流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)碎啪幦A中科技大學(xué)力學(xué)系2005.8.目錄流體力學(xué)根底實(shí)驗(yàn)………………()§1-1流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)……………()§1-2明渠水流速度分布測(cè)量……………………()§1-3動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)………………()§1-4沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)…………()§1-5局部水頭損失實(shí)驗(yàn)…………()§1-6文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)…………………()§1-7孔口、管嘴實(shí)驗(yàn)……………()§1-8雷諾實(shí)驗(yàn)……………………()§1-9堰流實(shí)驗(yàn)……………………()§1-10閘下自由出流實(shí)驗(yàn)…………()§1-11水躍實(shí)驗(yàn)……………………()第二章流體力學(xué)自綜合試實(shí)驗(yàn)…………()§2-1壓力傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)……………………()§2-2圓柱外表壓強(qiáng)分布的測(cè)量…………………()§2-3紊流射流速度分布測(cè)量……………………()§2-4熱線探頭的標(biāo)定……………()§2-5圓柱體尾跡速度分布測(cè)量…………………()第一章流體力學(xué)根底實(shí)驗(yàn)本章介紹流體力學(xué)的根底實(shí)驗(yàn)。根底實(shí)驗(yàn)是指用傳統(tǒng)的測(cè)試手段測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)的壓強(qiáng)、速度、流量等根本參數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)都是教學(xué)大綱要求的必做實(shí)驗(yàn)。§1-1流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)1.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．觀察測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭(位置水頭與壓強(qiáng)水頭之和)，加深對(duì)靜壓強(qiáng)公式的理解。2．求未知液體的密度1.1.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.1.1靜壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)儀圖1.1.1是一種靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)儀。管1為開口測(cè)壓管，管2和管3，管4和管5，管6和管7各組成一個(gè)U形管。管1、2、3均與水箱接通，構(gòu)成一個(gè)連通器。其中，管1與密封水箱中部某點(diǎn)接通。管2、3與水箱底部某點(diǎn)接通。管4和管6與水箱上方的氣體壓強(qiáng)接通。管4、5和管6、7分別盛有兩種液體，其密度為和。水箱上方有密封閥，水箱液面上的氣體與大氣不相通，其壓強(qiáng)為p0。調(diào)壓箱通過(guò)軟管與水箱接通。上、下移動(dòng)調(diào)壓管就可以改變水箱中的水位，也改變水箱中密封氣體的壓強(qiáng)p0。如果調(diào)壓筒水面高于水箱的水面，水將從調(diào)壓筒流入水箱，此時(shí)，水箱中的密封氣體的體積將減小，壓強(qiáng)增大。密封氣體壓強(qiáng)高于當(dāng)?shù)卮髿鈮海琾0>pa。反之，那么p0<pa。1.1.3實(shí)驗(yàn)原理流體靜力學(xué)的根本方程是常數(shù)(1.1.1)管1、管3、調(diào)壓筒、水箱互相連通，液面與大氣相通。雖然管1，管3與水箱的接點(diǎn)上下不同，但他們的液面高程相同，這就是說(shuō)明靜止液體內(nèi)任意一點(diǎn)的位置水頭與壓強(qiáng)水頭之和〔稱為測(cè)壓管水頭〕是相同的。管2的液體與水箱的液體相通，液面氣體的壓強(qiáng)同為p0。因此管2的液面與水箱的液面高程相同。盛有兩種未知密度液體的U形管，其液柱高差是由于壓差p0-pa引起的，故有(1.1.2)(1.1.3)水的密度是的，只要讀取各管液面的高程讀數(shù)，就可以求出未知密度和。1.1.4實(shí)驗(yàn)步驟1．關(guān)閉密封閥，并檢查密封效果。其方法是，移動(dòng)調(diào)壓筒至某一高程位置，這時(shí)各管的液面也隨之移動(dòng)。如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越來(lái)越慢，并最終停止在某一高程位置，不再變化。如果密封效果不好，各管的液面總是不停升降，直至各管液面與調(diào)壓筒以及水箱的液面平齊。這就說(shuō)明水箱漏氣。2．將調(diào)壓筒形移至某高度，并用螺絲固定。待各管的液面穩(wěn)定后，讀取各管的液面高度讀數(shù)，并填入數(shù)據(jù)表。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量4組數(shù)據(jù)，其中，p0>pa〔調(diào)壓筒液面高于水箱液面〕和p0<pa〔調(diào)壓筒液面低于水箱液面〕的情況分別測(cè)量2組數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)?nèi)容：各測(cè)壓管的液柱高度。1.1.6思考題1．在什么情況下，管1，2，3的液面平齊？〔密封閥翻開〕圖1.1.2靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2．當(dāng)管2，3的液面平齊時(shí)，管4，5以及管6，7的液面是否全分別平齊？為什么？〔是〕3．管1和管5都與大氣相通，其液面是否處在同一個(gè)等壓面上？〔否〕4．如果(z7-z6)>(z5-z4)，那么和哪個(gè)較大？1.1.5數(shù)據(jù)整理及誤差分析流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理是件復(fù)雜的工作，為此，可編制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)供實(shí)驗(yàn)課使用。圖1.1.2是編者研制的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表界面。實(shí)驗(yàn)裝置中的未知液體的密度值分別為，。由數(shù)據(jù)表看出，測(cè)量誤差小于7%，引起誤差的主要原因是儀器的水柱高度讀數(shù)的精度不夠。水柱高度的刻度為mm，小數(shù)點(diǎn)后面的值是目估的，從而引起誤差。1.2明渠水流速度分布測(cè)量1.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握畢托管工作原理和使用方法2．測(cè)量明渠斷面的流速分布，繪制流速分布圖。1.2.2實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理圖1.2.1畢托管圖1.2.2測(cè)速裝置本實(shí)驗(yàn)用畢托管測(cè)量明渠的水流速度分布。如圖1.2.1所示，畢托管由總壓管0和靜壓管1組成。設(shè)水流某點(diǎn)的速度為u。當(dāng)水從上游流向管口0的時(shí)候，流體作減速運(yùn)動(dòng)，流至0處速度為零，此處壓強(qiáng)為p0〔稱為總壓〕。然后水流繞過(guò)畢托管繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)，水流速度逐漸增加，當(dāng)水流到達(dá)管口1的時(shí)候，速度值恢復(fù)至u，此處壓強(qiáng)為p〔稱為靜壓〕。利用沿流的伯努利方程，可得到畢托管的流速計(jì)算公式：(1.2.1)只要測(cè)出總壓與靜壓的差值p0-p，便可計(jì)算流速。本實(shí)驗(yàn)利用傾斜式的比壓計(jì)測(cè)量壓差，參見圖1.2.2。設(shè)比壓計(jì)左、右液柱的液面高程分別為z3和z4，那么有(1.2.2)由于，z0=z1，因此(1.2.3)式中是比壓計(jì)左、右液柱長(zhǎng)度之差，是比壓計(jì)的水平傾角。畢托管的流速公式為(1.2.4)式中稱為畢托管的流速系數(shù)。由于流體粘性、制造工藝等諸多因素的影響，的值小于1。工藝精細(xì)的畢托管，=0.98~0.99。測(cè)量時(shí)，可將畢托管上、下移動(dòng)，以便測(cè)出斷面上各點(diǎn)的水流速度，如圖1.2.2所示。在渠底附近，速度變化較快，測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置得密一些。水面上的流速無(wú)法測(cè)量，可以認(rèn)為水面流速與水面下的鄰點(diǎn)的流速相等。1.2.3實(shí)驗(yàn)步驟1.畢托管的注水及排氣。畢托管的總壓與靜壓之差是利用比壓計(jì)的水柱高差計(jì)算的，因此，在使用前應(yīng)該將水注入畢托管、傳壓膠管、比壓計(jì)測(cè)壓管。注水時(shí)，應(yīng)翻開比壓計(jì)上方的密封夾，并將畢托管的管口沒(méi)入明渠的水中〔也可以沒(méi)入防水盒的水中〕，然后將水注入比壓計(jì)的測(cè)壓管。注水后，如果發(fā)現(xiàn)傳壓膠管或比壓計(jì)的測(cè)壓管殘存氣泡，應(yīng)設(shè)法排除。2．調(diào)節(jié)明渠流量控制閥門，調(diào)節(jié)明渠尾水閘門，將明渠水深控制在15cm左右。3．用水位探針測(cè)量渠底高程和水面高程，并計(jì)算水深。4．逐點(diǎn)測(cè)量水流速度u。渠底附近速度變化快，測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)為2mm，遠(yuǎn)離渠底的測(cè)點(diǎn)間距可取2~3cm。測(cè)量?jī)?nèi)容：畢托管高程讀數(shù)，比壓計(jì)左、右液面讀數(shù)。1.2.4考前須知1．實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先熟悉電源開關(guān)及起動(dòng)水泵電機(jī)的操作方法，流量計(jì)的使用方法，并注意用電平安，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后立即關(guān)閉電源。2．注水、排氣工作比擬麻煩，自已應(yīng)摸索最正確方法。3．畢托管的管口應(yīng)正對(duì)來(lái)流。注意：不能將畢托管的管口露出水面。4．測(cè)量時(shí)，如果比壓計(jì)液面發(fā)生波動(dòng)，液面讀數(shù)可取平均值。1.2.6思考題1．渠底附近的流速變化較大，這是為什么？2．明渠水流的速度大致符合什么樣的分布？3．你認(rèn)為，影響畢托管速度系數(shù)的因素有哪些？4．測(cè)量時(shí)，通常調(diào)節(jié)比壓計(jì)的水平傾角小于直角，θ<90°，這樣做有什么好處？改變傾角θ的值，對(duì)速度u的計(jì)算值是否有影響？5．比壓計(jì)安放位置的上下，對(duì)測(cè)量結(jié)束是否有影響？6．如何判斷畢托管口是否正對(duì)來(lái)流方向？7．測(cè)量時(shí)，你是從水面開始逐點(diǎn)往下布置測(cè)點(diǎn)，還是從渠底開始往上布置測(cè)點(diǎn)，或者是隨意布置測(cè)點(diǎn)？為什么要這樣做？你認(rèn)為測(cè)點(diǎn)總數(shù)應(yīng)為多少才比擬適宜？8．根據(jù)各點(diǎn)流速的分布值用積分法可以計(jì)算斷面流量，并與流量計(jì)讀數(shù)比擬，請(qǐng)估算流量值的誤差是多少？1.2.5數(shù)據(jù)表圖1.2.3是流速測(cè)量數(shù)據(jù)表，圖1.2.4是流速分布圖。由圖看出，靠近壁面的1cm范圍內(nèi)，流速變化比擬大，這與邊界層的對(duì)數(shù)分布比擬接近。但近壁附近的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不夠密，因而不能得到對(duì)數(shù)分布。如要測(cè)量近壁的速度分布，應(yīng)多布置一些測(cè)點(diǎn)。圖1.2..3明渠流速測(cè)量數(shù)據(jù)表圖1.2.4明渠流速分布曲線1.3動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)1.3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠酶軛U法測(cè)量水流對(duì)檔板的沖擊力，并用動(dòng)量方程計(jì)算水流對(duì)檔板的作用，兩者進(jìn)行比擬，加深對(duì)動(dòng)量方程的理解。1.3.2實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理圖1.3.1動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)儀圖1.3.1是本實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)裝置示圖。水箱為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)壓水源，水箱的溢流板上開設(shè)假設(shè)干泄流孔。開、閉這些泄流孔可以控制水位的上下。水流從設(shè)在水箱下部的管嘴射擊，沖擊一個(gè)軸對(duì)稱曲面檔板，檔板將射流沖擊力傳遞給杠桿。移動(dòng)砝碼到某一位置，可使杠桿保持平衡。本實(shí)驗(yàn)用杠桿平衡原理測(cè)量射流的沖擊力。另外，再用流體力學(xué)的動(dòng)量方程計(jì)算射流對(duì)檔板的作用力，并比擬這兩個(gè)沖周力的大小，以便進(jìn)行誤差分析。設(shè)砝碼的重量為G，作用力臂為L(zhǎng)1，射流的作用力為F，作用力臂為L(zhǎng)。當(dāng)杠桿平衡時(shí)，有〔1.3.1〕圖1.3.2動(dòng)量方程用圖射流的沖擊力也可以由動(dòng)量方程算出，圖1.3.2是計(jì)算用圖，設(shè)射流的偏轉(zhuǎn)角度為〔即入射速度矢量轉(zhuǎn)到出流速度矢量所旋轉(zhuǎn)的角度〕，射流的流量為Q，入射速度為V，那么有〔1.3.2〕本實(shí)驗(yàn)的射流偏角有90°，135°，180°等3種。1.3.3實(shí)驗(yàn)步驟1．實(shí)驗(yàn)前，調(diào)節(jié)平衡錘的位置，使杠桿處于水平狀態(tài)。2．開啟水泵，向水箱充水。調(diào)節(jié)溢流檔板泄孔的開啟程度，使水箱的水位保持在某一高度位置。3．翻開出流孔口，使水流沖擊擋板。4．移動(dòng)砝碼至適宜位置，使杠桿保持水平，記錄數(shù)據(jù)。5．改變水位，重復(fù)以上測(cè)量。另外，也可以更換另一種偏轉(zhuǎn)角的擋板，并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。6．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉水泵，取下砝碼，排空水箱。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量、砝碼力臂。1.3.4數(shù)據(jù)處理及誤差分析圖1.3.3是數(shù)據(jù)表的界面。沖擊力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在一定誤差。引起誤差的原因有兩個(gè)，一是杠桿支座存在摩擦力，另一個(gè)原因是動(dòng)量方程沒(méi)有考慮重力對(duì)水流的影響，認(rèn)為射流的反射速度為軸對(duì)程分布。其實(shí)，在重力作用下，當(dāng)板下部的反射水流速度大于上部的反射水流速度。1.1.5思考題請(qǐng)自己推導(dǎo)方程〔1.3.2〕實(shí)驗(yàn)中如何確定砝碼的作用力臂？本實(shí)驗(yàn)的流量是用什么方法調(diào)節(jié)的？圖1.3.3動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1.4沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)1.4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量管流的沿程水頭損失系數(shù)，繪制沿程損失系數(shù)與雷諾數(shù)的變化曲線，并與尼古拉茲曲相比擬。1.3.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.4.1沿程損失實(shí)驗(yàn)儀圖1.4.1是本實(shí)驗(yàn)儀置，它由供水器、實(shí)驗(yàn)管段、測(cè)壓計(jì)組成。流量的測(cè)量采用手工體積法，即將水接入量筒，用秒表記下接水時(shí)間，體積除以時(shí)間就得到流量?，F(xiàn)對(duì)各種裝置介紹如下：1．全自動(dòng)高壓恒定供水器由離心泵，自動(dòng)壓力開關(guān)，氣一水壓力罐式穩(wěn)壓器，旁通閥組成。離心式水泵將水輸入穩(wěn)壓罐，然后再輸入實(shí)驗(yàn)管段。穩(wěn)壓罐的作用是控制水泵的出水壓強(qiáng)，使之保持恒定。當(dāng)水泵的壓強(qiáng)超高時(shí)，穩(wěn)壓罐的自動(dòng)控制裝置將切斷電源，使水泵關(guān)機(jī)。當(dāng)壓強(qiáng)過(guò)低時(shí)，那么能自動(dòng)開啟水泵。水泵的流量可利用實(shí)驗(yàn)段尾部的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，由于采用全自動(dòng)裝置控制水泵的出水壓強(qiáng)，因此，當(dāng)流量較小時(shí)，水泵可能時(shí)停時(shí)開，從而造成供水壓力的較大波動(dòng)。為了防止這種情況的出現(xiàn)，在水泵的供水管道上設(shè)有一個(gè)與回水管接通的管道，稱為旁通管。通過(guò)分流，使水泵和出水流量不至于過(guò)小，防止水泵時(shí)停時(shí)開。調(diào)節(jié)旁通管上的旁通閥，就可以改變水泵的分流量。旁通閥的開啟也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)管段水流量的變化。旁通閥開度大，那么水泵的分流量大，實(shí)驗(yàn)管段的流量減小，旁通閥開度小，水泵的分流量小，實(shí)驗(yàn)管段的流量就會(huì)增大?？梢?，旁通閥也是調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)管段水流量的重要裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，要合理調(diào)節(jié)旁通閥和實(shí)驗(yàn)段的尾閥，才能得到適宜的實(shí)驗(yàn)水流量。2．實(shí)驗(yàn)管段為金屬管道，管段的首、尾開設(shè)有測(cè)壓管，用以測(cè)量管流的壓差。3．測(cè)壓計(jì)有兩種：液柱式壓差計(jì)和電子測(cè)壓儀。液柱式壓差計(jì)由兩支玻璃測(cè)壓管組成，其上部相接通，因而這種壓差計(jì)實(shí)際上是Π形管壓差計(jì)。測(cè)壓管的高度只有400mm，只能測(cè)出低于400mm水柱的壓差，如果管段的壓差超過(guò)400mm〔最大壓差超過(guò)8m水柱〕，那么必須關(guān)閉液柱式壓差計(jì)，開啟電子測(cè)壓儀。電子測(cè)壓儀由壓力傳感器，壓強(qiáng)顯示表，壓力調(diào)壓筒組成。水壓先傳入調(diào)壓筒，再接入壓力傳感器。調(diào)壓筒由兩個(gè)密封容器組成，局部充水，水面上空是密封空氣，調(diào)壓筒的主要作用是排除導(dǎo)壓膠管內(nèi)的氣體。當(dāng)導(dǎo)壓管出現(xiàn)氣泡時(shí)，在壓差的作用下氣泡會(huì)向調(diào)壓筒運(yùn)動(dòng)，并在筒內(nèi)逸出，進(jìn)入水面上的密封空間。1.4.3實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于實(shí)驗(yàn)管段的兩個(gè)斷面應(yīng)用伯努利方程，那么有〔1.4.1〕hf由測(cè)壓計(jì)測(cè)量。當(dāng)使用液柱式壓差計(jì)時(shí)，hf的值就是兩支測(cè)壓管水柱的高差。當(dāng)使用電子測(cè)壓表時(shí)，壓差由顯示表直接顯示，其單位是mm水柱，這就是hf的值。管長(zhǎng)l，管徑d的值標(biāo)示在儀器的標(biāo)牌上，重力的速度取值為g=9.807m/s2。速度V等于流量除以管道截面積，流量那么用手工體積法測(cè)量。1.4.4實(shí)驗(yàn)步驟1．接通電源，全開旁通閥，翻開水泵的出水閥，水泵自動(dòng)啟動(dòng)。2．對(duì)管道、測(cè)量?jī)x器進(jìn)行排氣，具體做法如下。實(shí)驗(yàn)管道：關(guān)閉旁通閥，全開水泵的供水閥。慢慢翻開實(shí)驗(yàn)管理工作段尾閥，此時(shí)水在實(shí)驗(yàn)管段中流動(dòng)，水流速度足夠大時(shí)，管內(nèi)的氣泡將被水流帶走。液柱式壓差計(jì)：關(guān)閉實(shí)驗(yàn)段尾閥，翻開旁通閥，松開連接測(cè)壓孔與測(cè)壓管的膠管上的止水夾，徐徐翻開水泵的供水閥。讓水進(jìn)入測(cè)壓管，待測(cè)壓管水柱到達(dá)一定高度后，就關(guān)閉水泵供水閥，停止向測(cè)壓管供水。這時(shí)，測(cè)壓管內(nèi)的氣泡會(huì)慢慢向上運(yùn)動(dòng)，直至逸出，如果仍有氣泡滯留在管內(nèi)，那么用吸氣球排氣。調(diào)壓筒：在無(wú)壓的情況下〔實(shí)驗(yàn)段的水停止流動(dòng)〕。調(diào)壓筒的水位不低于2/3筒高。如果水位達(dá)不到這個(gè)高度，那么先對(duì)調(diào)壓筒充水，其方法是：關(guān)閉實(shí)驗(yàn)段尾閥，翻開水泵供水閥，這時(shí)水會(huì)流入調(diào)壓筒，倒置調(diào)壓筒，待水充滿4/5筒高時(shí)，將調(diào)壓筒復(fù)位放正。然后重復(fù)幾次，啟、閉實(shí)驗(yàn)段尾閥，直至連通膠管內(nèi)的氣泡排凈為止。壓力傳感器：關(guān)閉實(shí)驗(yàn)段尾閥，開啟水泵出水閥，擰松排氣旋鈕，待旋孔溢水后再擰緊旋鈕。排氣是一件較為復(fù)雜的工作，需反復(fù)操作才能完成，排氣工作完成后，連通膠管內(nèi)不再殘留氣泡，液柱式壓差計(jì)的兩支測(cè)壓管水柱在無(wú)壓情況下應(yīng)高度一致。3．準(zhǔn)備工作完成后，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)量測(cè)工作。本實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)出管流的尼古拉茲曲線。為了作出此曲線，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于10個(gè)，其中，層流段應(yīng)有3-4個(gè)測(cè)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，在層流情況下，管段的沿程水頭損失hf小于2cm，因而，在hf<2cm的情況下應(yīng)布置3~4個(gè)測(cè)點(diǎn)。調(diào)節(jié)流量時(shí)，待水流穩(wěn)定2~3分鐘才能讀數(shù)，流量愈小，穩(wěn)定時(shí)間愈長(zhǎng)。4．記錄原始數(shù)據(jù)，即將測(cè)量流量所需的充水體積和充水時(shí)間、水溫〔水循環(huán)使用，水泵電機(jī)的熱會(huì)傳入水流中，導(dǎo)至水溫增高〕，測(cè)壓管讀數(shù)填入數(shù)據(jù)表中，當(dāng)使用電子測(cè)壓表測(cè)量壓差時(shí)，數(shù)據(jù)表中的右測(cè)壓管讀數(shù)可填寫0。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)給出。利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以及時(shí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，可對(duì)某些測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重新測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)容：量筒的充水體積、時(shí)間，測(cè)壓管液柱高度，水溫。1.4.5數(shù)據(jù)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖1.4.2沿程損失數(shù)據(jù)表圖1.4.2是數(shù)據(jù)表界面，沿程損失系數(shù)的實(shí)測(cè)值標(biāo)在圖1.4.3所示的λ~Re曲線中。由該曲線看出，層流的臨界雷諾數(shù)為2267。層流上出現(xiàn)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，近似地分布在一條直線上，但有一定的偏差，引起偏差的主要原因是hf的值比擬小，用目測(cè)法判讀容易引起誤差。此外，流量較小時(shí)，通常需要4~5分鐘的穩(wěn)定時(shí)間，如果穩(wěn)定時(shí)間達(dá)不到這樣長(zhǎng)，讀數(shù)就不能反映恒定流的情況。本實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)最大到達(dá)6.4×104，最大壓差達(dá)886cm水柱，而流態(tài)只到達(dá)水力光滑區(qū)，一般來(lái)說(shuō)，很難得到水力粗糙區(qū)的實(shí)驗(yàn)值。1.4.5思考題1．為什么說(shuō)液柱式壓差計(jì)的水柱高差就是沿程水頭損失hf？如果實(shí)驗(yàn)管傾斜放置，此結(jié)論能否成立？2．試分析你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有哪些實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布落在λ~Re曲線的層流區(qū)，過(guò)渡區(qū)，水力光滑區(qū)？3．一般工程中的管流，多為水力光滑，水力發(fā)電的水輪機(jī)引水管道，其管流多為水力粗糙，這是為什么？4．一般的實(shí)驗(yàn)儀器，其管流很難到達(dá)水力粗糙，為了使流態(tài)能到達(dá)水力粗糙，你對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的改良有什么建議？5．改變流量后，為什么要等水流穩(wěn)定后才能讀數(shù)？層流時(shí)，水流穩(wěn)定多長(zhǎng)時(shí)間？圖1.4.3λ~Re的實(shí)驗(yàn)曲線1.5局部水頭損失實(shí)驗(yàn)1.5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量管流中的5種局部水頭損失，并確定局部損失系數(shù)。1.5.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.5.1所示的局部水頭損失實(shí)驗(yàn)儀，由水泵、穩(wěn)壓水箱、實(shí)驗(yàn)管段，局部損失〔截面實(shí)擴(kuò)，截面突縮，90°彎管，180°彎管，90°折管〕管件、21支測(cè)壓管、回水箱組成。此外，本實(shí)驗(yàn)用手工體積法和電子流量計(jì)兩種方法測(cè)量管流的流量。21支測(cè)壓管中，有些是用于測(cè)量局部水頭損失，有些那么用于演示管流中水流靜壓的變化情況。這里著重介紹電子流量計(jì)。這種流量計(jì)由量水筒，水位傳感器，單板機(jī)，顯示表組成。圖1.5.2a表示電子流量計(jì)的工作原理。量筒左側(cè)有玻璃水位指示管，右側(cè)有虹吸管。水位傳感器A、B用于記錄水位信息。當(dāng)水面上升到B時(shí)，單板機(jī)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)水面上升到A時(shí)，單班機(jī)結(jié)束計(jì)時(shí)，兩個(gè)時(shí)間之差為充水時(shí)間，A、B之間的兩筒體積〔887cm3〕為充水體積。體積與時(shí)間之比為流量。當(dāng)水面繼續(xù)上升，淹沒(méi)虹吸管之后，水流在虹吸作用下自動(dòng)出流，直至放空，同時(shí)還發(fā)出一種排空聲響。這樣，每隔一段時(shí)間，量筒中的水就會(huì)自動(dòng)排空，無(wú)需人為操作。測(cè)量流量時(shí)，將出水通過(guò)漏斗引入量筒。水面到達(dá)A、B的時(shí)間由單板機(jī)自動(dòng)紀(jì)錄并顯示在流量計(jì)的面板上。流量?jī)x表的板面上設(shè)有電源開關(guān)，控制電源的接通與斷開。參見圖1.5.3。板面上有“時(shí)間”、“體積”、“流量”、“測(cè)量”等四個(gè)命令按鈕。當(dāng)按下“測(cè)量”按鈕時(shí)，儀器開始測(cè)量。如果按下“時(shí)間”、“體積”、“流量”，那么儀表上顯示時(shí)間、體積、流量的數(shù)值。板面上還有三個(gè)指示燈，顯示儀器的工作狀態(tài)。測(cè)量的指示燈點(diǎn)亮，表示正在測(cè)量。圖1.5.1局部損失實(shí)驗(yàn)儀圖1.5.2電子流量計(jì)的量筒圖1.5.3電子流量計(jì)的面板測(cè)量之前，先按下板面上的“測(cè)量”按鈕，這時(shí)候儀表就開始工作，量筒充水時(shí)，儀表連續(xù)顯示充水時(shí)間〔秒〕。充水結(jié)束后，儀表立刻顯示出流量值〔單位：ml/s〕。如果要顯示充水時(shí)間和充水體積，可以分別按下“時(shí)間”、“體積”按鈕。電子流量計(jì)有時(shí)會(huì)發(fā)生故障。最常見的故障是虹吸管能夠排水，但沒(méi)有虹吸的抽水作用，參見圖1.5.2b。這種情況下，量筒以及水位器水位穩(wěn)定在某些方面某一高度，充水不能自動(dòng)排空。排除故障的方法，是加大出水量，使虹吸管滿頂，充水就能排空。1.5.3實(shí)驗(yàn)原理對(duì)局部損失管件的上、下游某斷面應(yīng)用伯努利方程，就可以求得局部水頭損失，現(xiàn)分別予以說(shuō)明。突擴(kuò)管：使用測(cè)壓管3，8測(cè)量突擴(kuò)管上、下游的壓差，相應(yīng)的伯努利方程為(1.5.1)速度等于流量除以管道截面積，水柱高度可直接讀取，這樣，由上式很容易求出局部損失系數(shù)。由流體力學(xué)，的理論值為：〔1.5.2〕將理論值和實(shí)測(cè)值相比擬，就可以確定測(cè)量誤差。突縮管：使用測(cè)壓管11,12測(cè)量突縮管上、下游的壓差，相應(yīng)的伯努利方程是〔1.5.3〕管流速度，可由流量算出，液柱高度可直接讀出，因而突縮管的局部損失系數(shù)不難算出。在流體力學(xué)中，實(shí)縮管的局部損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為〔1.5.4〕比擬實(shí)測(cè)值和經(jīng)驗(yàn)值，就可以計(jì)算測(cè)量誤差。90°彎管：計(jì)算90°彎管的局部水頭損失所用的伯努利方程為(1.5.5)由此得到90°彎管的局部損失系數(shù)〔1.5.6〕查閱有關(guān)手冊(cè)，90°彎管的局部損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為。180°彎管：與90°彎管的情況相似，180°彎管的局部損失系數(shù)可由下式計(jì)算：〔1.5.7〕很少有文獻(xiàn)提供180°彎管的經(jīng)驗(yàn)公式。編者對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行數(shù)次量測(cè)，得到局部損失系數(shù)的平均值為。90°折管：列出截面18、19的伯努利方程：〔1.5.8〕可見〔1.5.9〕有關(guān)手冊(cè)給出的90°折管的經(jīng)驗(yàn)值為。1.5.4實(shí)驗(yàn)步驟1．啟動(dòng)水泵，向水箱充水，同時(shí)稍微翻開尾閥，讓水在管流中緩慢流動(dòng)。2．觀察管道中，測(cè)壓管內(nèi)是否出現(xiàn)氣泡，假設(shè)有氣泡，應(yīng)設(shè)法排除。3．調(diào)節(jié)尾閥，待水流穩(wěn)定后，記錄各測(cè)壓管的讀數(shù)，管流的流量值。圖1.5.4局部損失數(shù)據(jù)表注意：對(duì)于實(shí)擴(kuò)管，讀取測(cè)壓管3、8的水柱高度。對(duì)于突縮管，讀取測(cè)壓管11、12的水柱高度，管道流量那么用手工體積法和使用電子流量計(jì)分別測(cè)量，取其平均值作為流量值。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立刻切斷電源，關(guān)閉水泵。測(cè)量?jī)?nèi)容：用手工和流量計(jì)分別測(cè)量流量，取平均值填入表格，記錄各種局部損失部件的上、下游的水柱高度。1.5.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算各種數(shù)據(jù)。只要將流量，測(cè)壓管水柱高度填入表格，系統(tǒng)自動(dòng)算出各種局部損失系數(shù)，并給出誤差，詳見圖1.5.4。1.5.6思考題1．?dāng)?shù)據(jù)表中為什么沒(méi)有計(jì)算雷諾數(shù)？2．當(dāng)測(cè)壓管、實(shí)驗(yàn)管段出現(xiàn)氣泡時(shí)，你如何將其排除？3．如果用測(cè)壓管3、4計(jì)算實(shí)擴(kuò)管的局部水頭損失，將會(huì)出現(xiàn)什么樣的誤差？1.6文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)1.6.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量文丘里流量計(jì)，孔板流量計(jì)的流量系數(shù)1.6.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.6.1文丘里、孔板實(shí)驗(yàn)儀圖1.6.1是文丘里管、孔板流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)儀。圖中，測(cè)壓管1,2用于測(cè)量文丘里流量計(jì)的壓差，孔板流量計(jì)的壓差比擬大，因而使用由4支測(cè)壓管組成的復(fù)合式測(cè)壓計(jì)。圖1.6.2文丘里流量計(jì)圖1.6.3孔板流量計(jì)文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì)都屬于節(jié)流式流量計(jì)。即在管流中接入文丘里管或安裝一塊孔板，強(qiáng)制地改變局部地方的管流速度和壓強(qiáng)，測(cè)量其壓差就可以計(jì)算管道流量。文丘里流量計(jì)由收縮段、喉部、擴(kuò)散段組成〔參見圖1.6.2〕。收縮角為20°~25°，折角處應(yīng)圓滑，盡量接近流線型。喉部是文丘里流量計(jì)的斷面最小的部位，此處的流線曲率半徑相當(dāng)大，流動(dòng)可視為緩變流，擴(kuò)散角一般為5°~15°?？装辶髁坑?jì)是一塊外徑與管道內(nèi)徑相同的不銹鋼板，參見圖1.6.3。孔板上開設(shè)一個(gè)內(nèi)孔，這個(gè)內(nèi)孔迫使過(guò)流斷面突然變小，流速變大，壓強(qiáng)降低。文丘里管和孔板都是測(cè)量流量的儀器，在使用之前，要預(yù)先測(cè)量它們的流量系數(shù)，稱為流量計(jì)的標(biāo)定。1.6.3實(shí)驗(yàn)原理為了計(jì)算管道的流量，在管道中安裝一個(gè)文丘里流量計(jì)。對(duì)于圖1.6.2所示的斷面1.2應(yīng)用的努利方程，那么有〔1.6.1〕利用連續(xù)性方程，上式可化為〔1.6.2〕利用測(cè)壓管直接測(cè)量壓差，那么有，于是〔1.6.3〕速度與截面積相乘就可以計(jì)算流量，上面的計(jì)算中沒(méi)有考慮粘性的影響，因此，流量的表達(dá)式可修正為〔1.6.4〕式中，稱為文丘里管的流量系數(shù)，工藝精良的文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)達(dá)0.99以上。利用孔板裝置也可以測(cè)量管道的流量。如圖1.6.3所示，流體受到孔板的節(jié)制，在孔板的下游形成一股射流，圖中的斷面C是射流喉部，對(duì)斷面3和斷面C應(yīng)用伯努利方程?！?.6.5〕利用連續(xù)性方程3，〔A3為管道面積A〕，那么得到射流喉部的流速(1.6.6)用A0表示孔板的孔口截面積，顯然，射流喉部面積AC小于孔口面積A0。即〔1.6.7〕稱為射流喉部的截面收縮系數(shù)。喉部的壓強(qiáng)不能直接測(cè)出，一般用管壁上的靜壓p6代替。壓差p3-p6很大，因而本實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合式測(cè)壓計(jì)測(cè)定壓差p3-p6。顯然。〔1.6.8〕射流喉部的速度為〔1.6.9〕流量，式中A0是孔的面積〔1.6.10〕引入流量系數(shù)，那么〔1.6.11〕顯示，流量系數(shù)的取值除了受到粘性的影響之外，也還取決于孔口面積與管道面積的比值。標(biāo)定文丘里流量計(jì)或孔板流量計(jì)的流量系數(shù)的方法是：用體積法測(cè)出流量Q，讀取測(cè)壓管的液柱高度。利用式(1.6.4)或式(1.6.11)確定的值。1.6.4實(shí)驗(yàn)步驟1．排除測(cè)壓管的氣體啟動(dòng)水泵，向水箱充水，關(guān)閉尾閥。此時(shí)，管1，2的液面應(yīng)該平齊。管3，4以及管5，6分別用膠管將其上部連接，拔開這些連接膠管，管3，6和管4，5的液面應(yīng)該平齊。如果不能平齊，那么在測(cè)壓管內(nèi)存在氣泡，應(yīng)設(shè)法將其排除。2．調(diào)節(jié)尾閥，依次增大流量，記錄各測(cè)壓管的液柱高度。用體積法以及用電子流量計(jì)分別測(cè)量管流的流量，取其平均值作為計(jì)算用。流量要求改變8次。改變流量時(shí)，要等待3~5分鐘，水流穩(wěn)定前方可讀數(shù)。圖1.6.4文丘里、孔板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表測(cè)量?jī)?nèi)容：流量(分別用手工和流量計(jì)測(cè)量，取平均值)，各測(cè)壓管讀數(shù)。1.6.5數(shù)據(jù)處理圖1.6.4是數(shù)據(jù)表的界面。由表中看出，文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)，=0.9446~0.995，實(shí)驗(yàn)值變化較大。另外，孔板的流量系數(shù)可以進(jìn)行估算。在式〔1.6.10〕中，取0.62，而，因而式(1.6.11)中的=0.6603。此外，還應(yīng)考慮粘性的影響，用p6取代pC也影響的值。因此，再乘一個(gè)系數(shù)0.95，那么=0.6273?？梢钥闯觯装宓牧髁肯禂?shù)與實(shí)測(cè)值也有較大誤差。產(chǎn)生誤差的原因，主要是測(cè)壓管讀數(shù)不夠精確。一方面，高度讀數(shù)刻度只精確到mm，而且用人工判讀也產(chǎn)生誤差。此外，水柱液面常發(fā)生波動(dòng)，其高度不易確定。1.6.6思考題1．的值可能大于1嗎？2．影響取值的因素有哪些？3．請(qǐng)推導(dǎo)式(1.6.8)4．請(qǐng)仔細(xì)觀察孔板流量計(jì)。在射流喉部處是否裝有測(cè)壓管？測(cè)壓管裝在喉部的上游還是下游？這樣做會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生哪些影響？1.7孔口、管嘴實(shí)驗(yàn)1.7.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量孔口，管嘴的流量系數(shù)1.7.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.7.1孔口圖1.7.2管嘴圖1.7.1是孔口實(shí)驗(yàn)裝置圖，水箱里有溢流擋板，用以保持水位恒定。水箱下部開設(shè)一個(gè)孔口。孔口后部有一塊蓋板用以關(guān)閉。圖1.7.2是管嘴實(shí)驗(yàn)裝置。管嘴與孔口開設(shè)在同一個(gè)水箱中。管嘴上有一個(gè)塞子，用于關(guān)閉。本實(shí)驗(yàn)用體積法及電子流量計(jì)分別測(cè)量流量，取其平均值用作數(shù)據(jù)處理。管嘴內(nèi)部軸線方向的壓強(qiáng)變化很大，本裝置利用4支測(cè)壓管演示這種壓強(qiáng)變化。1.7.3實(shí)驗(yàn)原理我們先推導(dǎo)孔口的流量公式。設(shè)水流從孔口流出，如圖1.7.1所示。射流的斷面C-C的面積最小，該斷面稱為射流的喉部。喉部截面積AC與孔口面積A之比為，即。在喉部附近，流線的曲率半徑很大，流動(dòng)可視為漸變流，對(duì)于水箱液面和射流喉部斷面C-C應(yīng)用伯努利方程，那么有〔1.7.1〕〔1.7.2〕式(1.7.2)中的H是孔口的作用水頭，稱為速度流量系數(shù)，通常，=0.97~0.98。由此得到孔口的流量公式〔1.7.3〕稱為孔口的流量系數(shù)。測(cè)出流量Q和水頭H，按上式計(jì)算孔口的流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值。管嘴自由出流時(shí)(圖1.7.2)，水流首先收縮，喉部位于管嘴內(nèi)部，喉部的流速大，壓強(qiáng)小。真空壓強(qiáng)有利于管嘴出流，對(duì)水箱液面和管嘴出口水流斷面應(yīng)用伯努利方程，那么有〔1.7.4〕這里，V是管口的流速。其表達(dá)式可寫成〔1.7.5〕如果管嘴的截面積為A，那么流量為〔1.7.6〕稱為管嘴的流量系數(shù)。測(cè)出流量Q和水頭H，按上式計(jì)算管嘴的流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值。上面提到，管嘴內(nèi)部的真空壓強(qiáng)有利于管嘴出流，因而管嘴的流量系數(shù)大于孔口的流量系數(shù)。1.7.4實(shí)驗(yàn)步驟1．關(guān)閉孔口和管嘴，開啟水泵，向水箱充水。待水位穩(wěn)定后，管嘴的4支測(cè)壓管的水位它與水箱水位平齊，如果情況不是這樣，說(shuō)明測(cè)壓管內(nèi)有氣泡，應(yīng)該設(shè)法排除。2．翻開管嘴，觀察測(cè)壓管的水柱高程，可以看出，沿管嘴軸線，壓強(qiáng)先減小，流速增大，喉部附近的壓強(qiáng)最低，流速最大。3.測(cè)量管嘴流量，記錄管嘴的作用水頭〔即水箱水面高程與管嘴軸線高程的差值〕。測(cè)量結(jié)果后關(guān)閉管嘴。4．翻開孔口，使其出流。水流穩(wěn)定后，測(cè)量流量，測(cè)量孔口的作用水頭〔即水箱水面對(duì)面高程與孔口中心高程的差值〕5．測(cè)量孔口射流喉部的直徑：將孔口中的活動(dòng)銷移動(dòng)，使之貼近射流喉部水流的外邊緣，關(guān)閉孔口，停止出流，用游標(biāo)卡尺測(cè)量孔口射流最小斷面的直徑。5．測(cè)量結(jié)束，關(guān)閉水泵，關(guān)閉孔口管嘴。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量，水面高程。1.7.5數(shù)據(jù)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析孔口、管嘴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見圖1.7.3。孔口的收縮系數(shù)按計(jì)算，而流速系數(shù)按計(jì)算。表中，的值缺乏0.96，偏小。這是因?yàn)?，孔口射流喉部直徑dc不易測(cè)準(zhǔn)，測(cè)量誤差較大，于是影響的值。1.7.6思考題1．孔口的流速系數(shù)不可能大于1.0，為什么？2．管嘴和孔口的截面積相同。管嘴的流量系數(shù)大于的孔口的流量系數(shù)，為什么？圖1.7.3孔口、管嘴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.8雷諾實(shí)驗(yàn)1.8.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量管流的沿程水頭損失，繪制沿程水頭損失與管流速度的對(duì)數(shù)曲線，并確定管流臨界雷諾數(shù)。1.8.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.8.1雷諾儀圖1.8.1的實(shí)驗(yàn)裝置由穩(wěn)壓水箱，試驗(yàn)管段，傾斜式比壓計(jì)組成。水箱向管道提供穩(wěn)壓水流。管段的壓強(qiáng)差用比壓計(jì)測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)用手工體積法測(cè)流量。1.8.3實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于圖1.8.1的管段的首、尾兩個(gè)斷面應(yīng)用伯努利方程，那么有〔1.8.1〕管段水平放置，流速處相同，因而〔1.8.2〕用比壓計(jì)測(cè)量壓差p1-p2。設(shè)比壓計(jì)兩支測(cè)壓管的液柱長(zhǎng)度之差為l，那么有〔1.8.3〕〔1.8.4〕式中，是比壓計(jì)的水平傾角。只要測(cè)出比壓計(jì)兩支液柱長(zhǎng)度的差值，由式〔1.8.4〕便可以計(jì)算管段落水流的沿程水頭損失。管流速度等于流量除以截面積。流量用量筒、秒表測(cè)量。小流量的測(cè)量比擬費(fèi)時(shí)。充水時(shí)間往往超過(guò)1分鐘。計(jì)算管流雷諾數(shù)時(shí)，需用到水的運(yùn)動(dòng)粘度。運(yùn)動(dòng)粘度與水溫有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)用溫度計(jì)測(cè)量水溫，水的運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為〔1.8.5〕式中，大量水溫單位是℃，的單位是m2/s。程水頭損失與速度V的函數(shù)關(guān)系與流態(tài)有關(guān)，層流時(shí)，與V的一次方成正比，紊流時(shí)，與V的1.75~20次方成正比，將實(shí)測(cè)值標(biāo)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上。如果實(shí)驗(yàn)曲線斜率為45°，那么說(shuō)明流態(tài)為層流，否那么為紊流。值得注意的是，流量從小變大的曲線與流量從大變小的曲線是不重合的。1.8.4實(shí)驗(yàn)步驟1．啟動(dòng)水泵，向水箱流水，待水位穩(wěn)定后才全開尾閥，以便沖洗管道，排除管內(nèi)氣體。2．關(guān)閉尾閥，松開傾斜比壓計(jì)上端的止水夾，以使測(cè)壓管內(nèi)的殘留氣泡排出，氣泡全部排出后，用氣囊球向比壓計(jì)的測(cè)壓管打氣，壓迫測(cè)壓管水面下降至中部，再夾緊止水夾，防止液面上升。試驗(yàn)管段的水不流動(dòng)時(shí)，比壓計(jì)的兩支測(cè)壓管的液面應(yīng)該平齊。假設(shè)不平，說(shuō)明測(cè)壓管內(nèi)殘留有氣泡，應(yīng)該設(shè)法排除。3．微微翻開尾閥，讓水流速度從小變大，流態(tài)從層流變?yōu)槲闪鳌．?dāng)流量到達(dá)最大值之后，慢慢關(guān)小尾閥，使流速?gòu)拇笞冃。鲬B(tài)從紊流變?yōu)閷痈淖兞髁繒r(shí)，待水流穩(wěn)定后，測(cè)量流量，記錄比壓計(jì)液柱讀數(shù)。層流時(shí)，水流達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所用的時(shí)間往往比擬長(zhǎng)，要耐心等待。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)裝置，可根據(jù)比壓計(jì)讀數(shù)大概地判斷流態(tài)。當(dāng)流態(tài)為層流時(shí)，管段的沿程水頭損失≤0.006m。如果比壓計(jì)的水平傾角，那么比壓計(jì)液柱長(zhǎng)度之差。一般來(lái)說(shuō)，層流的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)布置3-4個(gè)?？偟膶?shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)可自行控制，本實(shí)驗(yàn)的目的之一是繪制形如下圖的對(duì)數(shù)曲線，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)在10個(gè)以上，并且盡量均勻地分布。4．測(cè)量結(jié)束后，關(guān)閉水泵，繪制曲線圖。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量〔流量有小變大，大最大值后再有大變小〕、比壓力計(jì)液面讀數(shù)。1.8.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析圖1.8.2是本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表，圖1.8.3是曲線圖。由圖看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不圖1.8.2雷諾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表夠理想，層流區(qū)的曲線斜率近似等于1，但并非直線，有略微彎曲。上臨界雷諾數(shù)缺乏4000。下臨界雷諾數(shù)2000左右。與權(quán)威實(shí)驗(yàn)比擬，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。主要原因是實(shí)驗(yàn)裝置不夠精細(xì)，尤其是實(shí)驗(yàn)管段長(zhǎng)段不滿足要求。例如，為了避開管流入口、出口的影響，實(shí)驗(yàn)段的兩端應(yīng)遠(yuǎn)離入口或出口的距離為管徑的120倍。本實(shí)驗(yàn)的管徑d=8mm，與進(jìn)口段、出口段落的長(zhǎng)放應(yīng)超過(guò)1m。而本裝置的進(jìn)口段，出口段長(zhǎng)度缺乏0.5m。此外，小流量時(shí)，比壓計(jì)流柱長(zhǎng)度差很少，讀數(shù)誤差很大，要想提高實(shí)驗(yàn)精度，就要提高流量測(cè)量、壓差測(cè)量的精度。1.8.6思考題1．層流時(shí)，本實(shí)驗(yàn)的沿程水頭損失的值的變化范圍是多少？2．比壓計(jì)的刻度2:1表示什么含義？3．如何判斷比壓計(jì)的刻度〔例如2:1〕與實(shí)際情況是否相符？4．實(shí)驗(yàn)要求流量首先從小變大，再?gòu)拇笞冃?，如果使流量時(shí)而變大，時(shí)而變小，實(shí)驗(yàn)圖1.8.3曲線點(diǎn)能連成一條光滑曲線嗎？5．小流量時(shí)，水流到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間為什么很長(zhǎng)？6．大流量時(shí)，比壓計(jì)液面波動(dòng)比擬明顯，這種情況下應(yīng)如何讀取液面讀數(shù)？1.9堰流實(shí)驗(yàn)1.9.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量寬頂堰流量系數(shù)m。1.9.2實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)在有機(jī)玻璃的水槽中進(jìn)行，〔見圖1.9.1a〕實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閷掜斞?，用水位測(cè)針測(cè)量水面高強(qiáng)，水槽的流量用電子渦輪流量計(jì)測(cè)量。圖1.9.1堰流實(shí)驗(yàn)1.9.3實(shí)驗(yàn)原理水流漫過(guò)寬頂堰時(shí)，水面下降〔見圖)。設(shè)寬頂上的水深為h，上游水面與堰頂?shù)母卟顬镠〔稱為作用水頭〕，那么有伯努利方程〔1.9.1〕通常稱為行近總水頭。上式可改寫為〔1.9.2〕式中稱為堰流的流速系數(shù)。由此得到堰流的流量公式〔1.9.3〕通常，H0是數(shù)。而h值與H0以及許多因素有關(guān)。很難找出h的計(jì)算公式。為簡(jiǎn)化起見，令，那么式〔1.9.3〕變成〔1.9.4〕式中，稱為堰流的流量系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)就是要測(cè)量m。由式〔1.9.4〕看出，堰寬b〔也是水槽寬度〕，只測(cè)量流量Q，H0就可以確定m。H0是行近總水頭，它等于堰流的作用水頭H與束流速度水頭的和。值得注意的是，作用水頭等于水面高程與濕底高程的差值。寬頂堰流量系數(shù)m經(jīng)驗(yàn)公式是〔1.9.5〕式中，hp是堰高，H是作用水頭。一般地m=0.35～0.38。式(1.9.5)是俄國(guó)學(xué)者別列津斯基根據(jù)眾多實(shí)驗(yàn)得出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，這些實(shí)驗(yàn)點(diǎn)本身比擬分散，不能連成光滑曲線。別列津斯基使用最小二乘法得列式(1.9.5)，只能反映實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的變化趨勢(shì)。它不是很精確的經(jīng)驗(yàn)公式。1.9.3實(shí)驗(yàn)步驟1．放水之前，用活動(dòng)的水位測(cè)針測(cè)量槽底高程和堰頂高程。2．關(guān)閉水槽底部的進(jìn)水閘閥。然后按通電源，啟動(dòng)水泵。3．翻開進(jìn)水閘閥，調(diào)節(jié)流量，一般來(lái)說(shuō)，流量由小變大，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門后，要等待1~2分鐘，水流穩(wěn)定后才開始測(cè)量，流量要改變6~8次。4．測(cè)量堰的上游水面高程〔測(cè)點(diǎn)位于堰上游與堰頂相距5H，〕記錄流量值。5．量測(cè)結(jié)束后，觀察堰流的水面曲線，如果水槽尾部的平板閘門完全翻開，下游水位較低，這時(shí)我們就會(huì)看到，水漫過(guò)寬頂堰時(shí)，水位下降，流速加大，越過(guò)寬頂堰后，水位進(jìn)一步下降。直至與下游水位平齊。逐漸關(guān)小平板閘門，那么下游水位逐漸抬高。當(dāng)下游水位高于堰頂水位時(shí)，堰頂水深逐漸增加，水流逐漸緩慢，這時(shí)，堰頂水位與上游水位相差越來(lái)越小。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量、作用水頭。1.9.5數(shù)據(jù)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，m~hp/H關(guān)系曲線參見圖1.9.2。實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式(1.9.5)具有相同的變化趨勢(shì)。但實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不能連成光滑曲線。這是因?yàn)檠吡骱懿环€(wěn)定，水面有波浪，這給準(zhǔn)確測(cè)量水面高程帶來(lái)一定的困難。況且，式〔1.9.5〕也不是很精確的經(jīng)驗(yàn)公式。圖1.9.2堰流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1.9.6思考題1．在堰頂處水面為什么下降？2．水面有波浪，你用什么方法判斷水位測(cè)針已經(jīng)抵達(dá)水面？3．堰前水流速度V0如何計(jì)算？1.9.4考前須知1．實(shí)驗(yàn)前一定要關(guān)閉水槽的進(jìn)水閥門，否那么，接通電源后，管中水流會(huì)比擬大速度沖擊流量計(jì)的渦輪葉片，造成損失。2．堰上游水位一定要在寬頂堰上游3~5倍水頭以上的地方量測(cè)。3．每次調(diào)節(jié)流量時(shí)，要得水流穩(wěn)定〔時(shí)間大約5~6分鐘〕才能測(cè)量。4．時(shí)刻注意，不要水流溢出槽外。1.10閘下自由出流實(shí)驗(yàn)1.10.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．測(cè)量平板閘門自由出流的流量系數(shù)。2．繪制閘門流量系數(shù)與相對(duì)開啟度的實(shí)驗(yàn)曲線。1.10.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.10.1a是實(shí)驗(yàn)裝置，在水槽上安裝有機(jī)玻璃的平板閘門。水槽尾部有尾水閘，用以調(diào)節(jié)下游水位，安裝在水池中的潛水泵將水輸入管道，管道上裝有高精度的流量計(jì)。管道的流量由進(jìn)水閥控制。水流由管道進(jìn)入蓄水箱，然后進(jìn)入水槽。平板閘門將水位提高，高水位的水流從閘下泄出，并在下游不遠(yuǎn)處形成收縮斷面，然后流向水槽尾端。1.10.1實(shí)驗(yàn)原理如圖1.10.1b所示，對(duì)上游斷面和收縮斷面c-c應(yīng)用伯努利方程，那么有圖1.10.1閘下出流〔1.10.1〕通常，稱為行近總水頭，由上式得到〔1.10.2〕稱為流速系數(shù)，一般地，。收縮斷面的水深hc可以用收縮系數(shù)與閘門開啟度e的乘積來(lái)表示，于是，〔1.10.3〕為簡(jiǎn)單化起見，將上式改寫為〔1.10.4〕稱為閘門的流量系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)眾多的實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析，的經(jīng)驗(yàn)公式為〔1.10.5〕式(1.10.5)說(shuō)明，流量系數(shù)μ與閘門的相對(duì)開啟度e/H有關(guān)。當(dāng)下游水位高于收縮斷面的水位時(shí)，閘門的流量將變小，這時(shí)，式〔1.10.4〕應(yīng)該乘以一個(gè)淹沒(méi)系數(shù)。1.10.4實(shí)驗(yàn)步驟1.水槽放水之前，用測(cè)針測(cè)量水槽底面的高度讀數(shù)。2.全開平板閘門和尾水閘，以防止放水時(shí)閘門過(guò)低而使水溢出。3．關(guān)閉進(jìn)水閥，啟動(dòng)水泵。這樣做可以防止水泵起動(dòng)時(shí)，輸水管路的水流速度過(guò)大而引起意外事故。4．轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)水閥，調(diào)節(jié)流量，待水流穩(wěn)定〔一般需要3-5分鐘〕后，測(cè)量流量。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，流量值不再改變。5．調(diào)節(jié)閥門開啟度，用尺子量測(cè)平板閘門最低點(diǎn)至槽底的高度e，本實(shí)驗(yàn)開啟度e改變不少于8次。6．改變開啟度e之后，等待2-3分鐘，水流穩(wěn)定后，用水位測(cè)針測(cè)量閘前水面高程。7．測(cè)量結(jié)束后，關(guān)閉輸水管的進(jìn)水閥，然后關(guān)閉水泵。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量、閘門上游水面高程、閘門開啟高度。1.10.5考前須知1．本實(shí)驗(yàn)測(cè)量在同一流量下，不同開啟度的流量系數(shù)，并繪制其相應(yīng)的關(guān)系曲線，因此實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于8個(gè)。開啟度e從最小值變至最大值，變化間隔力求均勻。2．閘門開啟度較小時(shí)，注意觀察閘前水位，防止水流漫溢。3．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使水槽尾水閥保持全開，保證閘下出流為自由出流。4．改變閘門開啟度后，務(wù)必等待數(shù)分鐘，水流穩(wěn)定前方可測(cè)量，否那么，測(cè)量結(jié)果將不可靠，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)會(huì)分散、凌亂。1.10.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析數(shù)據(jù)表、實(shí)驗(yàn)曲線如圖1.10.2和圖1.10.3所示。由圖看出，流量系數(shù)u的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值、經(jīng)驗(yàn)公式都相差較遠(yuǎn)。誤差原因是計(jì)算公式(1.10.4)把水流速度看作緩變流，而實(shí)際情況卻是急變流，流線彎曲較大，過(guò)流斷面的速度分布不均勻，因此式(1.10.4)只是一個(gè)子近似式。此外，水面波動(dòng)較大，水而高程不易測(cè)量。1.10.7思考題1．你認(rèn)為影響閘下自由出流的因素有哪些？2．水面波動(dòng)較大，如何測(cè)量水面高程？圖1.10.2閘下出流數(shù)據(jù)表圖1.10.3閘下出流實(shí)驗(yàn)曲線1.11水躍實(shí)驗(yàn)1.11.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量水躍的躍前水深和躍后水深，繪制躍前、躍后的水深比h2/h1與躍前水流弗勞德數(shù)Fr1的關(guān)系曲線。1.11.2實(shí)驗(yàn)裝置圖1.11.1水躍實(shí)驗(yàn)圖1.11.1a是水躍實(shí)驗(yàn)裝置。潛水泵將水從水池輸入水槽，輸水管上安裝有流量計(jì)和進(jìn)水閥。水槽上有前閘和尾水閘。水從前閘門泄出時(shí)，流態(tài)為急流。如果下降水槽尾閘，使水位升至適宜高度,那么水流就會(huì)從急流變?yōu)榫徚?，從而產(chǎn)生水躍。控制尾水位的高度，可以觀察到遠(yuǎn)驅(qū)水躍，臨界水躍，淹沒(méi)水躍。1.11.3實(shí)驗(yàn)原理參閱圖1.11.1b，水從平板閥門泄出，過(guò)流斷面先收縮、后擴(kuò)張。最小斷面的水深為hc。當(dāng)下游水深調(diào)節(jié)至某一值時(shí)，水躍就會(huì)發(fā)生。水躍前，后的水深分別為h1和h2。描述水躍特征的方程是連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。〔1.11.1〕(1.11.2)利用式〔1.11.1〕，可將式〔1.11.2〕變?yōu)椤?.11.3〕容易解得〔1.11.4〕式(1.11.4)稱為水躍方程，它說(shuō)明，共輪水深的比值h2/h1與躍前水流弗勞德數(shù)Fr1有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)將用實(shí)驗(yàn)方法確定h2/h1與Fr1的關(guān)系。1.11.4實(shí)驗(yàn)步驟1．測(cè)量之前，先了解實(shí)驗(yàn)裝置，記錄水槽寬度和水槽底面高程。2．全開水槽的前閘和尾閘，全關(guān)輸水管的進(jìn)水閥。3．開啟水泵，翻開進(jìn)水閥，慢慢調(diào)節(jié)水槽前閘和尾閘，使閘后的水流形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍。4．記錄流量，躍前水面高程、躍后水面高程。5．改變流量，升〔降〕前閘和后閘，直至出現(xiàn)一個(gè)新的水躍，并記錄數(shù)據(jù)?？梢酝瑫r(shí)改變流量、前閘高度、尾閘高度。也可以只改變其中的1～2個(gè)因素，都可以形成新的水躍。為了繪制實(shí)驗(yàn)曲線，測(cè)量次數(shù)不應(yīng)少于8次，而且設(shè)法使實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均勻分布。6．量測(cè)結(jié)束后，全開水槽前閘、尾閘，全關(guān)輸水管道的進(jìn)水閥，然后關(guān)閉水泵。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量、躍前和躍后水面高程。1.11.5考前須知1．時(shí)刻觀察水槽水位，防止水流溢漫，如發(fā)現(xiàn)水槽水位過(guò)高，有溢漫的危險(xiǎn)，應(yīng)立即全開水槽的前閘和尾閘，使水位迅速下降。2．水躍屬于極不穩(wěn)定的水流。為了得到比擬穩(wěn)定的遠(yuǎn)驅(qū)水躍，可以慢慢地調(diào)節(jié)尾閘的開啟度。使水躍出現(xiàn)在前閘、后閘之間的中部位置。1.11.6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖1.11.2為水躍實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，圖1.11.3為水躍曲線。曲圖1.11.3看出，實(shí)驗(yàn)值與理論值接近，這說(shuō)明，水躍方程(1.11.4)是正確的。1.11.7思考題1．為了得到穩(wěn)定的遠(yuǎn)驅(qū)水躍，通常只需調(diào)節(jié)水槽尾閘，這是為什么？2．從原那么上講，尾閘開啟應(yīng)保持不變，改變流量或者前閘的開啟度，同樣可以出現(xiàn)穩(wěn)定的遠(yuǎn)驅(qū)水躍，但這樣做會(huì)遇到一些實(shí)驗(yàn)困難，這些困維是什么？請(qǐng)?jiān)囼?yàn)一下。3．出現(xiàn)水躍時(shí)，躍前水流為什么一定是急流？4．躍后的水面上波浪起伏，應(yīng)該如何測(cè)量躍后水位？圖1.10.2水躍測(cè)量數(shù)據(jù)圖1.10.3水躍實(shí)驗(yàn)曲線第二章流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)上一章介紹的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，使用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測(cè)試。本章介紹的實(shí)驗(yàn)，一般使用壓力傳感器測(cè)壓差，用熱線風(fēng)速測(cè)量速度，用計(jì)算機(jī)采集和處理數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)除了涉及流體力學(xué)的知識(shí)外，還涉及到電學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，我們從不同角度，用不同的方法對(duì)流場(chǎng)展開研究，開設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)工程。我們將這類實(shí)驗(yàn)稱為綜合實(shí)驗(yàn)。2.1壓力傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)2.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量壓力傳感器的輸出電壓E與被測(cè)量的壓差的關(guān)系，并繪制的關(guān)系曲線。2.1.2壓力傳感器壓力傳感器是能夠感受被測(cè)量的壓強(qiáng)，并能將壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)的器件。壓力傳感器的種類很多，主要有三種類型：壓電式、壓容式、壓阻式。壓阻式壓力傳感器使用較廣，下面將作重點(diǎn)介紹。壓阻式壓力傳感器的承壓元件是一塊半徑為2r0，厚度為h的單晶硅彈性膜片。其周邊固接。如圖2.1.1所示。如果膜片上部壓強(qiáng)大于下部壓強(qiáng)，那么在均布荷載作用下，彈性膜片將發(fā)生變形。由彈性力學(xué)知，膜片下外表的中心和邊緣處的徑向應(yīng)變?yōu)椋骸?.1.1〕式中，E為膜片的彈性摸量，為泊松比。為了測(cè)量應(yīng)變，在膜片下外表用集成電路工藝制成4個(gè)擴(kuò)散電阻應(yīng)變絲，其電阻值為R1=R2=R3=R4。其中，應(yīng)變絲1，4粘貼在圓心，應(yīng)變絲2，3粘貼在邊緣。并且各沿徑向。將這4條應(yīng)變絲作為電臂，組成電橋，如圖2.1.2示。當(dāng)荷載=0時(shí)，彈性摸片不變形，電橋輸出電壓為零當(dāng)電臂電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓E為(2.1.2)應(yīng)變絲受到拉伸時(shí)，其電阻變化率與伸長(zhǎng)率〔應(yīng)變〕的關(guān)系為〔2.1.3〕應(yīng)變絲1，4〔在圓心〕和電阻絲2，3〔在邊緣〕的應(yīng)變?yōu)椤?.1.4〕因此，電橋的輸出電壓為〔2.1.5〕既輸出電壓與壓強(qiáng)差成正比。壓阻式壓力傳感器利用應(yīng)變來(lái)反映壓強(qiáng)量，因此壓阻式又稱為應(yīng)變式。壓電式壓力傳感器的主要工作元件是一種稱為壓電材料的電介質(zhì)。壓電單晶體材料如〔石英，鈮酸鋰〕和壓電多晶體材料〔如壓電陶瓷〕在外力〔壓力或拉力〕的作用下，不僅幾何尺寸變化而產(chǎn)生變形，而且在其兩個(gè)相對(duì)外表產(chǎn)生等值反號(hào)的電荷，外力消失后，它們圖2.1.3壓電式和壓容式壓力傳感器又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成如圖2.1.3a所示的壓電式壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器上、下兩邊承受大氣壓強(qiáng)時(shí)，壓電晶體不發(fā)生變形，外表沒(méi)有電荷。如果壓強(qiáng)有一個(gè)增值，那么壓電晶體將受壓，在其外表產(chǎn)生電荷，接入電路后就得到電流或電壓，晶體外表的電荷重與外界壓強(qiáng)成正比，電路的電流或電壓因而也與成正比。用2.1.3b是壓容式壓力傳感器的構(gòu)造圖。當(dāng)壓強(qiáng)P1和P2相等時(shí)，兩個(gè)可移動(dòng)極板〔彈性膜片〕之間的距離是相等的，因而它們的電容是相等的，如果，那么與固定極板A，兩個(gè)電容的值不相等。壓強(qiáng)差越大，那么兩個(gè)電容的差值就越大。壓力傳感器將壓強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，檢測(cè)這種電信號(hào)就可以得到壓強(qiáng)值。電信號(hào)可以用儀表〔如電壓表〕或計(jì)算機(jī)檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)?shù)轉(zhuǎn)換器〔即A/D卡〕實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。壓力傳感器把外界壓強(qiáng)用輸出電壓E表示出。在壓力傳感器的量程范圍內(nèi)，電壓值E與壓強(qiáng)成線性變化關(guān)系。用實(shí)驗(yàn)方法求出這種線性關(guān)系的工作稱為壓力傳感器的標(biāo)定。2.1.3數(shù)據(jù)采集卡在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中，廣泛用計(jì)算機(jī)來(lái)采集實(shí)驗(yàn)信號(hào)。被測(cè)量的物理信號(hào)稱為模擬信號(hào)，例如，溫度計(jì)的讀數(shù)，壓力傳感器的輸出電壓，都是模擬信號(hào)，這種信號(hào)子在時(shí)間上呈連續(xù)分布的，如果隔一定時(shí)間讀取模擬信號(hào)，這種操作稱為采集信號(hào)。計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0，1的數(shù)字，不能識(shí)別模擬信號(hào)，如果能把模擬信號(hào)表示成計(jì)算機(jī)能夠接受的形式“0”，“1”，那么這種信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的電子電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器〔AnalogtoDigitalConverter〕，又稱為數(shù)據(jù)采集卡，簡(jiǎn)稱A/D卡。數(shù)據(jù)采集卡的主要部件是電子多路開關(guān)，采樣保持器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，下面分別作介紹。2.1.3.1電子多路開關(guān)數(shù)據(jù)采集卡一次只能采集一個(gè)信號(hào)。如果有假設(shè)干個(gè)信號(hào)需要采集，就要使用電子多路開關(guān)依次切換，逐個(gè)將每個(gè)信號(hào)輸入A/D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖2.1.4開關(guān)控制圖2.1.5采樣保持器圖2.1.4是晶體管開關(guān)電路圖。其工作原理是，如果令通道1的控制信號(hào)為低電平，，那么晶體管T’截止，其集電極輸出為高電平。這時(shí)，晶體管T1導(dǎo)通，輸入信號(hào)U1被選中，輸入A/D板的信號(hào)U0就是信號(hào)U1。U0=U1，反之，如果通道1的控制信號(hào)為高電平，那么晶體管T’導(dǎo)通，其集電極輸出為低電平，晶體管T1截止。這時(shí)，輸入信號(hào)U1不能進(jìn)入A/D板。2.1.3.2采樣保持電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，要求模擬信號(hào)保持不變值，采樣保持電路可以滿足這種要求。圖2.1.5是一種采樣保持電路。采樣時(shí)，電子開關(guān)S合上，模擬電壓Ua向電容C充電，輸出電壓U0等于所輸入的模擬電壓〔采樣階段〕。當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，輸出的電壓U0等于電容C的電壓〔轉(zhuǎn)換階段〕。采樣時(shí)間很短，〔通常為〕，電容C的電壓可視為常值。2.1.3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔A/D〕模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器〕將模擬量轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的核心元件是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這是一種能將二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成電壓〔模擬信號(hào)〕的電子電路。顯然，數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換正好與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換相反。下面我們首先介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換器〔D/A〕，二進(jìn)制數(shù)字是計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的唯一的一種數(shù)字表示方式。例如，01011是一個(gè)5位二進(jìn)制數(shù)，如果將它表示為十進(jìn)制的形式，那么等于一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)換成十進(jìn)制數(shù)的表達(dá)式為〔2.1.6〕數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與二進(jìn)制數(shù)字D的大小成正比。圖2.1.6是一種5位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。這是一種T型的電阻網(wǎng)絡(luò)電路，其電阻元件只有R和2R兩種。如果只有d4=1，其余各位均為0，那么只有開關(guān)S4合上，其余斷開，其等效電路如圖2.1.7所示。容易求得〔2.1.7〕圖2.1.6數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖2.1.7d4=1的等效電路圖2.1.8d3=1的等效電路如果只有d3=1，其余各位均為0，那么只有開關(guān)S3合上，其余斷開。其等效電路如圖2.1.8所示。顯然，流向a點(diǎn)的電流為〔2.1.8〕由此可見，di=1的支路的電流恒為，相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)流源，而流向a點(diǎn)的電流Ii那么是這個(gè)恒流的等比例分流，。根據(jù)疊加原理，流向a點(diǎn)的總電源為輸出的電壓為〔2.1.9〕同理可知，n位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為〔2.1.10〕式中，。由此可知，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與數(shù)字D成正比。利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器，就能容易地將模擬信號(hào)〔電壓〕轉(zhuǎn)換成數(shù)字。一般的A/D轉(zhuǎn)換器利用逐級(jí)比擬法，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字。其工作過(guò)程簡(jiǎn)介如下。對(duì)于由外界輸入的一個(gè)模擬電壓U，數(shù)模轉(zhuǎn)換器〔D/A〕先將最高位設(shè)為，其余位皆為0，。接著，D/A轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)電壓U0，其值由式〔2.1.10〕確定。將U0與模擬電壓U比擬，如果，說(shuō)明最高位不能設(shè)為1，只能設(shè)為0，如果，那么就保持為1。接著，令次最高位，即。D/A輸出電壓U0也由式〔2.1.10〕算出。如果，那么保持；如果，那么令。以下各位均換此順序進(jìn)行比擬，直至最未位為止。這時(shí)，就得到了模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字輸出數(shù)字D，即完成模數(shù)〔A/D〕轉(zhuǎn)換。圖2.1.9是A/D轉(zhuǎn)換器的工作流程圖。圖2.1.9A/D轉(zhuǎn)換器圖2.1.10壓力傳感器標(biāo)定裝置2.1.4實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理圖2.1.10所示的壓力傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置，由U形壓差計(jì)，壓力傳感器，電腦〔內(nèi)置A/D板〕組成。U形壓差計(jì)膠管連通兩支玻璃直管而成，內(nèi)盛工作液體——水。U形壓差計(jì)的兩個(gè)管口由分別膠管連接壓力傳感器的高壓端〔H〕和低壓端〔L〕。兩支玻璃管可上、下移動(dòng)，以便得到不同的水柱高差h，顯然，液面上的氣體的壓強(qiáng)差為(2.1.11)式中，是水的密度。高壓p2引至壓力傳感器的高壓端H，低壓p1那么引至低壓端L，壓力傳感器的工作元件是單晶硅膜片，其外表布置4個(gè)電阻。當(dāng)壓力傳感器的兩端壓強(qiáng)不相等時(shí)，膜片發(fā)生變形。電阻受到拉伸或縮短，于是電橋就輸出一個(gè)模擬電壓E。將這個(gè)模擬電壓輸入計(jì)算機(jī)的A/D板，就得到模擬電壓E的值。本實(shí)驗(yàn)就是測(cè)定壓差與壓力傳感器的輸出電壓E的函數(shù)關(guān)系。一個(gè)良好的壓力傳感器，其標(biāo)定曲線應(yīng)該是直線，即是線性關(guān)系。2.1.5實(shí)驗(yàn)步驟1．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。上、下移動(dòng)U形壓差計(jì)的兩支玻璃管，使其液面平齊，確認(rèn)壓力傳感器上下壓端的膠管已接好，將壓力傳感器的輸出電纜插入A/D板的1通道，確認(rèn)壓力傳感器已通電，等待測(cè)試。啟動(dòng)“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，調(diào)出“壓力傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)”界面。2．第1次測(cè)量調(diào)節(jié)U形壓差計(jì)兩邊水柱液面同高，使，并將此0值填入數(shù)據(jù)表的第2列，點(diǎn)擊界面的“測(cè)量”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)出壓力傳感器的電壓，并記錄在數(shù)據(jù)表中。3．繼續(xù)測(cè)量從第2次測(cè)量開始，每次測(cè)量時(shí)，使U形壓差計(jì)的兩邊水柱高差增加一個(gè)值〔約為1cm〕，根據(jù)式(2.1.11)計(jì)算，并填入數(shù)據(jù)表中。填畢，點(diǎn)擊“測(cè)定電壓”按鈕，讓系統(tǒng)自動(dòng)讀取、記錄相應(yīng)的電壓E。依次測(cè)量，直至達(dá)1000Pa〔大約為10cm水柱〕為止。4．測(cè)定完畢后，點(diǎn)擊“作圖”按鈕。觀察所持實(shí)驗(yàn)點(diǎn)是否在一條直線上〔或其鄰近〕，確認(rèn)后，點(diǎn)擊“計(jì)算常數(shù)”，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)算出線性關(guān)系式中的常數(shù)a,b。通常，線性關(guān)系式表示為〔2.1.12〕式中，表示零壓差對(duì)應(yīng)的電壓。在計(jì)算程序中，由輸出電壓E計(jì)算壓差時(shí)所用的公式就是式〔2.1.12〕。數(shù)據(jù)表圖2.1.11是數(shù)據(jù)界面。圖2.1.11壓力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)2.1.6考前須知1．壓力傳感器有高壓端、低壓端，連接測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)時(shí)，不要錯(cuò)接。2．調(diào)整壓差計(jì)兩支管的水柱高度時(shí)，要使水柱穩(wěn)定后才能讀數(shù)。2.2圓柱外表壓強(qiáng)分布的測(cè)量2.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠脡毫鞲衅鳌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量繞流圓柱外表的壓強(qiáng)分布，繪制壓強(qiáng)分布圖，并計(jì)算圖柱體的阻力系數(shù)。2.2.2實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理圖2.2.1圓柱外表壓強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)使用種實(shí)驗(yàn)裝置。圖2.2.1a是空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)段。氣流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓箱，收縮段，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。圓柱體安裝在實(shí)驗(yàn)段的中部。穩(wěn)壓箱的氣流速度近似為零，其壓強(qiáng)可認(rèn)為是駐點(diǎn)壓強(qiáng)p0。當(dāng)氣流經(jīng)收縮段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后，氣流速度分布比擬均勻，速度為V∞，壓強(qiáng)為p∞。氣流繞圓柱體流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)變得復(fù)雜起來(lái)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量圓柱體外表各點(diǎn)的壓強(qiáng)分布。為了測(cè)量壓強(qiáng)，在圓柱體外表開設(shè)一個(gè)測(cè)壓孔，然后用導(dǎo)管將此壓強(qiáng)引出。導(dǎo)管的出口在圓柱體的軸線上，再用軟管將測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)引至壓力傳感器。圓柱體可以繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，借此就能夠測(cè)出圓柱體外表各點(diǎn)的壓強(qiáng)分布。圖2.2.1b是風(fēng)洞試驗(yàn)段，為了使氣流速度分布盡量均勻，也為了降低氣流的湍流度，氣流首先流經(jīng)的網(wǎng)格柵，然后才經(jīng)收縮段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)段的氣流速度V∞可認(rèn)為均勻分布，其壓強(qiáng)為p∞。在實(shí)驗(yàn)段安裝一個(gè)L型的總壓管，用以測(cè)量氣流的總壓p0。圓柱體安裝在實(shí)驗(yàn)段的中部，它可繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。圓柱體外表開設(shè)一個(gè)測(cè)壓孔，用導(dǎo)管將測(cè)孔的壓強(qiáng)引出。導(dǎo)管的出口位于圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上。在流體力學(xué)中，一般將壓強(qiáng)用無(wú)量綱的參數(shù)——壓強(qiáng)系數(shù)CP來(lái)表示?！?.2.1〕式中，分別是測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)，來(lái)流壓強(qiáng)，駐點(diǎn)壓強(qiáng)〔總壓〕。式(2.2.1)使用了伯努利方程。本實(shí)驗(yàn)將測(cè)量圓柱外表壓強(qiáng)系數(shù)的分布。在圖柱外表上圓周角的范圍內(nèi)布置假設(shè)干測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)，按式(2.2.1)計(jì)算壓強(qiáng)系數(shù)。利用壓強(qiáng)系數(shù)，可以求出圓柱體的阻力系數(shù)CD.物體的阻力包括粘性阻力和壓差阻力，粘性阻力很小，可以忽略不計(jì)，因此阻力FD和阻力系數(shù)CD可以表示為〔2.2.2〕〔2.2.3〕式中，是測(cè)點(diǎn)位置的圓周角度，從前駐點(diǎn)起算。本實(shí)驗(yàn)在的范圍內(nèi)布置N個(gè)測(cè)點(diǎn)，于是〔2.2.4〕通常，N=37，，但也可以不受此限制，實(shí)驗(yàn)者可以自己選定N和Δθ。本實(shí)驗(yàn)用壓力傳感器測(cè)量壓差。圖2.2.2a是本實(shí)驗(yàn)使用的壓力傳感器的外形圖。此壓力傳感器屬于壓阻型。承壓元件是一塊單晶硅膜片。膜片上臺(tái)階有4個(gè)應(yīng)變電阻絲〔是用集成電路工藝的擴(kuò)散法制成的〕。膜片受壓面發(fā)生變形時(shí)，電阻絲也也隨之變形，電阻值發(fā)生改變。電阻的變化用電橋測(cè)量，電橋的輸出電壓E與膜片上、下外表的壓強(qiáng)差成線性關(guān)系。2.1已經(jīng)測(cè)出這種線性關(guān)系，電壓E就容易求得壓差。圖2.2.2cy2000壓力傳感器壓力傳感器的輸出電壓E由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)讀取。本實(shí)驗(yàn)使用PCI7422型12位32路A/D轉(zhuǎn)換板卡。A/D轉(zhuǎn)換器采用高性能轉(zhuǎn)換芯片AD1674，地址譯碼電路采用GAL芯片，板卡工作時(shí)，能按PCI協(xié)議自動(dòng)分配基地址。A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs?！?00kHz〕。壓力傳感器有兩個(gè)接口，一個(gè)接高壓〔H〕，另一個(gè)接低壓〔L〕。在本實(shí)驗(yàn)中，總壓p0最高，因此將其引至高壓接口，壓力傳感器的低壓接口上連接一個(gè)三通〔見圖2.2.2b〕，開關(guān)，可以輪流切換至或P的接口。圖2.2.2c表示切換的方法，當(dāng)閥門把手與氣管軸線同向時(shí)，閥門開啟。當(dāng)閥門把手與氣管軸成垂直時(shí)，閥門關(guān)閉。壓力傳感器在穩(wěn)壓直線電源下工作。本裝置使用一種袖珍型穩(wěn)壓電源。測(cè)量壓差時(shí)，需關(guān)閉P管即可。測(cè)量時(shí)，可先測(cè)量〔開通p管，關(guān)閉管〕，再測(cè)〔開通管，關(guān)閉p管〕。系統(tǒng)根據(jù)算式，就可得到式(2.2.1)的值。2.2.3實(shí)驗(yàn)步驟1．啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將界面轉(zhuǎn)到“圓柱外表壓強(qiáng)系數(shù)測(cè)量”。2．填寫實(shí)驗(yàn)常數(shù)，其中，氣壓的默認(rèn)值是760mmHg，如果有氣壓表，請(qǐng)將實(shí)測(cè)氣壓值填入。通道號(hào)的默認(rèn)值是1。請(qǐng)檢查壓力的傳感器的電壓是否輸入A/D板的1通道，如有改變，請(qǐng)?zhí)顚憣?shí)際使用的通道號(hào)。3．檢查壓力傳感器是否通電。如已通電，穩(wěn)壓電源的工作指示燈發(fā)亮。4．將測(cè)點(diǎn)的圓角度調(diào)至0，點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕，按照提示操作，完成第1個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。5．改變測(cè)點(diǎn)的角度，進(jìn)行新測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)要測(cè)量圓柱外表的壓強(qiáng)分布，并計(jì)算阻力系數(shù)，這要求第1個(gè)測(cè)點(diǎn)的角度為0°，最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)的角度為180°，在0°-180°之間布設(shè)假設(shè)干個(gè)測(cè)點(diǎn)，通常，每隔5°布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，但也可不受此限制，任意布置測(cè)點(diǎn)角度。不過(guò)，0°-90°之間的壓強(qiáng)變化比擬大，宜多布置測(cè)點(diǎn)?？倻y(cè)點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于30。另外，角度應(yīng)從小變大，不能忽大忽小。6．測(cè)量結(jié)束后，將界面轉(zhuǎn)到下頁(yè)。點(diǎn)擊“畫實(shí)驗(yàn)點(diǎn)”、“繪理論曲線”，那么系統(tǒng)自動(dòng)將實(shí)驗(yàn)值標(biāo)在CP-θ關(guān)系圖中，同時(shí)給出無(wú)粘繞流時(shí)圓柱外表的壓強(qiáng)系數(shù)CP=1-4sinθ的理論曲線，點(diǎn)擊“計(jì)算阻力系數(shù)”，系統(tǒng)將算出氣流速度，雷諾數(shù)，圓柱的阻力系數(shù)。2.2.4考前須知1．本實(shí)驗(yàn)使用多種電氣元件，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)小心操作，防止觸電，不要隨意撥動(dòng)電子設(shè)備的開關(guān)，不要隨意更改電子元件的接線。2．實(shí)驗(yàn)段的氣流速度一般地，因此。請(qǐng)檢查數(shù)據(jù)表第3列的實(shí)測(cè)值是否在此范圍中。另外，的測(cè)點(diǎn)的Cp應(yīng)讀接近1。根據(jù)這兩項(xiàng)判斷系統(tǒng)是否正常工作。2.2.5數(shù)據(jù)表、實(shí)驗(yàn)曲線、誤差分析圖2.2.3是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖2.2.4是實(shí)驗(yàn)曲線的界面。從理論上說(shuō)，的測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)系數(shù)CP應(yīng)為1。但實(shí)測(cè)值僅為0.914。一般來(lái)說(shuō)，在大雷諾流動(dòng)時(shí)，的測(cè)點(diǎn)的CP值小于-1.2，而圖中顯示的CPIJ–1，實(shí)驗(yàn)值偏大，引起誤差的原因，可能是測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)P的接口不好，導(dǎo)致漏氣，這時(shí)，應(yīng)試檢查軟〔膠〕管接口是否漏氣。圖2.2.3圓柱外表壓強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表界面圖2.3.4圓柱體外表壓強(qiáng)系數(shù)實(shí)驗(yàn)曲線2.3紊流射流速度分布測(cè)量2.3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量案流射流主體段的速度分布，繪制射流速度分布圖。2.3.2紊流射流一般流體以很大的速度從出口射入同種靜止流體，這種流動(dòng)稱為射流。工程上所見的射流均為紊流。當(dāng)射流發(fā)生時(shí)，射流軸線附近的流體會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離射流軸線的流體保持靜止，靜止流體與運(yùn)動(dòng)流體的分界稱為射流邊界。如果2.3.1所示，射流從一個(gè)半徑為r0的出口流出，出口處的流速u0均勻分布，在出口附近有一個(gè)區(qū)域，流體的速度仍保持為u0，稱為射流核心區(qū)，在核心區(qū)的外側(cè)，速度逐漸衰減。射流核心區(qū)的范圍沿流程是逐漸變小的。到C處，核心區(qū)的截面積縮小為零，從射流出口至C截面的局部稱為射流初始段，C的下游稱為主體段。從射流出口到C的距離約等于4倍圖2.3.1射流射流出口半徑。從多實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，紊流射流主體段的速度分布具有相似性，例如，高斯相似性速度分布：(2.3.1)式中，um是射流截面中心的速度，r是點(diǎn)到射流軸線的距離，R是射流截面半徑。r=R處是射流外邊界，如果射流出口是圓形，那么射流外邊界是一個(gè)圓錐曲面。圓錐頂點(diǎn)就是射流極點(diǎn)，圖2.3.1中的Ox是射流軸線坐標(biāo)。為簡(jiǎn)單起見，可以認(rèn)為射流極點(diǎn)就在射流出口中心，x坐標(biāo)從出口中心起算。射流邊界r=R可由式(2.3.1)定義，即：當(dāng)r=R時(shí)，，可見，這樣定義的射流邊界處的流體速度并不為零。射流半徑R沿流程是逐漸變化的，它是x的函數(shù)，R=R(x)，射流截面中心的速度um沿流程是逐漸變小的，。測(cè)點(diǎn)的速度u是r和x的函數(shù)，。本實(shí)驗(yàn)將測(cè)量射流主體段假設(shè)干各截面(x的不同值)上的速度分布。將各截面的實(shí)測(cè)值標(biāo)在一個(gè)坐標(biāo)圖上，就得到射流速度分布圖。2.3.3實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備儀器如圖2.3.2所示，實(shí)驗(yàn)在空氣動(dòng)力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。風(fēng)機(jī)將氣流壓入穩(wěn)壓箱，經(jīng)孔口射出，形成射流，用畢托管測(cè)出速度，此畢托管安裝在千分尺支架上，此支架可沿水平方向移動(dòng)，用以確定畢托管的管口到射流軸線的距離r。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將畢托管的管口移到射流軸線上，記下千分尺的讀數(shù)s0。水平移動(dòng)畢托管后，記下千分尺讀數(shù)s，那么有r=s-s0。千分尺支坐安裝在一條豎直標(biāo)尺桿上，用以確定坐標(biāo)x值。在實(shí)驗(yàn)中，需測(cè)出射流截面至射流出口的距了。再由系統(tǒng)自動(dòng)算出x的值。測(cè)量前，先將畢托管管口移至射流出口中