工程流体力学实验
工程流体力学实验
实验一静水压强实验 、实验目的 1、通过实验加深对流体静力学基本方程P=P+h的理解 2、验证静止流体中不同点对于同一基准面的测压管水头为常数,即 常数 3、实测静水压强,掌握静水压强的测量方法。 4、巩固绝对压强、相对压强、真空度的概念,加深理解位置水头、压力水头以 及测压管水头之间的关系 5、已知一种液体重度测定另一种液体的重度。 二、实验原理 加减压气缸 ho h 图1静水压强实验原理图 静水压强实验原理如图1所示,相对静止的液体只受重力的作用,处于平衡状 态。以P表示液体静压强,γ表示液体重度,以z表示压强测算点位置高度(即位 置水头),流体静力学方程为 常数 上式说明 1、在重力场中静止液体的压强p与深度h成线性分布,即 P3-Poh3-ho P2-po h4-ho
1 实验一 静水压强实验 一、实验目的 1、通过实验加深对流体静力学基本方程 p = p0 + h 的理解。 2、验证静止流体中不同点对于同一基准面的测压管水头为常数，即 + = p z 常数 3、实测静水压强，掌握静水压强的测量方法。 4、巩固绝对压强、相对压强、真空度的概念，加深理解位置水头、压力水头以 及测压管水头之间的关系。 5、已知一种液体重度测定另一种液体的重度。 二、实验原理 加减压气缸 γ h0 h3 h4 3 γˊ Δ3 Δ4 4 z3 Δ1 Δ2 z4 Δ0 O O 图 1 静水压强实验原理图 静水压强实验原理如图 1 所示，相对静止的液体只受重力的作用，处于平衡状 态。以 p 表示液体静压强， 表示液体重度，以 z 表示压强测算点位置高度（即位 置水头），流体静力学方程为 + = p z 常数 上式说明 1、在重力场中静止液体的压强 p 与深度 h 成线性分布，即 4 0 3 0 4 0 3 0 h h h h p p p p − − = − −
2、同一水平面(水深相同)上的压强相等,即为等压面。因此,水箱液面和测 点3、4处的压强(绝对压强)分别为 Po=p,+who P ++ pa P3=Pa +yh3 P P4=p,+yh Pa +y 与以上各式相对应的相对压力(相对压强)分别为 Po= Po-Pa =tho P3=P3-P=h3 pa=p4-Pa=th4 =y(△4-) 式中Pa-大气压力,P 液体的重度,Nm h——液面压力水头,m 液面位置水头,m 3、4处测压管水头,m 3、24—-3、4处位置水头, h、h4—3、4处压力水头, 3、静水中各点测压管水头均相等,即 或 p3 P =24 或 二3+h2==4+h4 即测压管3、4的液位在同一平面上。 、由于密封容器顶部与左侧U型管联通,根据联通器原理,得
2 2、同一水平面（水深相同）上的压强相等，即为等压面。因此，水箱液面和测 点 3、4 处的压强（绝对压强）分别为 p0 pa h0 = + ( ) = + 3 − 0 pa ( ) = + 4 − 0 pa p3 pa h3 = + ( ) 3 3 p z = a + − p4 pa h4 = + ( ) 4 4 p z = a + − 与以上各式相对应的相对压力（相对压强）分别为 p = p − pa 0 0 h0 = ( ) = 3 − 0 ( ) = 4 − 0 p = p − pa 3 3 h3 = ( ) 3 3 = − z p = p − pa 4 4 h4 = ( ) 4 4 = − z 式中 a p —— 大气压力， Pa —— 液体的重度， 3 N m 0 h —— 液面压力水头， m 0 —— 液面位置水头， m 3 、 4 —— 3、4 处测压管水头， m 3 z 、 4 z —— 3、4 处位置水头， m 3 h 、 4 h —— 3、4 处压力水头， m 3、静水中各点测压管水头均相等，即 3 = 4 或 = + + 4 4 3 3 p z p z 或 3 3 4 h4 z + h = z + 即测压管 3、4 的液位在同一平面上。 4 、由于密封容器顶部与左侧 U 型管联通，根据联通器原理，得
Pn+y(△1-△2)=pn+y(△3-△) 式中y——U型管中液体的重度,N/m U型管中两液面位置高度,m 根据上式可知,已知某种液体(如水)的重度y,可以通过本实验确定另一种 液体的重度y 、实验步骤 1、读出液面初始位置高度△。,并记入表内。 2、顺时针旋转加减压气缸手柄,使水箱液面压力升高,此时p0>pa,读出△1 △2、△3、△4,并记入表内。再继续给水箱加压两次,记下各测压管位置高度。 3、逆时针旋转加减压气缸手柄,使水箱内减压,并获得P0<Pa的状态。同样 读取三组数据记入表内
3 ( ) ( ) 1 − 2 = + 3 − 0 + pa pa 即 1 2 3 0 ' − − = 式中 —— U 型管中液体的重度， 3 N m 1、 2 —— U 型管中两液面位置高度 , m 根据上式可知，已知某种液体（如水）的重度 ，可以通过本实验确定另一种 液体的重度 。 三、实验步骤 1、读出液面初始位置高度Δ0 , 并记入表内。 2、顺时针旋转加减压气缸手柄，使水箱液面压力升高，此时 0 p > a p ,读出 1 、 2 、 3 、 4 ,并记入表内。再继续给水箱加压两次，记下各测压管位置高度。 3、逆时针旋转加减压气缸手柄，使水箱内减压，并获得 0 p < a p 的状态。同样 读取三组数据记入表内
实验二流谱及流线演示实验 、实验目的 用带有泡沫的变压器油加在油槽中经过导叶栅后形成许多平行的流线,以观察 其绕经不同固体壁面的变化 二、实验原理 液体流线仪是研究液流在模型试件出口和入口的流线变化,特别是当试件的突 扩、突缩而发生流线的扭曲现象和旋涡、死区等 另外,根据教学的需要可以定作补充各种模型试件,以观察流线在绕经不同固 体壁面时的变化。 三、实验装置 实验装置由油泵、供油箱、回油箱、油盘调整螺栓、支架、供油管等组成(见 图2)。油盘的倾斜度可通过前端调整螺栓调整。实验装置带有园柱、机翼、突扩(反 放为突缩)模型试件。 油盘 回油箱 供油箱 中支架 图2流谱及流线演示实验装置 四、实验步骤 1、接通电源。 2、开始时不同箱中可多放些油,开动油泵后,首先将供油管上的铜阀旋松, 放出管路中空气,然后用烧杯在后面不断把油接走,直到流线清晰为止。并通过调 整油盘前端的调整螺栓改变油盘的倾斜,以改变油的流速。 3、进行实验模型的组合更换
4 实验二 流谱及流线演示实验 一、实验目的 用带有泡沫的变压器油加在油槽中经过导叶栅后形成许多平行的流线，以观察 其绕经不同固体壁面的变化。 二、实验原理 液体流线仪是研究液流在模型试件出口和入口的流线变化，特别是当试件的突 扩、突缩而发生流线的扭曲现象和旋涡、死区等。 另外，根据教学的需要可以定作补充各种模型试件，以观察流线在绕经不同固 体壁面时的变化。 三、实验装置 实验装置由油泵、供油箱、回油箱、油盘调整螺栓、支架、供油管等组成（见 图 2）。油盘的倾斜度可通过前端调整螺栓调整。实验装置带有园柱、机翼、突扩（反 放为突缩）模型试件。 图 1 支架 回油箱 油盘 供油箱 图 2 流谱及流线演示实验装置 四、实验步骤 1、接通电源。 2、开始时不同箱中可多放些油，开动油泵后，首先将供油管上的铜阀旋松， 放出管路中空气，然后用烧杯在后面不断把油接走，直到流线清晰为止。并通过调 整油盘前端的调整螺栓改变油盘的倾斜，以改变油的流速。 3、进行实验模型的组合更换
实验三文丘里管实验 实验目的 在文丘里管收缩段和扩张段,观察压力水头、速度水头沿程的变化规律,加 深对伯努利方程的理解。 2、了解文丘里流量计的工作原理 3、掌握文丘里管流量系数的测定方法 、实验原理 1、理想流体伯努利方程的验证 文丘里管是在管路中安装一段断面急速变小,而后又逐渐恢复原来断面的异径 管,如图3所示。 想总水头线 H 目 三三 h ==-=- 喉管 图3理想流体伯努利方程示意图 在收缩段,由于流体流动断面减小,因而流速增加,测压管水头连续下降,喉 管处断面最小,流速最大,测压管水头因而最低;相反,在渐扩管中流体流动截面 逐渐扩大,流速减小,测压管水头也不断得到恢复。这些现象都是由于流体流径文 丘里管时,遵守连续性方程 vA=Q(常数) (1) 和伯努利方程
5 实验三 文丘里管实验 一、实验目的 1、在文丘里管收缩段和扩张段，观察压力水头、速度水头沿程的变化规律，加 深对伯努利方程的理解。 2、了解文丘里流量计的工作原理。 3、掌握文丘里管流量系数的测定方法。 二、实验原理 1、理想流体伯努利方程的验证 文丘里管是在管路中安装一段断面急速变小，而后又逐渐恢复原来断面的异径 管，如图 3 所示。 理想 总水 头线 g v 2 2 1 g v 2 2 11 H g v 2 2 4 h11 h1 h4 喉管 图 3 理想流体伯努利方程示意图 在收缩段，由于流体流动断面减小，因而流速增加，测压管水头连续下降，喉 管处断面最小，流速最大， 测压管水头因而最低；相反，在渐扩管中流体流动截面 逐渐扩大，流速减小，测压管水头也不断得到恢复。这些现象都是由于流体流径文 丘里管时，遵守连续性方程 vA = Q （常数） (1) 和伯努利方程
+h=H(常数) 以上两个方程表明,无论流体流动过程中断面几何参数如何变化,所有断面上 的总水头H和流量都保持不变,也就是说流体流动一直遵守着能量守恒和物质守恒 这两个基本定律。上述现象和规律将在实验中通过11根测压管的液面变化加以验 证。为了便于实验分析,现将公式(2)作如下变换,并以下标i表示测压管序号, 例如i=4表示第四根测压管即喉管。公式(2)可以写成 内 2 两边同除以v,并移项得 公式(1)可以写成 VIA=V4A4=v, A 所以 v1_A4_d4 va A d 代入公式(3)得 h, -h d v2/2g(d)(d 公式(3)和公式(4)表明,测压管水头变化的相对值,完全决定于流动断面的几何 比例,从而进一步揭示了断面流速与测压管水头之间的关系。我们根据公式(4)画出 测压管水头相对变化的理论曲线和实际曲线(分别为上式右项和左项),通过比较, 两者应当是一致的(横坐标为测压管序号,纵坐标分别为以上两项)。 2、流量系数的测定 将公式(1)、(2)应用于1、4两断面,可以得到
6 h H g v + = 2 2 （常数） (2) 以上两个方程表明，无论流体流动过程中断面几何参数如何变化，所有断面上 的总水头 H 和流量都保持不变，也就是说流体流动一直遵守着能量守恒和物质守恒 这两个基本定律。上述现象和规律将在实验中通过 11 根测压管的液面变化加以验 证。为了便于实验分析，现将公式(2)作如下变换，并以下标 i 表示测压管序号， 例如 i = 4 表示第四根测压管即喉管。公式(2)可以写成 g v h g v h i i 2 2 2 2 1 1 + = + 两边同除以 2 4 v , 并移项得 2 4 2 2 1 2 4 1 2 v v v v g hi h − i = − (3) 公式(1)可以写成 i Ai v A = v A = v 1 1 4 4 所以 2 1 2 4 1 4 4 1 d d A A v v = = 2 2 4 4 4 i i i d d A A v v = = 代入公式(3)得 4 4 4 1 4 2 4 1 2 − = − i i d d d d v g h h (4) 公式(3)和公式(4)表明，测压管水头变化的相对值，完全决定于流动断面的几何 比例，从而进一步揭示了断面流速与测压管水头之间的关系。我们根据公式(4)画出 测压管水头相对变化的理论曲线和实际曲线（分别为上式右项和左项），通过比较， 两者应当是一致的（横坐标为测压管序号，纵坐标分别为以上两项）。 2、流量系数的测定 将公式(1)、(2)应用于 1、4 两断面，可以得到 4 2 1 4 1 v d d v =
h4 前式代入后式得 2g(h-h2) 流量为 =A-4 22g(-h 若以流量系数μ表示阻力损失的影响,上式可以写成 h,-he (ml/s) 式中c一一仪器常数,为定值 d228 d2 d 因此,在实验中,测得流量Q和测压管水头h1、h4,即可求得流量系数, 一般在0.92~0.99之间。 三、实验步骤 缓缓打开进水阀和针阀,使测压管1、4的水面差达到最大,并适当调节, 观察测压管水头的变化,理解伯努利方程的含义。 2、读取各测压管水头刻度,并按测压管编号为序记入表内 3、在读取测压管水头的同时,用体积法测量流量,记入表内 4、调节进水阀和针阀,改变各测压管读数,并记录各读数和流量 5、实验结束后,关闭进水阀门
7 4 2 4 1 2 1 2 2 h g v h g v + = + 前式代入后式得 4 1 4 1 4 4 1 2 ( ) − − = d d g h h v 流量为 ( ) 4 1 4 1 4 2 4 4 4 1 2 4 − − = = d d d g h h Q A v 若以流量系数 表示阻力损失的影响，上式可以写成 h1 h4 Q = c − （ml/s） (5) 式中 c——仪器常数，为定值 （ cm s 2.5 ） (6) 因此，在实验中，测得流量 Q 和测压管水头 1 h 、 4 h ，即可求得流量系数 ， 一般在 0.92～0.99 之间。 三、实验步骤 1、缓缓打开进水阀和针阀，使测压管 1、4 的水面差达到最大，并适当调节， 观察测压管水头的变化，理解伯努利方程的含义。 2、读取各测压管水头刻度，并按测压管编号为序记入表内。 3、在读取测压管水头的同时，用体积法测量流量，记入表内。 4、调节进水阀和针阀，改变各测压管读数，并记录各读数和流量。 5、实验结束后，关闭进水阀门。 4 1 4 2 4 1 2 4 − = d d d g c
实验四雷诺实验 实验目的 1、观察圆管内流体恒定流动层流和紊流两种流动状态及其转换的现象。 2、测定不同流动状态下流体的雷诺数Re。 3、测定圆管内流体恒定流动层流和紊流两种流动状态下的沿程水头损失h与 断面平均流速v之间的关系。 实验原理 雷诺实验装置示意图如图4所示 l110 (a)层流 (b)过渡状态 (c)紊流 图4雷诺实验装置示意图 1、玻璃管2、注色水细管3、色水阀门4、色水容器5、水箱6、蜂窝板 7、溢水隔板8、供水阀门9、放水管10、出水阀门11、测压管12、量水筒 实际流体的流动会呈现出两种不同的型态:层流和紊流,它们的区别在于 流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量, 而在层流流动中则没有。 2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷诺根据大量实验资料,将影响 流体流动状态的因素归纳成一个无因次数,称为雷诺数Re,作为判别流体流动状态 的准则 d vd
8 实验四 雷诺实验 一、实验目的 1、观察圆管内流体恒定流动层流和紊流两种流动状态及其转换的现象。 2、测定不同流动状态下流体的雷诺数 Re 。 3、测定圆管内流体恒定流动层流和紊流两种流动状态下的沿程水头损失 f h 与 断面平均流速 v 之间的关系。 二、实验原理 雷诺实验装置示意图如图 4 所示。 8 4 3 2 5 11 10 (a) 层流 hf H (b) 过渡状态 (c) 紊流 9 7 6 1 12 图 4 雷诺实验装置示意图 1、玻璃管 2、注色水细管 3、色水阀门 4、色水容器 5、水箱 6、蜂窝板 7、溢水隔板 8、供水阀门 9、放水管 10、出水阀门 11、测压管 12、量水筒 1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于： 流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量， 而在层流流动中则没有。 2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷诺根据大量实验资料，将影响 流体流动状态的因素归纳成一个无因次数，称为雷诺数 Re，作为判别流体流动状态 的准则 vd vd Re = =
式中v——流体断面平均流速,cm/s d—圆管直径,cm 流体的运动粘度,cm2/ 在本实验中,流体是水。水的运动粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托克斯提 出的经验公式计算 v=0178 1+0.0337t+0.00022lt 式中V——水在1°C时的运动粘度,cm2/s 水的温度,OC。 3、判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以 及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速,从 紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。 4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数,对应于上、 下临界速度的雷诺数,称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过 此雷诺数的流动必为紊流,它很不确定,跨越一个较大的取值范围。而且极不稳定, 只要稍有干扰,流态即发生变化。上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不 同有所不同。因此,上临界雷诺数在工程技术中没有实用意义。有实际意义的是下 临界雷诺数,它表示低于此雷诺数的流动必为层流,有确定的取值。通常均以它作 为判别流动状态的准则,即 Re2320时,紊流 该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值,工程实际中一般取Re=2000。 实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用 之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况,容易理解:减小d,减小γ, 加大v三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看,小雷诺数流动趋于稳定,而 大雷诺数流动稳定性差,容易发生紊流现象 6、由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别,对它们加以判别并分 别讨论是十分必要的。圆管中恒定流动的流态为层流时,沿程水头损失与平均流速 成正比,而紊流时则与平均流速的1.75~2.0次方成正比 7、通过对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较,可以看出 层流流速分布呈旋转抛物面,而紊流流速分布则比较均匀,壁面流速梯度和切应力 都比层流时大,如图5所示
9 式中 v——流体断面平均流速 , cm s d ——圆管直径 , cm ——流体的运动粘度 , cm s 2 在本实验中，流体是水。水的运动粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托克斯提 出的经验公式计算 2 1 0.0337 0.000221 0.0178 + t + t = 式中 ——水在 t C 时的运动粘度， cm s 2 ； t ——水的温度， C 。 3、判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以 及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速，从 紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。 4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，对应于上、 下临界速度的雷诺数，称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过 此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。而且极不稳定， 只要稍有干扰，流态即发生变化。上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不 同有所不同。因此，上临界雷诺数在工程技术中没有实用意义。有实际意义的是下 临界雷诺数，它表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值。通常均以它作 为判别流动状态的准则，即 Re 2320 时，紊流 该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，工程实际中一般取 Re = 2000。 5、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用 之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小 d ，减小 v ， 加大 v 三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而 大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。 6、由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分 别讨论是十分必要的。圆管中恒定流动的流态为层流时，沿程水头损失与平均流速 成正比，而紊流时则与平均流速的 1.75～2.0 次方成正比。 7、通过对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较，可以看出 层流流速分布呈旋转抛物面，而紊流流速分布则比较均匀，壁面流速梯度和切应力 都比层流时大，如图 5 所示