空气动力学实验指导书
空气动力学实验指导书
实验一流体静力学综合型实验一、实验目的和要求1.掌握用测压管测量流体静压强的技能；2.验证不可压缩流体静力学基本方程：3.测定油的密度；4.通过对诸多流体静力学现象的实验观察分析，加深流体静力学基本概念理解，提高解决静力学实际问题的能力。二、实验装置1.实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。23846791011图.1流体静力学综合型实验装置图1.测压管2.带标尺测压管3.连通管4.通气阀5.加压打气球6.真空测压管7.截止阀8.U型测压管9.油柱10.水柱11.减压放水阀说明：下述中的仪器部件编号均指实验装置图中的编号，如测管2即为图1中“2.带标尺测压管”。后述各实验中述及的仪器部件编号也均指相应实验装置图中的编号。2.装置说明
实验一 流体静力学综合型实验 一、实验目的和要求 1. 掌握用测压管测量流体静压强的技能； 2. 验证不可压缩流体静力学基本方程； 3. 测定油的密度； 4. 通过对诸多流体静力学现象的实验观察分析，加深流体静力学基本概念 理解，提高解决静力学实际问题的能力。 二、实验装置 1．实验装置简图 实验装置及各部分名称如图 1 所示。p 10 9 1 2 3 6 8 c b a D C B A 0 4 5 7 11 图 .1 流体静力学综合型实验装置图 1. 测压管 2. 带标尺测压管 3. 连通管 4. 通气阀 5. 加压打气球 6. 真 空测压管 7. 截止阀 8. U 型测压管 9. 油柱 10. 水柱 11. 减压放水阀 说明：下述中的仪器部件编号均指实验装置图中的编号，如测管 2 即为图 1 中“2. 带 标尺测压管”。后述各实验中述及的仪器部件编号也均指相应实验装置图中的编号。 2. 装置说明
(1）流体测点静压强的测量方法之一一一测压管流体的流动要素有压强、水位、流速、流量等。压强的测量方法有机械式测量方法与电测法，测量的仪器有静态与动态之分。测量流体点压强的测压管属机械式静态测量仪器。测压管是一端连通于流体被测点，另一端开口于大气的透明管，适用于测量流体测点的静态低压范围的相对压强，测量精度为1mm。测压管分直管型和“U”型。直管型如图1中管2所示，其测点压强p=pgh，h为测压管液面至测点的竖直高度。“U”型如图中管1与管8所示。直管型测压管要求液体测点的绝对压强大于当地大气压，否则因气体流入测点而无法测压；“U”型测压管可测量液体测点的负压，例如管1中当测压管液面低于测点时的情况；“U”型测压管还可测量气体的点压强，如管8所示，一般“U”型管中为单一液体（本装置因其它实验需要在管8中装有油和水两种液体），测点气压为p=pgAh，Ah为“U”型测压管两液面的高度差，当管中接触大气的自由液面高于另一液面时h为“+”，反之△h为“-”。由于受毛细管影响，测压管内径应大于8~10mm。本装置采用毛细现象弱于玻璃管的透明有机玻璃管作为测压管，内径为8mm，毛细高度仅为1mm左右。(2）恒定液位测量方法之一一一连通管测量液体的恒定水位的连通管属机械式静态测量仪器。连通管是一端连接于被测液体，另一端开口于被测液体表面空腔的透明管，如管3所示。对于散口容器中的测压管也是测量液位的连通管。连通管中的液体直接显示了容器中的液位用mm刻度标尺即可测读水位值。本装置中连通管与各测压管同为等径透明有机玻璃管。液位测量精度为1mm。(3）所有测管液面标高均以带标尺测压管2的零点高程为基准：(4）测点B、C、D位置高程的标尺读数值分别以VB、Vc、Vp表示，若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则VB、Vc、VD亦为ZB、ZC、ZD;(5）本仪器中所有阀门旋柄均以顺管轴线为开。3.基本操作方法：(1）设置po=0条件。打开通气阀4，此时实验装置内压强po=0。(2）设置po>0条件。关闭通气阀4、放水阀11，通过加压打气球5对装置打气，可对装置内部加压，形成正压；
(1) 流体测点静压强的测量方法之一——测压管 流体的流动要素有压强、水位、流速、流量等。压强的测量方法有机械式测 量方法与电测法，测量的仪器有静态与动态之分。测量流体点压强的测压管属机 械式静态测量仪器。测压管是一端连通于流体被测点，另一端开口于大气的透明 管，适用于测量流体测点的静态低压范围的相对压强，测量精度为 1mm。测压 管分直管型和“U”型。直管型如图 1 中管 2 所示，其测点压强 p gh，h 为 测压管液面至测点的竖直高度。“U”型如图中管 1 与管 8 所示。直管型测压管 要求液体测点的绝对压强大于当地大气压，否则因气体流入测点而无法测压；“U” 型测压管可测量液体测点的负压，例如管 1 中当测压管液面低于测点时的情况； “U”型测压管还可测量气体的点压强，如管 8 所示，一般“U”型管中为单一 液体（本装置因其它实验需要在管 8 中装有油和水两种液体），测点气压为 p gh，h 为“U”型测压管两液面的高度差，当管中接触大气的自由液面 高于另一液面时h 为 “+”，反之h 为“-”。由于受毛细管影响，测压管内径 应大于 8~10 mm。本装置采用毛细现象弱于玻璃管的透明有机玻璃管作为测压管， 内径为 8mm，毛细高度仅为 1mm 左右。 (2) 恒定液位测量方法之一——连通管 测量液体的恒定水位的连通管属机械式静态测量仪器。连通管是一端连接于 被测液体，另一端开口于被测液体表面空腔的透明管，如管 3 所示。对于敞口容 器中的测压管也是测量液位的连通管。连通管中的液体直接显示了容器中的液位， 用 mm 刻度标尺即可测读水位值。本装置中连通管与各测压管同为等径透明有机 玻璃管。液位测量精度为 1mm。 (3) 所有测管液面标高均以带标尺测压管 2 的零点高程为基准； (4) 测点 B、C、D 位置高程的标尺读数值分别以B、C、D表示，若同时 取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则B、C、D亦为 zB、zC、zD； (5) 本仪器中所有阀门旋柄均以顺管轴线为开。 3. 基本操作方法： (1) 设置 p0 = 0 条件。打开通气阀 4，此时实验装置内压强 p0 = 0。 (2) 设置 p0 > 0 条件。关闭通气阀 4、放水阀 11，通过加压打气球 5 对装置 打气，可对装置内部加压，形成正压；
3）设置po<0条件。关闭通气阀4、加压打气球5底部阀门，开启放水阀11放水，可对装置内部减压，形成真空。(4）水箱液位测量。在po=0条件下读取测管2的液位值，即为水箱液位值。三、实验原理1.在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程=+P=C或p= po+ pghpg式中：被测点相对基准面的位置高度；7被测点的静水压强（用相对压强表示，以下同）；一p一水箱中液面的表面压强；po一液体密度；ph——被测点的液体深度。2.油密度测量原理方法一：测定油的密度p。，简单的方法是利用图1实验装置的U型测压管8，再另备一根直尺进行直接测量。实验时需打开通气阀4，使po=0。若水的密度p为已知值，如图2所示，由等压面原理则有Po_hHPw(a)(b)图2油的密度测量方法一图3油密度测量方法二方法二：不另备测量尺，只利用图1中测管2的自带标尺测量。先用加压打
(3) 设置 p0 < 0 条件。关闭通气阀 4、加压打气球 5 底部阀门，开启放水阀 11 放水，可对装置内部减压，形成真空。 (4) 水箱液位测量。在 p0 = 0 条件下读取测管 2 的液位值，即为水箱液位值。 三、实验原理 1．在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 p z C g 或 p p gh 0 式中： z —— 被测点相对基准面的位置高度； p —— 被测点的静水压强（用相对压强表示, 以下同）； p0 —— 水箱中液面的表面压强； —— 液体密度； h —— 被测点的液体深度。 2．油密度测量原理 方法一：测定油的密度 o ，简单的方法是利用图 1 实验装置的 U 型测压管 8，再另备一根直尺进行直接测量。实验时需打开通气阀 4，使 p0 = 0。若水的密 度 w 为已知值，如图 2 所示，由等压面原理则有 o 1 w h H h1 H A A 8 0p=0 w o 01 w 1 w p 01 H p h 2 8 1 w 01 w o 1 w p 01 H p h 2 8 1 w 02 w 2 w p p 02 H h 2 8 o (a) (b) 图 2 油的密度测量方法一 图 3 油密度测量方法二 方法二：不另备测量尺，只利用图 1 中测管 2 的自带标尺测量。先用加压打
气球5打气加压使U型测压管8中的水面与油水交界面齐平，如图3（a)所示，有Poi=Pwgh=P.gH再打开减压放水阀11降压，使U型测压管8中的水面与油面齐平，如图3(b)所示，有Po2=-Pwgh, =PogH-PwgHPo=h联立两式则有Pwh+h四、实验内容与方法1.定性分析实验(1）测压管和连通管判定。按测压管和连通管的定义，实验装置中管1、2、6、8都是测压管，当通气阀关闭时，管3无自由液面，是连通管。(2）测压管高度、压强水头、位置水头和测压管水头判定。测点的测压管高度即为压强水头卫，不随基准面的选择而变，位置水头2pg和测压管水头z+卫随基准面选择而变。pg(3）观察测压管水头线。测压管液面的连线就是测压管水头线。打开通气阀4，此时p。=0，那么管1、2、3均为测压管，从这三管液面的连线可以看出，对于同一静止液体，测管水头线是一根水平线。(4)判别等压面。关闭通气阀4，打开截止阀7，用打气球稍加压，使P。为0.02m左右，判pg别下列几个平面是不是等压面；a.过C点作一水平面，相对管1、2、8及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？b.过U型管8中的油水分界面作一水平面，对管8中液体而言，这个水平
气球 5 打气加压使 U 型测压管 8 中的水面与油水交界面齐平，如图 3(a)所示，有 01 w 1 o p gh gH 再打开减压放水阀 11 降压，使 U 型测压管 8 中的水面与油面齐平，如图 3(b) 所示，有 02 w 2 o w p gh gH gH 联立两式则有 o 1 w 1 2 h h h 四、实验内容与方法 1. 定性分析实验 (1) 测压管和连通管判定。 按测压管和连通管的定义，实验装置中管 1、2、6、8 都是测压管，当通气 阀关闭时，管 3 无自由液面，是连通管。 (2) 测压管高度、压强水头、位置水头和测压管水头判定。 测点的测压管高度即为压强水头 p g ，不随基准面的选择而变，位置水头 z 和测压管水头 p z g 随基准面选择而变。 (3) 观察测压管水头线。 测压管液面的连线就是测压管水头线。打开通气阀 4，此时 0 p 0 ，那么 管 1、2、3 均为测压管，从这三管液面的连线可以看出，对于同一静止液体，测 管水头线是一根水平线。 (4)判别等压面。 关闭通气阀 4，打开截止阀 7，用打气球稍加压，使 0 p g 为 0.02m 左右，判 别下列几个平面是不是等压面； a. 过 C 点作一水平面，相对管 1、2、8 及水箱中液体而言，这个水平面是 不是等压面？ b. 过 U 型管 8 中的油水分界面作一水平面，对管 8 中液体而言，这个水平
面是不是等压面？c.过管6中的液面作一水平面，对管6中液体和方盒中液体而言，该水平面是不是等压强？根据等压面判别条件：质量力只有重力、静止、连续、均质、同一水平面。可判定上述b、c是等压面。在a中，相对管1、2及水箱中液体而言，它是等压面，但相对管8中的水或油来讲，它都不是同一等压面。(5）观察真空现象。打开放水阀11减低箱内压强，使测管2的液面低于水箱液面，这时箱体内po0、po<0与pB<0条件下测量水箱液面标高Vo和测压管2液面标高VH，分别确定测点A、B、C、D的压强pA、PB、pc、pD.(2）油的密度测定拓展实验按实验原理，分别用方法一与方法二测定油的容重。实验数据处理与分析参考五。五、数据处理及成果要求1.记录有关信息及实验常数实验设备名称：实验台号：实验者：实验日期：各测点高程为：VB=x10m、Vc=×10-2m、Vp=×10-2m基准面选在x10m、zD=×10~mzC=2.实验数据记录及计算结果（参表1，表2）3.成果要求
面是不是等压面？ c. 过管 6 中的液面作一水平面，对管 6 中液体和方盒中液体而言，该水平 面是不是等压强？ 根据等压面判别条件：质量力只有重力、静止、连续、均质、同一水平面。 可判定上述 b、c 是等压面。在 a 中，相对管 1、2 及水箱中液体而言，它是等压 面，但相对管 8 中的水或油来讲，它都不是同一等压面。 (5) 观察真空现象。 打开放水阀 11 减低箱内压强，使测管 2 的液面低于水箱液面，这时箱体内 p0 0、p0 < 0 与 pB < 0 条件下测量水箱 液面标高0和测压管 2 液面标高H，分别确定测点 A、B、C、D 的压强 pA、pB、 pC、pD。 (2) 油的密度测定拓展实验 按实验原理，分别用方法一与方法二测定油的容重。 实验数据处理与分析参考五。 五、 数据处理及成果要求 1. 记录有关信息及实验常数 实验设备名称： 实验台号：_ 实 验 者：_ 实验日期：_ 各测点高程为：B = 10 -2m、C = 10 -2m、D = 10 -2m 基准面选在 z C = 10 -2m、zD = 10 -2m 2. 实验数据记录及计算结果（参表 1，表 2） 3. 成果要求
(1）回答定性分析实验中的有关问题。(2)由表中计算的zc+Pc、2p+Po，验证流体静力学基本方程。pgpg(3）测定油的密度，对两种实验结果作以比较。六、分析思考题1.相对压强与绝对压强、相对压强与真空度之间有什么关系？测压管能测量何种压强？2.测压管太细，对测压管液面读数造成什么影响？3.本仪器测压管内径为0.8×10-2m，圆筒内径为2.0×10m，仪器在加气增压后，水箱液面将下降而测压管液面将升高H，实验时，若近似以po=0时的水箱液面读值作为加压后的水箱液位值，那么测量误差S/H为多少？七、注意事项1.用打气球加压、减压需缓慢，以防液体溢出及油柱吸附在管壁上：打气后务必关闭打气球下端阀门，以防漏气。2.真空实验时，放出的水应通过水箱顶部的漏斗倒回水箱中。3.在实验过程中，装置的气密性要求保持良好
(1) 回答定性分析实验中的有关问题。 (2) 由表中计算的 C C p z g 、 D D p z g ，验证流体静力学基本方程。 (3) 测定油的密度，对两种实验结果作以比较。 六、 分析思考题 1．相对压强与绝对压强、相对压强与真空度之间有什么关系？测压管能测 量何种压强？ 2．测压管太细，对测压管液面读数造成什么影响？ 3．本仪器测压管内径为 0.8×10 -2 m，圆筒内径为 2.0×10 -1 m，仪器在加气 增压后，水箱液面将下降而测压管液面将升高 H，实验时，若近似以 p0 = 0 时 的水箱液面读值作为加压后的水箱液位值，那么测量误差 / H 为多少？ 七、注意事项 1．用打气球加压、减压需缓慢，以防液体溢出及油柱吸附在管壁上；打气 后务必关闭打气球下端阀门，以防漏气。 2．真空实验时，放出的水应通过水箱顶部的漏斗倒回水箱中。 3．在实验过程中，装置的气密性要求保持良好
1流体静压强测量记录及计算表表1压强水头测压管水头水箱液面测压管次实验条件V.液面V+五PA=Vg-VePc=Va-VePa=Va-V,2o+P2Pa-Va-V,序pgPgP8PgPSP8/ (10m)/ (10m)/ (10m)/ (10°m)/ (10m)/ (10m)/ (10m)/ (10)A=0A)0A0.且U型管中水面与油水交界面齐平A<0.且U型管中水面与油面齐平
表 1 流体静压强测量记录及计算表 实验条件 次 序 水箱液面 0 / (10 -2m) 测压管 液面H / (10 -2m) 压 强 水 头 测压管水头 H 0 Ag p / (10 -2m) H B Bg p / (10 -2m) H C Cg p / (10 -2m) H D Dg p / (10 -2m) c c p z g / (10 -2m) g p z D D / (10 -2m) p0 = 0 p0 > 0 p0 0，且 U 型 管中水面与油 水交界面齐平 p0 < 0，且 U 型 管中水面与油 面齐平
实验二恒定总流伯努利方程综合性实验一、实验目的和要求通过定性分析实验，提高对动水力学诸多水力现象的实验分析能力：1.2折通过定量测量实验，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性，验证流体恒定总流的伯努利方程，掌握测压管水头线的实验测量技能与绘制方法；3.通过设计性实验，训练理论分析与实验研究相结合的科研能力。二、实验装置1.实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。4.57896101711888日161201513000Q??Q609353418O32图1伯努利方程综合性实验装置图1.自循环供水器2.实验台3.可控硅无级调速器3.溢流板5.稳水孔板6.恒压水箱7.实验管道8.测压点①9.弯针毕托管10.测压计11.滑动测量尺12.测压管①~13.实验流量调节阀15.稳压筒16.传感器17.智能化14.回水漏斗数显流量仪2.装置说明(1）流量测量一一智能化数显流量仪-9-
- 9 - 实验二 恒定总流伯努利方程综合性实验 一、实验目的和要求 1. 通过定性分析实验，提高对动水力学诸多水力现象的实验分析能力； 2. 通过定量测量实验，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性，验 证流体恒定总流的伯努利方程，掌握测压管水头线的实验测量技能与绘制 方法； 3. 通过设计性实验，训练理论分析与实验研究相结合的科研能力。 二、实验装置 1．实验装置简图 实验装置及各部分名称如图 1 所示。 3 2 1 5 1 3 2 4 6 7 8 9 11 13 15 1 10 12 14 4 5 6 15 16 17 3 5 7 9 11 13 19 17 19 18 10 11 12 13 14 7 8 9 图 1 伯努利方程综合性实验装置图 1. 自循环供水器 2. 实验台 3. 可控硅无级调速器 3. 溢流板 5. 稳水孔板 6. 恒压 水箱 7. 实验管道 8. 测压点①~○19 9. 弯针毕托管 10. 测压计 11. 滑动测量尺 12. 测压管①~○19 13. 实验流量调节阀 14.回水漏斗 15. 稳压筒 16.传感器 17. 智能化 数显流量仪 2．装置说明 (1) 流量测量——智能化数显流量仪 15 16 17
智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒15、高精密传感器16和智能化数显流量仪17（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。流量仪的便用方法，需先排气调零，待水箱溢流后，间款性全开、全关管道出水阀13数次，排除连通管内气泡。再全关阀13，待稳定后将流量仪调零。测流量时，水流稳定后，流量仪所显示的数值即为瞬时流量值（以下实验类同）。若需详细了解流量仪性能请见说明书。(2）测流速一一弯针管毕托管弯针管毕托管用于测量管道内的点流速，原理见实验教材第2章2.3.3。为减小对流场的干扰，本装置中的弯针1直径为1.6x1.2mm（外径x内径）。迎流面实验表明只要开孔的切平面与来流开小孔90~18090°方向垂直，弯针管毕托管的弯角从uuuC管端90~180°均不影响测流速精度，如封闭图2所示。图2弯针管毕托管类型(3）本仪器测压点有两种：1）毕托管测压点，图1中标号为、③、③、、?、①、（后述加*表示），与测压计的测压管连接后，用以测量毕托管探头对准点的总水头值，近似替代所在断面的平均总水头值，可用于定性分析，但不能用于定量计算：2）普通测压点，图1中标号为②、③、④、③、?、③、、①、?、?、、，与测压计的测压管连接后，用以测量相应测点的测压管水头值。（4）测点③*、所在喉管段直径为d，测点*、所在扩管段直径为d，其余直径均为d。3.基本操作方法（1）测压管与稳压筒的连通管排气。打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，间歇性全开、全关管道出水阀13数次，直至连通管及实验管道中无气泡滞留即可。再检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平，如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。（2）恒定流操作。全开调速器，此时水箱保持溢流，阀门13开度不变情况- 10 -
- 10 - 智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒 15、高精密传感 器 16 和智能化数显流量仪 17（含数字面板表及 A/D 转换器）。该流量仪为管道式 瞬时流量仪，测量精度一级。 流量仪的使用方法，需先排气调零，待水箱溢流后，间歇性全开、全关管道 出水阀 13 数次，排除连通管内气泡。再全关阀 13，待稳定后将流量仪调零。测流 量时，水流稳定后，流量仪所显示的数值即为瞬时流量值（以下实验类同）。若需 详细了解流量仪性能请见说明书。 (2) 测流速——弯针管毕托管 弯针管毕托管用于测量管道内的点流速，原理见实验教材第 2 章 2.3.3。为减 小对流场的干扰，本装置中的弯针 直径为1.61.2 mm（外径内径）。 实验表明只要开孔的切平面与来流 方向垂直，弯针管毕托管的弯角从 90~180均不影响测流速精度，如 图 2 所示。 (3) 本仪器测压点有两种： 1) 毕托管测压点，图 1 中标号为①、⑥、⑧、○12、○14、○16、○18（后述加*表示）， 与测压计的测压管连接后，用以测量毕托管探头对准点的总水头值，近似替代所 在断面的平均总水头值，可用于定性分析，但不能用于定量计算； 2) 普通测压点，图 1 中标号为②、③、④、⑤、⑦、⑨、⑩、○11 、○13 、○15 、○17 、 ○19 ，与测压计的测压管连接后，用以测量相应测点的测压管水头值。 (4) 测点⑥*、⑦所在喉管段直径为 d2，测点○16 *、○17 所在扩管段直径为 d3， 其余直径均为 d1。 3．基本操作方法 （1）测压管与稳压筒的连通管排气。打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢 流，间歇性全开、全关管道出水阀 13 数次，直至连通管及实验管道中无气泡滞留 即可。再检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平，如不平则需查明故障原因 （例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。 （2）恒定流操作。全开调速器，此时水箱保持溢流，阀门 13 开度不变情况 u u 90 90~180 u 迎流面 开小孔 管端 封闭 图 2 弯针管毕托管类型