收縮斷面，直接表現(xiàn)為此處產(chǎn)生了真空。在圓柱形管嘴收縮斷面處設(shè)測(cè)壓管以觀察真空現(xiàn)象并量測(cè)真空值。正因?yàn)楣茏煸谑湛s斷面處有真空存在，如同水泵一樣，對(duì)液流產(chǎn)生抽

30、吸作用，從而使管嘴出流量大于孔口出流量。這種由于真空的存在使管嘴增加的出流量，要比由于管嘴阻力增加而減少的出流量大得多。這一結(jié)論和現(xiàn)象將在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、起動(dòng)水泵，給水箱連續(xù)供水，當(dāng)水位升至溢流板上端時(shí)，水由此溢出，調(diào)節(jié)水泵出水閥門，使液面保持恒定不變，即作用水頭不變。與此同時(shí)觀察孔口或管嘴出流情況。2、將旋板旋到其它位置，觀察不同孔口、管嘴的出流情況，并注意進(jìn)行比較。3、分兩組同時(shí)測(cè)量孔口、管嘴實(shí)驗(yàn)參數(shù)：作用水頭 ，孔口或管嘴出流流量、孔口出流收縮斷面直徑。實(shí)驗(yàn)七管道水擊實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察管道水擊現(xiàn)象的發(fā)生、傳播與消失過程，增強(qiáng)對(duì)水擊現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算水

31、擊波的傳播速度。 2、量測(cè)水擊引起的壓強(qiáng)增量，加深對(duì)水擊影響的定量認(rèn)識(shí)。 3、通過調(diào)壓室水位振蕩現(xiàn)象的演示，以及使用調(diào)壓室前后水擊壓強(qiáng)增量的變化情況 ，了解調(diào)壓室消減水擊壓強(qiáng)的作用。二、實(shí)驗(yàn)原理水擊現(xiàn)象是一種典型的有壓 管道非恒定流問題，在水擊現(xiàn)象中，由于壓強(qiáng)變化急劇，必須考慮流體的壓縮性及管道的彈性 。水擊現(xiàn)象可大致作如下描述：有壓管道流動(dòng)的流量突變流速突變由于流動(dòng)的慣性 ，造成壓強(qiáng)大幅波動(dòng)流體的壓縮性和管道的彈性使波動(dòng)在管道中以有 限的速度傳播。 以閥門突然關(guān)閉為例，將有一個(gè)增壓、增密度、增管道斷面積、減流速的過程從閥門向上游傳播，壓強(qiáng)、流速、密度、管道斷面積的間斷面在管道中運(yùn)動(dòng)，這就是水擊波。1、水擊波的壓強(qiáng)增值在已知水擊波傳播速度 c 的條件下，壓強(qiáng)增量與流速大小增量的關(guān)系為2、水擊波的傳播速度水擊波傳播速度為式中，為液體的體積彈性系數(shù)；反映管壁的彈性，對(duì)于直徑為的圓管其中，為管壁材料的彈性系數(shù)，為管壁厚度。于是若忽略管壁的彈性，即認(rèn)為 ，則為聲波速度（水中約為1435 m/s）。所以水電站引水管的 ，。3、水擊現(xiàn)象的分析為了更清晰地說明水擊波傳播、反射、疊加的發(fā)展過程，考察上游水庫與閥門間的長度為 L 的直圓管（BA）中因閥門A突然完全關(guān)閉發(fā)生的水擊現(xiàn)象，認(rèn)為彈性力與慣性力起主要作用，忽略水頭損失和流速水頭。在理解了水擊波在A處的正反射