工程流體力學(土木09)

工程流體力學及流體機械實驗指導書王云中楊成建編西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程實驗中心二00七年四月實驗課規(guī)則每次實驗必須按時到達。實驗前先預習有關實驗內容，對實驗目的及原理、設備圖、操作步驟和方法，須了解清楚。來實驗時應攜帶計算工具、記錄紙張、指導書等。實驗前由指導教師抽問，對有關問題如答復不正確，不準參加操作，直至了解清楚為止。實驗時應聽從指導人員指導，同學輪流擔任各項工作，務須每人均能認真動手操作，了解實驗各項內容。對貴重、精密儀表應在教師直接指導下進行操作。愛護公共財物，若儀器和設備有破損時應立即報告指導教師，聽候處理（按實驗室管理制度辦理）。實驗進行時不許大聲喧嘩，并禁止吸煙，以保持良好的實驗課秩序和環(huán)境衛(wèi)生。實驗完后，整理好設備，如數(shù)完好地歸還所用的儀表和工具。實驗數(shù)據記錄在實驗結束前，應交指導教師查閱，經教師認為可以后方為有效，如結果誤差太大，應查明原因重做實驗。實驗報告的內容一般應當包括實驗目的、實驗原理、實驗儀器簡圖、實驗結果、對實驗討論題的分析等。關于實驗原理、設備圖，實驗步驟等，因實驗指導書已有，為節(jié)省時間，可不在實驗報告中重復。作實驗報告時，除原始記錄數(shù)據外，其余皆應各人自行計算分析和作出結果，不得互相抄襲，并按時送交報告。不得無故缺席，否則不能參加本課程的考試或考查。如因故缺席者，須實驗前或后，持證明報告教師，請示補作辦法，否則以無故缺席論。本規(guī)則在實施中若與校、院規(guī)定不符，則按校、院規(guī)定辦理。實驗課的目的是使同學們鞏固和驗證所學的知識，受到實驗方法和基本試驗技能的訓練，養(yǎng)成嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度和作風，并培養(yǎng)處理實驗數(shù)據、分析實驗結果、書寫實驗報告的能力。本實驗指導書是用于“工程流體力學”和“流體機械”等課程。在工程流體力學的實驗項目中，主要是其分支之一一一水力學方面的實驗；另有專門水力學、氣體力學方面的實驗。流體機械的實驗項目則包括泵與通風機的實驗。根據不同專業(yè)的要求而對實驗項目有所選擇。工程流體力學和流體機械都是應用科學，它們的發(fā)展同樣體現(xiàn)了理論與實踐相結合的辯證關系。而實驗則是在特定條件下的實踐。由于流體的運動非常復雜，常常是用實驗的方法把自然現(xiàn)象在實驗室內重復進行，觀察其中物理本質，用實驗來驗證和發(fā)展理論，指導實踐，解決實際問題。而實踐上升到理論又為實驗提供了發(fā)展趨向。故實驗在發(fā)展理論和解決實際問題中是很重要的一種手段。實驗結果的準確決定于測量儀器設備的精確性、高度的實驗技術及實事求是的科學態(tài)度和作風。有關每個實驗的工作原理等將在各實驗中分別介紹，這里僅就一些常見的共同性的的問題作一說明：我們認為實驗中的工作液體一一水是不可壓縮的，即v=9807牛頓/米3=常數(shù)。水的粘性系數(shù)隨溫度而變。通常我們使用的是運動粘性系數(shù)v=^（"為水的動力粘性系數(shù)，P為水的密度）。運動粘性系數(shù)v與溫度的關系見實驗3中所述。流體的壓力是采用測壓管來測量，讀數(shù)據應正視測壓管的液柱面（如水的自由表面）這樣才能讀數(shù)準確。因數(shù)據在大多數(shù)情況下僅讀取其壓差值，此時可不考慮測壓管的毛細現(xiàn)象對讀取數(shù)據的影響。液體流量的測定。通常在實驗中采用下列方法：1） 體積法：用量水桶和秒表來測定；2） 重量法：用盛水桶磅秤和秒表來測定，也可用電子秤；3） 差壓法：用文德里管、畢托管、管中孔板或管嘴等來測定；4）堰流體：利用各種形式的水堰來測定，本室多用三角形量水堰，如下圖所示。三角堰堰頂水位氣及水位H用水位標尺讀出。當已知三角堰水頭△H=H-H0，可根據以下方法決定流量:①根據Q=f（△H）關系曲線圖查得（見上圖）②根據公式Q=1.40(AH)2.5或Q=1.343(AH)2.47應當指出，差壓法、堰流法是間接測量法，事先常用體積法或重量法來校正（此工作由本室作）。另外，當需記錄單向水流管道內流量的總和（非瞬時流量），可采用葉輪濕式水表超聲波流量計、渦輪流量計等；對測定非渾濁液體、氣體流量，可采用轉子流量計；對測量各種酸、堿溶液及含有纖維或固體懸浮導電液體的流量，可采用電磁流量計。還可采用現(xiàn)代技術，如用恒溫測速儀（縮寫為。八，即熱線流速儀）、激光多普勒測速儀，測定過流斷面流速分布，進而得出流量。實驗操作時應注意的幾個問題：1） 因我們是作穩(wěn)定流情況下（運動要素不隨時間變化）的各種實驗，故實驗時需要有穩(wěn)定的作用水頭。這樣流經實驗設備時的水流是穩(wěn)定流。2） 在改變流量后，需經一段時間讓水流穩(wěn)定后再讀取實驗數(shù)據（如讀取量水堰的堰前水頭等），由此讀取之數(shù)據才是改變流量后的真正數(shù)據。3） 管路及測壓管中的空氣應排盡，接頭處不應漏氣，測壓管應通暢。4） 對電器設備，應熟識后才可動手操作，注意安全用電。5） 實驗完成后關閉電源。實驗一靜水壓力實驗一、實驗目的測定靜水中任一點的壓力和真空值;測定有色液體的重率。二、 應用的儀器設備靜水壓力實驗器。三、 儀器設備簡圖四、實驗原理容器內靜水中任一點K處的靜水壓力P；kPk=P0+心=*（?-h2）+心=Y（h5-h4）+心 （1）式中，P———K點處靜水壓力（牛頓/米2）；P0 容器E流體表面壓力（牛頓/米2）；Y——容器E中液體的重率（牛頓/米3）；Y—U形管內有色液體的重率（牛頓/米3）；h1、h3、h5——上端開口通氣的測壓管讀數(shù)（米）；h2、h4、h6—上端通向容器空氣室的測壓管讀數(shù)（米）。Ah=h—hEKhE——容器E液面讀數(shù)（米）；hK K點標高（米）。

容器內靜水中任一點K處的真空值2居茅(2)(2)p真空=|pJ_yAh=y1（h2-h1）-yAh=y（h4-h5）-yAh有色液體的重率外：7y(h-h)y= 5 4ih-h1 2五、實驗步驟測靜水壓力（或剩余壓力），這時容器E液體表面壓力P°＞大氣壓力P；1） 打開容器上端的排氣閥觀看各測壓連通管內液面是否齊平，是否在同一個水平面上，如不齊平檢查各管內是否阻塞，并加以疏通。2） 關緊容器上端的排氣閥，抬高活動水箱至一定的高度，待水面穩(wěn)定后讀出各處測壓管內液面的水位。3） 抬高活動水箱至三個不同的高度，測量三組數(shù)據。測真空值（或負壓），這時容器E液體表面壓力尸°＜大氣壓力P；1） 打開容器上端的排氣閥使壓力恢復正常，使活動水箱處在最高位置。此時各測壓連通管液面應齊平。關閉排氣閥，并下降活動水箱至一定距離，待液面穩(wěn)定后，讀記各測壓管內液面的水位。2） 在活動水箱被抬高狀態(tài)下，降至三個不同的高度，測量三組數(shù)據。六、記錄及計算表格測量數(shù)值固定數(shù)值：K點高程h= （米）項目實測次數(shù)測壓管及容器液面水位讀數(shù)h（（米）h2（米）h4(米)h5(米)hE（液面）（米）P0>Pa123P0<Pa1232.計算數(shù)值七、討論問題在6個玻璃管中的液面，哪些是壓力相等面？p在連續(xù)的同一重力液體中任取兩點，其Z+當=常數(shù)，試用實驗數(shù)據闡明這個規(guī)律。Y實測X點的壓力及真空值時，為什么事前都將排氣閥處于打開狀態(tài)，然后再關閉？實驗報告完成日期 年月日實驗設備號數(shù)指導教師（簽字）

實驗二管路沿程阻力實驗一、實驗目的在管壁相對粗糙度K一定時，確定管路沿程阻力系數(shù)人值與雷諾數(shù)R的關系，并對d e已有公式進行驗證。二、 應用的儀器設備三根不同管徑的管路（安裝在一套固定設備上），每根管路設備如下圖所示；測量水箱、秒表、直尺、溫度計。三、 實驗設備示意圖四、實驗原理實際液體流經管路，由于有阻力必然產生水頭損失，因沿程阻力產生的水頭損失，稱沿程水頭損失七，其表達式為:,aLu2

h=A-d?2~若寫斷面1-1及2-2的伯諾里方程，可得：=h性=1.竺

fLu2 y Lu2

式中，人——沿程阻力系數(shù)（無因次數(shù)）;d——水管內徑（米）；L——兩測壓斷面間距離（米）；u——平均流速，u=4^（米/秒）;兀d2烏——1-1斷面的測壓管水頭（米）；YP-2——2-2斷面的測壓管水頭（米）。Y如果管徑d、兩測壓斷面間距離L以及作用水頭固定不變，則沿程阻力系數(shù)人值與流速u有關，亦即與液體的流動形態(tài)有關，因而可以建立阻力系數(shù)人值與雷諾數(shù)Re的關系。在不同流速下雷諾數(shù)R的值為:e式中符號同實驗3。待求出不同的Re值和相應的沿程阻力系數(shù)人值后，即可繪出人=f（R）的關系曲線，并酌情與下述公式比較之：…，一0.3164布拉修斯公式X=R025（適用于紊流光滑區(qū)，當2300<Re<100000）0g尼古拉茲公式人=|一1一I（適用于紊流粗糙區(qū)）。WdJI/ k]Q6)1/3（這也是柯列勃洛克公式的近似公式，莫迪公式人=0.005511+20000—+——（這也是柯列勃洛克公式的近似公式，[I d RJ適用于紊流過渡區(qū))。謝才公式X=器（適用于紊流粗糙區(qū)，Re>100000o謝才系數(shù)c可用曼寧公式計算1.…一…… c=R1/6建議取0.011，水力半徑R的單位以米計）。n對于給排水工程舊鋼管和舊鑄鐵管的水力計算，還常采用舍維列夫公式：0.867M3紊流過渡區(qū)（u<1.2米/0.867M3.0.0719人= d0.3紊流粗糙區(qū)（u31.2米/秒）:.0.021人= d0.3式中d為管道內徑，單位以米計。五、實驗步驟開啟水泵，打開進水閥門A及出水閥門B，以排除管路及測壓管中的空氣。全開閥門A、B,使水流達最大流量。待水流穩(wěn)定后讀取測壓管水頭值，并測量流量（流量測法與實驗二相同）。調節(jié)出水閥門B,使流量逐漸減小，順序改變5次，每次改變后重復步驟3。測定水溫、斷面距離L及內管徑d。六、 計算步驟計算平均流速。:根據測得的測量水箱水位H及時間AT計算流量Q。由此得平均流速u=業(yè)2（米/秒）兀d2計算阻力損失h.J計算阻力系數(shù)人值計算雷諾數(shù)ReR次

ev式中運動粘性系數(shù)v見實驗三。用上述布拉修斯、莫迪等公式驗證。七、 記錄計算表格管路兩斷面間距離L（米）管路內徑d（米）管路斷面面積A（米2）水溫t(°C)水的粘性系數(shù)v（米2/秒）量水水箱水位讀數(shù)H（米）測量時間△T（秒）120X10-3214X10-3310X10-3巳定數(shù)值

實驗次數(shù)實驗項目計 算 項 目P（米）（米）（米）AT（秒）流量（米3秒）流速-?（米/秒