流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、第一節(jié)雷諾實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察流體在管道中的兩種流動(dòng)狀態(tài)；測定幾種流速狀態(tài)下的雷諾數(shù)，并學(xué)會(huì)用質(zhì)量測流量Q方法；了解流態(tài)與雷諾數(shù)的關(guān)系，并驗(yàn)證下臨界雷諾數(shù)Recr= 2000。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，雷諾實(shí)驗(yàn)涉及的部分有高位水箱、雷諾實(shí)驗(yàn)管、閥門、顏料水 (紅墨水)盒及其控制閥門、上水閥、出水閥、水泵和計(jì)量水箱等，此外，還有秒表、水杯、 電子稱及溫度計(jì)，如圖3-1-1所示。溢流口進(jìn)水一1.穩(wěn)壓水箱2.顏色罐3.實(shí)驗(yàn)管4.計(jì)量水箱5.水箱圖3-1-1雷諾實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)原理層流和紊流的根本區(qū)別在于層流各流層間互不摻混，只存在粘性引起的各流層間的滑動(dòng) 摩擦力；紊流時(shí)則有大小不等的渦體動(dòng)

2、蕩于各流層間。當(dāng)流速較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)分層有規(guī)則的 流動(dòng)狀態(tài)即層流。當(dāng)流速增大到一定程度時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是極不規(guī)則的，各部分流 體互相劇烈摻混，就是紊流。反之，實(shí)驗(yàn)時(shí)的流速由大變小，則上述觀察到的流動(dòng)現(xiàn)象以相反程序重演，但由紊流轉(zhuǎn) 變?yōu)閷恿鞯呐R界流速小于由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界流速*。稱*為上臨界流速，為 下臨界流速。雷諾用實(shí)驗(yàn)說明流動(dòng)狀態(tài)不僅和流速v有關(guān)，還和管徑、流體的動(dòng)力粘滯系 數(shù)以、和密度p有關(guān)。以上四個(gè)參數(shù)可組合成一個(gè)無因次數(shù)，叫做雷諾數(shù)，用Re表示。Re = pvd/fi = vd/ u(3-1-1)對應(yīng)于臨界流速的雷諾數(shù)稱臨界雷諾數(shù)，用Recr表示。Recr=pvcr d/i =

3、 2000(3-1-2)工程上，假設(shè)流速時(shí)，流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，這樣，流態(tài)的判別條件是層流：Re=pvd少 2000四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作首先，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)閥門置于關(guān)閉狀態(tài)。開啟水泵，全開上水閥門，使水箱注滿水，再 調(diào)節(jié)上水閥門，使水箱的水位保持不變，并有少量流體溢流。其次，用溫度計(jì)測量水溫，并用電子稱測量空杯的質(zhì)量m k，并作記錄。觀察流態(tài)全開出水閥門，待水流穩(wěn)定后，打開顏料水控制閥，使顏料水從注入針流出，顏料水和 雷諾實(shí)驗(yàn)管中的水迅速混合成均勻的淡顏色水，這時(shí)雷諾實(shí)驗(yàn)管中的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。隨著出水閥門的不斷關(guān)小，顏料水和雷諾實(shí)驗(yàn)管中的水摻混程度逐漸減弱，直至顏料水 在雷諾實(shí)驗(yàn)管中形

4、成一條清晰的直線流，這時(shí)雷諾實(shí)驗(yàn)管中的流動(dòng)狀態(tài)為層流。測定上臨界雷諾數(shù)當(dāng)閥門開得很小時(shí)，能看見顏料水在雷諾實(shí)驗(yàn)管中形成一條清晰的直線流（為層流狀 態(tài)）。然后，慢慢地逐漸開大閥門，當(dāng)流量大到某一程度時(shí)，管內(nèi)的顏料水抖動(dòng)至斷裂，這 時(shí)，用水杯從出水閥門接下一定量的流體，測出總質(zhì)量mt （水杯和流體的質(zhì)量和），并測出 接流體所用的時(shí)間乙將數(shù)據(jù)記入表3-1-1。根據(jù)質(zhì)流量Qm=mt-mk/T公式算出流量大小，根據(jù)流速V=4Qm/pnd2公式算出流速，最后 根據(jù)Re = Vd/u公式求出相應(yīng)的上臨界雷諾數(shù)。m測定下臨界雷諾數(shù)調(diào)整出水閥門，使雷諾實(shí)驗(yàn)管中的流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，然后慢慢地逐漸關(guān)小出水閥門， 觀

5、察管內(nèi)顏色水流的變動(dòng)情況。當(dāng)流量關(guān)小到某一程度時(shí)，管內(nèi)的顏料水開始成為一條直線 流，即紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯南屡R界狀態(tài)。由表3-1-2中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，用公式求出下臨界雷諾數(shù) Recr，由理論可知Recr是穩(wěn)定的，一般約為2000。5.觀察層流狀態(tài)下的流速分布關(guān)閉出水閥門，用手?jǐn)D壓顏料水開關(guān)的膠管兩到三下，使顏色水在一小段時(shí)內(nèi)擴(kuò)散到整 個(gè)斷面。然后，再微微打開出水閥門，使管內(nèi)呈層流流動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)即可觀察到水在層流流 動(dòng)是呈拋物線狀，演示出管內(nèi)水流流速分布。五、注意事項(xiàng)每調(diào)節(jié)閥門（上水閥門與下水閥門之間的閥門）一次，均需等待流動(dòng)速度穩(wěn)定幾分 鐘。在關(guān)小閥門（上水閥門與下水閥門之間的閥門）過程中，只允許逐漸

6、關(guān)小，不許開 大。隨著出水量的不斷減少，應(yīng)調(diào)小上水閥門，以減少溢流量引起的振動(dòng)。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄有關(guān)常數(shù)空杯質(zhì)量m = kg，水溫t= C，d= cm水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) u= m2/s表3-1-1層流T湍流實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)(層流T湍流)盛水時(shí)間T (s)總質(zhì)量mt (kg)流體質(zhì)量(kg)m=m 一 m質(zhì)流量(kg/s)Q =m/t m流速(m/s) V=4Qm/pnd2雷諾數(shù)Re=V / u123上臨界雷諾數(shù)平均值表3-1-2湍流層流號目驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)(湍流T層流)盛水時(shí)間T (s)總質(zhì)量mt (kg)流體質(zhì)量(kg)m=m 一 m質(zhì)流量(kg/s)Q =m/t流速(m/s) V=

7、4Qm/pnd2雷諾數(shù)Re=V / u123下臨界雷諾數(shù) 平均值第二節(jié)能量方程實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察流體經(jīng)能量方程(又稱伯努利方程)實(shí)驗(yàn)管時(shí)的能量轉(zhuǎn)化情況，并對實(shí)驗(yàn)中出 現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，從而加深對能量方程的理解；掌握量杯測平均流速和畢托管測流速的方法；驗(yàn)證流體恒定總流的能量方程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，能量方程實(shí)驗(yàn)部分涉及的有上水箱，能量方程實(shí)驗(yàn)管，上水閥 門，出水閥門，水泵、測壓板和計(jì)量水箱等，詳見圖3-2-1。1.恒壓水箱2.實(shí)驗(yàn)管3.壓差板4.計(jì)量水箱5.水箱圖3-2-1能量方程實(shí)驗(yàn)裝置簡圖三、實(shí)驗(yàn)原理能量方程實(shí)驗(yàn)對于總流的任意截面有能量方程z+ P +二=常數(shù)y2 g(3-2

8、-1)式中，各項(xiàng)值都是截面值，它的物理意義、水頭名稱和能量解釋分述如下：z是斷面對于選定基準(zhǔn)面的高度，水力學(xué)中稱為位置水頭，表示單位重量的位置勢 能，稱單位位能。P/渥斷面壓強(qiáng)作用使流體沿測壓管所能上升的高度，水力學(xué)中稱壓強(qiáng)水頭，表示 單位重量的壓強(qiáng)勢能，稱單位壓能。v2/2g是以斷面平均流速v為初速的鉛直上升射流所能達(dá)到的理論高度，流體力學(xué) 中稱為流速水頭，表示單位重量的動(dòng)能，稱為單位動(dòng)能。畢托管測速實(shí)驗(yàn)?zāi)芰糠匠虒?shí)驗(yàn)管上的四組測壓管的任一組都相當(dāng)一個(gè)畢托管，可測得管內(nèi)的流體速度。 由于本實(shí)驗(yàn)臺(tái)將總測壓管置于能量方程實(shí)驗(yàn)管的軸線，所以，測得的動(dòng)壓頭代表了軸心處的 最大流速。畢托管求點(diǎn)速度公式為

9、：u =頊2 g AH(3-2-2)式中:umax為畢托管測點(diǎn)處的流速；H為畢托管全壓水頭與靜壓水頭差。在進(jìn)行能量方程實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，就可以測定出各點(diǎn)的軸心速度和平均速度，平均流速 v=0.8u 。max四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作首先，開啟水泵，全開上水閥門使水箱注滿水，在調(diào)節(jié)上水閥門，使水箱水位始終保 持不變，并有少溢流。其次，用溫度計(jì)測量水溫t，并用電子稱測量空杯的質(zhì)量外，并作記錄。能量方程實(shí)驗(yàn)首先，關(guān)閉閥門，測定能量方程實(shí)驗(yàn)四組測壓管的液體高度，記下各測壓管的讀數(shù)， 填入表3-2-1。其次，調(diào)節(jié)出水閥門至小開開度，測定能量方程實(shí)驗(yàn)管的四組截面測壓管的液體高度。 按照從小開、中開、大開的

10、順序改變閥門的開度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并分別記下各測壓管的 讀數(shù)，填入表3-2-1。測流體平均速度（1）量杯法測定平均速度調(diào)節(jié)出水閥門至小開開度，用水杯從出水閥門接下一定量的流體，測出總質(zhì)量（水杯 和流體的質(zhì)量和），并用秒表測出接流體所用的時(shí)間兀 然后，按照從小開、中開、大開的 順序改變閥門的開度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并分別記下總質(zhì)量1和時(shí)間乙填入下表3-2-2。根據(jù)質(zhì)流量Q=m/T公式及流速v=4Qlpnd公式算出流量大小及流速，填入下表3-2-2。（2）畢托管方法計(jì)算流速根據(jù)步驟2中的測量數(shù)據(jù)，管軸中心處流速u =0g AH，其中A H=H雙-H單（同一 截面兩測壓管之差），平均流速v=0.8uma

11、x，算出AH、umax及平均流速v,填入下表3-2-3 中。驗(yàn)證伯努利方程pv2根據(jù)表3-2-1、表3-2-3及總水頭H = z +t + j v是質(zhì)量流量計(jì)算值，計(jì)算數(shù)據(jù)填 i i y2 gi入表3-2-4。五、注意事項(xiàng)測壓管讀數(shù)據(jù)時(shí)，視線與液面保持水平，讀凹液面最低點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄有關(guān)常數(shù)空杯質(zhì)量m = kg，水溫t=C，水密度p= kg/m3k截面I測壓管（12，56，78）的直徑d= mm截面II測壓管（34）的直徑d= mm表3-2-1各測壓管讀數(shù)記錄(z+ p /y)表測壓管讀數(shù)、 (cm)閥門狀態(tài) 12345678關(guān)閉各管讀數(shù)相同均為小開(I)中開(II)大開(II

12、D表3-2-2量杯法測流速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表閥門狀態(tài)盛水時(shí)間T(s)總質(zhì)量(水+ 杯)(kg)m t水質(zhì)量(kg)m=m - m質(zhì)流量(kg/s)Q =m/t平均流速v=4Qpnd截面I截面II小開中開大開表3-2-3畢托管測流速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)閥門狀態(tài)截面I (12)截面I (56)截面I (78)截面 II (34)A H(m)umax(m/s)(m/s)A H(m)umax(m/s)(m/s)A H(m)umax(m/s)(m/s)A H(m)umax(m/s)(m/s)小開中開大開表3-2-4驗(yàn)證粘性流體的能量方程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表截面閥門狀態(tài)各截面總水頭Hm)各截面間水頭損失hL1-7

13、12345678hL1-3hL1-5hL1-7hL3-5hL3-7hL5-7小開中開大開七、問題討論運(yùn)用沿總流的伯努利方程時(shí)所選取的兩個(gè)斷面之間是否可以有急變流？流量增加時(shí)，測壓管水頭線有何變化？為什么？第三節(jié)動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y定水流射向平板（或曲面板）時(shí)的沖擊力，將測出的沖擊力與用動(dòng)量定律計(jì)算出的沖 擊力進(jìn)行比較，加深對動(dòng)量方程的理解。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-3-1所示，在一有機(jī)玻璃園筒內(nèi)裝一噴咀，當(dāng)一股穩(wěn)定水流經(jīng)浮子流量 計(jì)從噴咀射出射向受力板時(shí)，裝在園筒側(cè)蓋板上的稱桿便失去平衡。通過砝碼位置調(diào)整，可 以測出水流對受力板的實(shí)際沖擊力。同時(shí)，通過流量的測定，應(yīng)用動(dòng)量定律定律可以計(jì)

14、算出受力板上所受沖擊力，加以比較， 以加深對動(dòng)量方程的理解。1.進(jìn)水閥2.流量計(jì)3.進(jìn)水管4.平衡砝碼5.刀口 6.秤桿7.缺碼8.受力板9.進(jìn)水口 10.筒體11排水管圖3-3-1動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)裝置圖三、實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)驗(yàn)前，砝碼位于稱桿標(biāo)尺零點(diǎn)，旋動(dòng)平衡螺母調(diào)零，將標(biāo)尺稱桿調(diào)成水平狀態(tài)。如圖3-3-2所示。砝碼重G,2板重G1圖3-3-2實(shí)驗(yàn)前秤桿水平示意圖對支撐點(diǎn)列力矩平衡方程，可得：G1 -L + G-s = G2 -L1（3-3-1）式中：G為游碼重量（N）；%為受力板重量（N）；G2為砝碼重量（N）；%為標(biāo)尺零點(diǎn)到支撐點(diǎn)距離（cm）；A為砝碼到支撐點(diǎn)距離（cm）；L為受力板到支撐點(diǎn)距離（

15、cm）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水流經(jīng)噴嘴射到受力板上，標(biāo)尺傾斜，此時(shí)調(diào)整游碼至某一讀麴位置，使標(biāo) 尺恢復(fù)水平，如圖3-3-3所示。對支撐點(diǎn)再列力矩平衡方程，可得：（G1 - F） - L + G - （% + s） = G2 - L（3-3-2）式中：F為水流對板的沖擊力（N）；s為游碼移動(dòng)距離（cm）。比較式（3-3-1）、（3-3-2），可得：G s = F L 即F =竺L（3-3-3）由上式可見，標(biāo)尺零點(diǎn)距支撐點(diǎn)距離s0最終在方程中消去，故在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)不用 考慮。游碼重G伊三飛L1板重G1及水流沖擊力F（F方向向上）圖3-3-3水流沖擊后秤桿水平示意圖在完成上述步驟同時(shí)，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)可測出流量

16、，依噴嘴直徑可求出噴咀出口截面平 均流速v0，引用動(dòng)量方程，可算出射流對受力板作用力。F+=pQv0（1+cosa）（3-3-4）式中：p為水密度（kg/m3）；。為射流流量（m3/s）；%為噴嘴出口流速（m/s）；a為射流入口流速與出口流速夾角（平板a=900，曲面板a=450）（如圖3-3-4）。應(yīng)當(dāng)指出，由于射流高度差，能量損失及其他因素，實(shí)際射流作用力尸測應(yīng)小于F計(jì)。圖3-3-4實(shí)驗(yàn)平板和曲面板圖四、實(shí)驗(yàn)步驟記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。安裝平面板，將游碼移到標(biāo)尺零點(diǎn)，調(diào)節(jié)砝碼位置，使標(biāo)尺處于水平狀態(tài)。接通電源啟動(dòng)泵，緩緩打開進(jìn)水閥，水流從噴嘴射出，沖擊受力板，導(dǎo)致標(biāo)尺傾斜， 調(diào)節(jié)砝碼位置，使標(biāo)尺恢復(fù)水平，記下標(biāo)尺讀數(shù)及測出此狀態(tài)時(shí)的流量。改變閥門開度，重復(fù)上述步驟，測出不同流量下數(shù)據(jù)，至少應(yīng)調(diào)節(jié)5次這樣就可以 得到5個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。關(guān)閉水泵，將水箱中水排空，關(guān)閉電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄有關(guān)常數(shù)管 嘴內(nèi) 徑 d=cm，沖擊力臂 L=cm，游碼重量G=N，噴嘴出口距受力板距離1= cm，水溫t=C，水密度= kg/m3o表3-3-1平板沖擊實(shí)驗(yàn)（a=90O）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)斯 G，F(xiàn)計(jì)廣 PQV+ cosa)，% = PQV(1+ 削)誤差距零 點(diǎn)距 離s（cm）匕則（N）流量Q(L/h)出口速度V =坦0 兀d 2修正速度V =