1、课程编号：0230042课程名称：工程流体力学流体力学实验指导书（机械类）Hydrodynamics Experiment Instructor(Enginery)(Belong to Pyrology Staff Room)Hefei University of Technology2011.8实验一 静压实验Experiment 1 Static Pressure Experiment一、实验目的1、通过实验理解流体静力学基本方程式的能量意义和几可意义。2、验证容器中流体内任意两点 1 和 2 的测压管水头相等，即有+ 。1ZgP23、测量液体的密度（本实验为测量酒精密度）二、实验原理1、
2、重力作用下处于静止状态的连续均质不可压缩流体的基本方程式为： tconsgPZa该式的能量意义是：流体中各点处单位重量流体所具有的总势能，即位置势能 Z 和压力势能 ( ) 之和均相等。该式的几何意义是：流体中各点的测压管水头，即位置高度 Z 和测压管高度( ) gP之和均相等。根据上述流体静力学基本方程式，对本实验的液体（水）中 1、2 两点有：+1ZgP22、根据流体静力学基本方程式，可得有自由液面的静止的不可压缩流体中压强的基本公式为（推导过程见教材）：P=PO+g h式中：P液体内任一点的静压力，单位为 N/m2(Pa)；PO容器内液体自由表面的静压力，单位为 N/m2(Pa)；液体的
3、密度，单位为 kg/m3；h液体内的点到液面的距离，单位为 m；g重力加速度 m/s2。由此式可求出液体内任意点处的静压力。3、本实验中还要用到连通器原理，即同一种相连通的流体在同高度上压强相等。三、实验设备静压实验器结构如下图所示：四、实验步骤1、熟悉实验设备，明确每根玻璃管的用途；熟悉实验方法；熟悉气压计的结构原理和使用方法。2、打开气阀，待各玻璃管内液面稳定后，关闭气阀。3、调节侧面小量筒高度，容器内液面上升或下降，压力 P0 大于大气压力 Pa 或小于大气压力 Pa，利用滑动标尺记录各测压管的液面高度，并记录表 1（ ）表 2（ ）的数值。P4、结束实验，打开气阀。五、思考题1、测压管
4、“B” 、 “C”中的液面是否在任何情况下都在同一高度上，两者的液面连线叫什么？实验二 不可压缩流体定常流能量方程（伯努利方程）实验Experiment 2 Incompressible Fluid Steady State Flow Energy Equation Experiment一、实验目的1、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术；2、验证流体定常流的能量方程。3、测定管道沿程损失水头 hf 及沿程阻力系数 ，并了解 随雷诺数 Re 的变化规律。4、测定局部损失水头 hj和局部损失系数 。二、实验装置:四、实验原理在实验管路中沿水流方向取 n 个过水截面，可以列出进口截
5、面（1）至截面（i）的能量方程式（i=2,3,n） IwIIhgvPZgvPZ122选好基准面，从已设置的各截面的测压管中读出 值，测出通过管路的流量，即可计算出截面平均流速 v 及动压 ，从而可得到各截面测管水头和总水头。gv21、沿程损失水头 hf 和沿程阻力系数 的测定对实验装置选做材料管上的直管段两测点 1、2 截面， （见图一）应用实际流体的伯诺里方程，有：fhgPvZgPZ21由于 v1=v2，故 1、2 截面间沿程损失水头 hf 为： 121)()(pzhf h 1 1、2 两测点上两根测压管的液面差。1、2 两测点间沿程损失水头 hf测出后，可根据达西公式算出直管段沿程阻力系数
6、：gdLvhf22vLgdf达西公式中 v 为管道中流体流速， AQ（Q 为流量，单位 m3/s；A 为管 1 的截面积，单位：m 2；流速的单位为 m/s） 。为测出 与 Re 的关系，实验中可用流量调节阀调节流过管道中的流速，以改变雷诺数，从而测出不同 Re 下的 值，整理出“Re”关系曲线。2、局部损失水 hj和局部阻力系数 的测定（以 90 弯头为例）对实验装置选做材料管上的 1、2 测点截面（见图二）应用实际流体的伯诺里方程，有：1122Z1gPZ2gPh 1VZ1ZZ2h2112 2VjhgPvZgPZ221由于 v1=v2，故有 ghj 2121)(可以证明 （证明方法略）212
7、1)(hpzh j=h 2h 2 为连接 1、2 测点差压计左右两根测压管的液面差。hj 测出后，根据实验得出的 与 hj 的关系式，即 就可算出局部阻力系数gvhj2（式中 v 为弯头中流体流速）四、实验方法与步骤1、熟悉实验设备，分清各测压管与各测压点，毕托管测点的对应关系。2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查流量调节阀关闭时所有测压管水面是否齐平，若不平则进行排气调平（开关几次） 。3、打流量调节阀，观察测压管水头线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系，观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。4、调节流量调节阀开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同
8、时用体积法测记实验流量（与毕托管相连通的是演示用，不必测记读数） 。5、再调节流量调节阀开度 12 次，其中一次阀门开度大到使液面降到标尺最低点为限，按第 4 步重复测量。实验三 雷诺实验Experiment 3 Renault Experiment一、实验目的1、通过层流、湍流的流态观测和临界雷诺数的测量分析，掌握圆管流态转化规律；2、进一步掌握层流、湍流两种流态的运动学特性与动力学特性；3、测量沿程损失，计算沿程阻力系数。二、实验原理（1） KQdvRe4TV（其中：Q 流量；V 水体积；T 时间；K 系数。 ）式中 v 可根据用体积法测定的流量算出： AQv（Q 为流量，单位为 m3/s
9、; A 为管道的截面积，单位为 m2; 流速的单位为 m/s.）三、实验装置四、实验方法与步骤1、观测两种流态：打开进水阀使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启流量调节阀，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线，通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大流量调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到湍流的水力特征，待管中出现完全湍流后，再逐步关小调节阀，观察由湍流转变为层流的水力特征。2、测定下临界雷诺数：（1）将流量调节阀打开，使管中呈完全湍流，再逐步关小流量调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚刚拉成一直线状态时，即为下临界状态。每调节阀门一次，均需等待稳定几分
10、钟。（2）待管中出现临界状态时，用体积法测定流量；（3）根据所测流量计算下临界雷诺数；（4）同时由水箱中的温度计测记水温，从而查得水的运动粘度。注意：流量不可开得过大，以免引起水箱中的水体紊动，若因水箱中水体紊动而干扰进口水流时，需关闭阀门，静止 35 分钟，再按步骤（1）重复进行。实验四 恒定总流的动量矩实验动量方程 流体与边界之间作用力大小；动量矩方程 流体与边界之间作用力位置；设 为某参考点至流体速度矢量 的作用点的矢径，则用矢量 对动量方程两端进行矢性rur积运算，可得定常流动的动量矩方程为：= = -FAdrA 22dAr11dAu等式左端项是控制体上合外力对于坐标原点的合力矩 。M
11、等式右端项是通过控制体面流出与流入的流体动量矩之差，或通过控制体面的净动量矩。现以定转速的离心式水泵或风机为例来推导叶轮中的定常流动的动量矩方程。如图所示，取叶轮出、入口的园柱面与叶轮侧壁之间的整个叶轮流动区域为控制体。确定确定图：叶轮的速度三角形假定叶轮叶片无限多，每个叶片的厚度均为无限薄，则流体在叶片间的相对速度必沿叶片型线方向。于是将动量矩方程式用于叶轮机时，需用绝对速度代替上式中质点速度。由于定常运动，故叶轮机中的定常流动的动量矩方程：=MdArdArdArA 12由图所示的速度三角形可以看出： cos,sinrr因而上式可以写成： 1122Q因为叶轮的角速度为： 21ru故叶轮机的功
12、率： 1122coscsuQMP或 Hug1122sos1这就是泵与风机的基本方程式。它首先由欧拉在 1754 年得到，故又称欧拉方程。对于涡轮机械（如水轮机等） ，流体从叶轮外缘 2 流入内缘 1，基本方程为：2211coscosugH无论是泵类机械（工作机械）还是涡轮类机械（动力机械） ，均满足欧拉方程，不同的是离心泵是工作机械。它把原动机的机械能通过叶轮传递给流体介质，故 M 0，即轴矩方向与叶轮旋转角速度方向相同；而涡轮机是动力机械，它从流体介质中汲取能量，通过转轴将机械能传输出去，故 M 0.1 时，孔口出流的侧收缩率较 d/H0.1 时有何不同？3、试分析完善收缩的锐缘薄壁孔口出流的流量系数 e有下列关系：),(eeWRHdf其中 We为韦伯数。根据这一关系，并结合其他因素分析本实验的流量系数偏离理论值（ e=0.611）的原因。
