流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書郭廣思 王連琪沈陽(yáng)理工大學(xué)2006年10月一 伯努利方程綜合性實(shí)驗(yàn) （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟匠淌撬W(xué)三大基本方程之一，反映了水流在流動(dòng)時(shí)，位能、壓能、動(dòng)能之間的關(guān)系。1 了解總水頭線和測(cè)壓管水頭線在局部阻力和沿程阻力處的變化規(guī)律；2 了解總水頭線在不同管徑段的下降坡度，即水力坡度J的變化規(guī)律；3 了解總水頭線沿程下降和測(cè)壓管水頭線升降都有可能的原理；4 用實(shí)例流量計(jì)算流速水頭去核對(duì)測(cè)壓板上兩線的正確性；不同管徑流速水頭的變化規(guī)律（二）設(shè)備簡(jiǎn)圖本實(shí)驗(yàn)臺(tái)由高位水箱、供水箱、水泵、測(cè)壓板、有機(jī)玻璃管道、鐵架、量筒等部件組成，可直觀地演示水流在不同管徑、不同高程的管路中流動(dòng)時(shí)，上述三

2、種能量之間的復(fù)雜變化關(guān)系。（三）實(shí)驗(yàn)原理 過水?dāng)嗝娴哪芰坑晌荒堋耗?、?dòng)能三部分組成。水流在不同管徑、不同高程的管路中流動(dòng)時(shí)，三種能量不斷地相互轉(zhuǎn)化，在實(shí)驗(yàn)管道各斷面設(shè)置測(cè)壓管及測(cè)速管，即可演示出三種能量沿程變化的實(shí)際情況。測(cè)壓管中水位顯示的是位能和壓能之和，即伯努利方程中之前兩項(xiàng)：，測(cè)速管中水位顯示的是位能、壓能和動(dòng)能之和。即伯努利方程中三項(xiàng)之和：。將測(cè)壓管中的水位連成一線，稱為測(cè)壓管水頭線，反映勢(shì)能沿程的變化；將測(cè)速管中的水位連成一線，稱為總水頭線，反映總能量沿程的變化，兩線的距離即為流速水頭。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)在有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)管道的關(guān)鍵部位處，設(shè)置測(cè)壓管及測(cè)速管，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)流量就可把總水頭線和測(cè)壓管

3、水頭線繪制于測(cè)壓板上。注：計(jì)算所的流速水頭值是采用斷面平均流速求得，而實(shí)測(cè)流速水頭值是根據(jù)斷面最大速度得出，顯然實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，兩者相差約為1.3倍。（四）實(shí)驗(yàn)步驟1開動(dòng)水泵，將供水箱內(nèi)之水箱至高位水箱；2高位水箱開始溢流后，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)管道閥門，使測(cè)壓管，測(cè)速管中水位和測(cè)壓板上紅、黃兩線一致；3實(shí)驗(yàn)過程中，始終保持微小溢流；4如水位和紅黃兩線不符，有兩種可能：一是連接橡皮管中有氣泡，可不斷用手?jǐn)D捏橡皮管，使氣泡排出；二是測(cè)速管測(cè)頭上掛有雜物，可轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)頭使水流將雜物沖掉。（五）報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)后要完成的一份書面材料。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容一般包括實(shí)驗(yàn)名稱、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)人姓名、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)

4、步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項(xiàng)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)報(bào)告一律用流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告用紙書寫。（六）討論題1. 什么是速度水頭，位置水頭，壓力水頭？速度水頭、測(cè)壓管水頭和總水頭什么關(guān)系？2. 總水頭線和測(cè)壓管水頭線在局部阻力和沿程阻力處有怎樣的變化？為什么？二 局部阻力綜合性實(shí)驗(yàn)（一）文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）測(cè)定文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)。（2）驗(yàn)證伯努利方程的正確性。2設(shè)備簡(jiǎn)圖3實(shí)驗(yàn)原理在文丘里流量計(jì)入口II斷面，在其喉部收縮段處取斷面，由于流量計(jì)系數(shù)水平放置，則可列出上述兩斷面的伯努利方程如下，（不計(jì)水頭損失）： （1）其中： 根據(jù)連續(xù)性方程得： （2）令： 解（1）（2）兩式可得計(jì)算流量的

5、公式如下：或 式中為兩斷面測(cè)壓管水頭差，亦即測(cè)壓計(jì)內(nèi)的液面高差h。令 （1）上式可寫成 （2）因此，測(cè)出測(cè)壓計(jì)水位高差h后，即可求出計(jì)算流量Q。 由于實(shí)際上所取的兩個(gè)斷面之間存在著水頭損失，所以實(shí)際流量Q0一般要略小于計(jì)算流量Q。實(shí)際流量Q0用體積法測(cè)定。 （3）為時(shí)間內(nèi)，水由管道流入計(jì)量箱內(nèi)的體積。如令 （4）則是一小于1的數(shù)，稱為流量系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)的目的就是用實(shí)驗(yàn)的方法確定流量系數(shù)的具體數(shù)值。4實(shí)驗(yàn)步驟（1）準(zhǔn)備工作： 記錄儀器常數(shù)d1，d2并計(jì)算出k值。 檢查測(cè)壓計(jì)液面是否水平（此時(shí)Q=0），如果不在同一個(gè)水平面上，必須將橡膠管內(nèi)空氣排盡，使兩測(cè)壓管的液面處于水平狀態(tài)，方能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 閥門

6、1、2為實(shí)驗(yàn)閥門。可先調(diào)至較小開度。 文丘里流量計(jì)收縮斷面（測(cè)點(diǎn)2），經(jīng)常處于負(fù)壓狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將連接膠管灌滿水，才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則往里進(jìn)氣。2.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)： 開泵，此時(shí)1、2測(cè)壓管內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)較小高差。 緩慢開啟閥門1，使壓差調(diào)到最大（如2號(hào)測(cè)壓管中液位降得太低可關(guān)小閥門2，使液位抬高。如測(cè)壓計(jì)中液位太高，可用壓氣球加壓，壓低液位）。注意事項(xiàng)：如出現(xiàn)測(cè)壓管冒水現(xiàn)象，不必驚慌，可把閥門2全開、或停泵重做。5報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)后要完成的一份書面材料。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容一般包括實(shí)驗(yàn)名稱、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)人姓名、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項(xiàng)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)報(bào)告一律用流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)

7、告用紙書寫。6討論題影響流量系數(shù)的因素是什么？（二）局部阻力系數(shù)的測(cè)定1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）測(cè)定閥門不同開啟度時(shí)（全開、30、45三種）的阻力系數(shù)。（2）掌握局部水頭損失的測(cè)定方法。2設(shè)備簡(jiǎn)圖3實(shí)驗(yàn)原理在本實(shí)驗(yàn)中伯努利方程式可表示如下：其中： 對(duì)測(cè)點(diǎn)1、2兩斷面列伯努利方程式，可求得閥門的局部水頭損失及 長(zhǎng)度上的沿程水頭損失，以hw1表示： （1）對(duì)測(cè)點(diǎn)3、4兩斷面列伯努利方程式，可求得閥門的局部水頭損失及（L1+L2）長(zhǎng)度上的沿程水頭損失，以hw2表示，則： （2） 即為閥門的水頭損失hw：所以，阻力系數(shù)：4實(shí)驗(yàn)步驟（1）開泵。調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門，使測(cè)壓管1、2、3、4種出現(xiàn)壓差，如管中液位太高，可用壓

8、氣球打壓，使液位降低，以增加量測(cè)范圍。（2）先閉進(jìn)水閥門，測(cè)壓管中水位應(yīng)一平，如不平，說明連接膠管中有氣泡，應(yīng)趕凈后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）用流量計(jì)量側(cè)流量。注意事項(xiàng)：如出現(xiàn)測(cè)壓管冒水現(xiàn)象，不必驚慌，可把出水閥門全關(guān)或停泵重做。5報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)后要完成的一份書面材料。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容一般包括實(shí)驗(yàn)名稱、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)人姓名、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項(xiàng)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)報(bào)告一律用流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告用紙書寫。6討論題什么叫局部阻力，影響因素是什么？三 流體沿程阻力實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定不同雷諾數(shù)Re時(shí)的沿程阻力系數(shù)2掌握沿程阻力系數(shù)的測(cè)定方法（二）設(shè)備簡(jiǎn)圖（三）實(shí)驗(yàn)原理在

9、本實(shí)驗(yàn)中伯努利方程式可表示如下：其中： 對(duì)、兩斷面列伯努利方程，可求得L長(zhǎng)度上的沿程水頭損失根據(jù)達(dá)西公式： 用流量計(jì)測(cè)得流量，（仔細(xì)閱讀流量計(jì)使用方法），并計(jì)算出斷面平均流速，即可求得沿程阻力系數(shù)（四）實(shí)驗(yàn)步驟1開泵，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門，使測(cè)壓管中出現(xiàn) 高差。2關(guān)閉進(jìn)水閥門，測(cè)壓管中水位應(yīng)一平，如仍有高差，說明連接管中有氣泡，應(yīng)趕凈。3用流量計(jì)測(cè)流量。（五）報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)后要完成的一份書面材料。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容一般包括實(shí)驗(yàn)名稱、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)人姓名、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理、結(jié)論與討論等多項(xiàng)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)報(bào)告一律用流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告用紙書寫。（六）討論題什么叫沿程阻力，影響因素是

10、什么？四 雷諾實(shí)驗(yàn)（一）概述1883年英國(guó)科學(xué)家雷諾（Osbome Reynolds）在他著名的雷諾試驗(yàn)中揭示了流體流動(dòng)存在兩種性質(zhì)不同的型態(tài)層流和紊流。這兩種流態(tài)不僅流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，其水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有著本質(zhì)的差異。雷諾通過大量實(shí)驗(yàn)得出判斷層流和紊流的標(biāo)準(zhǔn)臨界雷諾數(shù)。（二）設(shè)備簡(jiǎn)圖（三）實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙饬x1了解流體流動(dòng)的兩種流態(tài)，并觀察其臨界狀態(tài)及轉(zhuǎn)變過程。2測(cè)定上臨界雷諾數(shù)Re：（四）實(shí)驗(yàn)步驟水箱上水，并保持微小溢流，打亮燈箱，小開出水閥門和顏色水（可用紅墨水）閥門，使顏色水成一條細(xì)線，此時(shí)為層流狀態(tài)。逐漸開大出水閥門至顏色水線開始微微顫動(dòng)，此時(shí)為臨界狀態(tài)，量測(cè)流量、水溫，查表得運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，即可求出上臨界雷諾數(shù)：式中d為實(shí)驗(yàn)玻璃管內(nèi)徑，上臨界雷諾數(shù)是一個(gè)不穩(wěn)定的數(shù)值，1200，甚至更大。因此Re就沒有實(shí)際意義。3測(cè)定下臨界雷諾數(shù)Re在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將出水閥門繼續(xù)開大，使顏色水完全混亂，達(dá)到紊流狀態(tài)。在逐漸關(guān)小出水閥門，使顏色水恢復(fù)成細(xì)紋，說明水流又由紊流變成層流，量測(cè)流量、水溫。計(jì)算下臨界雷諾數(shù)：根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料，下臨界雷諾數(shù)是一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的數(shù)值，約為2300，因此在工程上都采用下臨界雷諾數(shù)作為判別流動(dòng)型態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。一般實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于進(jìn)水口、邊界條件等不盡完善，很難達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)