流體力學實驗指導書

《流體力學》課堂實驗指導書課程中文名稱：流體力學課程英文名稱：FluidMechanics課程編號：020060150適用專業(yè)：新能源科學與工程學時數(shù)：32學分數(shù)：2課程類別：專業(yè)課程應開課學期：第四學期實驗一：不可壓縮流體恒定流能量方程（伯努利方程）實驗實驗類型：綜合型實驗學時：2實驗要求：5人/組一、實驗目的1．加深理解實際流體恒定總流的伯努利方程與能量損失之間的關系；2．通過實驗對諸多水力現(xiàn)象進行分析研討，進一步掌握有壓管流中動水力學的能量轉換特性；3．掌握流速、流量、壓強等動水力學水力要素的實驗量測技能。二、實驗內容1．測定流體流動的流速、流量、壓強等水力學參數(shù)；2．觀察有壓管流中動水力學的能量轉換現(xiàn)象；3．建立實際流體恒定總流的伯努利方程與能量損失之間的關系。三、儀器設備本實驗的裝置如圖1.1所示。圖1.1自循環(huán)伯諾利圖1.1自循環(huán)伯諾利方程實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器；2.實驗臺；3.可控硅無線調速器；4.溢流板；5.穩(wěn)水孔板；6.恒壓水箱；7.測壓計；8.滑動測量尺；9.測壓管；10.實驗管道；11.測壓點；12.畢托管；13.實驗流量調節(jié)閥.本儀器測壓管有兩種：(1)畢托管測壓管（表2.1中標*的測壓管），用以測讀畢托管探頭對準點的總水頭，須注意一般情況下與斷面總水頭不同（因一般），它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢；(2)普通測壓管（表1.1未標*者），用以定量量測測壓管水頭。實驗流量用閥13調節(jié)，流量由智能化數(shù)顯流量計直接讀出（以下實驗類同）。四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理在實驗管路中沿管內水流方向取n個過水斷面。可以列出進口斷面（1）至另一斷面（i）的能量方程式（i=2，3，……，n）取a1=a2=…an=1，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速v及，從而即可得到各斷面測壓管水頭和總水頭。2．實驗方法和步驟(1)熟悉實驗設備，分清哪些測壓管是普通測壓管，哪些是畢托管測壓管，以及兩者功能的區(qū)別。(2)打開開關供水，使水箱充水，待水箱溢流，整個實驗過程水箱始終都要處于溢流狀態(tài)。檢查調節(jié)閥關閉后所有測壓管水面是否齊平，如不平則需查明故障原因（例連通管受阻、漏氣或夾氣泡等）并加以排除，直至調平。(3)打開閥13，觀察思考：1）：測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢；2）：測點（2）、（3）測壓管水頭同否？為什么？3）：測點（10）、（11）測管水頭是否不同？為什么？）4）：測點（6）、（7）測管水頭怎樣？為什么？5）：當流量增加或減少時測壓管水頭如何變化？(4)調節(jié)閥13開度，使19號測壓管液面在標尺6cm上下，待流量及測壓管水頭高度穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)（由于所有測點都在同一基準面上，在標尺上直接讀取數(shù)據(jù)），同時測記流量計所顯示的流量（畢托管供演示用，不必測記讀數(shù)），記入表1.2中。(5)再改變流量1次，使閥門開度開到最大（這時19號測壓管在標尺上已沒有讀數(shù)，就記為零讀數(shù)），重復上述測量，把數(shù)據(jù)記入表1.2中。(6)也就是測壓管水頭測記完后根據(jù)表2.3（1）的要求求出斷面的速度水頭，最后在表1.3（2）里疊加出總水頭（）。（提示：重力加速度g取980）。五、實驗結果處理(1)把有關常數(shù)記入表1.1。表2.1D1=cm；D2=cm；D3=cm測點編號1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19測點所在管道管徑cm注：（1）測點6、7所在斷面內徑為D2，測點16、17為D3，余均為D1。（2）標“*”者為畢托管測點（3）測點2、3為直管均勻流段同一斷面上的兩個測壓點，10、11為彎管非均勻流段同一斷面上的兩個測點。(2)量測并記入表1.2。表2.2測記數(shù)值表（基準面選在標尺的零點上）單位：cm測點編號23457913151719Qcm3/s實驗次序1Q1=2Q2=(3)計算流速水頭和總水頭。表2.3計算數(shù)值表（1）流速水頭注：g取980管徑D（cm）Q1=（cm3/s）Q2=（cm3/s）A（cm2）（cm/s）（cm）A（cm2）（cm/s）（cm）D1=D2=D3=（2）總水頭（）（注：）測點編號23457913151719Q（cm3/s）實驗次序1Q1=2Q2=六、實驗注意事項1．讀取測壓管液面高度時，眼睛要與液面水平，讀取凹液面下端的數(shù)值；2．測流量時，至少測兩次，要求兩次水的流出體積同為1000mL，流出時間差不超過0.2s；3．實驗開始后，先開泵，后開出口閥，而試驗接受時，先關出口閥后關水泵，以保證玻璃管中充滿液體。七、預習與思考題1．各個過水斷面上的測壓管水頭高度的連線稱為測壓管水頭線，各個過水斷面上的總水頭高度的連線稱為總水頭線。依你測量和計算的數(shù)據(jù)，想一想測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？實驗二：雷諾實驗實驗類型：綜合型實驗學時：2實驗要求：5人/組一、實驗目的1．觀察層流、紊流的流態(tài)及流體由層流變紊流、紊流變層流時的水力特征；2．測定下臨界雷諾數(shù)，掌握圓管流態(tài)的判別準則；3．學習應用量綱分析法進行實驗研究的方法，了解其使用意義。二、實驗內容1．觀察液體流動時的層流和紊流現(xiàn)象；2．區(qū)分兩種不同流態(tài)的特征，搞清兩種流態(tài)產生的條件；3．分析圓管流態(tài)轉化的規(guī)律；4．測定顏色水在管中的不同狀態(tài)下的雷諾數(shù)及沿程水頭損失；5．繪制沿程水頭損失和斷面平均流速的關系曲線，驗證不同流態(tài)下沿程水頭損失的規(guī)律；6．對比層流、紊流兩種流態(tài)的運動學特性與動力學特性的差異性；7．學習古典流體力學中應用無量綱參數(shù)進行實驗研究的方法。三、儀器設備本實驗的裝置如圖2.1所示。圖2圖2.1自循環(huán)雷諾實驗裝置圖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.有色水水管；6.穩(wěn)水孔板；7.溢流板；8.實驗管道；9.實驗流量調節(jié)閥。.供水流量由無極調速器調控使恒壓水箱4始終保持微溢流的狀態(tài)，以提高進口前水體穩(wěn)定度。本恒壓水箱還設有多道穩(wěn)水隔板，可使穩(wěn)水時間縮短到3~5分鐘，有色水經有色水水管5注入實驗管道8，可根據(jù)有色水散開與否判別流態(tài)，為防止循環(huán)水污染，有色指示水采用自行消色的專用色水。四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理雷諾形象化揭示了兩種不同的流態(tài)，而且通過大量實驗，建立了一個判別流態(tài)的無量綱數(shù)——雷諾準則或雷諾數(shù)：不論什么性質的流體（，），也不論在尺寸（d）多大的管道中以多高的平均流速（v）流動，凡雷諾數(shù)的流動就是層流；當?shù)牧鲃泳蛯儆谖闪?。當實驗設備未受任何干擾，而不引起水箱內液體微小擾動時，由層流向紊流過渡時，可能在很大的雷諾數(shù)下流動才變?yōu)槲闪?，這時的雷諾數(shù)稱為上臨界雷諾數(shù)Recr,上臨。反之紊流變成層流時的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)Recr,下臨。2．實驗方法和步驟(1)記錄本實驗裝置的有關常數(shù)。(2)觀察兩種流態(tài)。打開開關3使水箱充水至溢流水位（整個實驗過程水箱始終控制于溢流狀態(tài)），經穩(wěn)定后，微微開啟調節(jié)閥9，再打開有色水水管上的止水夾，這時顏色水便注入實驗管道內，顏色水流慢慢的會形成一穩(wěn)定直線，通過顏色水質點的運動觀察管內水流的層流流態(tài)，然后逐步開大調節(jié)閥，通過顏色水直線的彎曲抖動觀察層流轉變到紊流的臨界特征（注：當有色水線條剛開始波動變彎時，即為上臨界狀態(tài)只觀察不測量數(shù)據(jù)）。隨著閥門9的繼續(xù)開大管中出現(xiàn)完全紊流，爾后再逐步關小調節(jié)閥，觀察由紊流轉變?yōu)閷恿鞯乃μ卣鳌?3)測定下臨界雷諾數(shù)。=1\*GB3①將調節(jié)閥打開，使管中呈完全紊流，再逐步關小調節(jié)閥9使流量減小，當流量調節(jié)到使顏色水在全管剛呈現(xiàn)出一穩(wěn)定直線時，即為下臨界狀態(tài)。=2\*GB3②待管中出現(xiàn)下臨界狀態(tài)時，讀出流量計所顯示的流量記入表3.1。=3\*GB3③根據(jù)所測得的流量計算下臨界雷諾數(shù)，并與公認值（2000或2320）比較，偏離過大，需重測；=4\*GB3④同時用水箱中的溫度計測記水溫，從而求得水的運動粘度。注意：a．每調節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定3到5分鐘；b．關小閥門過程中，只許減小，不許開大；c．隨出水流量減小，應適當調小開關（右旋），以減小溢流引發(fā)的擾動。五、實驗結果處理(1)記錄、計算有關常數(shù)： 管徑d=1.37cm，水溫T=℃ 運動粘度cm2/s 計算常數(shù)=s/cm3(2)整理、記錄計算表。表3.1項目閥門開度顏色水線形態(tài)流量雷諾數(shù)測定下臨界雷諾數(shù)Recr,下臨Recr,下臨=六、實驗注意事項1．在測定層流現(xiàn)象時，指示液的流速必須小于或等于觀察管內的流速。若大于觀察管內的流速則無法看到一條直線，而是和湍流一樣的渾濁現(xiàn)象。2．注意在實驗臺周圍不得有外加的干擾。實驗者調節(jié)好后手應該不接觸