工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書過控教研室目錄實驗一 沿程阻力損失實驗.1實驗二 局部阻力系數(shù)實驗.4實驗三 自循環(huán)水擊綜合試驗.8實驗一 沿程阻力損失實驗一、實驗?zāi)康?、學(xué)會測定管道沿程水頭損失系數(shù)的方法。 2、分析圓管恒定流動的水頭損失規(guī)律，驗證在各種情況下沿程水頭損失hf與平均流速v的關(guān)系以及隨雷諾數(shù)Re和相對粗糙度的變化規(guī)律。 3、根據(jù)紊流粗糙區(qū)的實驗結(jié)果，計算實驗管壁的粗糙系數(shù) n 值及管壁當(dāng)量粗糙ks值，并與莫迪圖比較。二、實驗原理圖3-1 沿程阻力損失實驗裝置1自循環(huán)高壓恒定全自動供水器 2實驗臺 3回水管 4水壓差計 5測壓計 6實驗管道 7電測儀 8滑動測量尺 9測壓點 10實驗流量調(diào)

2、節(jié)閥 11供水管與供水閥 12旁通管與旁通閥 13穩(wěn)壓筒管道沿程阻力由達(dá)西公式 ： 得： 對于水平等直徑圓管可得： 由壓差計和電測儀量測，低壓差用水壓差計量測；高壓差用電子量測儀(電測儀)量測。三、實驗步驟1、實驗準(zhǔn)備（1）檢查實驗裝置，連接好實驗設(shè)備。（2）開啟所有閥門，包括進(jìn)水閥、旁通閥、流量調(diào)節(jié)閥。（3）打開水泵防塵罩，接通電源。（4）排氣。測壓架端軟管排氣：連續(xù)開關(guān)旁通閥數(shù)次，待水從測壓架中經(jīng)過即可。排氣完畢，打開旁通閥。若測壓管內(nèi)水柱過高，可打開測壓架頂部放氣閥，（所有閥門都打開，）水柱自動降落至正常水位，擰緊放氣閥。傳感器端軟管排氣：關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，打開傳感器端排氣閥，傳感器內(nèi)連續(xù)

3、出水，關(guān)閉排氣閥，排氣完成。關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，觀察測壓架內(nèi)兩水柱是否齊平，如果不平，找出原因并排除；如果齊平，實驗準(zhǔn)備完成，開始實驗。2、層流實驗（1）全開進(jìn)水閥、旁通閥、微開流量調(diào)節(jié)閥，當(dāng)實驗管道兩點壓差小于2cm(夏天)3cm（冬天）時，管道內(nèi)呈層流狀態(tài)，待壓力穩(wěn)定，用體積法測定流量，同時測量水溫、測壓管內(nèi)壓差。（2）改變流量34次，重復(fù)上述步驟。其中第一次實驗壓差0.50.8cm，逐次增加0.30.5cm。3、紊流實驗（1）關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，將電測儀讀數(shù)（即管道兩測點壓差）調(diào)零。（2）夾緊測壓架兩端夾子，防止水流經(jīng)測壓架。（3）全開流量調(diào)節(jié)閥、進(jìn)水閥，適當(dāng)關(guān)小旁通閥開度，增大實驗管道內(nèi)流量，

4、待流量穩(wěn)定之后，用重量法測定流量，同時測量水溫、記錄電測儀讀數(shù)（即兩測點壓差）。（4）改變流量56次，重復(fù)上述步驟。其中第一次實驗壓差50100cm，逐次增加100150cm，直至流量最大。4、實驗完成，打開所有閥門，關(guān)閉電源。四、實驗記錄1、有關(guān)常數(shù) 實驗臺號No. _ _圓管直徑_ 測量段長度 cm常數(shù)= 2、實驗記錄及計算表 次序體積Vcm3時間ts流量Qcm3/s流速cm/s水溫C粘度cm2/s雷諾數(shù)Re壓差cm沿程阻力cm沿程阻力系數(shù)Re2320h1h212345673、繪圖分析根據(jù)實驗數(shù)據(jù)成果分別繪制曲線，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)，點繪所測的關(guān)系曲線

5、，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，光滑管流區(qū)，紊流過渡區(qū)1.752.0，粗糙管紊流區(qū))進(jìn)行比較，確定流區(qū)。五、實驗分析與討論1本實驗中，沿程阻力損失就是壓差計的壓差，如果管道有一定的傾角，壓差計的壓差是否還是沿程阻力損失？為什么？2根據(jù)實測值判斷本實驗的流區(qū)。3管道的當(dāng)量粗糙度如何測得？4、若同一流體經(jīng)兩個管徑相同、管長相同、而粗糙系數(shù)不同的管路，當(dāng)流速相同時，其損失是否相同？實驗二 局部阻力系數(shù)實驗一、實驗?zāi)康?、掌握三點法、四點法量測局部阻力損失系數(shù)的技能；2、通過對圓管突擴(kuò)局部阻力系數(shù)的表達(dá)式和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式的實

6、驗驗證與分析，熟悉用理論分析法和經(jīng)驗法建立函數(shù)式的途徑。3、加深對局部阻力損失機理的理解二、實驗原理圖6-1 局部阻力系數(shù)實驗裝置圖1自循環(huán)供水器；2實驗臺；3泵；4恒壓水箱；5溢流板；6穩(wěn)水孔板；7突然擴(kuò)大實驗管段；8測壓計；9滑動測量尺；10測壓管；11突然收縮實驗管段；12實驗流量調(diào)節(jié)閥1、有壓管道恒定流遇到管道邊界的局部突變的尾部時，流動會分離形成剪切層，剪切層流動不穩(wěn)定，引起流動結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，并產(chǎn)生旋渦，平均流動能量轉(zhuǎn)化成脈動能量，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

7、。2、根據(jù)能量方程，局部水頭損失這里我們認(rèn)為因邊界突變造成的能量損失全部產(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2-2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)過測量兩斷面的測管水頭差和流經(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，應(yīng)明確它對應(yīng)的是哪個速度水頭？例如，對于突擴(kuò)圓管就有： 和 之分。其它情況的局部損失

8、系數(shù)在查表或使用經(jīng)驗公式確定時也應(yīng)該注意這一點。通常情況下對應(yīng)下游的速度水頭。4、局部水頭損失系數(shù)隨流動的雷諾數(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)驗公式中列出的就是指這個范圍的數(shù)值。5、局部水頭損失的機理復(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，而要通過實測來得到各種邊界突變情況下的局部水頭損失系數(shù)。6、對于突擴(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

9、則分別為細(xì)管和粗管中的平均流速。根據(jù)動量方程可知：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)式是因為：我們假設(shè)1-1斷面上的測管水頭為常數(shù)；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)驗公式：這里的對應(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)驗公式獲得。三、實驗步驟1、認(rèn)真閱讀實驗?zāi)康囊蟆嶒炘砗妥⒁馐马棥?2、查閱用測壓管量測壓強和用體積法（手工、自

10、動）量測流量的原理和步驟。 3、對照實物了解儀器設(shè)備的使用方法和操作步驟，做好準(zhǔn)備工作后，啟動抽水機，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，各個測壓管水面是否齊平面。如不平，則需排氣調(diào)平。 5、開啟下游閥門，待水流恒定后，觀察測管水頭的變化，正確選擇實驗配件前后的量測斷面，進(jìn)行數(shù)據(jù)的量測，并登錄到數(shù)據(jù)記錄表的相應(yīng)位置。 6、將被測閥門開到300，重復(fù)4、5、6步驟。7、將被測閥門開到450，重復(fù)4、5、6步驟。8、每組實驗做三個實驗點，且壓差值不要太接近。四、實驗記錄 d=_cm開啟度全開3045NO123123123h5(cm)h6 (cm)h1 (

11、cm)h7 (cm)h8 (cm)h2 (cm)2h2 -h1 (cm) V (cm3)t (s) Q (cm3/s)(cm/s)五、實驗分析與討論1、同一開啟度，不同流量下，值應(yīng)為定值或變值？2、不同開啟度，如把流量調(diào)至相等，值是否相等？3、結(jié)合實驗結(jié)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。4、結(jié)合流動儀演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部阻力損失的主要部位在哪里？怎樣減少局部阻力損失？實驗三 自循環(huán)水擊綜合試驗一、試驗?zāi)康?、了解水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生原因及傳物理過程；2、了解水擊揚水原理；3、了解減少管路水擊危害的方法。二、試驗裝置（水擊試驗臺 LSJ-30

12、）圖10-1 水擊試驗臺1恒壓水箱；2水擊揚水機出水管；3氣壓表；4揚水機截止閥；5壓力室6調(diào)壓筒；7水泵；8水泵吸水管；9供水管；10調(diào)壓截止閥；11水擊發(fā)生閥；12逆止閥；13水擊室；14集水箱；15實驗桌三、試驗原理本實驗儀可用以演示水擊傳播、水擊揚水、調(diào)壓筒消減水擊工況，以水擊壓強的測量。1、水擊的產(chǎn)生和傳播水泵能把集水箱中的水送入恒壓水箱中，恒壓水箱設(shè)有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自恒定水箱經(jīng)供水管和水擊室，再通過水擊發(fā)生閥和閥孔流出，回到集水箱。實驗時，先全關(guān)調(diào)壓截止閥和揚水機截止閥，觸發(fā)水擊發(fā)生閥時，當(dāng)水流過水擊發(fā)生閥時，水的沖出力使水擊發(fā)生閥上移關(guān)閉而快速

13、截至水流，因而在供水管的末首先產(chǎn)生最大的水擊升壓，并使水擊室同時承受到這一水擊壓強。水擊升壓以水擊波的形式迅速沿著壓力管道向上游傳播到達(dá)進(jìn)口以后，由進(jìn)口反射回來一個減壓波，使供水管末端和水擊室內(nèi)發(fā)生負(fù)的水擊壓強。本實驗?zāi)芡ㄟ^水擊發(fā)生閥和逆止閥的動作過程觀察到水擊波的來回傳播變化現(xiàn)象。即水擊發(fā)生閥關(guān)閉，產(chǎn)生水擊升壓，使逆止閥克服壓力室的壓力而瞬時開啟，水也隨即注入壓力室內(nèi)，并可看到壓力表隨著產(chǎn)生壓力波動。然后，在進(jìn)口傳來的負(fù)水壓作用下，水擊室的壓強低于壓力室，使逆止閥關(guān)閉，同時，負(fù)水壓又使水擊發(fā)生閥下移而開啟。這一動作過程既能觀察到水擊波的傳播變化現(xiàn)象，又能使本實驗裝置保持往復(fù)的自動工作狀態(tài)，即

14、當(dāng)水擊發(fā)生閥再次開啟后，水流又經(jīng)過閥孔流出，回復(fù)到初始工作狀態(tài)。這樣周而復(fù)始，水擊發(fā)生閥不斷的啟閉，水擊現(xiàn)象也就不斷的重復(fù)發(fā)生。2、水擊壓強的定量觀測水擊可在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生很大的壓強，猶如重錘錘擊管道一般，可造成管道的破壞。由于水擊的作用時間短，升壓大，通常需用復(fù)雜而昂貴的電測系統(tǒng)作瞬態(tài)測量，而本儀器用簡便的方法可直接地量測出水擊升壓值。此法的測壓系統(tǒng)是由逆止閥，壓力室和氣壓表組成。水擊發(fā)生閥每一開一閉都產(chǎn)生一次水擊升壓，由于作用水頭、管道特性和閥的開度均相同，故每次水擊升壓值相同。每當(dāng)水擊波往返一次都將向壓力室內(nèi)注入一定水量，因而壓力室內(nèi)的壓力隨著水量的增大而增大，一直到其值達(dá)到與最大水擊

15、壓強相等時，逆止閥才打不開，水流也不再注入壓力室，壓力室內(nèi)的壓力也就不再增高。這時，可以連接于壓力室空腔的壓力表測量壓力室中的壓強，此壓強即為水擊發(fā)生閥關(guān)閉時產(chǎn)生的最大水擊壓強。3、水擊的利用水擊揚水水擊發(fā)生閥每關(guān)閉一次，在水擊室內(nèi)就產(chǎn)生一次水擊升壓，逆止閥隨之被瞬時開啟，部分高壓水被注入壓力室，當(dāng)揚水機截止閥開啟時，壓力室的水便經(jīng)水擊揚水機出水管流向高處。由于水擊發(fā)生閥的為斷作用，水擊連續(xù)多次發(fā)生，水流亦一次一次地為斷注入壓力室，因而便源源不斷把水提升到高處。這正是水擊揚水機工作原理，本儀器揚水高度為37cm，即超過恒壓供水箱的液體達(dá)1.5倍的作用水頭。4、水擊危害的消除調(diào)壓筒（井）本儀器設(shè)

16、有調(diào)壓截止閥和調(diào)壓筒組成水擊消減裝置。實驗時關(guān)閉揚水機截止閥、全開調(diào)壓截止閥。然后手動控制水擊發(fā)生閥的開與閉。由氣壓表可見，此時水擊升壓最大值約為100mm汞柱，其值僅為調(diào)壓截止閥關(guān)閉時值的1/3。同時，該裝置還能演示調(diào)壓系統(tǒng)的水位波動現(xiàn)象，當(dāng)水擊發(fā)生閥開啟時，調(diào)壓筒中水位低于供水箱（以下稱庫水位），而當(dāng)水擊發(fā)生閥突然關(guān)閉時，調(diào)壓筒中的水位很快涌高且超過庫水位，并出現(xiàn)和豎立U形水管中水體諒擺動現(xiàn)象性質(zhì)相同的振蕩，上下波動的幅度逐次衰減，直至靜止。四、實驗步驟1、打開供水開關(guān)；2、啟動水擊發(fā)生閥：啟動閥必須先向下推開，并使過水系統(tǒng)中的空氣全部排出（打開調(diào)壓筒截止閥可排出空氣）。然后松手，閥11就會自動地往復(fù)上下運動，時開時閉而發(fā)生水擊。3、測量水擊壓強： 測量時，應(yīng)全關(guān)閉閥10和4，且應(yīng)關(guān)緊不漏水。4、水擊揚水實驗： 應(yīng)全開閥4，全關(guān)閥10。5、調(diào)壓筒實驗： 應(yīng)全關(guān)閥4，全開閥10。6、流量調(diào)節(jié)： 可通過調(diào)控可控硅無級調(diào)速器旋鈕，改變流量大小。7、其它注意事項： 若供水管、壓力室