1、流体力学实验指导书 1实 验 一 能 量 转 换 实 验一 、 实 验 目 的1、 熟 悉 流 体 在 流 动 过 程 中 各 种 能 量 和 水 头 的 概 念 及 其 转 换 关 系 ， 加 深 对 伯 努 利 方程 的 理 解 ；2、 观 察 流 体 流 速 随 管 径 变 化 的 规 律 。二 、 实 验 原 理1、 总 水 头 的 分 析 :总 水 头 为 测 压 管 水 头 与 流 速 水 头 之 和 ， 任 意 两 截 面 间 的 能 量 方 程 为 。21,2122 fHgvpZgvpZ图 一 所 示 实 验 装 置 中 ， 从 实 验 可 以 观 测 到 截 面 的 总 水
2、头 低 于 截 面 的 总 水 头 ，BA这 符 合 伯 努 利 方 程 。2、 、 截 面 间 压 强 水 头 的 分 析 ：AB由 于 、 两 截 面 处 于 同 一 水 平 位 置 ， 截 面 面 积 比 截 面 面 积 大 。 所 以 截 面B处 的 流 速 比 截 面 处 小 。 设 流 体 从 截 面 流 到 截 面 的 水 头 损 失 为 ,在 、AAfH两 截 面 间 列 伯 努 利 方 程 。 BAfBBAAgvpZgvpZ,22BAfBABHgvpg,2即 、 两 截 面 处 的 压 强 水 头 之 差 ， 决 定 于 和 。 当Ag2BAf，大 于 时 ， 压 强 水 头
3、 的 增 值 为 正 ， 反 之 ， 压 强 水 头 的 增 值 为 负 。gB2BAfH，3、 、 截 面 间 压 强 水 头 的 分 析 ：CD出 口 阀 全 开 时 ， 由 于 、 截 面 积 相 等 ,所 以 、 两 截 面 处 的 流 速 相 等 ， 即 流CCD速 水 头 相 等 ； 设 流 体 从 截 面 流 到 截 面 的 水 头 损 失 为 ， 在 、 两 截 面DfH, CD间 列 伯 努 利 方 程 。 流体力学实验指导书 2DCfDCC HgvpZgvpZ,22D2DCfCHZgp,即 、 两 截 面 压 强 水 头 之 差 ， 决 定 于 和 。 当 大 于C)(ZD
4、Cf, )(DCZ时 ， 压 强 水 头 的 增 值 为 正 ， 反 之 ， 压 强 水 头 的 增 值 为 负 。DfH,4、 水 头 损 失 的 计 算 ：以 出 口 阀 全 开 时 ， 从 截 面 到 截 面 的 水 头 损 失 为 例 ,在 、 两 截 面 间CDDCfH,列 伯 努 利 方 程 得 ： fgvpZgvpZ,22所 以 ， 水 头 损 失 的 算 法 之 一 是 用 总 水 头 来 计 算 ： HDCDCCDf 22, 水 头 损 失 的 算 法 之 二 是 用 测 压 管 水 头 来 计 算 ： （ ）)()(, gpZDCDCf 三 、 实 验 装 置 与 设 备
5、参 数1、设 备 参 数截面直径 m以 截面中心ABCD为基准面 m第一套 14 28 14 14 0DZ流体力学实验指导书 3.、 、AZB10CD第二套 14 28 14 14 .、 、AZB120C2、实验装置 溢 流 回 流 阀 测 试 管 出 口 调 节 阀测压管水头测量管 总水头测量管离 心 泵 出 口 调 节 阀 低位水槽高位水槽 离 心 泵图一 能量转换实验装置图四 、 实 验 方 法 与 注 意 事 项1、 实 验 方 法 ：（ 1） 向 低 位 水 槽 灌 注 一 定 数 量 的 蒸 馏 水 ， 关 闭 高 位 水 槽 进 水 调 节 阀 门 (离 心 泵 出口 调 节 阀
6、 )及 实 验 测 试 管 出 口 调 节 阀 门 ， 然 后 启 动 离 心 泵 。（ 2） 逐 步 开 大 高 位 水 槽 进 水 调 节 阀 ， 当 高 位 水 槽 溢 流 管 液 体 有 一 定 溢 流 量 后 ，调 节 测 试 管 出 口 调 节 阀 为 全 开 位 置 ， 要 保 证 高 位 水 槽 液 面 不 下 降 。（ 3） 观 察 截 面 处 测 压 管 水 头 测 量 管 ， 在 测 试 管 出 口 调 节 阀 全 关 位 置 和 全 开 位 置D时 的 水 柱 高 度 差 。H（ 4） 全 开 实 验 测 试 管 出 口 调 节 阀 ， 待 流 体 稳 定 后 读 取
7、、 、 、 截 面 测 压ABCD管 水 头 和 总 水 头 的 读 数 并 记 录 数 据 。（ 5） 调 节 实 验 测 试 管 出 口 调 节 阀 ， 观 察 截 面 处 测 压 管 水 头 的 高 度 ， 使 之 稳 定D在 处 ， 读 取 、 、 、 截 面 测 压 管 水 头 和 总 水 头 的 读 数 并 记 录 数 据 。31ABC（ 6） 调 节 实 验 测 试 管 出 口 调 节 阀 ， 观 察 截 面 处 测 压 管 水 头 的 高 度 ， 使 之 稳 定流体力学实验指导书 4在 处 ， 读 取 、 、 、 截 面 测 压 管 水 头 和 总 水 头 的 读 数 并 记
8、录 数 据 。H32ABCD（ 7） 全 关 实 验 测 试 管 出 口 调 节 阀 ， 读 取 、 、 、 截 面 测 压 管 水 头 和 总 水ABCD头 的 读 数 并 记 录 数 据 。（ 8） 实 验 结 束 ， 停 止 离 心 泵 ， 关 闭 高 位 水 槽 进 水 调 节 阀 门 及 实 验 测 试 管 出 口 调 节阀 门 ， 切 断 总 电 源 。2、 注 意 事 项 ：(1)不 要 将 高 位 水 槽 进 水 调 节 阀 开 得 过 大 以 免 使 水 流 冲 击 到 高 位 水 槽 外 面 ， 同 时 导致 高 位 水 槽 液 面 不 稳 定 。(2)当 测 试 管 出
9、口 调 节 阀 开 大 时 ， 应 检 查 一 下 高 位 槽 内 的 水 面 是 否 稳 定 ， 当 水 面 下降 时 应 适 当 开 大 高 位 水 槽 进 水 调 节 阀 。(3) 测 试 管 出 口 调 节 阀 须 缓 慢 地 关 小 ， 以 免 造 成 流 量 突 然 下 降 测 压 管 中 的 水 溢 出 管外 。(4)注 意 排 除 实 验 测 试 管 内 的 空 气 泡 。(5)离 心 泵 不 要 空 转 和 在 出 口 阀 门 全 关 的 条 件下工作。五 、 实 验 数 据 记 录1、 基 本 数 据 ： 使 用 的 设 备 编 号 ：2、 实 验 数 据 列 表 ：截面A
10、截面B截面C截面D阀门操作水柱高度mPHPHPPH全开阀门 1h关小 阀门 31)(2关小 阀门2H3全关阀门 )(4h六 、 计 算 举 例 ： 由 实 验 所 测 数 据 计 算 各 截 面 处 流 速 及 沿 流 动 方 向 上 各 截 面 间 的 水头 损 失 。七 、 实 验 结 果 分 析 与 思 考1、 全 开 阀 门 时 ：（ 1） 为 什 么 ， ， ， ， 物 理 意 义 是 什AHPPBHPCPDH么 ？（ 2） 为 什 么 ， 物 理 意 义 是 什 么 ？DCBA流体力学实验指导书 5（ 3） 比 较 与 （ ； ） ， 哪 个 大 ， 为 什AHBPAAHPBBH么
11、 ？ 两 者 之 差 的 物 理 意 义 是 什 么 ？（ 4） 与 ， 是 否 相 等 ， 为 什 么 ？AC2、 全 关 阀 门 时 ：（ 1） 、 、 、 各 点 是 否 同 高 ， 为 什 么 ， 物 理 意 义 是 什 么 ？BD（ 2） 比 较 、 两 点 的 测 压 管 水 头 ， 哪 个 大 ？3、 随 着 流 量 减 少 ， 各 点 的 高 度 变 化 如 何 ， 为 什 么 ？流体力学实验指导书 6实 验 二 雷 诺 实 验一、实验目的1、 观 察 流 体 在 管 内 流 动 的 两 种 不 同 流 动 型 态 。 2、 测 定 临 界 雷 诺 数 Re c 。二、实验原理
12、流 体 流 动 有 两 种 不 同 型 态 ， 即 层 流 （ 或 称 滞 流 ） 和 紊 流 （ 或 称 湍 流 ） ， 这 一 现 象 最早 是 由 雷 诺 （ Reynolds） 于 1883 年 首 先 发 现 的 。 流 体 作 层 流 流 动 时 ， 其 流 体 质 点 作 平行 于 管 轴 的 直 线 运 动 ， 且 在 径 向 无 脉 动 ； 流 体 作 紊 流 流 动 时 ， 其 流 体 质 点 除 沿 管 轴 方向 作 向 前 运 动 外 ， 还 在 径 向 作 脉 动 ， 从 而 在 宏 观 上 显 示 出 紊 乱 地 向 各 个 方 向 作 不 规 则 的运 动 。流
13、体 流 动 型 态 可 用 雷 诺 数 （ Re） 来 判 断 ， 这 是 一 个 由 各 影 响 变 量 组 合 而 成 的 无 因 次数 群 ， 故 其 值 不 会 因 采 用 不 同 的 单 位 制 而 不 同 。 但 应 当 注 意 ， 数 群 中 各 物 理 量 必 须 采 用同 一 单 位 制 。 若 流 体 在 圆 管 内 流 动 ， 则 雷 诺 数 可 用 下 式 表 示 ：（1）de式 中 ： Re 雷 诺 数 ， 无 因 次 ； d 管 子 内 径 ， m； 流 体 在 管 内 的 平 均 流 速 ， m s； 流 体 密 度 ， kg m3； 流 体 的 动 力 粘 滞
14、系 数 ； Pas。 层 流 转 变 为 紊 流 时 的 雷 诺 数 称 为 临 界 雷 诺 数 ， 用 表 示 。 工 程 上 一 般 认 为 ， 流KRe体 在 直 圆 管 内 流 动 时 ， 当 Re4000 时 ， 圆 管 内 已 形 成 紊 流 ； 当Re 在 2000 至 4000 范 围 内 ， 流 动 处 于 一 种 过 渡 状 态 ， 可 能 是 层 流 ， 也 可 能 是 紊 流 ， 或者 是 二 者 交 替 出 现 ， 这 要 视 外 界 干 扰 而 定 ， 一 般 称 这 一 Re 数 范 围 为 过 渡 区 。式 （ 1） 表 明 ， 对 于 一 定 温 度 的 流
15、体 ， 在 特 定 的 圆 管 内 流 动 ， 雷 诺 数 仅 与 流 体 流 速有 关 。 本 实 验 即 是 通 过 改 变 流 体 在 管 内 的 速 度 ， 观 察 在 不 同 雷 诺 数 下 流 体 的 流 动 型 态 。三 、 实 验 装 置 与 设 备 参 数主 要 由 玻 璃 试 验 导 管 、 流 量 计 、 流 量 调 节 阀 、 低 位 贮 水 槽 、 循 环 水 泵 、 稳 压 溢 流 水槽 等 部 分 组 成 ， 演 示 主 管 路 为 mm 硬 质 玻 璃 。 20流体力学实验指导书 72、 实 验 装 置 如 图 一 所 示 ：1 2 6 3 7 4 89 5 图
16、 一 雷 诺 实 验 装 置 图1 红 墨 水 储 槽 ； 2 溢 流 稳 压 槽 ； 3 实 验 管 ； 4 转 子 流 量 计 ；5 循 环 泵 ； 6 上 水 管 ； 7 溢 流 回 水 管 ； 8 调 节 阀 ； 9 储 水 槽四 、 实 验 方 法 ：实 验 前 ， 先 将 水 充 满 低 位 贮 水 槽 ， 关 闭 流 量 计 后 的 调 节 阀 ， 然 后 启 动 循 环 水 泵 。 待水 充 满 稳 压 溢 流 水 槽 后 ， 开 启 流 量 计 后 的 调 节 阀 。 水 由 稳 压 溢 流 水 槽 流 经 缓 冲 槽 、 试 验导 管 和 流 量 计 ， 最 后 流 回 低
17、 位 贮 水 槽 。 水 流 量 的 大 小 ， 可 由 流 量 计 和 调 节 阀 调 节 。示 踪 剂 采 用 红 色 墨 水 ， 它 由 红 墨 水 贮 瓶 经 连 接 管 和 细 孔 喷 嘴 ， 注 入 试 验 导 管 。 细 孔玻 璃 注 射 管 (或 注 射 针 头 )位 于 试 验 导 管 人 口 的 轴 线 部 位 。流体力学实验指导书 8注 意 ： 实 验 用 的 水 应 清 洁 ， 红 墨 水 的 密 度 应 与 水 相 当 ， 装 置 要 放 置 平 稳 ， 避 免 震 动 。（ 1） 层 流 流 动 型 态 试 验 时 ， 先 少 许 开 启 调 节 阀 ， 将 流 速
18、 调 至 所 需 要 的 值 。 再 调 节 红 墨 水 贮 瓶 的 下 口 旋塞 ， 并 作 精 细 调 节 ， 使 红 墨 水 的 注 人 流 速 与 试 验 导 管 中 主 体 流 体 的 流 速 相 适 应 ， 一 般 略低 于 主 体 流 体 的 流 速 为 宜 。 待 流 动 稳 定 后 记 录 主 体 流 体 的 流 量 。 此 时 ， 在 试 验 导 管 的轴 线 上 ， 就 可 观 察 到 一 条 平 直 的 红 色 细 流 ， 好 像 一 根 拉 直 的 红 线 一 样 。 （ 2） 紊 流 流 动 型 态缓 慢 地 加 大 调 节 阀 的 开 度 ， 使 水 流 量 平
19、稳 地 增 大 ， 玻 璃 导 管 内 的 流 速 也 随 之 平 稳 地增 大 。 此 时 可 观 察 到 ， 玻 璃 导 管 轴 线 上 呈 直 线 流 动 的 红 色 细 流 ， 开 始 发 生 波 动 。 随 着 流速 的 增 大 ， 红 色 细 流 的 波 动 程 度 也 随 之 增 大 ， 最 后 断 裂 成 一 段 段 的 红 色 细 流 。 当 流 速 继续 增 大 时 ， 红 墨 水 进 入 试 验 导 管 后 立 即 呈 烟 雾 状 分 散 在 整 个 导 管 内 ， 进 而 迅 速 与 主 体 水流 混 为 体 ， 使 整 个 管 内 流 体 染 为 红 色 ， 以 致
20、无 法 辨 别 红 墨 水 的 流 线 。流体力学实验指导书 9实验三 流动过程综合实验（一）单向流动阻力实验一、实验目的1、 学 习 直 管 摩 擦 阻 力 ， 直 管 摩 擦 系 数 的 测 定 方 法 。fP2、 掌 握 直 管 摩 擦 系 数 与 雷 诺 数 的 关 系 及 变 化 规 律 。Re3、 画 出 关 系 图Re二、实验原理图 一 所 示 装 置 中 ， 在 被 测 直 管 段 的 两 取 压 口 之 间 列 伯 努 利 方 程 式 ， 可 得 ：(1)Pf(2)gvdLhff 2(3)2vf(4)d.Re式 中 ： 管 径 ； dm管 长 ；L流 速 ；vs直 管 阻 力
21、 引 起 的 压 降 ；fPPa流 体 密 度 ；3mkg流 体 运 动 粘 度 ；s2摩 擦 阻 力 系 数 ；雷 诺 数 。Re三、实验装置与设备参数1、 实 验 装 置（ 1） 实 验 装 置 示 意 图 见 图 一 。 离 心 水 泵 7 将 储 水 槽 16 中 的 水 抽 出 ， 送 入 实 验 系流体力学实验指导书 10统 ， 经 玻 璃 转 子 流 量 计 1 测 量 流 量 ， 然 后 送 入 被 测 直 管 段 3 测 量 流 体 流 动 的 阻 力 ， 经回 流 管 流 回 储 水 槽 16。 被 测 直 管 段 3 流 体 流 动 阻 力 可 根 据 其 数 值 大 小
22、 分 别 采 用 压P差 变 送 器 4 或 空 气 水 倒 置 型 管 来 测 量 。（ 2） 压 差 传 感 器 与 直 流 数 字 电 压 连 接 方 法 见 图 二 。 测 压 口测 压 口 112351716907148图一 流体力学综合实验装置示意图1、转子流量计；2、10、18 流量调节阀；3、直管阻力测试管；4、压差变送器；5、13 显示仪表；6、倒置 U 型管；7、离心泵；8、压力表；9、真空表；11、文氏流量计；12、压差变送器；14、功率表；15、频率计；16、水箱；17、涡轮流量计 图 二 测 压 管 路 图 54接 测 压 管 接 测 压 管AB1B2C62、 设 备
23、 的 主 要 技 术 数 据 ：流体力学实验指导书 11（ 1） 被 测 直 管 段 ：编号 管径 d（m） 管长 L（m）1 0.00820 1.6002 0.00800 1.6003 0.00800 1.6004 0.00820 1.6005 0.00740 1.6006 0.00740 1.600材 料 均 为 不 锈 钢（ 2） 玻 璃 转 子 流 量 计 ：型 号 测量范围（L/h） 精度LZB25 1001000 1.5LZB10 10100 2.5（ 3） 压 差 传 感 器 ：型号：LXWY 测量范围：200 KPa（ 4） 数 显 表 ：型号：PD139 测量范围：0200K
24、Pa（ 5） 离 心 清 水 泵 ：型号：WB70/055 流量：20200（Lh）扬程：1913.5(m)电机功率：550（W） 电流：1.35(A) 电压：380（V）四、实验方法与注意事项：1、实验方法：（1）向储水槽内注蒸馏水，直到水满为止。（2）打开阀门 10 灌泵，使离心泵中充满水后，关闭阀门 10。（3）在面板上设置电机频率为 50HZ。（4）大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热 1015 分钟以上，观察数字仪表的初始值并记录后按 RUN 键启动泵做实验。（5）检查系统内有无气泡存在。当流量为 0 时打开 B1、B2 两阀门，若空气水倒置型管内两液柱的高度差不为 0，则说明系
25、统内有气泡存在，需赶净气泡方可测取数据。赶气泡的方法：将流量调至较大，排出导管内的气泡，直至排净为止。（5）测取数据顺序可从大流量至小流量，反之亦可，一般测 1520 组数据，建议当流量读数小于 300 时，只用空气水倒置型管测压差。hL（6）待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停止离心泵，切断电源。2、注意事项：（1）利用压力传感器测大流量下 时，应切断空气一水倒置 型管 、 两阀门，PU1B2流体力学实验指导书 12否则影响测量数值。（2）在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。（3）若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。五、实验数据记录1、基本数
26、据：使用的设备编号：2、实验数据列表实验开始前水温 ； 实验结束后水温 ；实验平均水温 。 压差读数初始值 kPa直管压差 P流速 序号流量hLOmH2asmRe1234567891011121314151617181920六、计算举例：以上表中某一序号为例，写出计算过程。七、实验结果分析：在双对数坐标纸上作出 的关系图并分析所得曲线是否合符Re课堂理论所讲。流体力学实验指导书 13(二) 流量计性能测定实验一、实验目的1、测定文丘里流量计的流量与压差之间的关系，求流量系数 。C2、测定流量系数 随雷诺数 的变化规律。CRe3、掌握流量计的标定方法。二、实验原理1、涡轮流量计仪表常数与体积流量
27、之间的关系为：KfQslf涡轮流量计的频率 Hz K流量计仪表常数 1/LQ流量 sl2、流体通过节流式流量计时，在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：(2)(20下上 PCA式中：被测流体（水）的体积流量， ；Qsm/3流量系数，无因次；C流量计节流孔截面积， ；0A2流量计上、下游两取压口之间的压强差， ；下上 P Pa被测流体(水)的密度， 。 3mkg3、用涡轮流量计作为标准流量计来标定文丘里流量计的流量 。每一个流量在压差Q计上都有一对应的读数，将压差计读数 和流量 绘制成一条曲线，即流量标定曲线。P同时用上式整理数据可进一步得到 关系曲线。ReC雷诺数计算：流体
28、力学实验指导书 14(3)d.Re三、实验装置与设备参数1、 实验装置见图一2、 设备参数主管道管径：0.043 m文丘里喉径：第 6 套为 0.020 ，其余均为 0.025 。m涡轮流量计仪表常数：第一套 流量计仪表常数为 77.496 L1第二套 流量计仪表常数为 76.813 第三套 流量计仪表常数为 77.799 第四套 流量计仪表常数为 77.698 L1第五套 流量计仪表常数为 76.983 第六套 流量计仪表常数为 76.695 四、实验方法与注意事项1、实验方法：（1）储水槽 16 内应有水；（2）检查流量调节阀 10，压力表 8 的开关及真空表 9 的开关是否关闭(应关闭)
29、 ；（3）启动离心泵，缓慢打开调节阀 10 至全开。待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据；（4）测取数据的顺序可从最大流量至 0，或反之。一般测 1520 组数据；（5）每次测量同时记录流量和压差的读数；（6）实验结束，关闭调节阀，停泵，切断电源。2、注意事项：（1）该装置应良好地接地；（2）启动离心泵前，关闭压力表和真空表的开关 以免损坏压力表。五、实验数据记录1、基本数椐：使用的设备编号：2、实验数据列表：实验开始前水温 ； 实验结束时水温 ； 平均水温 文丘里流量计压差读数初始值 kPa流体力学实验指导书 15涡轮流量计 文丘里流量计 文丘里流量计
30、 流量 Q流速 序号 fkPasm3ReC1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415六、计算举例：以上表中某一序号为例写出计算过程；七、实验结果分析：在双对数坐标纸上作出文丘里流量计的流量与压差间的关系图，在单对数坐标纸上作出流量系数与雷诺数 Re 间的关系图并分析。流体力学实验指导书 16附录：水的粘滞系数一个大气压下水的容重和密度t sPa310sm2610t sPa310sm26100 1.792 1.792 40 0.656 0.6615 1.519 1.519 45 0.599 0.60510 1.308 1.308 50 0.549 0.55615 1.1
31、40 1.140 60 0.469 0.47720 1.005 1.007 70 0.406 0.41525 0.894 0.897 80 0.357 0.36730 0.801 0.804 90 0.317 0.32835 0.723 0.727 100 0.284 0.296流体力学实验指导书 17温度 容重 3mkN密度3g温度 容重3mkN密度 3g温度 容重 3mkN密度3g0 9.806 999.9 15 9.799 999.1 60 9.645 983.21 9.806 999.9 20 9.790 998.2 65 9.617 980.62 9.807 1000.0 25 9.778 997.1 70 9.590 977.83 9.807 1000.0 30 9.755 995.7 75 9.561 974.94 9.807 1000.0 35 9.749 994.1 80 9.529 971.85 9.807 1000.0 40 9.731 992.2 85 9.500 968.76 9.807 1000.0 45 9.710 990.2 90 9.467 965.38 9.806 999.9 50 9.690 988.1 95 9.433 961.910 9.805 999.7 55 9.657 985.7 100 9.399 958.4
