流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書全解

1、工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書河北理工大學(xué)給排水實驗室編者：楊永適用專業(yè)：給排水工程專業(yè)、建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)實驗?zāi)夸洠簩嶒炓唬豪字Z實驗實驗二：伯努利方程實驗實驗三：阻力及阻力系數(shù)測定實驗實驗四：孔口管嘴實驗實驗操作及實驗報告書寫要求：一、實驗課前認(rèn)真預(yù)習(xí)實驗要求有預(yù)習(xí)報告。二、做實驗以前把與本次實驗相關(guān)的課本理論內(nèi)容復(fù)習(xí)一下。三、實驗要求原始數(shù)據(jù)必須記錄在原始數(shù)據(jù)實驗紙上。四、實驗報告一律用標(biāo)準(zhǔn)實驗報告紙。五、實驗報告內(nèi)容包括：1. 實驗?zāi)康模?. 實驗儀器；3. 實驗原理；4. 實驗過程；5. 實驗數(shù)據(jù)的整理與處理。六、 實驗指導(dǎo)書只是學(xué)生的指導(dǎo)性教材，學(xué)生在寫實驗報告時指導(dǎo)書制作為參考，具體寫

2、作內(nèi)容由學(xué)生根據(jù)實際操作去寫。七、 根據(jù)專業(yè)不同以及實驗學(xué)時，由任課教師以及實驗老師選定實驗內(nèi)容。建筑工程學(xué)院給排水實驗室編者：楊永2014.5實驗一雷諾實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康模海ㄒ唬┯^察實驗中實驗線的現(xiàn)象。（二）掌握體積法測流量的方法。（三）觀察層流、臨界流、紊流的現(xiàn)象。（四）掌握臨界雷諾數(shù)測量的方法。二、實驗儀器：實驗中用到的主要儀器有：雷諾實驗儀、1000mL 量筒、秒表、 10L 水桶等三、實驗原理：有壓管路流體在流動過程中，由于條件的改變（例如，管徑改變、溫度的改變、管壁的粗糙度改變、流速的改變）會造成流體流態(tài)的變化，會出現(xiàn)層流、臨界流、紊流等現(xiàn)象。英國科學(xué)家雷諾（Reynolds）

3、在 1883 年通過系統(tǒng)的實驗研究，首先證實了流體的流動結(jié)構(gòu)有層流和紊流兩種形態(tài)。層流的特點是流體的質(zhì)點在流動過程中互不摻混呈線狀運動，運動要素不呈現(xiàn)脈動現(xiàn)象。 在紊流中流體的質(zhì)點互相摻混，其運動軌跡是曲折混亂的，運動要素發(fā)生脈動現(xiàn)象。雷諾等人經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)臨界流速與過流斷面的特征幾何尺寸管徑d、流體的動力粘度和密度有關(guān)，即 ukf d、 、。由以上四個量組成一個udud無量綱數(shù)，稱為雷諾數(shù)Re , 即 Re其中： u 為流速，為流體的密度，為流體的動力粘度，為運動粘度。雷諾數(shù)可以作為判別流態(tài)的準(zhǔn)則。雷諾數(shù)公式右邊的分母、 分子分別反映了流動流體的慣性力和粘滯力的比值。Re 小，反映了粘滯

4、力作用大，對流體質(zhì)點運動起約束作用，到一定程度，質(zhì)點互不摻混，呈層流；反之，則呈現(xiàn)紊流狀態(tài)。四、實驗步驟：打開開關(guān)使水箱充水至水位溢流，經(jīng)穩(wěn)定后，微開啟調(diào)節(jié)閥，并注顏色水人玻璃管內(nèi)， 便顏色水流成一直線， 通過顏色水質(zhì)點的運動觀察管內(nèi)水流的層流流態(tài) ;然后逐步開大調(diào)節(jié)閥，通過顏色水直線的變化觀察層流轉(zhuǎn)變到紊流的水力特征 ;待管中出現(xiàn)完全紊流后，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，觀察由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯乃μ卣鳌４蜷_出水閥門讓水流經(jīng)實驗管路，在此過程中有小到大逐漸開打閥門。在閥門開起比較小的情況下， 水流在管路中成一條線性流動，水流在橫向斷面上沒有摻混的現(xiàn)象，這種狀態(tài)下就是層流狀態(tài)。然后隨著閥門的不斷開大， 水流

5、開始產(chǎn)生一定的波動現(xiàn)象，出現(xiàn)比較穩(wěn)定的脈動現(xiàn)象，這時水流達到臨界狀態(tài)， 此時的臨界雷諾數(shù)值達到 200020000，數(shù)值變化范圍比較大，沒有實際應(yīng)用價值。將調(diào)節(jié)閥打開，使管中呈完全紊流，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥使流量減少(不許增大 )，當(dāng)流量調(diào)到使顏色水在全管中剛剛呈現(xiàn)為一穩(wěn)定直線時，即為下臨界狀態(tài)。注意 :每調(diào)節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定幾分鐘，并且流量不可開得太大，以免水箱中的水體引起紊動。 若因水箱中的水體紊動而干擾進口水流時需關(guān)閉閥門， 靜置 35min，再按步驟重復(fù)進行實驗。a. 待管中出現(xiàn)臨界狀態(tài)時，用體積法測定流量，此操作重復(fù)兩次。b. 根據(jù)所測流量計算下臨界雷諾數(shù)。c. 重新打開調(diào)節(jié)閥，使

6、其形成完全紊流，按照上述步驟測量下臨界雷諾數(shù)3次。d. 同時由水箱中的溫度計測量水溫，根據(jù)公式求得水的運動黏度。e. 記錄實驗管路的管徑，量測水溫。重復(fù)以上操作3-5 次（要求每位同學(xué)最少調(diào)試一次） ，然后關(guān)閉進水閥、出水閥、墨水的閥門。五、實驗數(shù)據(jù)整理及數(shù)據(jù)處理：實驗數(shù)據(jù)需要記錄當(dāng)時做實驗的水溫，管路管徑，出水體積以及時間。根據(jù)公式 Reudud 計算臨界值雷諾數(shù)。運動粘度可以根據(jù)水溫通過以下公式進行計算。0.01775210.0377t0.000221t表 1-1管路管徑：mm 水溫：體積 V時間 t流量 Q流速平均流速次數(shù)（ ml）（ s）雷諾數(shù)ml/sm/sm/s12345總平均雷諾數(shù)

7、六、實驗問題：1. 實驗中常常會出現(xiàn)臨界水流不穩(wěn)定的現(xiàn)象2. 實驗流量的計量用體積法記錄，量桶刻度觀察時，要放在比較平的地方。七、實驗中應(yīng)當(dāng)注意的事項：1. 實驗中因為臨界狀態(tài)的不穩(wěn)定， 因此要求在實驗過程中， 不能碰實驗儀器。2. 在實驗過程中可以打開實驗管路下面燈箱的管燈， 但是應(yīng)當(dāng)注意不要使水流進燈箱。八、實驗報告要求：1. 實驗報告必須按照實驗要求寫全所有的項目2. 實驗報告必須用標(biāo)準(zhǔn)的實驗報紙3. 實驗的原始數(shù)據(jù)寫在實驗報告原始數(shù)據(jù)記錄紙上， 注意實驗原始數(shù)據(jù)是沒有經(jīng)過處理的原始記錄數(shù)據(jù)。4. 實驗數(shù)據(jù)的處理要求有根據(jù)，注意和實驗原始數(shù)據(jù)區(qū)分開。九、 實驗原始數(shù)據(jù)記錄表格：表 1-1

8、管路管徑：mm 水溫：體積 V時間 t流量 Q組數(shù)次數(shù)（ ml）（s）ml/s1（一）21（二）21（三）21（四）21（五）2實驗二伯努利方程綜合實驗一、實驗?zāi)康模?. 加深對伯努利方程的理解。2. 觀察流體流經(jīng)能量方程實驗管的能量轉(zhuǎn)化情況。3. 對實驗中出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象進行分析。4. 掌握一種測量液體流速的原理。5. 驗證靜壓原理。6. 掌握數(shù)據(jù)的記錄、整理、處理的方法。7. 了解伯努利方程實驗的實驗原理。8. 掌握浮子法測流量的方法。二、實驗內(nèi)容：1. 驗證靜壓原理同時進行壓力管的校正。2. 掌握畢托管測定流速的原理和方法。3. 掌握運用體積法測定平均流量的方法。4. 驗證伯努力方程

9、。三、實驗原理：在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取i 個過水?dāng)嗝?，可以列出進口斷面l 至另一斷面 i 的能量方程式：p11 v1 2p22 v2 2hw1 2pii vi23.1z12gz22gzi2ghw1iggg取 ，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出管路的流量，即可算出斷面平均流速v 及從而即可得到各測壓管水頭和總水頭(為各斷面動能修正系數(shù) )。四、實驗裝置：伯努力方程實驗裝置圖五、實驗方法與步驟：熟悉實驗設(shè)備， 了解各測壓管與各測點的對應(yīng)關(guān)系， 以及普通測壓管與畢托管測壓管的區(qū)別。打開開關(guān)供水， 使水箱充水，待水箱溢流后， 檢查泄水閥關(guān)閉時所有測壓管水面是否齊平；若不平則需查明原因，

10、并加以排除直至調(diào)平。打開出水閥觀察測壓管線和總水頭線的變化趨勢及位置水頭、 壓強水頭之間的相互關(guān)系，觀察當(dāng)流量增加或減少時測壓管水頭的變化情況。調(diào)節(jié)出水閥的開度， 待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時測記實驗流量。調(diào)節(jié)出水閥的開度 12 次，按步驟重復(fù)測量， 并使其中一次為閥門的最大開度。六、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理：1. 驗證靜壓原理：打開進水閥門， 是水箱內(nèi)的溢流堰口出水，以保證水箱內(nèi)水位穩(wěn)定，保持一個定水頭。關(guān)閉出水閥門以及進水閥門，此時能量方程測壓管上各個測柱的高度應(yīng)該相等。因為水在管路中沒有流動， 沒有能量損失， 因此根據(jù)靜壓壓力傳遞原理各個液柱的高度應(yīng)該相等。即在靜止不可壓縮、 均勻

11、分布重力流體中， 任意點單位重量的總能量保持不變。 但實際中，由于各種實際條件的不同， 使得液柱高度不同，因此需要對液柱進行校正。關(guān)閉和打開出水端水口時觀察測壓管液柱的升降速度，即觀察測壓管內(nèi)液柱哪個先上升，哪個先下降。表 2-1靜壓強液柱校正數(shù)據(jù)液柱12345678910號左右左右左右左右左右左右左右左右左右左右液柱高度校正值2. 畢托管測速原理：畢托管是廣泛應(yīng)用于測量水流和氣流中流速的一種儀器，管段前段開一小孔正對水流方向。內(nèi)部通過一條管路連接到測壓管上。管的側(cè)壁開若干小孔，小孔通過管壁的環(huán)路連另一個測壓管。 當(dāng)測定水流時兩管連接的測壓管的水面差反映了開口處的壓力差。液體流進正對水流的開口

12、段，水流開始由于壓強的存在水柱液面上升，直到液柱高度停止上升，讀取此時的壓力值。畢托管測速是根據(jù)伯努力方程推導(dǎo)得出。z1p11v12p22 v223.2g2 gz2g2ghw1 2式中：本實驗中認(rèn)為開口在一個水平面上，因此式子兩端的Z 值認(rèn)為相等。 p1 ， p2 通過測壓管的制讀出來。gg 正對水流的進口處由于管路的作用，此處的動能轉(zhuǎn)化為勢能體現(xiàn)在測壓管上；側(cè)避開孔所連接的測壓管， 由于對水流沒有阻擋作用因此此處的總能量有水流的動能以及此處的靜壓。 hw1 2 在實驗中水頭損失不考慮因此通過上述分析， 2.2 式可以化簡為：p1p222 v23.3gg2g2 v22p1p23.42ggg因此

13、可以運用畢托管測量流速：up1p23.52ggg因此可以運用 2.5 公式進行速度的求解。要求有計算過程和計算數(shù)值（見表2-2 中平均流速）3. 流量測定原理： 浮子法測定流量原理：畢托管測量流速測得的為管路中點的流速， 由于有壓管路中阻力的存在， 根據(jù)層流狀態(tài)知道， 水流在有壓管路中流態(tài)呈拋物線。 根據(jù)數(shù)學(xué)微分方程求積分知道平均流速為最大點流速的 2 倍。本實驗中流量的測量運用浮子法求流量， 然后根據(jù)連續(xù)流原理，求解管路的平均流速。 當(dāng)水的液面增長到下面的小浮子的時候，由于小浮子的感壓會傳輸信號給記錄裝置， 當(dāng)上面小浮子感受壓力以后， 產(chǎn)生傳輸信號給記錄裝置停止記錄數(shù)據(jù)。 記錄裝置回在一定的

14、體積下記錄實驗時間， 從而計算出流量。QV3.6tQQ3.7u1AD24 文丘里管測定流量的原理：在文丘里管流量計入口取 1-1 斷面，在其喉部收縮斷面處取 2-2 斷面，由于流量計水平放置，因此 z1=z2，則可以列能量方程（不計水頭損失，因為喉部為光滑曲面，局部水頭損失較小，同時由于文丘里管較短，沿程水頭損失可忽略）22p11p223.8式2g2g根據(jù)連續(xù)性方程得到： 1 w1 2 w2 Q 3.9式解（ 6）式（ 7）式，可以得出計算流量的公式w2p1 p2d 2p1 p2或Q4Q2g2gw22d2411w1d1式中：p1p2 兩斷面間測壓管水頭差，也就是測壓管內(nèi)的液面高度差 h。d 2

15、令 K42g ，因此，測出測壓管水位高度差h 以后，就可41d2d1以求出流量 Q。要求有計算過程和計算數(shù)值（見表2-2 中點流速）表 2-2平均流速、點流速實驗數(shù)據(jù)記錄次數(shù)hhhhh12345次數(shù)hhhhh123454. 伯努力方程實驗原理：p11v12p22 v22z12 gz2g2 ghw1 23.10g伯努力方程應(yīng)該滿足一下條件：流體運動是恒定流；流體運動符合連續(xù)原理； 作用于流體上的質(zhì)量力只有重力；所取過水?dāng)嗝?1-1，2-2 在漸變流或均勻流區(qū)域，但是兩個斷面間不必都是漸變流或均勻流；所取過水?dāng)嗝骈g沒有流量流入或流出，也沒有能量的輸入與輸出。驗證伯努力方程時，首先要分析現(xiàn)象，建立運

16、動的流線幾何圖形。選好計算點和基準(zhǔn)面。壓強的表示法，一般都以相對壓強計，也可以用絕對壓強，但是同一個方程中必須一致；所取單位要一致。全面考慮和分析所選取兩個過水?dāng)嗝骈g的能量損失。一類是沿程損失，一類是局部損失。 繪制水頭線時，一般先繪制總水頭線， 因為在沒有能量輸入輸出時， 他一定是沿流程下降的。然后繪制壓管水頭線。 已經(jīng)測得的過水?dāng)嗝嫔系目偹^端點和測壓管水頭端點可以作為水頭線的控制點 。實驗不同流量下的總水頭線：表 2-3水頭線數(shù)據(jù)記錄次數(shù)hhhhhhhhhhhhhhhhhhhh1212121212121212121212345原始數(shù)據(jù)記錄表：表2-1靜壓強液柱校正數(shù)據(jù)液柱號12345678910左右左右左右左右左右左右左右左右左右左右液柱高度 (mm)校正值 (mm)原始數(shù)據(jù)記錄表：表2-4液柱高