工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書-2

（三）伯努利能量方程實驗測定

一、實驗?zāi)康?/p>

1、觀察流體流經(jīng)能量方程試驗管的能量轉(zhuǎn)化情況，對實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象進行分析，加深對

能量方程的理解；

2、掌握流速、流量、壓強等動水力學(xué)水力要素的實驗量測技能：

3、驗證靜壓原理。

4、進一步掌握有壓管流中，動能、壓能和位置能三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

5、測定管道的測壓管水頭和總水頭值，并繪制管道的測壓管水頭線及總水頭線。

二、實驗設(shè)備

本實驗臺由壓差板、實驗管道、水泵、實驗桌和計量水箱等組成。

圖3.1能量方程實驗臺示意圖

每一組測壓管都有兩種不同的測點位置：

一種是測點處于管道中心位置，稱為畢托管測壓管（后續(xù)課堂內(nèi)容會講到），測量對應(yīng)截面

的總水頭”=Z+￡+匕（全壓）。注意這里的速度u為管道中心處的點流速，與截面平均速

Pg2g

度v有所差異。但在紊流狀態(tài)下兩者之間差異有限。

另一種是測點處于管道壁面，稱為普通測壓管，測量對應(yīng)截面的靜壓頭，即只包含Z和2

Pg

兩項。全壓與靜壓之差，稱為動壓，即《

2g

三、實驗準(zhǔn)備工作

1、熟悉實驗設(shè)備，分清也托管測壓管和普通測壓管的區(qū)別以及各自表征的物理量。

2、接上各導(dǎo)壓膠管；

3、檢驗測壓板是否與水立線垂直；

4、啟動電泵使水工作循環(huán)，檢查各處是否有漏水的現(xiàn)象。

5、用手堵住出水口突然放水，重復(fù)幾次，直至使實驗管中的氣泡排除。關(guān)閉尾閥，檢查各

個測壓管水位高度是否在同一水平線上，如果不在同一水平線上，說明有氣泡存在，必須全部排

除。否則測量數(shù)據(jù)無效。

四、實驗步驟

1、驗證靜壓原理：

啟動電泵，關(guān)閉給水閥，此時能量方程試驗管上各個測壓管的液柱高度相同，因管內(nèi)的水不

流動沒有流動損失，因此靜水頭的連線為一平行基準(zhǔn)線的水平線，即在靜止不可壓縮均勻重力流

體中，任意點單位重量的位勢能和壓力勢能之和（總勢能）保持不變，測點的高度和測點位置的

前后無關(guān)，記下四組數(shù)據(jù)于表二的最下方格中。

2、測速：

能量方程試驗管上的四組測壓管的任一組都相當(dāng)于一個畢托管，可測得管內(nèi)任一點的流體點

速度，本試驗已將測壓管開口位置在能量方程試驗管的軸心，故所測得的動壓為軸心處的，即最

大速度。

畢托管求點速度公式：u=12gh

利用這一公式和求平均流速公式（狂二。//）計算某一工況（如表中T況2平均速度欄）

各測點處的軸心速度和平均流速得到表3.1。

在能量方程中，使用截面平均流速v=Q/A。

表3.1

1-12-23-34-45-56-67-78-8

項目

點速度Us(m/s)

平均速度v（m/s）

3、觀察計算流體、管徑，能量方程試驗管（伯努利管）對能量損失的情況:

在能量方程試驗管上布置八對測壓管,測量1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8截面上

的總壓和靜壓，全開給水閥門，觀察總壓沿著水流方向的下降情況，這說明流體的總勢能沿著流

體的流動方向是減少的，改變給水閥門的開度，同時用計量水箱和秒表測定不同閥門開度下的流

量及相應(yīng)的八組測壓管液柱高度，記在數(shù)據(jù)表3.2中。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，繪出流量下的各種水頭線，并解釋圖中現(xiàn)象。

H

0S斷百

能量曲線圖

4、自行設(shè)計一個表格，用所取得的數(shù)據(jù)，計算突然擴大斷面和突然縮小斷面的局部水頭損

失及局部阻力系數(shù)。（如單獨開設(shè)阻力損失實驗，這一部分計算可以不做）

五、結(jié)束實驗

全開閥門，把管道內(nèi)的水放掉，然后關(guān)閉各閥門。

六、思考

1、為什么截面3和4的直徑一樣，但截面3處的動壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截面4的動壓？

2、閥門全關(guān)時，為什么所有截面的水頭高度會一樣？

3、為什么截面4的動壓會小于截面1的動壓？

4、分析表一的數(shù)據(jù)，結(jié)合連續(xù)性方程，討論不可壓縮流體穩(wěn)定流動時，管徑與流速之間的

表3.2實驗數(shù)據(jù)表

、測

1-12-23-34-45-56-67-78-8

Q

全壓櫛壓全壓全壓濟壓全壓怖壓全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓cm'/s

次數(shù)cmcmcmc?cmcm(11cmcrnCMcmcmcmcmcmcn

I

2

3

4

5

/

管中心與

珞線而cm

管內(nèi)行ran13.413.421.221.212.912.912.912.9

'兩測點間距離：Li-2=250mm；LI-3=332mm；LM=500mm；L45=174mm；Ls-6=250mm

（四）雷諾數(shù)的測定

一、實驗?zāi)康?/p>

1、用實驗方法觀察液體層流、紊流的流態(tài)區(qū)別及其相互轉(zhuǎn)換的過程。以加深對層流、紊流

形態(tài)的感性認(rèn)識。

2、測定臨界雷諾數(shù)，掌握圓管流態(tài)判別準(zhǔn)則；

3、學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無量綱參數(shù)進行實驗研究的方法，并了解其實用意義。

二、實驗裝置

如圖4.1所示。供水流量由調(diào)速器控

制，使恒壓水箱4始終保持溢流狀態(tài)，以

穩(wěn)定進口處水體壓力。穩(wěn)水隔板的作用是

使水面的擾動時間縮短。有色水調(diào)整流量

后，經(jīng)水管5注入實驗管道8,根據(jù)有色

水散開與否判別流態(tài)。為防止自循環(huán)水體

污染，有色指示水采用自行消色的專用色

水。

三、實驗原理圖4.1雷諾實驗臺

同一種液體在同一管道中流動，當(dāng)I、自循環(huán)供水器；2、實驗臺；3、調(diào)速器；4、恒

流速不同時，液體在運行中有兩種不同的壓水箱；5、有色水水管；6、穩(wěn)水板；7溢流板；

流態(tài)。當(dāng)流速較小時，管中水流的全部質(zhì)8、實驗管道；9-流量調(diào)節(jié)閥

點以平行而不互相混雜的方式分層流動，這種形態(tài)的游體流動稱為層流。當(dāng)流速較大時，管中水

流各質(zhì)點間發(fā)生相互混雜的運動，這種形態(tài)的液體流動稱為紊流。

Re=?*=KQ

v7idv

K=^—

71du

實驗中，p=1xlO-6/n2/5o在106實驗室和109實驗室中的雷諾實驗儀器，直徑值不同。

請注意記錄106實驗室中黑板上的原始數(shù)據(jù)。

臨界雷諾數(shù)有兩個：當(dāng)流量從0開始逐漸開大，當(dāng)紅線散開時將產(chǎn)生一個上臨界雷諾數(shù)Re~:

當(dāng)流量由大逐漸關(guān)小，當(dāng)紅線聚成一條穩(wěn)定直線時，產(chǎn)生一個下臨界雷諾數(shù)R。02。上臨界雷諾數(shù)

受干擾較大，數(shù)值不穩(wěn)定，有時候會得出臨界雷諾數(shù)高達(dá)幾萬的結(jié)果。而下臨界雷諾數(shù)相對較穩(wěn)

定。雷諾經(jīng)反復(fù)實驗，測得圓管水流的下臨界雷諾數(shù)Rc,?為2320。這也作為了層流、紊流的流

態(tài)判別依據(jù)。

四、實驗步驟

1、記錄本實驗的有關(guān)常數(shù)（實驗管道直徑d、水的運動粘度u）。

2、打開水泵，使水箱充水至溢流水位。水面穩(wěn)定后，微微開啟調(diào)節(jié)閥9,調(diào)整有色水流量

控制閥，將有色水注入實驗管道內(nèi)，有色水形成一直線。再逐步開大調(diào)節(jié)閥9。觀察層流、紊流

兩種流態(tài)的變化。記錄在紊流的幾種不同狀態(tài)下的流量。

3、測定下臨界雷諾數(shù)。將調(diào)節(jié)閥9開得較大，使管中完全紊流。逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，每調(diào)節(jié)

一次，需等待一段時間，紅線穩(wěn)定后再觀察其形態(tài)，直至紅色水流成一直線為止。此時表明紊流

轉(zhuǎn)化為層流。此時的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)。用量筒、秒表測量此時的流量，計算水流速度。

4、將調(diào)節(jié)閥9開大，從步驟3開始重復(fù)，記錄3組數(shù)據(jù)。

5、將三次測量的數(shù)據(jù)進行處理，計算各次的下臨界雷諾數(shù)，記錄在數(shù)據(jù)表中。

注意事項：

1、緩慢調(diào)節(jié)閥門，尤其當(dāng)流量較小時，每一次的調(diào)節(jié)量要注意控制。每次調(diào)節(jié)閥門后，都

須等待水流穩(wěn)定，即停留15秒以上。

2、調(diào)節(jié)閥門的過程中，只許逐漸關(guān)小閥門，調(diào)節(jié)過程中不許開大閥門。

3、水箱進水量調(diào)到合適位置，保持有少量溢水即可,如果進水量過大，將增大水箱液面處

的位置波動，從而導(dǎo)致管道內(nèi)壓力波動。

4、由于上臨界雷諾數(shù)不容易得到一個固定值，且參考意義不大，所以在實驗中不要求測定。

五、實驗數(shù)據(jù)記錄及計算

實驗流量Q流態(tài)判斷（層流、

紅線形態(tài)體積V(cm3)時間t(s)雷諾數(shù)Re

組數(shù)(cm3/s)紊流、過渡）

飄散

1微彎、微動

穩(wěn)定直線

飄散

2微彎、微動

穩(wěn)定直線

飄散

3微彎、微動

穩(wěn)定直線

六、思考

I、雷諾數(shù)的量綱是什么？

2、如果閥門從小逐漸開大，所得到的上臨界雷諾數(shù)為何數(shù)值有時候會較大?

3、下臨界雷諾數(shù)，在測量計算的過程中，受到哪些因素的影響？

（五）節(jié)流式流量計測量實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

1.了解文德里和孔板流量計測流量的原理及其簡單構(gòu)造。

2.繪出壓差與流量的關(guān)系，確定文丘里流量計和孔板流量計的系數(shù)

二、實驗原理

文丘里流量計是在管道中常用的流量計。它包括收縮段、喉管、擴散段三部分。i1于喉管過

水?dāng)嗝娴氖湛s，該斷面水流動能加大，勢能減小，造成收縮段前后斷面壓強不同而產(chǎn)生的勢能差。

此勢能差可由壓差計測得。

孔板流量計原理與文丘里流量計相同，根據(jù)能量方程和連續(xù)方程可得出不計阻力作用時的文

德里流量計（孔板流量計）的流量計算公式：

武中：4J。一小（孔板）；

（文丘里）

A/2=(Z1+—)-(Z2+—)

pg~pg

根據(jù)實驗室的設(shè)備條件，管道的實測流量Q實可由體積法測出。

在實際液體中，由于阻力的存在，水流通過文德里流量計（或孔板流量計）時有能量損失，故

實際通過的流量Q實一般比Q理稍小，因此在實際應(yīng)用時，上式應(yīng)予以修正，實測流量與理想流

體情況下的流量之比稱為流量系數(shù)，即

Q理（課本中，孔板流量計的流量系數(shù)，使用符號a。）

三、實驗設(shè)備

實驗設(shè)備與各部分名稱如圖5.1所示。

圖5.1流體力學(xué)綜合實驗臺示意圖

四、實驗步驟

1.熟悉儀器，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。，

2.啟動水泵，打開總進水閘閥，使水進入管道系統(tǒng)；打開1號管和2號管的進水閘閥，確

認(rèn)出水管有穩(wěn)定出流。

3.檢查壓差計內(nèi)是否有氣泡。如有氣泡，必須排除干凈。

4.分別調(diào)整1號管和2號管進水閘閥，依次增大流量和依次減小流量。量測各次流量相應(yīng)

的壓差值，使用體積法測量實際流量Q（記錄水箱高度，使用秒表記錄時間）。每管各做6次。

將數(shù)據(jù)記錄在表5.1中。

五、注意事項

1.改變流量時，需待開關(guān)改變后，水流穩(wěn)定之后（至少需3?5分鐘），方可記錄。

2.當(dāng)管內(nèi)流量較大時，測壓管內(nèi)水面會有波動現(xiàn)象c可讀取波動水面的最高與最低讀數(shù)的

平均值作為該次讀數(shù)。

六、思考題

1.收縮斷面前與收縮斷面后相比，哪一個壓強大?為什么？

2.實驗求出的〃值是大于1,還是小于1?是否合理？

3.每次測出流量系數(shù)〃值是否是常數(shù)?若不是常數(shù)則與哪些因素有關(guān)?

表5.1數(shù)據(jù)記錄和計算表格

壓差計讀數(shù)測量流量

數(shù)據(jù)組數(shù)水箱高度時間(s)實際流量(n?/s)

(cmH20)(m3/s)

1

2

1

3

行.

4

管

5

6

1

2

2

3

后

4

管

5

6

結(jié)論：1號管中，流量系數(shù)。=;2號管中，流量系數(shù)"=

（六）流動阻力水頭損失測量實驗

一、實驗?zāi)康暮鸵?/p>

1、掌握管道沿程阻力系數(shù)2的測量技術(shù)；

2、通過測定不同雷諾數(shù)Re時的沿程阻力系數(shù)"掌握/與Re的影響關(guān)系;

3、測量彎頭局部阻力系數(shù)4。

f

Ml,Cj

f11活鏤1號管

D=0=^

U片“閘閥

孔板壓度計,2號管

D—

1”閘閥

H文丘里充皇計/3號管

k『華任旨派星計

r1"閘闔

L

尸閘閥JF

水稻

?Assn

圖6.1流體力學(xué)綜合實驗臺示意圖

二、實驗儀器和設(shè)備

實驗設(shè)備裝置如圖6.1所示。這臺實驗裝置可對不可壓縮流體流經(jīng)管道系統(tǒng)的規(guī)律性進行比

較詳細(xì)的實驗研究。

利用這臺裝置可以進行的主要實驗項目如下：

1、滯流區(qū)和過渡區(qū)摩擦系數(shù)的測定一利用2號管進行。（見圖1,下同）

2、不同直徑的管子湍流區(qū)磨擦系數(shù)的測定一一利用1,3號管子。

3、螺旋槽管（相似于粗糙管）摩擦系數(shù)的測定。

4、認(rèn)識文丘里流量計，測定它的孔流系數(shù)。

5、驗證孔板流量計的孔流系數(shù)。

6、對比孔板和文丘利兩種流量計的阻力損失。

7、認(rèn)識畢托管流速計，利用畢托管測量管內(nèi)流速。

8、測量90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭的局部阻力系數(shù)。

9、測量截止閥局部阻力系數(shù)。

10、測量突然擴大管局部阻力系數(shù)。

本實驗將使用1號管（水力光滑管），對層流、紊流狀態(tài)下的沿程阻力損失進行測量和計算

分析，弄清沿程阻力損失系數(shù)2和雷諾數(shù)Re的關(guān)系。對彎管局部阻力損失系數(shù)進行測量，找出

局部阻力損失與速度頭之間的關(guān)系。

1號測管標(biāo)稱直徑40（實際內(nèi)徑請按樣品管測量），測壓孔距為2000毫米。

三、實驗原理

1、沿程阻力系數(shù)4的測量與計算

,LV1

h/=A3,------

由達(dá)西公式，d2g

而沿程阻力系數(shù)％,在管道中不同流態(tài)情況下，幾值不相同。在水力光滑管中，4=/低。）

式中，d為管道直徑，L為研究管段的長度，