流體力學(xué)與水力學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)書少學(xué)時(shí)、最新

1、流體力學(xué)與水力學(xué)實(shí)驗(yàn)華中科技大學(xué)2011.8.力學(xué)系§1-1§1-2§1-3§1-5§1-8§2-1目錄靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn) （）文透里流量計(jì)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn) （）動量方程實(shí)驗(yàn) （）局部水頭損失實(shí)驗(yàn) （）雷諾實(shí)驗(yàn) （）圓柱表面壓強(qiáng)分布的測量 （）§ 1-1靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)(Experime nt of Stastic Hydraulics Pressure)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蟆?、掌握用測壓管測量流體靜壓強(qiáng)的技能；2、驗(yàn)證不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程；3、通過對諸多流體靜力學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)分析研討，進(jìn)一步提高解決靜力學(xué)實(shí)際問題的 能力。4、鞏固絕對壓

2、強(qiáng)、相對壓強(qiáng)、真空度概念。二、實(shí)驗(yàn)裝置、123157485比 U丿丿申£乜I鬥I I圖1.1 靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置圖1、測壓管；2、帶標(biāo)尺測壓管；3、連通管；4、真空測壓管；5、U型測壓管；6、通氣閥；7、加壓打氣球；8、截止閥；9、油柱；10、水柱；11、減壓放水閥。說明：1、所有測壓管液面標(biāo)高均以標(biāo)尺(測壓管2)零讀數(shù)為基準(zhǔn)；2、 儀器銘牌所注b、 C、 d系測點(diǎn)B、C、D標(biāo)高；若同時(shí)取標(biāo)尺零點(diǎn)作為靜力學(xué)基本方程的基準(zhǔn)點(diǎn)，貝U b、 C、 d亦為zB、zC、Zd ；3、本儀器所有閥門旋柄順管軸線為開。三、實(shí)驗(yàn)原理、1、在重力作用下不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程為：Pz+= const或：

3、p poh（1.1）式中： z 被測點(diǎn)在基準(zhǔn)面以上的位置高度；p 被測點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)，用相對壓強(qiáng)表示，以下同；Po 水箱中液面的表面壓強(qiáng)；液體容重；h 被測點(diǎn)的液體深度。另對裝有水油（圖1.2及圖1.3）U型測管，應(yīng)用等壓面原理可得油的比重氏有下列關(guān)系:hiSoh1 h2(1.2)PolPolS 13a i.2據(jù)此可用儀器直接測得So四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、1、搞清儀器組構(gòu)及其用法，包括:1）閥門開關(guān);2）加壓方法一一關(guān)閉所有閥門（包括截止閥），然后用打氣球充氣；3）減壓方法一一開啟筒底閥11放水；4）檢查儀器是否密封一一加壓后檢查測管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏氣，應(yīng)查 明原因并加以

4、處理。2、記錄儀器編號及各常數(shù)（記入表1.1）。3、量測點(diǎn)靜壓強(qiáng)（各點(diǎn)壓強(qiáng)用厘米水柱高表示）。1） 打開通氣閥6 （此時(shí)p0=0），記錄水箱液面標(biāo)高 0和測管2液面標(biāo)高 H （此時(shí)°= H ）；2）關(guān)閉通氣閥6及截止閥8,加壓使形成Po>O,測記0及h ;£B3） 打開放水閥11,使形成PovO （要求其中一次V0,即H V B ），測記0及H。4、測出4#測壓管插入小水杯中的深度（現(xiàn)場）。5、測定油比重S0。1）開啟通氣閥6,測記0 ；2）關(guān)閉通氣閥6,打氣加壓（p0>0），微調(diào)放氣螺母使U型管中水面與油水交界面齊平（圖1.2）, 測記0及 h （此過程反復(fù)進(jìn)

5、行三次）；3）打開通氣閥，待液面穩(wěn)定后，關(guān)閉所有閥門；然后開啟放水閥11降壓（p0V0）,使U型管中的 水面與油面齊平（圖1.3）,測記0及h （此過程亦反復(fù)進(jìn)行三次）。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求、實(shí)驗(yàn)臺號：No.C =cmd =cm1、記錄有關(guān)常數(shù)各測點(diǎn)標(biāo)尺讀數(shù)為：b =cmw= 9.8X10-3 N / cm32、分別求出各次測量時(shí)A、B、C、D點(diǎn)的壓強(qiáng)，并選擇一基準(zhǔn)面驗(yàn)證一一同一靜止 液體內(nèi)的Pz任意二點(diǎn)（C、。）的（ ）為常數(shù)。3、 求出油的容重。0 = 0.0080N/cnf六、實(shí)驗(yàn)分析與思考題、1、實(shí)驗(yàn)分析：1）若再備一根直尺，如何采用最簡便的方法測定0 ?最簡單的方法是，用直尺分別測量水

6、箱內(nèi)通大氣情況下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的 垂直高度hw和ho，由式 whwoho求得0。2）如測壓管太細(xì)，對測壓管液面的讀數(shù)將有何影響？設(shè)被測液體為水，如測壓管太細(xì)，測壓管液面因毛細(xì)現(xiàn)象而升高，會造成測量誤差，毛細(xì)高度由下 式計(jì)算：,4 coshd式中，為表面張力系數(shù)； 為液體容重；d為測壓管內(nèi)徑；h為毛細(xì)升高。常溫（t=20C）的水，=7.28dyn/mm , =0.98dyn/mm3。水與玻璃的浸潤角 很小，可認(rèn)為 cos =1.0。于是有,29.7hd（h、d單位均為mm）一般來說，當(dāng)玻璃測壓管的內(nèi)徑大于10mm時(shí)，毛細(xì)影響可忽略不計(jì)。另外，當(dāng)水質(zhì)不潔時(shí)， 減小，毛細(xì)高度也

7、較靜水??；當(dāng)采用有機(jī)玻璃管作測壓管時(shí)，浸潤角 較大，其h較普通玻璃管小。如果用一根測壓管測量液體相對壓差值，則毛細(xì)現(xiàn)象無任何影響。因?yàn)闇y量高、低壓強(qiáng)時(shí)均有毛細(xì) 現(xiàn)象，但在計(jì)算壓差時(shí)，互相抵消了。3）過C點(diǎn)作一水平面，相對管1、2、5及水箱中液體而言，這個(gè)水平面是否等壓面？哪一部分液體 是同一等壓面？不全是等壓面，他僅相對管1、2及水箱中的而言，這個(gè)水平面才是等壓面。因?yàn)橹挥腥烤邆湎?列5個(gè)條件的平面才是等壓面：重力液體；靜止；連通；連通介質(zhì)為同一均質(zhì)液體；同一 水平面。上述問題中，管5與水箱之間不符合條件，因此，相對管5和水箱中的液體而言，該水平 面不是等壓面。2、實(shí)驗(yàn)思考題：1）同一靜止液

8、體內(nèi)的測管水頭線是一根什么線？2）當(dāng)Pb<0時(shí)，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，確定真空度大小及所在區(qū)域。§ 1-2 文透里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)(Determi ne of flow with Ven turi Pipe )一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆?、掌握文透里流量計(jì)的原理。2、學(xué)習(xí)用比壓計(jì)測壓差和用體積法測流量的實(shí)驗(yàn)技能。3、利用量測到的收縮前后兩斷面1-1和2-2的測管水頭差h，根據(jù)理論公式計(jì)算管道并與實(shí)測流量進(jìn)行比較，從而對理論流量進(jìn)行修正，得到流量計(jì)的流量系數(shù)，即 對文透里流量計(jì)作出率定。二、實(shí)驗(yàn)裝置、壓差計(jì)溢流屋水箱水著測壓孔水箱三、實(shí)驗(yàn)原理、 1、文透里管是一種常用的量測有壓管道流量的裝置，屬壓

9、差式流量計(jì)。它包括“收縮段”“喉道”和“擴(kuò)散段”三部分，安裝在需要測定流量的管道上。在收縮進(jìn)口斷面1-1和喉道斷面2-2上設(shè)測壓孔，連接比壓計(jì)，通過量測兩個(gè)斷面的測管水頭差h,就可計(jì)算管道 的理論流量Q，再經(jīng)修正得到實(shí)際流量。2、。根據(jù)恒定總流能量方程，若不考慮水頭損失，速度水頭的增加等于測管水頭的減小（即比 壓計(jì)液面高差h），這樣我們就可以通過量測到的h建立兩斷面平均流速vi和V2之間的一個(gè)關(guān)系:h hh2（乙旦）（zP2)如果我們假設(shè)動能修正系數(shù)121.0則（乙R）億2P2)V22V12g2g另一方面，由恒定總流連續(xù)方程有:(知2di22V22g21V12gAmA2V2，即 V2所以2g2

10、g2g于是解得2g自42g h最終得到理論流量為：2 2Q理叢才75戸喬斫K仃式中 3、流量系數(shù): 流量計(jì)流過實(shí)際流體時(shí)，由于兩斷面測管水頭差中還包括了因粘性造成的水頭損失,流量應(yīng)修正為：Q實(shí)K： h式中 v 1.0,稱為文透里流量計(jì)的流量系數(shù)。 流量系數(shù)除了反映粘性的影響外，還包括了在推導(dǎo)理論流量時(shí)將斷面動能修正系數(shù)1， 2近似取為1.0帶來的誤差。 流量系數(shù)還體現(xiàn)了漸變流假設(shè)是否得到了嚴(yán)格的滿足這個(gè)因素。對于文透里流量計(jì)而言，下游斷面設(shè)置在喉道，可以說漸變流假設(shè)得到了嚴(yán)格的滿足。Re魁 對于某確定的流量計(jì)，流量系數(shù)取決于流動的雷諾數(shù)：，但當(dāng)雷諾數(shù)較大（流速較高）時(shí)，流量系數(shù)基本不變。四、實(shí)

11、驗(yàn)方法與步驟、1、認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蟆?shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)，了解用壓差計(jì)測壓差和用體積法測 流量的原理和步驟。2、記錄設(shè)備編號、水溫及有關(guān)常數(shù)。3、做好準(zhǔn)備工作后，啟動水泵給水箱充水并保持溢流狀態(tài)，使水位恒定。4、檢查下游閥門全開時(shí)，比壓計(jì)測管水面是否持平，如不平，則需排氣調(diào)平。5、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)：從最大流量開始，順次減小閥門開度。待水流穩(wěn)定（比壓計(jì)液面穩(wěn) 定）后，測讀比壓計(jì)讀數(shù)及測讀流量。順序進(jìn)行8個(gè)測點(diǎn)以上。6、本實(shí)驗(yàn)配有計(jì)算機(jī)自動量測系統(tǒng);可實(shí)現(xiàn)率定過程中壓差和流量的數(shù)據(jù)自采及處理。7、檢查數(shù)據(jù)記錄是否缺漏？是否有某組數(shù)據(jù)明顯地不合理？若有此情況，進(jìn)行補(bǔ)正。 &課后整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得

12、出流量計(jì)在各種流量下的h，Q理，Q實(shí)，R和 值，繪制Q實(shí)h的率定關(guān)系曲線及 Re曲線。9、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，閱讀思考問題，作簡要回答五、實(shí)驗(yàn)成果及要求、1、有關(guān)常數(shù)：儀器編號：有關(guān)常數(shù)：水溫T =C2量水箱斷面積A=cm進(jìn)口直徑d1 =cm喉道直徑d2=cm記錄及計(jì)算表格2.5/sK=cm次數(shù)測壓管讀數(shù)h(cm體積時(shí)間ReQ實(shí)=V/t(cm3/ sQ理=K仃(cm3/ sQ實(shí)/Q理h1(cmh2(cmV(cm3)t(S)12345678910六、實(shí)驗(yàn)分析及思考題、1、文透里的實(shí)際流量與理論流量為什么會有差別？這種差別是由哪些因素造成的?2、文透里流量計(jì)的流量系數(shù)為什么小于1.0?3、為什

13、么在實(shí)驗(yàn)中要反復(fù)強(qiáng)調(diào)保持水流恒定的重要性？4、影響文透里流量系數(shù) 的因素有哪些？5、文透里流量計(jì)水平或垂直放置對值有無影響？10§ 13動量方程實(shí)驗(yàn)(Momentum Principle )一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、驗(yàn)證不可壓縮流體恒定總流的動量方程；2、通過對動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關(guān)性的分析研究，進(jìn)一步掌握流體動力學(xué)的動量守恒定理；3、測定動量修正系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)裝置、圖1.1動量方程實(shí)驗(yàn)裝置圖1、自循環(huán)供水器；2、實(shí)驗(yàn)臺；3、可控硅無級調(diào)速器；4、水位調(diào)節(jié)閥；5、恒壓 水箱；6、管嘴；7、集水箱；8、帶活塞的測壓管；9、帶活塞和翼片的抗沖平板;10、上回水管。三、實(shí)驗(yàn)

14、內(nèi)容與原理、1、計(jì)算機(jī)CAI實(shí)驗(yàn)教學(xué)模擬。2、測量活塞中心點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)來計(jì)算水流的沖力:11利用自動反饋原理，使實(shí)驗(yàn)過程中達(dá)到需要測量的靜水作用力與射流的沖擊力自動 平衡。射流沖擊在平板上的沖力全部作用在活塞體中，當(dāng)活塞處于穩(wěn)定位置時(shí)，只 需測得活塞所受到的靜水作用力，便可足夠精確地得知射流的沖擊力。3、恒定總流動量方程為ivi)4圖1.2圖1.3取隔離體如圖1.3所示，因滑動摩擦阻力水平分力fxv 0.5%fx，可忽略不計(jì)，故x 方向的動量方程化為Fx PcAhD2Q ( 0 iVix)V1x-.hcD204式中：九 作用在活塞形心處的水深;D 活塞直徑;Q 射流流量;射流速度;1動量修正系

15、數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，在平衡狀態(tài)下，只要測得流量Q和活塞形心水深九，由給定的管嘴直徑d 和活塞直徑D代入上式，便可率定射流的動量修正系數(shù)1值，并驗(yàn)證動量定律。其 中,測壓管的標(biāo)尺零點(diǎn)已固定在活塞的圓心處，因此液面標(biāo)尺讀數(shù)即為作用在活塞圓12心處的水深。4、測定本實(shí)驗(yàn)裝置的靈敏度：為驗(yàn)證本裝置的靈敏度，只要在實(shí)驗(yàn)中的恒定流受力平衡狀態(tài)下，人為地增、減測 壓管中的液位高度，可發(fā)現(xiàn)即使改變量不足總液柱高度的5%。(約0.5-1 mm)，活塞在 旋轉(zhuǎn)下亦能有效地克服動摩擦力而作軸向位移，開大或減小窄槽:，使過高的水位降 低或過低的水位提高，恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。這表明該裝置的靈敏度高達(dá)).5%, 亦即活塞軸向動

16、摩擦力不足總動量力的5%0四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、1、準(zhǔn)備一一熟悉實(shí)驗(yàn)裝置各部分名稱、結(jié)構(gòu)特征、作用性能，記錄有關(guān)常數(shù)。2、開啟水泵一一打開調(diào)速器開關(guān)，水泵啟動23分鐘后，關(guān)閉23秒鐘，以利用回 水排除離心泵內(nèi)滯留的空氣。3、調(diào)整測壓管位置一一待恒定水箱滿頂溢流后，松開測壓管固定螺絲，調(diào)整方位，要 求測壓管垂直、螺絲對準(zhǔn)十字中心，使活塞轉(zhuǎn)動松快，然后旋轉(zhuǎn)螺絲固定好。4、測讀水位一一標(biāo)尺的零點(diǎn)已固定在活塞圓心的高程上。當(dāng)測壓管內(nèi)液面穩(wěn)定后，記 下測壓管內(nèi)液面的標(biāo)尺讀數(shù)，即hc值。5、測量流量一一用體積法或重量法測流量時(shí)，每次時(shí)間要求大于20秒，若用電測儀器 測量時(shí)，則需在儀器量程范圍內(nèi)。重復(fù)測三次再

17、取均值。6、改變水頭重復(fù)實(shí)驗(yàn)逐次打開不同高度上的溢水孔蓋，改變管嘴的作用水頭。調(diào) 節(jié)調(diào)速器，使溢流量適中，待水頭穩(wěn)定后，按35步驟重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求、實(shí)驗(yàn)臺號No活塞直徑D = 1.990 cm1、記錄有關(guān)常數(shù)：管嘴內(nèi)徑d = 1.198 cm132、編制實(shí)驗(yàn)參數(shù)記錄、計(jì)算表格并填入實(shí)驗(yàn)參數(shù)（見表3.1）。3、取某一流量，繪出隔離體圖，闡明分析計(jì)算的過程（參見圖32 3.3及表3.1）表1.1測量記錄表及計(jì)算表測次體積V時(shí)間T管嘴作 用水頭H o活塞作用水頭hc流量Q流速V動量力F動量修正系數(shù)1123456六、實(shí)驗(yàn)分析與討論、1、 實(shí)測 與公認(rèn)值（=1.021.05符合與否？試分

18、析原因。實(shí)測 =1.0342與公認(rèn)值符合良好。（如不符合，其最大可能原因之一是翼輪不轉(zhuǎn)所致。為排除 此故障，可用4B鉛筆芯涂抹活塞及活塞套表面）。2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程有無 影響？為什么？無影響。因帶翼片的平板（圖1.4）垂直于x軸，作用在軸心上的力矩T是由射流沖擊平板時(shí)， 沿yz平面通過翼片造成動量矩的差所致，即TQ Vyz2 COS 22Q Vyz1 COS 訂1Q Vyz2COS 2 D式中Q 射流的流量；Vyz1 入流速度在yz平面上的分速;Vyz2 出流速度在yz平面上的分速;入流速度與圓周切線方向的夾角，接近900；2r

19、1.2出流速度與圓周切線方向的夾角；分別為內(nèi)、外圓直徑。14圖1.4該式表明力矩T恒與x方向垂直，動量矩僅與y Z平面上的流速分量有關(guān)。也即是說平板上附加翼片 后，盡管在射流作用下可獲得力矩，但并不會產(chǎn)生x方向的附加力，也不會影響x方向的流速分量。 所以x方向的動量方程與平板上設(shè)不設(shè)翼片無關(guān)。3、通過纟田導(dǎo)水管的分流，其出流角度與V2相同，試問對以上受力分析有無影響？無影響。當(dāng)計(jì)及該分流影響時(shí)（圖1.3），動量方程為2hc DQ2 2 V2x.Q3 3V3x.Q 1V1x4V2x V3x 021% D 1 .Q.V1x421 .QWx .hcD 0即4該式表明只要出流角度與V1垂直，則x方向的

20、動量方程與設(shè)置導(dǎo)水管與否無關(guān)。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求、1、用實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙書寫，卷面整潔，計(jì)算表格、曲線、圖形等正規(guī)化。2、說明成果計(jì)算和整理過程、主要計(jì)算公式及常數(shù)的取值。3、根據(jù)所學(xué)理論對實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象、問題進(jìn)行分析。八、思考題、1、通過細(xì)導(dǎo)水管的分流，其出流角度與V2相同，試問對以上受力分析有無影響？2、對管嘴出流的動量修正系數(shù)理論值進(jìn)行試分析。§ 1-5局部水頭損失實(shí)驗(yàn)1.5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?5測量管流中的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 &

21、#176;彎管，90°折管）管件、21支測壓管、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)兩種方法測量管流的流量。21支測壓管中，有些是用于測量局部水頭損失，有些則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)，單板機(jī)結(jié)束計(jì)時(shí)，兩個(gè)時(shí)間之差為充水時(shí)間，A、B之間的量筒體積（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，淹沒虹吸管

22、之后，水流在虹吸作用下自動出流，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，量筒中的水就會自動排 空，無需人為操作。測量流量時(shí)，將出水通過漏斗引入量筒。水面到達(dá)A、B的時(shí)間由單板機(jī)自動紀(jì)錄并顯示在流量計(jì)的面板上。流量儀表的板面上設(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”、“測量”等四個(gè)命令按鈕。當(dāng)按下“測量”按鈕時(shí)，儀器開始測量。 如果按下“時(shí)間”、“體積”、“流量”，則儀表上顯示時(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)。測量的指示燈點(diǎn)亮，表示正在測量。17"7T181!-1J14測圧管水泵K12

23、II I I I I I I1回水箱圖1.5.1局部損失實(shí)驗(yàn)儀16水位U2呂上 B水憧楷示管A B圖1.5.2電子流量計(jì)的量筒12136 milsiHfigg ES If Hl圖1.5.3電子流量計(jì)的面板測量之前，先按下板面上的“測量”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)會發(fā)生故障。最常見的故障是虹吸管能夠排水，但沒有虹吸的抽水作用， 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 動排空。

24、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 予以說明。突擴(kuò)管：使用測壓管 3，9測量突擴(kuò)管上、下游的壓差，相應(yīng)的伯努利方程為.V3.V9V92h3h92g2g2g(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1)2數(shù)。由流體力學(xué)，的理論值為:(1.5.2)將理論值和實(shí)測值相比較，就可以確定測量誤差。突縮管：使用測壓管 11,12測量突縮管上、下游的壓差，相應(yīng)的伯努利方程是hnV112gV；2g2g(1.5.3)因而突縮管的局部損失系數(shù)不

25、難算出。管流速度，可由流量算出，液柱高度可直接讀出, 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17(1.5.4 )0.5(1 乞)Aii比較實(shí)測值和經(jīng)驗(yàn)值，就可以計(jì)算測量誤差。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.V12hV2V；hi4h152g2g2g由此得到90°彎管的局部損失系數(shù)尋嘰hi5）V15(1.5.5)(1.5.6)查閱有關(guān)手冊，90。彎管的局部損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為0.19。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。編者對本實(shí)驗(yàn)

26、裝置進(jìn)行數(shù)次量測，得到局部損失系數(shù)的平均值為0.27 。90°折管：列出截面18、19的伯努利方程：222v12v19v12h18hw （1.5.8）2g2g2g可見2g2（hw h19）（ 1.5.9）V19有關(guān)手冊給出的90。折管的經(jīng)驗(yàn)值為1.1 o1.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟1 啟動水泵，向水箱充水，同時(shí)稍微打開尾閥，讓水在管流中緩慢流動。2觀察管道中，測壓管內(nèi)是否出現(xiàn)氣泡，若有氣泡，應(yīng)設(shè)法排除。3調(diào)節(jié)尾閥，待水流穩(wěn)定后，記錄各測壓管的讀數(shù)，管流的流量值。183 k更回目錄骨許局部爪買扭尖殺熬計(jì)卑表忖這咼制水頭損.夾實(shí)臉原姑魏據(jù)去圖1.5.4局部損失數(shù)據(jù)表Apr痔暈鈕b血mr itM4

27、 -nklS ffln | M7 陽J? CM1曲,2iit22.0e用12.112H12194ii15 2I"13412R11.5II65L74S20622 L223l?J16.113.413.71339.14W0*"必yrstmIQ仍151a5IS2922JM723fl31B.7IS. 3nJ13 .T:水豐A椅花迦事悅宜出+注意：對于實(shí)擴(kuò)管，讀取測壓管3、9的水柱高度。對于突縮管，讀取測壓管11、12的水柱高度，管道流量則用手工體積法和使用電子流量計(jì)分別測量，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。測量內(nèi)容：用手工和流量計(jì)分別測量流量，取平均值填入

28、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，測壓管水柱高度填入表格，系統(tǒng)自動算 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 數(shù)據(jù)表中為什么沒有計(jì)算雷諾數(shù)？2當(dāng)測壓管、實(shí)驗(yàn)管段出現(xiàn)氣泡時(shí)，你如何將其排除？3如果用測壓管3、4計(jì)算實(shí)擴(kuò)管的局部水頭損失，將會出現(xiàn)什么樣的誤差？§ 1-8雷諾實(shí)驗(yàn)1.8.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒋_定管流臨測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數(shù)曲線,19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)

29、組成。 水流。管段的壓強(qiáng)差用比壓計(jì)測量。1.8.3實(shí)驗(yàn)原理對于圖1.8.1的管段的首、本實(shí)驗(yàn)用手工體積法測流量。尾兩個(gè)斷面應(yīng)用伯努利方程，則有水箱向管道提供穩(wěn)壓zP1V12z1g2gZ22P2 V2 h 一 hfg 2g(1.8.1 )管段水平放置，流速處相同,因而hfP1 P2(182)用比壓計(jì)測量壓差 P1-P2。設(shè)比壓計(jì)兩支測壓管的液柱長度之差為則有P1P2gl sin(183)hf I sin(1.8.4)式中，是比壓計(jì)的水平傾角。只要測出比壓計(jì)兩支液柱長度的差值，由式(1.8.4 )便可以計(jì)算管段水流的沿程水頭損失hf。管流速度等于流量除以截面積。流量用量筒、秒表測量。小流量的測量比

30、較費(fèi)時(shí)。 充水時(shí)間往往超過1分鐘。計(jì)算管流雷諾數(shù)時(shí)，需用到水的運(yùn)動粘度。運(yùn)動粘度與水溫有關(guān)。 水溫，水的運(yùn)動粘度與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為1.775 10 61 0.0337t 0.000221t2式中，大量水溫單位是C,的單位是m2/s。本實(shí)驗(yàn)用溫度計(jì)測量(1.8.5 )程水頭損失hf與速度V的函數(shù)關(guān)系與流態(tài)有關(guān)，層流時(shí),hf與V的一次方成正比，紊流時(shí)，hf與V的1.75 2.0次方成正比，將實(shí)測值標(biāo)在對數(shù)坐標(biāo)log hf log V圖上。如果實(shí)20驗(yàn)曲線斜率為 45°,則說明流態(tài)為層流，否則為紊流。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

31、1 啟動水泵，向水箱注水，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)的測壓管打氣，壓迫測壓管水面下降至中部，再夾緊止水夾， 防止液面上升。試驗(yàn)管段的水不流動時(shí)，比壓計(jì)的兩支測壓管的液面應(yīng)該平齊。若不平，說明測壓管內(nèi)殘留有氣泡，應(yīng)該設(shè)法排除。3. 微微打開尾閥，讓水流速度從小變大，流態(tài)從層流變?yōu)槲闪?。?dāng)流量達(dá)到最大值之 后，慢慢關(guān)小尾閥，使流速從大變小，流態(tài)從紊流變?yōu)閷恿?。改變流量時(shí)，待水流穩(wěn)定后， 測量流量，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)間往往比較長，要耐心 等待

32、。對于本實(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hf < 0.006m。如果比壓計(jì)的水平傾角30°，則比壓計(jì)液柱長度之差 I 0.012m。一般來說，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圖1.8.3所示的對數(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測量結(jié)束后，關(guān)閉水泵，繪制log hflog V曲線圖。測量內(nèi)容：流量（流量有小變大，大最大值后再有大變?。⒈葔毫τ?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loghf IogV曲線圖。由圖看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不

33、咒弦日菲賓teA710鶴Tttc4 nn365.3320.92J305.7581153J3O21053關(guān).3620.S2J2573 L.14M0D22413274P.16UJT2J3510:QS衛(wèi)方OD3J415652艮120322 62.Clftb並陽31JQ131013.軸133333.D265如討,7«血1n®LP.®加AM41J7SLJB2L2J4P?讓皿11J0nn45.5236-DM6£3«S15.Q11J0&型處70P5035左L7.Ct：.2空u47250327Q17flL3 勺況 35 k 29E 2J55 訥IS 1

34、3j5 7535 71KM JJSfl2 j612)*121.)5幻貼15 JO13 1030JQ0A. JU 肌】30 650202 0觀 C53J5O3NP0DE99II UI4U l 95UlZP46Z!2I<dfl241起955.M2L25.3 JO L 7.M3?4.郃】伽27.91(522D.tn2S4W252E.0336M w男63.MJif |Lag3D135J1D&J.1627JIE33351P5鄧1.423Q21(51061Ji4d15421554：J»3J1.0041955S1S»S綁1?皿V；3MD<I5i)143?I T50S1

35、S222.954Sv；,59«5X4W1115似3721L9T221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)不足 4000。下臨界雷諾數(shù)2000左右。與權(quán)威實(shí)驗(yàn)比較，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、出口段落的長度應(yīng)超過 1m。而本裝置的進(jìn)口段，出口段長度不足0.5 m。此外，小流量時(shí)，比壓計(jì)液柱長度差很少， 讀數(shù)誤差很大，要想提高實(shí)驗(yàn)精度， 就要提高流

36、量測量、 壓差測量 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hf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，再從大變小，如果使流量時(shí)而變大，時(shí)而變小，實(shí)驗(yàn)圖 1.8.3log hf log V 曲線點(diǎn)能連成一條光滑曲線嗎？5. 小流量時(shí)，水流達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間為什么很長？6大流量時(shí)，比壓計(jì)液面波動比較明顯，這種情況下應(yīng)如何讀取液面讀數(shù)?§ 2-2圓柱表面壓強(qiáng)分布的測量222.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦L制壓強(qiáng)分布圖，并計(jì)算用壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量繞流圓柱表面的壓強(qiáng)分布

37、, 圖柱體的阻力系數(shù)。222 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理圖2.2.1圓柱表面壓強(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是空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)段。氣流經(jīng)過穩(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)po。當(dāng)氣流經(jīng)收縮段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后，氣流速度分布比較均勻，速度為 壓強(qiáng)為pr氣流繞圓柱體流動時(shí)，流動變得復(fù)雜起來。本實(shí)驗(yàn)測量圓柱體表面各點(diǎn)的壓強(qiáng) 分布。為了測量壓強(qiáng)，在圓柱體表面開設(shè)一個(gè)測壓孔，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，再用軟管將測點(diǎn)壓強(qiáng)引至壓力傳感器。圓柱體可以繞其軸線轉(zhuǎn)動，借此就能夠測出圓柱體表面各點(diǎn)的壓強(qiáng)分布。

38、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，用以測量氣流的總壓poo圓柱體安裝在實(shí)驗(yàn)段的中部，它可繞其軸線轉(zhuǎn)動。 圓柱體表面開設(shè)一個(gè)測壓孔，用導(dǎo)管將測孔的壓強(qiáng)引出。導(dǎo)管的出口位于圓柱體的轉(zhuǎn)動軸線上。在流體力學(xué)中，一般將壓強(qiáng)用無量綱的參數(shù)一一壓強(qiáng)系數(shù)Cp來表示。C P-P P-P(2.2.1 )CP1 V2 Po-P2式中，p，p ,P0分別是測點(diǎn)壓強(qiáng)，來流壓強(qiáng)，駐點(diǎn)壓強(qiáng)(總壓)。式(2.2.1)使用了伯努利方Po丄V2 P

39、丄V2。本實(shí)驗(yàn)將測量圓柱表面壓強(qiáng)系數(shù)的分布。2 卩2在圖柱表面上圓周角0°180°的范圍內(nèi)布置若干測點(diǎn)，分別測pop和p p ,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 阻力系數(shù)Cd可以表示為Fd和Cd2Fd o (p p ) cos Rd(2.2.2 )Fd20 (Pp )Rcos dV2Cp cos d(2.2.3 )23式中，是測點(diǎn)位置的圓周角度，從前駐點(diǎn)起算。本實(shí)驗(yàn)在0。180。的范圍內(nèi)布置N個(gè)測點(diǎn)，于是Cd(Cpcos )i i1(Cp cos )i( i i

40、i)(224 )通常，N=37,i 1 i 5o，但也可以不受此限制，實(shí)驗(yàn)者可以自己選定N和A0 o本實(shí)驗(yàn)用壓力傳感器測量壓差。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 量，電橋的輸出電壓 E與膜片上、下表面的 壓強(qiáng)差P成線性關(guān)系。2.1已經(jīng)測出這種線壓力傳感器PCI7422 型 12 位 32GAL芯片，板性關(guān)系，已知電壓 E就容易求得壓差p。圖2.2.2 cy2000壓力傳感器的輸出電壓E

41、由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動讀取。本實(shí)驗(yàn)使用路A/D轉(zhuǎn)換板卡。A/D轉(zhuǎn)換器采用高性能轉(zhuǎn)換芯片AD1674,地址譯碼電路采用卡工作時(shí)，能按 PCI協(xié)議自動分配基地址。A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為10卩s°（ 100kHz）。L） o在本實(shí)驗(yàn)中，總壓p0個(gè)三通（見圖2.2.2b ）,開當(dāng)閥門把手與氣管軸線同壓力傳感器有兩個(gè)接口，一個(gè)接高壓（H）,另一個(gè)接低壓（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 關(guān)，可以輪流切換至p或P的接口。圖2.2.2c表示切換的方法，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。測量壓差p0 p時(shí)，

42、需關(guān)閉P管即可。測量時(shí)，可先測量p0 p （開通p管，關(guān)閉p管）， 再測內(nèi)p （開通p管，關(guān)閉p管）。系統(tǒng)根據(jù)算式p p （內(nèi)P ）（P0 P），就可得到式 （2.2.1）的值。2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟1 啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將界面轉(zhuǎn)到“圓柱表面壓強(qiáng)系數(shù)測量”。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，請將實(shí)測氣壓值填入。通道號的默認(rèn)值是 1。請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?zhí)顚憣?shí)際使用的通道號。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將測點(diǎn)的圓角度調(diào)至 0，點(diǎn)擊“測量”按鈕，按照提示操作，完成第 1個(gè)測點(diǎn)的測 量。5

43、改變測點(diǎn)的角度，進(jìn)行新測點(diǎn)的測量。本實(shí)驗(yàn)要測量圓柱表面的壓強(qiáng)分布，并計(jì)算阻力系數(shù)，這要求第1個(gè)測點(diǎn)的角度為0° ,最后一個(gè)測點(diǎn)的角度為180°,在0° -180。之間布設(shè)若干個(gè)測點(diǎn)，通常，每隔5°布置一個(gè)測點(diǎn)，但也可不受此限制，任意布置測點(diǎn)角度。不過，0 ° -90。之間的壓強(qiáng)變化比較大，宜多布置測點(diǎn)?？倻y點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于30o另外，角度應(yīng)從小變大，不能忽大忽小。6 測量結(jié)束后，將界面轉(zhuǎn)到下頁。點(diǎn)擊“畫實(shí)驗(yàn)點(diǎn)”、“繪理論曲線”，則系統(tǒng)自動將實(shí)驗(yàn)值標(biāo)在 G 0關(guān)系圖中，同時(shí)給出無粘繞流時(shí)圓柱表面的壓強(qiáng)系數(shù) G=1-4sin 0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)。24224 注意事項(xiàng)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V 10m/s 20m/s，因此 p0 p 60Pa 250 Pa。 請檢查數(shù)據(jù)表第3列p0 p的實(shí)測值是否在此范圍中。另外，0°的測點(diǎn)的G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，0°的測點(diǎn)的壓強(qiáng)系數(shù)G應(yīng)為1。但實(shí)測值僅為0.91