流體基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書印2009112

1、指 導(dǎo) 書 與 報(bào) 告涂程旭 編寫專業(yè) 班級(jí)學(xué)號(hào) 姓名中 國(guó) 計(jì) 量 學(xué) 院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院目 錄 (一)、雷諾實(shí)驗(yàn)(1)(二)、文透利流量計(jì)實(shí)驗(yàn)(5) (三)、沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)(10) (四)、局部水頭損失實(shí)驗(yàn)(19)（五）、自循環(huán)流動(dòng)演示儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)(26)（六）、畢托管測(cè)速(34) (一) 雷 諾 實(shí) 驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?1、觀察層流、紊流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換特征； 2、測(cè)定臨界雷諾數(shù)。掌握?qǐng)@管流態(tài)判別準(zhǔn)則： 3、學(xué)習(xí)經(jīng)典流體力學(xué)中應(yīng)用無量綱參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法，并了解其實(shí)用意義。二、實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1.1所示。圖1.l 自循壞雷諾實(shí)驗(yàn)裝置圖1、自循環(huán)供水器；2、實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3、可控硅無

2、級(jí)調(diào)速器；4、恒壓水箱5、有色水水管； 6、穩(wěn)水孔板；7、溢流板；8、實(shí)驗(yàn)管道；9、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥； 供水流量由無級(jí)調(diào)速器調(diào)控使恒壓水箱4始終保持微溢流的程度。以提高進(jìn)口前水體穩(wěn)定度。 本恒壓水箱還設(shè)有多道穩(wěn)水隔板，可使穩(wěn)水時(shí)間縮短到35分鐘。有色水經(jīng)有色水水管5注入實(shí)驗(yàn)管道8，可根據(jù)有色水散開與否判別流態(tài)。為防止自循環(huán)水污染，有色指示水采用自行消色的專用色水。三、實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟 1、測(cè)記本實(shí)驗(yàn)的有關(guān)常數(shù)。 2、觀察兩種流態(tài)。 打開開關(guān)3使水箱充水至溢流水位，經(jīng)穩(wěn)定后，微微開啟調(diào)節(jié)閥9，并注入顏色水于實(shí)驗(yàn)管內(nèi)。使顏色水流成一直線。通過顏色水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)觀察管內(nèi)水流的層流流態(tài)，然后逐步

3、開大調(diào)節(jié)閥，通過顏色水直線的變化觀察層流轉(zhuǎn)變到紊流的水力特征。待管中出現(xiàn)完全紊流后，再逐步關(guān)小凋節(jié)閥。觀察由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯乃μ卣鳌?3、測(cè)定下臨界雷諾數(shù)。 (1)、將調(diào)節(jié)閥打開，使管中呈完全紊流，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥使流量減小，當(dāng)流量調(diào)節(jié)到使顏色水在全管剛呈現(xiàn)出一穩(wěn)定直線時(shí)，即為下臨界狀態(tài)； (2)、待管中出現(xiàn)臨界狀態(tài)時(shí)，用體積法或電測(cè)法測(cè)定流量； (3)、根據(jù)所測(cè)流量計(jì)算下臨界雷諾數(shù)，并與公認(rèn)值(2320)比較，偏離過大，需重測(cè)； (4)、重新打開調(diào)節(jié)閥，使其形成完全紊流，按照上述步驟重復(fù)測(cè)量不少于三次； (5)、同時(shí)用水箱中的溫度計(jì)測(cè)記水溫，從而求得水的運(yùn)動(dòng)粘度。注意： a、每調(diào)節(jié)閥門一次

4、，均需等待穩(wěn)定幾分鐘； b、關(guān)小閥門過程中，只許漸小，不許開大； c、隨出水流量減小，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小開關(guān)(右旋)，以減小溢流量引發(fā)的擾動(dòng)。 4、測(cè)定上臨界雷諾數(shù)。 逐漸開啟調(diào)節(jié)閥，使管中水流由層流過渡到紊流，當(dāng)色水線剛開始散開時(shí)，即為上臨界狀態(tài)。測(cè)定上臨界雷諾數(shù)l2次。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求 1、記錄、計(jì)算有關(guān)常數(shù)：實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)號(hào)No_管徑 cm; 水溫 C運(yùn)動(dòng)粘度= 計(jì)算常數(shù) 2、整理、記錄計(jì)算表實(shí)驗(yàn)次序顏色水線形態(tài)水體積時(shí)間T（s）流 量雷諾數(shù)閥門開度備注123456 實(shí)測(cè)下臨界雷諾數(shù)（平均值） =注：色水形態(tài)；穩(wěn)定直線穩(wěn)定略彎曲、直線擺動(dòng)直線抖動(dòng)、斷續(xù)、完全敞開。 六、實(shí)驗(yàn)分析與討論 1、流態(tài)判據(jù)

5、為何采用無量綱參數(shù), 而不采用臨界流速?2、為何認(rèn)為上臨界雷諾數(shù)無實(shí)際意義。而采用下臨界雷諾數(shù)作為層流與紊流的判據(jù)?實(shí)測(cè)下臨界雷諾數(shù)為多少? 3、雷諾實(shí)驗(yàn)得出的園管流動(dòng)下，臨界雷諾數(shù)為2320。而目前有些教科書中介紹采用的下臨界雷諾數(shù)是2000，原因何在? 4、試結(jié)合紊動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)的觀察，分析由層流過渡到紊流的機(jī)理何在? 5、分析層流和紊流在運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性方而各有何差異。(二) 文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?1、通過測(cè)定流量系數(shù)，掌握文丘里流量計(jì)量測(cè)管道流量的技術(shù)和應(yīng)用氣水多管壓差計(jì)量測(cè)壓差的技術(shù)； 2、通過實(shí)驗(yàn)與量綱分析，了解應(yīng)用量綱分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合研究水力學(xué)問題的途徑，進(jìn)而掌握文丘

6、里流量計(jì)的水力特性。二、實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)的裝置如圖2.1所示。圖2.1 文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置圖1、自循環(huán)供水器：2、實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3、可控硅無級(jí)調(diào)速器：4恒壓水箱；5、溢流板；6、穩(wěn)水孔板；7、文丘里實(shí)驗(yàn)管段；8、測(cè)壓計(jì)氣閥； 9、測(cè)壓計(jì)； 10、滑尺； ll、多管壓差計(jì)；12、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥;在文丘里流量計(jì)的兩個(gè)測(cè)量斷面上，分別有4個(gè)測(cè)壓孔與相應(yīng)的均壓環(huán)連通，經(jīng)均壓環(huán)均壓后的斷面壓強(qiáng)由電測(cè)儀量測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)能量方程式和連續(xù)性方程式，可得不計(jì)阻力作用時(shí)的文丘里管過水能力關(guān)系式 式中： 為兩斷面測(cè)壓管水頭差。（由電測(cè)儀測(cè)得） 由于阻力的存在，實(shí)際通過的流量恒小于， 今引入一無量綱系數(shù)（稱為流量

7、系數(shù)）。對(duì)計(jì)算所得的流量值進(jìn)行修正。 即； 四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、測(cè)記各有關(guān)常數(shù)。2、電測(cè)儀調(diào)04、全開調(diào)節(jié)閥門，待水流穩(wěn)定后，記錄電測(cè)儀讀數(shù)，并用秒表、量筒測(cè)定流量。 5、逐次關(guān)小調(diào)節(jié)閥。改變流量5次，重復(fù)步驟4，注意調(diào)節(jié)閥門應(yīng)緩慢。 6、把測(cè)量值記錄在實(shí)驗(yàn)表格內(nèi)，并進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，7、實(shí)驗(yàn)結(jié)束，需按步驟2校核壓差計(jì)足否回零。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求 1、記錄計(jì)算有關(guān)常數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)號(hào)_。 水溫.水箱液而標(biāo)尺值。管軸線高程標(biāo)尺值= 。2、整理記錄計(jì)算表；表2.1記錄表次序電測(cè)儀讀數(shù) （cm）水 量測(cè)量時(shí)間（s）12345表2.2 計(jì)算表 次序（）（cm）()12345 3、用方格紙繪制與曲線圖，分別

8、取為縱坐標(biāo)。六、實(shí)驗(yàn)分析與討論 1、本實(shí)驗(yàn)中,影響文丘里管流量系數(shù)大小的因素有哪些? 哪個(gè)因素最敏感? 對(duì)本實(shí)驗(yàn)的管道而言,若因加工精度影響, 誤將()cm值取代上述值時(shí),本實(shí)驗(yàn)在最大流量下的值將變?yōu)槎嗌? 2、為什么計(jì)算流量，與實(shí)際流量不相等?3、試證氣一水多管壓差計(jì)(圖6.2)有下列關(guān)系： 4、試應(yīng)用量綱分析法，闡明文丘里流量計(jì)的水力特性。 5、文氏管喉頸處容易產(chǎn)生真空，允許最大真空度為67。工程中應(yīng)用文氏管時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)其最大真空度是否在允許范圍內(nèi)。據(jù)你的實(shí)驗(yàn)成果，分析本實(shí)驗(yàn)流量計(jì)喉頸最大真空值為多少?(三) 沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?1、加深了解圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變

9、化的規(guī)律，繪制曲線。 2、掌握管道沿程阻力系數(shù)的量測(cè)技術(shù)和應(yīng)用氣-水壓差計(jì)及電測(cè)儀測(cè)量壓差的方法。 3、將測(cè)得的-關(guān)系值與莫迪圖對(duì)比，分析其合理性。進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)成果分析能力。二、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.1所示： 圖3.1 自循環(huán)沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)裝置圖1、 自循環(huán)高壓恒定全自動(dòng)供水器； 2、實(shí)驗(yàn)臺(tái)； 3回水管； 4、水壓差計(jì)； 5、測(cè)壓計(jì)； 6、實(shí)驗(yàn)管道； 7、水銀壓差計(jì)；8、滑動(dòng)測(cè)量尺；9、測(cè)壓點(diǎn)； 10、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥；11、供水閥和供水管； 12、旁通管與旁通閥； 13、穩(wěn)壓筒； 根據(jù)壓差測(cè)法的不同，有兩種形式；型式I： 壓差計(jì)測(cè)壓差。 低壓差用水壓差計(jì)量測(cè)；高壓差用水銀多管式壓差計(jì)量

10、測(cè)。裝置簡(jiǎn)圖如圖3.1所示。型式II： 電子量測(cè)儀測(cè)壓差。 低壓差仍用水壓差計(jì)量測(cè)； 而高壓差用電子量測(cè)儀(簡(jiǎn)稱電測(cè)儀)量測(cè)。 與型式I比較，該型唯一不同在于水銀多管式壓差計(jì)被電測(cè)儀所取代。本實(shí)驗(yàn)裝置配備有： 1、自動(dòng)水泵與穩(wěn)壓器 自循環(huán)高壓恒定全自動(dòng)供水器由離心泵、自動(dòng)壓力開關(guān)、氣一水壓力罐式穩(wěn)壓器等組成。壓力超高時(shí)能自動(dòng)停機(jī)，過低時(shí)能自動(dòng)開機(jī)。為避免因水泵直接向?qū)嶒?yàn)管道供水而造成的壓力波動(dòng)等影響，離心泵的輸水是先進(jìn)入穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓罐，經(jīng)穩(wěn)壓后再送向?qū)嶒?yàn)管道。 2、旁通管與旁通閥 由于本實(shí)驗(yàn)裝置所采用水泵的特性，在供小流量時(shí)有可能時(shí)開時(shí)停，從而造成供水壓力的較大波動(dòng)。為了避免這種情況出現(xiàn)，供水

11、器設(shè)有與蓄水箱直通的旁通管(圖中未標(biāo)出)，通過分流可使水泵持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。旁通管中設(shè)有調(diào)節(jié)分流量至蓄水箱的閥門，即旁通閥。實(shí)驗(yàn)流量隨旁通閥開度減小(分流量減小)而增大。實(shí)際上旁通閥又是本裝置用以調(diào)節(jié)流量的重要閥門之一。3、穩(wěn)壓筒 為了簡(jiǎn)化排氣，并防止實(shí)驗(yàn)中再進(jìn)氣，在傳感器前連接由2只充水(不滿頂)之密封立筒構(gòu)成。4、電測(cè)儀 由壓力傳感器和主機(jī)兩部分組成，經(jīng)由連通管將其接入測(cè)點(diǎn)。壓差讀數(shù)(以厘米水柱為單位)通過主機(jī)顯示。三、實(shí)驗(yàn)原理 由達(dá)西公式 (7.1) 另由能量方程對(duì)水平等直徑園管可得； (7.2) 壓差可用壓差計(jì)或電測(cè)。 對(duì)于多管式水銀壓差有下列關(guān)系： (7.3) 式中： 、。分別為水銀和水

12、的容重；為汞柱總差。由圖3.2知 據(jù)水靜力學(xué)基本方程及等壓面原理有 四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟 準(zhǔn)備1 對(duì)照裝置圖和說明，搞清各組成部件的名稱、作用及其工作原理；檢查蓄水箱水位是否夠高及旁通閥12是否已關(guān)閉? 否則予以補(bǔ)水并關(guān)閉閥門。記錄有關(guān)實(shí)驗(yàn)常數(shù)，工作管內(nèi)徑管長(zhǎng)L(標(biāo)志于蓄水箱)。 準(zhǔn)備2 啟動(dòng)水泵,本供水裝置采用的是自動(dòng)水泵。接通電源，全開閥12，打開供水閥ll，水泵自動(dòng)開啟供水。 準(zhǔn)備3 調(diào)通待測(cè)系統(tǒng)。 1）、夾緊水壓計(jì)上水夾，打開出水閥10和進(jìn)水閥11(逆鐘向)，關(guān)閉旁通閥12(順鐘向)，啟動(dòng)水泵排除管道中的氣體。 2）、水壓計(jì)齊平時(shí)，則可旋開電測(cè)儀排氣旋扭，對(duì)電測(cè)儀的連接水管通水、排氣并將

13、電測(cè)儀調(diào)至“000”顯示。3）、實(shí)驗(yàn)裝置通水排氣后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在閥12、閥ll全開的前提下，逐次開大出水閥10，每次調(diào)節(jié)流量時(shí)，均需穩(wěn)定23分鐘，流量愈小，穩(wěn)定時(shí)間愈長(zhǎng)。測(cè)流時(shí)間不小于810秒。測(cè)流量的同時(shí)，需測(cè)記水壓計(jì)(或電測(cè)儀)、溫度計(jì)(溫度表應(yīng)掛在水箱中)等讀數(shù)。層流段： 應(yīng)在水壓計(jì)(夏季)，(冬季)量程范圍內(nèi)。測(cè)記35組數(shù)據(jù)。 紊流段： 夾緊水壓計(jì)止水夾，開大流量。用電測(cè)儀記錄值。每次增量可按遞加，直至測(cè)出最大的值。閥的操作次序是當(dāng)閥ll、閥10開至最大后，逐漸關(guān)閥12，直至顯示最大值。4）、結(jié)束實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)全開閥12，關(guān)閉閥10。檢查水壓計(jì)與電測(cè)儀是否指示為零，若均為零。則關(guān)閉

14、閥11，切斷電源。否則，表明壓力計(jì)已進(jìn)氣，需重做實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求 1、有關(guān)常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)號(hào)_ 圓管直徑 量測(cè)段長(zhǎng)度L 85。 2、記錄及記算(見表7.1)。 3、繪圖分析 繪制曲線,并確定指數(shù)關(guān)系值的大小，在厘米紙上以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo), 點(diǎn)繪所測(cè)的關(guān)系曲線，根據(jù)具體情況連成一段或幾段直線，求厘米紙上直線的斜率； 將從圖上求得的值與已知各流區(qū)的值(即層流l，光滑管流區(qū)1.75。粗糙管紊流區(qū)2.0，紊流過渡區(qū)1.75<<2.0)進(jìn)行比較，確定流區(qū)。六、實(shí)驗(yàn)分析與討論 1、為什么差壓計(jì)的水柱差就是沿程水頭損失? 如實(shí)驗(yàn)管道安裝成傾斜，足否影響實(shí)驗(yàn)成果？ 2、據(jù)實(shí)測(cè)值判別本

15、實(shí)驗(yàn)的流區(qū)。 3、實(shí)際工程中鋼管中的流動(dòng)，大多為光滑紊流或紊流過渡區(qū)，而水電站泄洪的流動(dòng)，大多為紊流阻力平方區(qū)，其原因何在? 4、管道的當(dāng)量粗糙度如何測(cè)得？ 5、本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與莫迪圖吻合予否? 試分析其原因。附錄7.1 實(shí)驗(yàn)曲線繪法建議： 1、圖紙 繪圖紙可用普通厘米紙或?qū)?shù)紙，面積不小于12 X 12： 2、坐標(biāo)確定 若采用厘米紙，取為縱坐標(biāo)（繪制實(shí)驗(yàn)曲線般以因變量為縱坐標(biāo)），為橫坐標(biāo)。采用對(duì)數(shù)紙，縱坐標(biāo)寫，橫坐標(biāo)用。即不寫成對(duì)數(shù)。 3、標(biāo)注 在坐際軸上，分別標(biāo)明變量名稱、符號(hào)、單位以及分度值。 4、繪點(diǎn) 據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。 5、繪曲線 據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布繪制曲線，應(yīng)使位于曲線兩側(cè)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)大

16、致相等，且各點(diǎn)相對(duì)曲線的垂直距離總和也大致相等。沿程水頭損失實(shí)驗(yàn) 記錄及計(jì)算表格設(shè)備號(hào)_; 圓管直徑； 量測(cè)長(zhǎng)度； 測(cè)次體積時(shí)間流量流速水溫粘度雷諾數(shù)沿程損失沿程損失系數(shù)13605810235733054363115430116189011239152997200030830454818401238411919051241523101112(四) 局部阻力損失實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?1、掌握三點(diǎn)法、四點(diǎn)法量測(cè)局部阻力系數(shù)的技能； 2、通過對(duì)園管突擴(kuò)局部阻力系數(shù)的包達(dá)公式和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析, 熟悉用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立函數(shù)式的途徑： 3、加深對(duì)局部阻力損失機(jī)理的理解。二

17、、實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置如圖8.1所示。圖8.1 局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置圖1、自循環(huán)供水器；2、實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3、可控硅無級(jí)調(diào)速器；4、恒壓水箱；5、溢流扳； 6、穩(wěn)水孔板；7、突然擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)管段； 8、測(cè)壓計(jì)； 9、滑動(dòng)測(cè)量尺； 10、測(cè)壓管；11、突然收縮實(shí)驗(yàn)管段；12、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥； 實(shí)驗(yàn)管道由小大小三種已知管徑的管道組成，共設(shè)有六個(gè)測(cè)壓孔。測(cè)孔1-3和3-6分別測(cè)量突擴(kuò)和突縮的局部阻力系數(shù)。其中測(cè)孔1位于突擴(kuò)界面處，用以測(cè)量小管出口端壓強(qiáng)值。三、實(shí)驗(yàn)原理 寫出局部阻力前后兩斷面的能量方程，根據(jù)推導(dǎo)條件，扣除沿程水頭損失可得： 1、突然擴(kuò)大采用三點(diǎn)法計(jì)算，下式中由按流長(zhǎng)比例換算得出， 實(shí)測(cè) 理論

18、2、突然縮小 采用四點(diǎn)法計(jì)算，下式中B點(diǎn)為突縮點(diǎn)。由換算得出。 由換算得出。實(shí)測(cè) 經(jīng)驗(yàn) ； 四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟 1、測(cè)記實(shí)驗(yàn)有關(guān)常數(shù)。 2、打開電子調(diào)速器開關(guān)，使恒壓水箱允水，排除實(shí)驗(yàn)管道中的滯留氣體。待水箱溢流后，檢查泄水閥全關(guān)時(shí)，各測(cè)壓管液而是否齊平。若不平，則需排氣調(diào)平。 3、打開泄水閥主最大開度，待流量穩(wěn)定后，測(cè)記測(cè)壓管讀數(shù)。同時(shí)用體積法或用電測(cè)法測(cè)記流量。 4、改變泄水閥開度34次。分別測(cè)記測(cè)壓管讀數(shù)及流量。 5、實(shí)驗(yàn)完成后關(guān)閉水閥，檢查測(cè)壓管液面是否齊平？否則，需重做。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求 1、記錄、記算有關(guān)常數(shù)： 實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)號(hào)_.2、整理記錄、計(jì)算表。 3、將實(shí)測(cè)值與理論值(突擴(kuò))

19、或公認(rèn)值(突縮)比較.表8.1 記錄表次序流 量 ()測(cè) 壓 管 讀 數(shù) ()體 積時(shí) 間流 量12345678表8.2 計(jì)算表阻力形式次序流 量前 斷 面后 斷 面突然擴(kuò)大12345突然縮小12345六、實(shí)驗(yàn)分析與討論 1、結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果,分析比較突擴(kuò)與突縮在相應(yīng)條件下的局部損失大小關(guān)系。 2、結(jié)合流動(dòng)儀演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在? 產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部阻力損失的主要部位在哪里? 怎樣減小局部阻力損失? 3、現(xiàn)備有一段長(zhǎng)度及聯(lián)接方式與調(diào)節(jié)閥(圖3.1)相同，內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)管道相同的直管段，如何用兩點(diǎn)法測(cè)量閥門的局部阻力系數(shù)。4、實(shí)驗(yàn)測(cè)得突縮管在不同管徑比時(shí)的局部阻力系數(shù)()如下：試用最

20、小二乘法建立局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。序號(hào)123450局部阻力損失實(shí)驗(yàn)記 錄 表設(shè)備號(hào)：， 。 。 。 。 。 。次數(shù)流量 測(cè) 壓 管 讀 數(shù) （）體積時(shí)間12345611955219803182041800518406局部阻力損失實(shí)驗(yàn) 計(jì) 算 表 格次數(shù)阻力形 式流 量前 斷 面后 斷 面1突然擴(kuò)大234561突然縮小23456(五) 壁掛式自循環(huán)流動(dòng)演示儀安裝使用說明與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)一、儀器簡(jiǎn)介 l、結(jié)構(gòu) 儀器組成如圖5.1所示。 圖5.1 結(jié)構(gòu)示意圖1、掛孔； 2、彩色有機(jī)玻璃面罩； 3、不同邊界的流動(dòng)顯示面； 4、加水孔孔蓋； 5、摻氣量調(diào)節(jié)閥； 7、可控硅無級(jí)調(diào)節(jié)旋鈕； 8、電器、水泵室；9

21、、標(biāo)牌 10、鋁合金框架后蓋；6、蓄水箱；2、工作原理 該儀器以氣泡為示蹤介質(zhì)。狹縫流道中設(shè)有特定邊界流場(chǎng)，用以顯示內(nèi)流、外流、射流元件等多種流動(dòng)圖譜。半封閉狀態(tài)下的工作液體(水)由水泵驅(qū)動(dòng)自蓄水箱6(圖5.1)經(jīng)摻氣后流經(jīng)顯示板，形成無數(shù)小氣泡隨水流流動(dòng)，在儀器內(nèi)的日光燈照射和顯示板底板的襯托下，小氣泡發(fā)出明亮的折射光，清楚地顯示出小氣泡隨水流流動(dòng)的圖象。由于氣泡的粒徑大小、摻氣量的多少可由閥5任意調(diào)節(jié)，故能使小氣泡相對(duì)水流流動(dòng)具有足夠的跟隨性。顯示板設(shè)計(jì)成多種不同形狀邊界的流道。因而，該儀器能十分形象、鮮明地顯示不同邊界包括分離、尾流、旋渦等多種流動(dòng)圖譜。 本儀器流動(dòng)為自循環(huán)，其流程如圖5

22、.2所示。圖5.2三、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)各實(shí)驗(yàn)儀演示內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)提要如下：l、ZL-1型(圖5.3a) 用以顯示逐漸、擴(kuò)散、逐漸收縮、突然擴(kuò)大、突然收縮、壁面沖擊、直角彎道等平面上的流動(dòng)圖象，模擬串聯(lián)管道縱削面流譜。在逐漸擴(kuò)散段可看到由邊界層分離而形成的旋渦，且靠近上游喉頸處，流速越大，渦旋尺度越小，紊動(dòng)強(qiáng)度越高；而在逐漸收縮段，無分離，流線均勻收縮，亦無旋渦，由此可知，逐漸擴(kuò)散段局部水頭損失大于逐漸收縮段。在突然擴(kuò)大段出現(xiàn)較大的旋渦區(qū)，而突然收縮段只在死角處和收縮斷面后的進(jìn)口附近出現(xiàn)較小的旋渦區(qū)。表明突擴(kuò)段比突縮段有較大的局部水頭損失(縮擴(kuò)的直徑比大于0.7時(shí)例外)，而且突編段的水頭損失主要發(fā)生在突

23、縮斷面后部。 由于本儀器突縮段較短，故其流譜亦可視為直角進(jìn)口管咀的流動(dòng)圖像。在管咀進(jìn)口附近，流線明顯收縮，并有旋渦產(chǎn)生，致使有效過流斷面減小，流速增大。從而在收縮斷面出現(xiàn)真空。 在直角彎道和壁面沖擊段，也有多處旋渦區(qū)出現(xiàn)。尤其在彎道流中，流線彎曲更劇，越靠近彎道內(nèi)側(cè)，流速越小。且近內(nèi)壁處，出現(xiàn)明顯的回流，所形成的回流范圍較大，將此與ZL一2園角轉(zhuǎn)彎流動(dòng)對(duì)比，直角彎道旋渦大，回流更加明顯。旋渦的大小和紊動(dòng)強(qiáng)度與流速有關(guān)。這可通過流量調(diào)節(jié)觀察對(duì)比，例流量減小，漸擴(kuò)段流速較小，其紊動(dòng)強(qiáng)度也較小，這時(shí)可看到在整個(gè)漸擴(kuò)段有明顯的單個(gè)大尺度渦旋。反之，當(dāng)流量增大時(shí)，這單個(gè)大尺度渦旋隨之破碎，并形成無數(shù)個(gè)小

24、尺度的渦旋，且流速越高，紊動(dòng)強(qiáng)度越大，則旋渦越小，可以看到，幾乎每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在其附近激烈地旋轉(zhuǎn)著。又如，在突擴(kuò)段，也可看到旋渦尺度的變化。據(jù)此清楚表明：紊動(dòng)強(qiáng)度越大，渦旋尺度小，幾乎每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在其附近激烈地旋轉(zhuǎn)著。由于水質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)磨擦越厲害，水頭損失就越大。圖5.3 顯示面過流道示意圖2、 ZL-2型(圖5.3b) 顯示文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)、園弧進(jìn)口管咀流量計(jì)以及壁面沖擊、園弧形彎道等串聯(lián)流道縱剖面上的流動(dòng)圖像。 由顯示可見，文丘里流量計(jì)的過流順暢，流線順直，無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生。在孔板前，流線逐漸收縮，匯集于孔板的孔口處，只在拐角處有小旋渦出現(xiàn)，孔板后的水流逐漸擴(kuò)散，并在主流區(qū)的周圍

25、形肆較大的旋渦區(qū)。由此可知，孔板流量計(jì)的過流阻力較大：園弧進(jìn)口管咀流量計(jì)入流順暢，管咀過流段上無邊界層分離和旋渦產(chǎn)生：在園形彎道段，邊界層分離的現(xiàn)象及分離點(diǎn)明顯可見，與直角彎道比較，流線較順暢，旋渦發(fā)生點(diǎn)少。 由上可了解三種流量計(jì)結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)及其用途。如孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，但水頭損失很大。作流量計(jì)損失大是缺點(diǎn)，但有時(shí)將其移作它用，例工程上的孔板消能(詳下述)又是優(yōu)點(diǎn)。另外從型1或2的彎道水流觀察分析可知，在急變流段測(cè)壓管水頭不按靜水壓強(qiáng)的規(guī)律分布，其原因何在？ 這有兩方面的影響：離心慣性力的作用，流速分布不均勻(外側(cè)大、內(nèi)側(cè)小井產(chǎn)生回流)等原因所致。該演示儀所顯示的現(xiàn)象還表征某些工

26、程流況，如下三例。 1)、孔板式有壓遂道的泄洪消能； 如黃河小浪底電站，在有壓隧洞中設(shè)置了五道孔板式消能工。使泄洪的余能在隧洞中消耗，從而解決了泄洪洞出口缺乏消能條件時(shí)的工程問題。其消能的機(jī)理，水流形態(tài)及水流和隧洞間的相互作用等，與孔板出流相似。 2)、園弧形管咀過流； 進(jìn)口流線順暢，說明這種管咀流量系數(shù)較大(約為0.98)。可將此與ZL一1型的直角管咀對(duì)比觀察，理解直角進(jìn)口管咀的流量系數(shù)較小(約為0.82)的原因。3)、喇叭形管道取水口; 結(jié)合ZL一1型的演示可幫助學(xué)生了解為什么喇叭形取水口的水頭損失系數(shù)較小(約為0.050.25，而直角形的約為0.5)的原因。 這是由于喇叭形進(jìn)口符合流線型

27、的要求。 3、ZL-3型(圖5.3c) 顯示30彎頭、直角園弧彎頭、直角彎頭，45彎頭以及非自由射流等流段縱剖面上的流動(dòng)圖像。 由顯示可見，在每一轉(zhuǎn)彎的后面，都因邊界層分離而產(chǎn)生旋渦。轉(zhuǎn)彎角度不同，旋渦大小、形狀各異。在園弧轉(zhuǎn)彎段，流線較順暢，該串聯(lián)管道上，還顯示了局部水頭損失疊加影響的圖譜。在非自由射流段，射流離開噴口后，不斷卷吸周圍的流體，形成射流的紊動(dòng)擴(kuò)散。在此流段上還可看到射流的“附壁效應(yīng)”現(xiàn)象。 綜上所述，該儀器可演示的主要流動(dòng)現(xiàn)象為； 1)、各種彎道和水頭損失的關(guān)系。 2)、短管串聯(lián)管道局部水頭損失的疊加影響。這是計(jì)算短管局部水頭損失時(shí)，各單個(gè)局部水頭損失之和并不一定等于管道總局部

28、水頭損失的原因所在。3)、非自由射流。 據(jù)專業(yè)的不同可分別側(cè)重于紊動(dòng)擴(kuò)散、旋渦形態(tài)或射流的附壁效應(yīng)等。例對(duì)水工、河港等專業(yè)的學(xué)生，可結(jié)合河道的沖淤問題加以解說。從該裝置的一半看(以中間導(dǎo)流桿為界)，若把導(dǎo)流桿當(dāng)作一側(cè)河岸，主流沿河岸高速流動(dòng)。由顯示可見，該河岸受到水流的嚴(yán)重沖刷。而在主流的外側(cè)，產(chǎn)生大速度回旋，使另一側(cè)河岸也受到局部淘刷。在噴嘴附近的回流死角處，因流速小，紊動(dòng)度小，則出現(xiàn)淤積。這些現(xiàn)象在天然河道里是常有的。又如對(duì)熱工和化工一類，則可側(cè)重于紊動(dòng)擴(kuò)散和介質(zhì)傳輸。對(duì)暖通專業(yè)則可側(cè)重于通風(fēng)口布置對(duì)紊摻均勻度的影響等。 4、ZL-4型(圖5.3d) 顯示30彎頭、分流、合流、45彎頭、Y

29、F溢流閥、閘閥及蝶閥等流段縱剖面上的流動(dòng)圖譜。其中YF溢流閥固定，為全開狀態(tài)，蝶閥活動(dòng)可調(diào)。由顯示可見，在轉(zhuǎn)彎、分流、合流等過流段上，有不同形態(tài)的旋渦出現(xiàn)。合流渦旋較為典型，明顯干擾主流，使主流受阻。閘閥半開，尾部旋渦區(qū)較大，水頭損失也大。蝶閥全開時(shí)，過流順暢，阻力小，半開時(shí)，尾渦紊動(dòng)激烈，表明阻力大且易引起振動(dòng)。蝶閥通常作檢修用，故只允許全開或全關(guān)。YF溢流閥結(jié)構(gòu)和流態(tài)均較復(fù)雜，詳如下所述。YF溢流閥廣泛用于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。其流動(dòng)介質(zhì)通常是油，閥門前后壓差可高達(dá)315bar，閥道處的流速每秒可高達(dá)二百多米。本裝置流動(dòng)介質(zhì)是水，為了與實(shí)際閥門的流動(dòng)相似(雷諾數(shù)相同)，在閥門前加一減壓分流，該裝置

30、能十分清晰地顯示閥門前后的流動(dòng)形態(tài)：高速流體經(jīng)閥口噴出后，在閥蕊的大反弧段發(fā)生邊界層分離，出現(xiàn)一圈旋渦帶：在射流和閥座的出口處，也產(chǎn)生一較大的旋渦環(huán)帶。在閥后，尾跡區(qū)大而復(fù)雜，并有隨機(jī)的卡門渦街產(chǎn)生。經(jīng)閥蕊部流過的小股流體也在尾跡區(qū)產(chǎn)生不規(guī)則的左右擾動(dòng)，調(diào)節(jié)過流量，旋渦的形態(tài)仍然不變。 該閥門在工作中，由于旋渦帶的存在，必然會(huì)產(chǎn)生較激烈的振動(dòng)，尤其是閥蕊反弧段上的旋渦帶，影響更大，由于高速紊動(dòng)流體的隨機(jī)脈動(dòng)，必然要引起旋渦區(qū)真空度的脈動(dòng)，這一脈動(dòng)壓力直接作用在閥蕊上，引起閥蕊的振動(dòng)，而閥蕊的振動(dòng)又作用于流體的脈動(dòng)和旋渦區(qū)的壓力脈動(dòng)，因而引起閥蕊的更激烈振動(dòng)。顯然這是一個(gè)很重要的振源，而且這一旋

31、渦帶還可能引起閥蕊的空蝕破壞。另外，顯示還表明，閥蕊的受力情況也不太好。利用該裝置不但能獲得十分滿意的教學(xué)演示效果，而且還直接為改進(jìn)閥門的性能提供了直視根據(jù)。5、 ZL-5型(圖5.3e) 顯示明渠逐漸擴(kuò)散，單園柱繞流、多園柱繞流及直角彎道等流段的流動(dòng)圖像。園柱繞流是該型演示儀的特征流譜。由顯示可見，單園柱繞流時(shí)的邊界層分離狀況、分離點(diǎn)位置、卡曼渦街的產(chǎn)生與發(fā)展過程以及多園柱繞流時(shí)的流體混合、擴(kuò)散、組合旋渦等流譜，現(xiàn)分述如下： 1)、駐滯點(diǎn) 觀察流經(jīng)前駐滯點(diǎn)的小氣泡，可見流速的變化由,流動(dòng)在駐滯點(diǎn)上明顯停滯(可結(jié)合說明能量的轉(zhuǎn)化及畢托管流速原理)。 2)、邊界層分離 結(jié)合顯示圖譜，說明邊界層、

32、轉(zhuǎn)捩點(diǎn)概念并觀察邊界層分離現(xiàn)象，邊界層分離后的回流形態(tài)以及園柱繞流轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的位置。 邊界層分離將引起較大的能量損失。結(jié)合慚擴(kuò)段的邊界層分離現(xiàn)象，還可說明邊界層分離后會(huì)產(chǎn)生局部低壓，以致于有可能出現(xiàn)空化和空蝕破壞現(xiàn)象。如文氏管喉管出口處(參空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀說明)。 3)、卡曼渦街 圓柱的軸與來流方向垂直。在圓柱的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)上產(chǎn)生邊層分離后，不斷交替在兩側(cè)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，并流向下游，形成馮·卡曼“渦街”。 對(duì)卡曼渦街的研究，在工程實(shí)際中有很重要的意義。每當(dāng)一個(gè)旋渦脫離開柱體時(shí)，根據(jù)湯姆遜(Thomson)環(huán)量不變的定理， 必然在柱體上產(chǎn)生一個(gè)與旋渦所具有的環(huán)量大小相等方向相反的環(huán)量，

33、由于這個(gè)環(huán)量使繞流體產(chǎn)生橫向力，即升力。注意到在柱體的兩側(cè)交替地產(chǎn)生著旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，因此柱體上的環(huán)量的符號(hào)也交替變化，橫向力的方向也交替地變化。這樣就使柱體產(chǎn)生了一定頻率的橫向振動(dòng)。若該頻率接近柱體的自振頻率，就可能產(chǎn)生共振，為此常采取一些工程措施加以解決。應(yīng)用方面，可舉卡曼渦街流量計(jì)，參照流動(dòng)圖譜加以說明。從園柱繞流的圖譜可見，卡曼渦街的頻率不僅與Re有關(guān)，也與管流的過流量有關(guān)。若在繞流柱上，過園心打一與來流方向相垂章的通道，在通道中裝設(shè)熱絲等敏感測(cè)量元件，則可測(cè)得由于交變升力引起的流速脈動(dòng)頻率，根據(jù)頻率就可測(cè)出管道的流量?？鼫u引起的振動(dòng)及其實(shí)例，觀察渦街現(xiàn)象，說明升力產(chǎn)生的原理。那

34、么繞流體為何會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)以及為什么振動(dòng)方向與來流方向相垂直等問題也就迎刃而解了。 作為實(shí)例，如風(fēng)吹電線，電線會(huì)發(fā)出共鳴(風(fēng)振)；潛艇在行進(jìn)中，潛望鏡會(huì)發(fā)生振動(dòng)，高層建筑(高煙囪等)在大風(fēng)中會(huì)發(fā)生振動(dòng)等，其根源概出于卡曼渦街。4)、多園柱繞流，被廣泛用于熱工中的傳熱系統(tǒng)的“冷凝器”及其他工業(yè)管道的熱交換器等，流體流經(jīng)園柱時(shí)，邊界層內(nèi)的流體和柱體發(fā)生熱交換，柱體后的旋渦則起混摻作用，然后流經(jīng)下一柱體，再交換再混摻。換熱效果較佳。另外，對(duì)于高層建筑群，也有類似的梳動(dòng)圖像，即當(dāng)高層建筑群承受大風(fēng)襲擊時(shí)，建筑物周圍也會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的風(fēng)向和組合氣旋，即使在獨(dú)立的高建筑物下游附近，也會(huì)出現(xiàn)分離和尾流。這應(yīng)引起建筑

35、師的重視。6、 ZL-6型(圖5.3f) 顯示明渠漸擴(kuò)、橋墩形鈍體繞流、流線體繞流、直角彎道和正、反流線體繞淹等流段上的流動(dòng)圖譜。橋墩形柱體繞流 該繞流體為圓頭方尾的鈍形體，水流脫離橋墩后，形成一個(gè)旋渦區(qū)尾流，在尾流區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生旋向相反且不斷交替的旋渦，即卡曼渦街。與圓柱繞流不同的是，該渦街的頻率具有較明顯的隨機(jī)性。 該圖譜主要作用有二： 1)、說明了非園柱體繞流也會(huì)產(chǎn)生卡曼渦街； 2)、對(duì)比觀察園柱繞流和該鈍體繞流可見；前者渦街頻率f在Re不變時(shí)它也不變；而后者，即使Re不變f卻隨機(jī)變化。由此說明了為什么園柱繞流頻率可由公式計(jì)算，而非園柱繞流頻率一般不能計(jì)算的原因。 解決繞流體的振動(dòng)問題途徑有

36、三：改變流速；改變繞流體自振頻率；改變繞流體結(jié)構(gòu)形式，以破壞渦街的固定頻率，避免共振。如北大力學(xué)系曾據(jù)此成功地解決了一例120M煙囪的風(fēng)振問題。其措施是在煙囪的外表加了幾道螺紋形突體，從而破壞了園柱繞流時(shí)的卡曼渦街的結(jié)構(gòu)并改變了它的頻率，結(jié)果消除了風(fēng)振。流線形柱體繞流 這是繞流體的最好形式，流動(dòng)順暢，形體阻力最小。又從對(duì)比正、反流線體流動(dòng)可見，當(dāng)流線體倒置時(shí)，也出現(xiàn)卡曼渦街。因此，為使過流平穩(wěn)，應(yīng)采用順流而放的園頭尖尾形柱體。7、 ZL-7型(圖5.3g) 這是一只“雙穩(wěn)放大射流閥”流動(dòng)原理顯示儀。經(jīng)噴嘴噴射出的射流(大信號(hào))可附于任一側(cè)面，若先附于左壁，射流經(jīng)左通道后，向右出口輸出；當(dāng)旋轉(zhuǎn)儀

37、器表面控制圓盤，使左氣道與圓盤氣孔相通時(shí)(通大氣)，因射流獲得左側(cè)的控制流(小信號(hào))，射流便切換至右壁，流體從左出口輸出。這時(shí)再轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，切斷氣流，射流穩(wěn)定于原通道不變。如要使射流再切換回來，只要再轉(zhuǎn)動(dòng)控制圓盤，使右氣道與圓盤氣孔相通即可。因此，該裝置既是一個(gè)射流閥，又是一個(gè)雙穩(wěn)射流控制元件。只要給一個(gè)小信號(hào)(氣流)，便能輸出一個(gè)大信號(hào)(射流)，并能把脈沖小信號(hào)保持記憶下來。 由演示所見的射流附壁現(xiàn)象，又被稱作“附壁效應(yīng)”。利用附壁效應(yīng)可制成“或門”、 “非門”、“或非門”等各種射流元件，并可把它們組成自動(dòng)控制系統(tǒng)或自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。由于射流元件不受外界電磁干擾，較之電子自控元件有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 故在軍工方面也有它的用途。962年在浙江嘉興二萬二千米高空用導(dǎo)彈擊落的U一2型高空偵察機(jī)，所用的自控系統(tǒng)就由這種射流元件組成。射流元件在其它工控中亦有廣泛應(yīng)用。從中可讓同學(xué)進(jìn)一步了解流體力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛性，既可培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣又能得到啟迪。 這種裝置在連續(xù)流中可利用工作介質(zhì)直接控制液位。 在演示過程中，氣流完全切斷以后，流道內(nèi)無氣體摻入，會(huì)影響演示鉸果，這時(shí)只要轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，使通氣孔接近射流相應(yīng)側(cè)的通氣道(不要重合)，就會(huì)有少量氣泡摻入，使主射流顯示得更清晰。 操作中還須注意，開機(jī)后需等12分鐘，待流道氣體排凈垢再實(shí)驗(yàn)。否則儀器將不能正常工作。(六) 畢 托 管 測(cè) 速