工程流體力學(xué)(土木09)

工程流體力學(xué)及流體機械實驗指導(dǎo)書王云中楊成建編西安建筑科技大學(xué)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(yù)習有關(guān)實驗內(nèi)容，對實驗?zāi)康募霸怼⒃O(shè)備圖、操作步驟和方法，須了解清楚。來實驗時應(yīng)攜帶計算工具、記錄紙張、指導(dǎo)書等。實驗前由指導(dǎo)教師抽問，對有關(guān)問題如答復(fù)不正確，不準參加操作，直至了解清楚為止。實驗時應(yīng)聽從指導(dǎo)人員指導(dǎo)，同學(xué)輪流擔任各項工作，務(wù)須每人均能認真動手操作，了解實驗各項內(nèi)容。對貴重、精密儀表應(yīng)在教師直接指導(dǎo)下進行操作。愛護公共財物，若儀器和設(shè)備有破損時應(yīng)立即報告指導(dǎo)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(shè)備，如數(shù)完好地歸還所用的儀表和工具。實驗數(shù)據(jù)記錄在實驗結(jié)束前，應(yīng)交指導(dǎo)教師查閱，經(jīng)教師認為可以后方為有效，如結(jié)果誤差太大，應(yīng)查明原因重做實驗。實驗報告的內(nèi)容一般應(yīng)當包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器簡圖、實驗結(jié)果、對實驗討論題的分析等。關(guān)于實驗原理、設(shè)備圖，實驗步驟等，因?qū)嶒炛笇?dǎo)書已有，為節(jié)省時間，可不在實驗報告中重復(fù)。作實驗報告時，除原始記錄數(shù)據(jù)外，其余皆應(yīng)各人自行計算分析和作出結(jié)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(xué)們鞏固和驗證所學(xué)的知識，受到實驗方法和基本試驗技能的訓(xùn)練，養(yǎng)成嚴肅認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度和作風，并培養(yǎng)處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果、書寫實驗報告的能力。本實驗指導(dǎo)書是用于“工程流體力學(xué)”和“流體機械”等課程。在工程流體力學(xué)的實驗項目中，主要是其分支之一一一水力學(xué)方面的實驗；另有專門水力學(xué)、氣體力學(xué)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(jù)不同專業(yè)的要求而對實驗項目有所選擇。工程流體力學(xué)和流體機械都是應(yīng)用科學(xué)，它們的發(fā)展同樣體現(xiàn)了理論與實踐相結(jié)合的辯證關(guān)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(fù)雜，常常是用實驗的方法把自然現(xiàn)象在實驗室內(nèi)重復(fù)進行，觀察其中物理本質(zhì)，用實驗來驗證和發(fā)展理論，指導(dǎo)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(jié)果的準確決定于測量儀器設(shè)備的精確性、高度的實驗技術(shù)及實事求是的科學(xué)態(tài)度和作風。有關(guān)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(guān)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(jù)應(yīng)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(jù)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(jù)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(jù)以下方法決定流量:①根據(jù)Q=f（△H）關(guān)系曲線圖查得（見上圖）②根據(jù)公式Q=1.40(AH)2.5或Q=1.343(AH)2.47應(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)子流量計；對測量各種酸、堿溶液及含有纖維或固體懸浮導(dǎo)電液體的流量，可采用電磁流量計。還可采用現(xiàn)代技術(shù)，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(yīng)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(jīng)實驗設(shè)備時的水流是穩(wěn)定流。2） 在改變流量后，需經(jīng)一段時間讓水流穩(wěn)定后再讀取實驗數(shù)據(jù)（如讀取量水堰的堰前水頭等），由此讀取之數(shù)據(jù)才是改變流量后的真正數(shù)據(jù)。3） 管路及測壓管中的空氣應(yīng)排盡，接頭處不應(yīng)漏氣，測壓管應(yīng)通暢。4） 對電器設(shè)備，應(yīng)熟識后才可動手操作，注意安全用電。5） 實驗完成后關(guān)閉電源。實驗一靜水壓力實驗一、實驗?zāi)康臏y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(yīng)用的儀器設(shè)備靜水壓力實驗器。三、 儀器設(shè)備簡圖四、實驗原理容器內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)是否阻塞，并加以疏通。2） 關(guān)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(nèi)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(jù)。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(fù)正常，使活動水箱處在最高位置。此時各測壓連通管液面應(yīng)齊平。關(guān)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(nèi)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(jù)。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(jù)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(guān)閉？實驗報告完成日期 年月日實驗設(shè)備號數(shù)指導(dǎo)教師（簽字）

實驗二管路沿程阻力實驗一、實驗?zāi)康脑诠鼙谙鄬Υ植诙菿一定時，確定管路沿程阻力系數(shù)人值與雷諾數(shù)R的關(guān)系，并對d e已有公式進行驗證。二、 應(yīng)用的儀器設(shè)備三根不同管徑的管路（安裝在一套固定設(shè)備上），每根管路設(shè)備如下圖所示；測量水箱、秒表、直尺、溫度計。三、 實驗設(shè)備示意圖四、實驗原理實際液體流經(jīng)管路，由于有阻力必然產(chǎn)生水頭損失，因沿程阻力產(chǎn)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(nèi)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(guān)，亦即與液體的流動形態(tài)有關(guān)，因而可以建立阻力系數(shù)人值與雷諾數(shù)Re的關(guān)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(yīng)的沿程阻力系數(shù)人值后，即可繪出人=f（R）的關(guān)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(nèi)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(diào)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(fù)步驟3。測定水溫、斷面距離L及內(nèi)管徑d。六、 計算步驟計算平均流速。:根據(jù)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(nèi)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