浙江大學實驗報告(流體力學)

⑥氣體的導壓管應向上引出，液體的應向下引出。2．本實驗中，影響文丘里流量計流量因數大小的因素有哪些？哪個因素最敏感？對本實驗的管道而言，若因加工精度影響，誤將（d2－0.01）10-2m值取代上述d2值時，本實驗在最大流量下的μ值將變?yōu)槎嗌?？由式可見本實驗（水為流體）的μ值大小與Q、d1、d2、Δh有關。其中d1、d2影響最敏感。3．為什么計算流量與實際流量不相等？因為計算流量是在不考慮水頭損失情況下，即按理想液體推導的，而實際流體存在粘性必引起阻力損失，從而減小過流能力，<，即μ<1.0。4．應用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。運用量綱分析法得到文丘里流量計的流量表達式,然后結合實驗成果,便可進一步搞清流量計的量測特性。 對于平置文丘里管,影響u1的因素有:文氏管進口直徑d1、喉徑d2、流體的密度r、動力粘滯系數m及兩個斷面間的壓強差Dp。根據p定理有:f(u2、d1、d２、p、m、Dp)=0(6) 從中選取三個基本量,分別為:共有6個物理量,有3個基本物理量,可得3個無量綱p數,分別為:根據量綱和諧原理,p1的量綱式為分別有L:1=a1＋b1－3c1T:0=－b1M:0=c1聯(lián)解得:a1=1，b1=0，c1=0則 同理可解得：將各p值代入式(6)得無量綱方程為：或寫成、=、進而可得流量表達式為、Re1) (7)式(7)與不計損失時理論推導得到的(8)相似。為計及損失對流量的影響,實際流量在式(3)中引入流量系數mQ計算,變?yōu)?9)比較(7)、(9)兩式可知,流量系數與Re一定有關,又因為式(9)中d2/d1的函數關系并不一定代表了式(7)中函數f3所應有的關系,故應通過實驗搞清與Re、d2/d1的相關性。 通過以上分析,明確了對文丘里流量計流量系數的研究途徑,只要搞清它與Re及d2/d1的關系就行了。 由本實驗所得在紊流過渡區(qū)的～Re關系曲線(d2/d1為常數),可知隨Re的增大而增大,因恒有m<1,故若使實驗Re增大,mQ將漸趨向于某一小于1的常數。 另外,根據已有的很多實驗資料分析,與d1/d2也有關,不同的d1/d2值,可以得到不同的～Re關系曲線,文丘里管通常使d1/d2=2。所以實用上,對特定的文丘里管均需實驗率定～Re的關系,或者查用相同管徑比時的經驗曲線，以及實用上較適宜于被測管道中的雷諾數Re>2×105,使值接近于常數0.98。 流量系數的上述關系,也正反映了文丘里流量計的水力特性。實驗報告課程名稱： 流體力學 實驗類型： 驗證性實驗項目名稱： (四)雷諾實驗 實驗日期： 2019 年 12月 4日一、實驗目的和要求1.觀察層流和紊流的流態(tài)及其轉換特征。2.通過臨界雷諾數，掌握圓管流態(tài)判別準則。3.掌握誤差分析在實驗數據處理中的應用。二、實驗內容和原理操作方法與實驗步驟五、實驗數據記錄和處理1．記錄有關信息及實驗常數實驗設備名稱：雷諾實驗儀實驗臺號：_________實驗者：______黃力、趙哲、阮佳妮、吳珂________________實驗日期：_2019.12.4________管徑d=__1.40___×10-2m，水溫t=__18.9____oC運動粘度（m2/s）=0.010345×10-4m2/s計算常數K=87.91×106s/m3實驗數據記錄及計算結果六、實驗結果與分析(1)測定下臨界雷諾數（測量2~4次，取平均值）；見表.1(2)測定上臨界雷諾數（測量1~2次，分別記錄）；見表1(3)確定廣義雷諾數表達式及其圓管流的廣義下臨界雷諾數實測數值。三次測量取平均值，可得下臨界雷諾數為,與公認值相比，可得誤差為%=0.435%Re=K*qvK=88.3*10^6s/m^3測定的臨界流量=16.4*10^-6m^3/s則圓管流的廣義下臨界雷諾數實測數值為1448七、分析思考1．為何認為上臨界雷諾數無實際意義，而采用下臨界雷諾數作為層流與湍流的判據？?上臨界雷諾數不穩(wěn)定,變化范圍大12000~40000,下臨界雷諾數比較穩(wěn)定,約為2320，因此認為上臨界雷諾數無實際意義，而采用下臨界雷諾數作為層流與紊流的判據，工程中一般采用2320做為層流、紊流的分界。2．試結合紊動機理實驗的觀察，分析由層流過渡到湍流的機理。從紊動機理實驗的觀察可知，異重流（分層流）在剪切流動情況下，分界面由于擾動引發(fā)細微波動，并隨剪切流動的增大，分界面上的波動增大，波峰變尖，以至于間斷面破裂而形成一個個小旋渦。使流體質點產生橫向紊動。正如在大風時，海面上波浪滔天，水氣混摻的情況一樣，這是高速的空氣和靜止的海水這兩種流體的界面上，因剪切流動而引起的界面失穩(wěn)的波動現象。由于園管層流的流速按拋物線分布，過流斷面上的流速梯度較大，而且因壁面上的流速恒為零。相同管徑下，如果平均流速越大，則梯度越大，即層間的剪切流速越大，于是就容易產生紊動。紊動機理實驗所見到的波動?破裂?旋渦?質點紊動等一系列現象，便是流態(tài)從層流轉變成紊流的過程顯示。實驗報告課程名稱： 流體力學 實驗類型： 驗證性實驗項目名稱： (五)動量定律綜合型實驗實驗日期： 2019 年11 月 27 日一、實驗目的和要求1.通過定性分析實驗,加深動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關關系的了解；2.通過定量測量實驗,進一步掌握流體動力學的動量守恒定理,驗證不可壓縮流體恒定總流的動量方程,測定管嘴射流的動量修正因數；3.了解活塞式動量定律實驗儀原理、構造,啟發(fā)創(chuàng)新思維。二、實驗內容和原理恒定總流動量方程為F取控制體,因滑動摩擦阻力水平分力Ff<0.5%Fx,可忽略不計,故x方向的動量方程可化為F即β式中:hc—作用在活塞形心處的水深;D—活塞的直徑;qV—射流的流量;v1x—射流的速度;β1—動量修正因數。實驗中,在平衡狀態(tài)下,只要測得流量qV和活塞心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D,代入上式,便可驗證動量方程,并測定射流的動量修正因數β1值。三、主要儀器設備圖1動量定律綜合型實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器2.實驗臺3.水泵電源開關 4.水位調節(jié)閥5.恒壓水箱6.喇叭型進口管嘴7.集水箱 8.帶活塞套的測壓管9.帶活塞和翼片的抗沖平板10.上回水管11.內置式穩(wěn)壓筒12.傳感器13.智能化數顯流量儀四、操作方法與實驗步驟1.定性分析實驗(1)觀察、分析本實驗裝置中測力機構的結構創(chuàng)新點測射流沖擊力的方法很多,裝置各不相同,相比之下,本裝置的測力機構測量方法簡便,精度最高。本裝置曾獲國家發(fā)明專利,主要創(chuàng)新點有:1)將射流沖擊力轉變?yōu)榛钊艿撵o水總壓力,用測壓管進行測量。2)用雙平板狹縫方式精確導流,確保v2x=0。3)采用動摩擦減阻減少活塞軸向位移的摩擦阻力。帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩,使活塞在旋轉中作軸向位移,到達平衡位置?；钊捎檬珴櫥?。4)利用導水管a和窄槽c的自動反饋功能,自動調節(jié)受力平衡狀態(tài)下的測壓管水位。5)利用大口徑測壓管內設置阻尼孔板的方法,減小測壓管液位的振蕩。(2)測定本實驗裝置的靈敏度為驗證本裝置的靈敏度,只要在實驗中的恒定流受力平衡狀態(tài)下人為地增、減測壓管中的液位高度,可發(fā)現即使改變量不足總液柱高度的5%(約0.5-1mm),活塞在旋轉下亦能有效地克服動摩擦力而作軸向位移,開大或減小窄槽c，使過高的水位降低或過低的水位提高,恢復到原來的平衡狀態(tài)。這表明該裝置的靈敏度高達0.5%(此量值越小,靈敏度越高),亦即活塞軸向動摩擦力不足總動量力的5‰。(3)驗證v2x≠0對Fx的影響取下平板活塞9,使水流沖擊到活塞套內,便可呈現出回流與x方向的夾角α>90°(即v2x≠0)的水力現象。調整好位置,使反射水流的回射角度一致。以某動量實驗臺為例,某次實驗測得作用于活塞套園心處的水深hc'-ρg就是說hc'隨v2及α遞增。故實驗中2.定量分析實驗——恒定總流動量方程驗證與射流動量修正因數測定實驗實驗方法與步驟:參照基本操作方法,分別測量高、中、低三個恒定水位下的流量、活塞作用水頭等有關實驗參數,實驗數據處理與分析參考第五部分內容。五、實驗數據記錄和處理1．記錄有關信息及實驗常數實驗設備名稱：計算機測控型動量定律實驗儀實驗臺號：____6_____實驗者：__阮佳妮、趙哲、黃力、吳珂____________________實驗日期：___11.27______管嘴內徑d=1.19510-2m活塞直徑D=1.99010-2m2．實驗數據記錄及計算結果表1測量記錄及計算表測次管嘴作用水頭H0/10-2m活塞作用水頭hc/10-2m流量/(10-6m3/s)流速v/(10-2m/s)動量力F/10-5N動量修正因數128.520.0259.4231.30.6101.02221.515.3224.5200.20.4661.04316.711.8194.4173.30.3601.07六、實驗結果與分析(1)回答定性分析實驗中的有關問題。(2)測定管嘴射流的動量修正因數。如表1所示。(3)取某一流量，繪出控制體圖，闡明分析計算的過程。解：取第二次數據進行計算由于F故β即有β=代入數據計算得到β=1.04七、分析思考1．實測與公認值（＝1.02～1.05）符合與否？如不符合，試分析原因。答：實驗測得的β平均值為1.04，符合公認值。2．帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程有無影響？為什么？答：沒有影響。平板附加翼片時，在射流作用下獲得力矩，但在x方向上不會產生附加力，所以對析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程沒有影響。3．如指導書中圖2所示，通過細導水管a的分流，其出流角度為什么需使之垂直于v1x？答：為了使通過細導水管a的分流在x軸方向上的速度為0。實驗中計算時所列的是x方向上的動量方程，如果通過細導水管a的分流在x軸方向上的速度不為0，會對實驗結果造成較大誤差實驗報告課程名稱： 流體力學 實驗類型： 驗證性實驗項目名稱： (七)局部水頭損失實驗實驗日期： 2019 年 12月 4日一、實驗目的和要求1.學習掌握三點法、四點法測量局部阻力因數的技能,并將突擴管的實測值與理論值比較,將突縮管的實測值與經驗值比較。2.通過閥門局部阻力因數測量的設計性實驗，學習二點法測量局部阻力因數的方法。二、實驗內容和原理流體在流動的局部區(qū)域,如流體流經管道的突擴、突縮和閘門等處,由于固體邊界的急劇改變而引起速度分布的變化,甚至使主流脫離邊界,形成旋渦區(qū),從而產生的阻力稱為局部阻力,由于局部阻力作功而引起的水頭損失稱為局部水頭損失,用hj表示。局部水頭損失是在一段流程上,甚至相當長的一段流程上完成的,如圖2,斷面1至斷面2,這段流程上的總水頭損失包含了局部水頭損失和沿程水頭損失。若用hi(i=1,2…)表示第斷i面的測壓管水頭,即有h或h局部阻力因數ζ為ζ=(1)圓管突然擴大段,本實驗儀采用三點法測量。三點法是在突然擴大管段上布設三個測點,如圖1測點①、②、③所示。流段①至②為突然擴大局部水頭損失發(fā)生段,流段②至③為均勻流流段,本實驗儀測點①、②間距為測點②、③的一半,hf1-2按流程長度比例換算得出。則hf1-2=hf2-3/2=Δh2-3/2=(h2-h3)/2h式中hi為測壓管水頭值,當基準面選擇在標尺零點時即為第i斷面測壓管液位的標尺讀值:E′1、E′2分別表示式中的前、后括號項.因此只要實驗測得三個測壓點的測壓管水頭值h1、h2、h3及流量等即可得突然擴大段局部阻力水頭損失。若圓管突然擴大段的局部阻力因數ζ用上游流速v1表示,為ζ=對應上游流速v1的圓管突然擴大段理論公式為ζ=(2)圓管突然縮小段。本實驗儀采用四點法測量。四點法是在突然縮小管段上布設四個測點,如圖1測點③、④、⑤、⑥所示。圖中B點為突縮斷面處。流段④至⑤為突然縮小局部水頭損失發(fā)生段,流段③至④、⑤至⑥都為均勻流流段。流段④至B間的沿程水頭損失按流程長度比例由測點③、④測得,流段B至⑤的沿程水頭損失按流程長度比例由測點⑤、⑥測得。本實驗儀l3-4=2l4-B，有hf4-B=hf3-4/2=Δh3-4/2,hfB-5=hf5-6=Δh5-6。則hf4-5=Δh3-4/2+Δh5-6=(h3-h4)/2+h5-h6h因此只要實驗測得四個測壓點的測壓管水頭值h3、h4、h5、h6及流量等即可得突然縮小段局部阻力水頭損失。若圓管突然縮小段的局部阻力因數ζ用下游流速v5表示,為ζ=h對應下游流速v5的圓管突然縮小段經驗公式為ζ=0.51-(3)測量局部阻力因數的二點法。在局部阻礙處的前后順直流段上分別設置一個測點,在某一流量下測定兩點間的水頭損失,然后將等長度的直管段替換局部阻礙段,再在同一流量下測定兩點間的水頭損失，由兩水頭損失之差即可得局部阻礙段的局部水頭損失。三、主要儀器設備圖1局部水頭損失實驗裝置簡圖1.自循環(huán)供水器 2.實驗臺3.可控硅無級調速器4.恒壓水箱5.溢流板6.穩(wěn)水孔板7.圓管突然擴大8.氣閥9.測壓計10.測壓管①~⑥11.滑動測量尺12.圓管突然收縮13.實驗流量調節(jié)閥14.回流接水斗15.下回水管16.穩(wěn)壓筒17.傳感器18.智能化數顯流量儀四、操作方法與實驗步驟1.測量突然擴大局部水頭損失與突然縮小局部水頭損失,并測定相應的局部水頭損失因數。參照實驗基本操作方法,在恒定流條件下改變流量2-3次,其中一次為最大流量,待流量穩(wěn)定后,測記各測壓管液面讀數,同時測記實驗流量。實驗數據處理與分析參考第五部分2.設計性實驗:利用圖1實驗裝置,設計某開度下閥門的局部阻力因數的測量實驗。要求:用二點法測量,設計實驗裝置改造簡圖,制定實驗方案,并結合實驗CAI軟件(已隨儀器配置),進行計算機仿真實驗。五、實驗數據記錄和處理1．記錄有關信息及實驗常數實驗設備名稱：局部阻力實驗儀實驗臺號：____3_____實驗者：___阮佳妮、黃力、趙哲、吳珂_____實驗日期：__2019.12.4_______實驗管段直徑：d1=D1=__0.96__10-2md2=d3=d4=D2=__2.05__10-2md5=d6=D3=__0.94_10-2m實驗管段長度：l1-2=11.910-2ml2-3=23.810-2ml3-4=12.410-2ml4-B=6.410-2mlB-5=5.010-2ml5-6=6.010-2m2.實驗數據記錄及計算結果表1局部水頭損失實驗記錄表次數流量/(10-6m3/s)測壓管讀數/10-2mh1h2h3h4h5h6162.630.4431.8331.7631.6425.3425.01276.726.5428.4328.3528.1619.0018.543105.117.9321.4221.2021.034.253.37表2局部水頭損失實驗計算表次數阻力形式流量/(10-6m3/s)前斷面后斷面hj/10-2m理論值經驗值/10-2mE1/10-2m/10-2mE2/10-2m1突然擴大62.63.8234.260.1832.052.210.5790.609276.75.7332.270.2828.753.520.6140.6093105.110.7628.690.5222.056.640.6170.6091突然縮小62.60.1831.764.1529.821.940.4670.395276.70.2828.356.2325.692.660.4260.3953105.10.5221.4711.7016.834.640.3970.395注：對應于突擴段的v1或突縮段的v5。六、實驗結果與分析(1)測定突擴斷面局部水頭損失因數ζ值并與理論值比較。見表1ζ=0.6測定突縮斷面局部水頭損失因數ζ值并與經驗值比較。見表1ζ=0.4(3)完成設計性實驗。七、分析思考1．管徑粗細相同、流量相同條件下，試問d1/d2（d1<d2）在何范圍內圓管突然擴大的水頭損失比突然縮小的大？答：突然擴大的理論值ζ=突然縮小的理論值ζ=0.5要使突然擴大的水頭損失大于突然縮小，即要使1-得到A1<1/2A2即d1/d2<0.7072．結合流動演示儀的水力現象，分析局部阻力損失機理。產生突擴與突縮局部水頭損失的主要部位在哪里？怎樣減小局部水頭損失？答：局部水頭損失的主要部位在產生的漩渦，漩渦中水質點相互摩擦，產生能量損耗，造成了局部水頭損失。要減小局部水頭損失，需要盡量減少漩渦，可以采用流線型的設計，或減小管直徑的比值。3．局部阻力類型眾多，局部阻力因數的計算公式除突然擴大是由理論推導得出之外，其它都是由實驗得出的經驗公式。試問，獲得經驗公式有那些途徑？答：可以經過大量的實驗，獲取大量的數據，再對數據進行數學分析，先確定與所求物理量相關的物理量，再用量綱分析確定每一物理量的指數，最后用實驗的數據確定系數就能得到經驗公式了。實驗報告課程名稱： 流體力學 實驗類型： 驗證性實驗項目名稱： (八)沿程水頭損失實驗實驗日期： 2019 年 12月 18日一、實驗目的和要求1．學會測定管道沿程水頭損失因數和管壁粗糙度的方法；2．分析園管恒定流動的水頭損失規(guī)律、隨雷諾數Re變化的規(guī)律，驗證沿程水頭損失hf與平均流速v的關系。二、實驗內容和原理1．對于通過直徑不變的圓管的恒定水流，沿程水頭損失由達西公式表達為式中：為沿程水頭損失因數；l為上下游測量斷面之間的管段長度；d為管道直徑；v為斷面平均流速。若在實驗中測得沿程水頭損失hf和斷面平均流速，則可直接得沿程水頭損失因數其中 k=由伯努利方程可得沿程水頭損失hf即為兩測點的測壓管水頭差h，可用壓差計或電測儀測得。2．圓管層流運動3．管壁平均當量粗糙度在流動處于湍流過渡區(qū)或阻力平方區(qū)時測量，可由巴爾公式確定即三、主要儀器設備圖1沿程水頭損頭實驗裝置圖1.自循環(huán)高壓恒定全自動供水器2.實驗臺3.回水管4.壓差計5.滑動測量尺6.穩(wěn)壓筒17.實驗管道8.壓差數顯儀9.壓差傳感器10.測壓點11.實驗流量調節(jié)閥12.供水管及供水閥13.旁通管及旁通閥14.穩(wěn)壓筒15.流量傳感器16.智能流量數顯儀四、操作方法與實驗步驟1．沿程水頭損失因數測量與分析實驗參照實驗基本操作方法，分別在層流和湍流兩種流態(tài)下測量流量、水溫、壓差各4~6次。實驗數據參考表4.3.1處理。2．設計性實驗試利用圖4.3.1實驗儀器設計測定實驗管段平均當量粗糙度的實驗。五、實驗數據記錄和處理1．記錄有關信息及實驗常數實驗設備名稱：沿程水頭損失實驗實驗臺號：_________實驗者：__阮佳妮、趙哲、吳珂、黃力_實驗日期：_2019.12.18________圓管直徑d=__0.710____10-2m測量段長度l=___85___10-22．實驗數據記錄及計算結果（參表1）六、實驗結果與分析(1)測定沿程水頭損失因數值，分析沿程阻力損失因數隨雷諾數的變化規(guī)律。并將結果與穆迪圖進行比較，分析實驗所在區(qū)域。沿程阻力損失因數隨雷諾數的增大而減小1-4組處于層流區(qū)5-9組處于湍流區(qū)根據實測管道內流量和相應沿程損失值，繪制lgv～lghf關系曲線，并確定其斜率m值，。將從圖上求得的m值與已知各流區(qū)的m值進行比較驗證。得到m=1.77(3)完成設計性實驗。試利用圖1實驗儀器設計測定實驗管段平均當量粗糙度的實驗。根據第五組和第八組數據，可知其處于湍流粗糙區(qū)，則計算得出粗糙度=0.62七、分析思考1．為什么壓差計的水柱差就是沿程水頭損失？實驗管道傾斜安裝是否影響實驗成果?在管道中的，水頭損失直接反應于水頭壓力。測力水頭兩端壓差就等于水頭損失。?如果管道傾斜安裝，不影響實驗結果。??但壓差計應垂直，如果在特殊情況下無法垂直，可乘以傾斜角度轉化值。2．為什么管壁平均當量粗糙度不能在流動處于光滑區(qū)時測量？管道水流處于光滑區(qū)時，管壁上的突出高度被淹沒在層流底層內，層流底層形成一個無形的光滑管壁，管中的水流就象在光滑的管道中流動，管壁的粗糙度對管道水流的水頭損失不產生影響，所以管道平均當量粗糙度不能在流動處于光滑區(qū)時測量。實驗報告課程名稱： 流體力學 實驗類型： 驗證性實驗項目名稱： (九)畢托管測速與修正因數標定實驗實驗日期： 2019 年11 月 20 日一、實驗目的和要求1.了解畢托管的構造和適用條件,掌握用畢托管測量點流速的方法;2.測定管嘴淹沒出流時點流速,學習率定畢托管流速修正因數的技能；3.分析管嘴淹沒射流的流速分布及流速系數的變化規(guī)律。二、實驗內容和原理畢托管具有結構簡單,使用方便,測量精度高,穩(wěn)定性好等優(yōu)點,應用廣泛。測量范圍水流為0.2-2m/s,氣流為1-60m/s。畢托管是一根兩端開口的90彎針管,下端垂直指向上游,另一端豎直,并與大氣相通。沿流線取相近兩點A、B,點A在未受畢托管干擾處,流速為u,點B在畢托管管口駐點處,流速為零。流體質點自點A流到點B,其動能轉化為位能,使豎管液面升高,超出靜壓強為△h水柱高度。列沿流線的伯努利方程,忽略A、B兩點間的能量損失,有0+及p由此得u=√2g?h考慮到水頭損失及畢托管在生產中的加工誤差由上式得出的流速須加以修正。畢托管測速公式為u=c√2g?h=k√?h即k=c√2g式中：u——畢托管測點處的點流速；c——畢托管的修正因數，簡稱畢托管因數；△h——畢托管全壓水頭與靜壓水頭之差。另外，對于管嘴淹沒出流，管嘴作用水頭、流速因數與流速之間又存在著如下關系：u=式中：u——測點處的點流速；φ'ΔH——管嘴的作用水頭。聯(lián)解得QUOTE故本實驗儀只要測出QUOTEΔhΔh與QUOTEΔHΔH，便可測得點流速因數QUOTEφ'φ'，與實際流速因數（經驗值QUOTEφ'φ'=0.995）比較，便可得出測量精度。若需標定畢托管因數c，則有c=三、主要儀器設備1314131415圖1畢托管測速實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器2.實驗臺3.水泵電源開關 4.水位調節(jié)閥5.恒壓水箱與測壓點=1\*GB3①6.管嘴7.畢托管及其測壓點=3\*GB3③、=4\*GB3④8.尾水箱與測壓點=2\*GB3②9.測壓管=1\*GB3①~=4\*GB3④10.測壓計11.滑動測