流体力学实验报告.pdf

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流体力学实验报告
海洋环境学院流体力学实验室
二零零七年九月:.
不可压缩流体恒定流能量方程(伯努力方程)实验
一、实验目的要求
1、验证流体恒定总流的能量方程;
2、通过对动水力学现象的实验分析研讨,进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特
性;
3、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。
二、实验装置
本仪器测压管有两种:
1、毕托管测压管(*的测压管),用
以测读毕托管探头对准点的总水头H'
pu2
(Z),须注意一般情况H'于断面总
2g
pv2
水头H(Z)不同(因一般uv),
2g

它的水头线只能定性表示总水头变化趋势;

2、普通测压管(*者),用以定量量
测测压管水头。
实验流量用阀13调节,流量由体积时间法(量筒、秒表另备)、重量时间法(电子称另备)
或电测法测量。
三、实验原理
在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的
能量方程式(i=2,3,……,n)
pv2pv2
Z111Ziiih
12gi2gw1i
p
取…=1,选好基准面,从已设置的各断面的测压管中读出Z值,测出
12n
v2
通过管路的流量,即可计算出断面平均流速v及,从而即可得到各断面测管水头和总水头。
2g
四、实验方法与步骤
1、熟悉实验设备,分清哪些测管是普通测压管,哪些是毕托管测压管,以及两者功能的区
别。
2、打开开关供水,使水箱充水,待水箱溢流,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。:.
3、打开阀13,观察思考1)测压管水头线和总水头线的变化趋势;2)位置水头、压强水
头之间的相互关系;3)测点(2)(3)测管水头同否?为什么?4)测点(12)(13)测管水
头是否不同?为什么?5)当流量增加或减少时测管水头如何变化?
4、调节阀13开度,待流量稳定后,测记各测压管液面读数,同时测记实验流量(毕托管
供演示用,不必测记读数)。
5、改变流量2次,重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。
五、实验成果及要求
1、记录有关常数
均匀段Dcm缩管段Dcm扩管段Dcm
123
水箱液面高程=cm上管道轴线高程=
0z
cm

26*8*1012*14*16*18*
测点编号1*45
3791113151719
管径cm
两点间距

cm
注:(1)测点6、7所在断面内径为D,测点16、17为D,余均为D。
231
(2)标“*”者为毕托管测点()。
(3)测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点,10、11为弯管非均匀流段同一断
面上的两个测点。
2、记录各点液面高程。
p
3、测量(Z)。

p
(Z)数值表{基准面选在标尺的零点上}单位cm

Q
测点
234579101113151719
编号cm3/s
实1
验2
次
3
序:.
3、计算流速水头和总水头
4、绘制上述成果中最大流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P(轴线尺寸参
,)。
提示:
-,其中测
点10、11、13数据不用;
-(2数据绘制,其
中测点10、11数据不用;
-E与P-P平行。
六、成果分析及讨论

势有何不同?为什么?
,测压管水头线有何变化?为什么?
、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题?
(测点7)处形成真空优哪几种技术措施?分析改变作用水头(如抬高
或降低水箱的水位)对喉管压强的影响情况。
,试分析其原因。

(1)流速水头
Q=(cm3/s)Q=(cm3/s)Q=(cm3/s)
管径d
Av2Av2Av2
(cm)vvv
2g2g2g
(cm2)(cm/s)(cm2)(cm/s)(cm2)(cm/s)
(cm)(cm)(cm)
pv2
(2)总水头(Z)单位:cm
2g
Q
测点编号
(cm3/s)
实验
次序
:.
不可压缩流体恒定流动量定律实验
一、实验目的要求
;
、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研讨,进一步掌握
流体动力学的动量守恒定理;
、构造,进一步启发与培养创造性思维的能力。
二、实验装置
自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合
而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3
控制。水流经供水管供给恒压水箱5,溢流水经回水
管流回蓄水箱。流经管嘴6的水流形成射流,冲击
带活塞和翼片的抗冲平板9,并以与入射角成90°
的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压
管8中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水
深h可由测压管8测得,由此可求得射流的冲力,
c
即动量力Fo冲击后的弃水经集水箱7汇集后,再经

上回水管10流出,最后经漏斗和下回水管流回蓄水

箱。
为了自动调节测压管内的水位,以使带活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影
响,本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术,其构造如下:
带活塞和翼片的抗冲平板9和带活塞套的测压管8如图所示,该图是活塞退出活塞套时
的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a,进口端位于平板中心,出口端伸出活塞头部,
出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片b活塞套上设有窄槽c。
工作时,在射流冲击力作用下,水流
经导水管a向测压管加水。当射流冲击力
大于测压管内水柱对活塞的压力时,活塞
内移,窄槽c关小,水流外溢减小,使测
压管内水位升高,水压力增大。反之,活
塞外移,窄槽开大,水流外溢增多,测压
管内水位降低,水压力减小。在恒定射流冲击下,经短时段的自动调整,即可达到射流冲击
力和水压力的平衡状态。这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上,过a流进测压管
的水量和过c外溢的水量相等。由于平板上设有翼片b,在水流冲击下,平板带动活塞旋转,
因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。
为验证本装置的灵敏度,只要在实验中的恒定流受力平衡状态下,人为地增减测压管中:.
的液位高度,可发现即使改变量不足总液柱高度的±5‰(~1mm),活塞在旋转下亦能
有效地克服动摩擦力而作轴向位移,开大或减小窄槽c,使过高的水位降低或过低的水位提
高,恢复到原来的平衡状态。%,亦即活塞轴向动摩擦力不
足总动量力的5‰。
三、实验原理
恒定总流动量方程为FQ(vv)
2211
因滑动摩擦阻力水平分力f%F,可忽略不计,故x方向的动量方程化为
xx

FpAhD2Q(0v)
xcc411x

即QvhD20
11xc4
式中:h——作用在活塞形心处的水深;
c
D——活塞的直径;
Q——射流流量;
v——射流的速度;
1x
——动量修正系数。
1
实验中,在平衡状态下,只要测得流量Q和活塞形心水深h,由给定的管嘴直径d活
c
塞直径D,代入上式,便可率定射流的动量修正系数值,并验证动量定律。其中,测压
1
管的标尺零点已固定在活塞的圆心处,因此液面标尺读数,即为作用在活塞圆心处的水深。
四、实验方法与步骤
、结构特征、作用性能,记录有关常数。
,水泵启动2~3分钟后,关闭2~3秒钟,以利用回水排除
离心式水泵内滞留的空气。
,松开测压管固定螺丝,调整方位,要求测
压管垂直、螺丝对准十字中心,使活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。
。当测压管内液面稳定后,记下测
压管内液面的标尺读数,即h值。
c
,每次时间要求20秒左右。均需重复测三次再
取平均值。
,改变管嘴的作用水头。调节调
速器,使溢流量适中,待水头稳定后,按3-5步骤重复进行实验。:.
五、实验成果及要求
。
管嘴内径d=cm,活塞直径D=cm。
、计算表,并填入实测数据。
六、实验分析与讨论
(平均动量修正系数)与公认值(=~)符合与否,如不符合,试分析
原因。
,这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量
方程有无影响?为什么?
,其出流角度与v相同,对以上受力分析有无影响?
2
?试用实验来分析验证f的大小,记录观察结果。(提
xx
示:平衡时,向测压管内加入或取出1mm左右深的水量,观察活塞及液位的变化)。
管嘴作用活塞作用动量修正
测体积时间流速
流量Q动量力F
次VT水头H水头hv系数
0c1
1
2
3
:.
雷诺实验
一、实验目的要求
、紊流的流态及其转换特征;
,掌握圆管流态判别准则;
,并了解其实用意义。
二、实验装置
供水流量由无级调速器调控使恒压水
箱4始终保持微溢流的程度,以提高进口前
水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔
板,可使稳水时间缩短到3-5分钟。有色水
经有色水水管5注入实验管道8,可据有色
水散开与否判别流态。为防止自循环水污
染,有色指示水采用自行消色的专用色水。
三、

ReKQ;
d
4
K
d
四、实验方法与步骤
1、测记本实验的有关常数。
2、观察两种流态。
打开开关3使水箱充水至溢流水位,经稳定后,微微开启调节阀9,并注入颜色水于实
验管内,使颜色水流成一条直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态,然后逐
步开大调节阀,通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征,待管中出现完全紊
流后,在逐步管小调节阀,观察有紊流转变为层流的水力特征。
3、测定下临界雷诺数。
(1)将调节阀打开,使管中呈完全紊流,再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到
使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时,即为下临界状态;
(2)待管中出现临界状态时,测定流量;
(3)根据所测流量计算下临界雷诺数,并与公认值(2320)比较,偏离过大,需重测;
(4)重新打开调节阀,使其形成完全紊流,按照上述步骤重复测量不少于三次;
(5)同时用水箱中的温度计测记水温,从而求得水的运动粘度。
注意:
a、每调节阀门一次,均需等待稳定几分钟;
b、关小阀门过程中,只需渐小,不许开大;
c、随出水流量减小,应适当调小开关(右旋),以减小溢流量引发的扰动。:.
4、测定上临界雷诺数。
逐渐开启调节阀,使管中水流由层流过渡到紊流,当色水线刚开始散开时,即为上临界雷
诺状态,测定上临界雷诺数1~2次。
五、实验成果及要求
1、记录、计算有关常数:实验装置台号No
管径d=cm,水温t=℃

运动粘度=cm2/s
1
计算常数K=s/cm3
2、整理、记录计算表
阀门开度增
水体积流量Q
实验颜色水时间雷诺数
()或减
备注
次序线形态V(cm3)T(s)Re
(cm3/s)
()
实测下临界雷诺数(平均值)R=
ec
注:颜色水形态指:稳定直线,稳定略弯曲,直线摆动,直线抖动,断续,完全散开等。
六、实验分析与讨论
,而不采用临界流速?
,而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据?实测
下临界雷诺数为多少?
,而目前有些教科书介绍采用的下临界雷
诺数是2000,原因何在?:.
绕流圆柱表面压头分布的测量
(一)实验目的:
;
。
(二)实验原理:
v0
根据理想流体(无粘性(0、无旋)平行流绕圆柱时,表面速度r(1)

v2vsin

由伯努利方程,圆柱上任意点的压头有:
Pv2Pv2v2
PPv2(1)v2(14sin2)(2)
222v22

2(PP)hh
定义一个与风速无关的无因次压头系数:C14sin2i
pv2hh
0
(3)
U2gkh2(hh)/,h为总压强(mmHO);h为静压强;h测点压强;
002i
g=;。
(三)实验步骤:
,
记下有关数据;
1)实验采用流体运动,物体
静止的方法研究气流与圆
柱的相互作用;
2)为了让风洞内气流较平
稳,实验采用抽风形式以
减少涡旋影响;
3)使用皮托管来测定均匀分布在圆柱表面各处的压强值,从而得到平均流速。
,分别记录三种不同风速时的hhh、h和h(i=1,2,……13)及
0i
hh
imaximin
,v(v2ghk,k103)
p
~关系曲线;
i
~关系曲线;
p:.
UL/vvD/v。D=;105m2/s

(四)实验数据及数据处理。
(五)根据h~关系曲线和C~关系曲线作简要分析。
ip:.
绕流圆柱表面压力分布测量数据
姓名:班级:同组人:
时间:教师签名:
UUU
123
h
h

h
1
h
2
h
3
h
4
h
5
h
6
h
7
h
8
h
9
h
10
h
11
h
12
h
13
:.
水电比拟
一、实验目的
1、掌握应用水电比拟的原理和方法
2、应用水电比拟测定流场的等势线或流线,并绘出等势线
二、实验原理
不可压缩流体的恒定平面势流中,点M(x,y)处的流速分量u(x,y)、v(x,y)

u

xy
(1)

v
yx
势函数(x,y)及流函数(x,y)均为调和函数,它们均满足拉普拉斯方程
电流在厚度为h的均匀电层上作恒定流动时,在电流场中点M(x,y)处的电流密度分量I,j,
1U1W
i

xhy
(2)
1U1W
j
yhx
U(x,y)为电位函数,W(x,y)为电流函数
根据电流流动的连续方程和电流均无旋条件,可导出U(x,y),W(x,y)均满足拉普拉
斯方程。
由上可知,平面电流场中的电位函数U(x,y)和电流函数W(x,y),对应于势流场中的
势函数(x,y)和流函数(x,y),都满足拉普拉斯方程,在相同边界下,(1)(2)具有相
同数学形式的解,则通过实验测试,绘制的电流流场网,一定与边界条件相同的待求的势流
均流网相似。
三、实验设备
电拟盘,水深1-2cm,以水为导电介质,只要电拟盘保持水平,就能满足电层各点厚度相
等的条件。
四、实验步骤
1、准备好电测设备,注意调零。
2、检查电拟盘有无漏水现象,用水准仪将电拟盘调整到水平,注入1-2cm厚度蒸馏水。
3、利用探针,找出在毫伏表上电压为一常数的等电位线,从0-10每隔1伏测一条。
4、边测边在坐标纸上描绘,判断测点分布是否合理。
五、绘制等势线图。:.
平板边界层速度分布测量
:
1)学习测量固壁边界层流速分布的方法;
2)通过实测验证边界层的存在,并加深对边界层的认识。
:
由于粘性的作用,在邻近固体表面的气体薄层内存在较大的速度梯度,这一层叫做边
界层。通常定义u。


:
1)熟悉仪器、设备和各项操作;
2)安装平板在某个X位置,设置毕托管探头至第一个测点处,方法为:将千分尺顺时
针旋转,使毕托管探头贴近平板,逆时针旋转微量,毕托管探头远离平板,将毕托:.
管探头顺时针移回平板处即可。
3)进入边界层测量软件界面,点击进行测量前的校准,数据采集程序将自动保存校准
数据;
4)开启风机,将风速调至适当大小,等待至少两分钟后,读取第一个测点的风速;
5)逆时针旋转千分尺,,测量该点风速。重复操作
直至出现3点风速测量值几乎不变。
6)竖直改变平板位置,将毕托管探头放置在第一个测点处,重复测量;
7)绘出平板不同位置的风速垂直分布图,并确定边界层厚度和;
12
:
根据平板不同位置的风速垂直分布图,总结边界层厚度变化规律、边界层内速度梯度
变化规律,讨论影响边界层的因素。:.
局部阻力损失实验
一、实验目的要求
、四点法量测局部阻力系数的技能;

与分析,熟悉用理论分析法和实验法建立函数式的途径;
。
二、实验装置
实验管道由小大小三种
已知管径的管道组成,共设有六个测
压孔,测孔1-3和3-6分别测量突扩
和突缩的局部阻力系数。其中测孔1
位于突扩界面处,用以测量小管出口
端压强值。
三、实验原理
写出局部阻力前后两断面的能量方
程,根据推导条件,扣除沿程水头
损失可得:

1、突然扩大

采用三点法计算,
f12
h按流长比例换算得出。
f23
pv2pv2
实测h[(Z1)1][(Z2)2h]
je12g22gf12
v2
h1
eje2g
A
理论'(11)2
eA
2
v2
h''1
jee2g
2、突然缩小
采用四点法计算,下式中B点为突缩点,h由h换算得出,h由h换算得出。
f4Bf34fB5f56
pv2pv2
实测h[(Z4)4h][(Z5)5h]
js42gf4B52gfB5:.
v2
h5
sjs2g
A
理论'(15)
sA
3
v2
h''5
jss2g
四、实验方法与步骤
1、测记实验有关常数。
2、打开电子调速器开关,使恒压水箱充水,排除实验管道中的滞留气体。待水箱溢流后,
检查泄水阀全关时,各测压管液面是否齐平,若不平,则需排气调平。
3、打开泄水阀至适合开度,待流量稳定后,测记测压管读数,同时用体积法测记流量。
4、改变泄水阀开度2次,分别测记测压管读数及流量。
5、实验完成后关闭泄水阀,检查测压管液面是否齐平?否则,需重做。
五、实验成果及要求
1、记录、计算有关常数:实验装置台号:
dDcm,dddDcm,
112342
ddDcm,l12cm,l24cm,
5631223
l12cm,l6cm,l6cm,l6cm
344BB556
AA
'(11)2=,'(15)=。
eAsA
23
2、整理记录、计算表。
3、将实测值与理论值(突扩)或公认值(突缩)比较。
六、实验分析与讨论
,分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。
(实验装置图)相同,内径与实验管道相同的直管
段,如何用两点法测量阀门的局部阻力系数?
:.
表1记录表
次流量cm3/s测压管读数cm
序
体积时间流量
表2计算表
前断面后断面
流量hh'
阻力次v2v2
jj
EE
形式序cm3/s2g2g
cmcm
CmCm
cmcm
突
然
扩
大
突
然
缩
小
:.
沿程水头损失实验
一、实验目的要求
,绘制lghlgv曲线;
f
—水压差计及电测仪测量压差的方法;
~关系值与莫迪图对比,分析其合理性,进一步提高实验成果分析能力。
二、实验装置



根据压差测法不同,有两种型式:
型式I压差计测压差。低压差用水压差计量测;高压差用水银多管式压差计量测。装置见
。
型式II电子量测仪测压差。低压差仍用水压差计量测;而高压差用电子量测仪(简称电测
仪)量测。与型式I比较,该型唯一不同在于水银多管式压差计被电测仪()所取代。
本实验装置配备有:

自循环高压恒定全自动供水器有离心泵、自动压力开关、气—水压力罐式稳压器等组成。
压力超高时能自动停机,过低时能自动开机。为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压
力波动等影响,离心泵的输水是先进入稳压器的压力罐,经稳压后再送向实验管道。

由于本实验装置所采用的特性,在供小流量时有可能时开时停,从而造成供水压力的较
大波动。为了避免这种情况出现,供水器设有与蓄水箱直通的旁通管(图中未标出),通过
分流可使水泵持续稳定运行。旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门,即旁通阀,实验流:.
量随旁通阀开度减小(分流量减小)而增大。实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要
阀门之一。
,并防止实验中再进气,在传感器前连接由2只充水(不满顶)之
密封立筒构成。
。经由连通管将其接入测点()。压差读
数(以厘米水柱为单位)通过主机显示。
接测点3接测点4
压差电子量测仪原理图

三、实验原理
Lv2
由达西公式h
fd2g
2gdh12gdhh
得ff(d2Q)2Kf()
Lv2L4Q2
K2gd48L
另有能量方程对水平等直径圆管可得
h(pp)()
f12
压差可由压差计或电测。对于多管式水银压差有下列关系:
(pp)
h12(m1)(hhhh)h*
f2143m

h(hhhh)()
m2143
式中,、分别为水银和水的容重;h为汞柱总差
mm
四、实验方法与步骤
a)实验准备
1、检查实验装置。看实验设备是否连接完善。
2、开启所有阀门,(包括进水阀、旁通阀、流量调节阀)。:.
3、打开防尘罩,通电。
4、排气。
1)测压架端软管排气:连续开关旁通阀数次,待水从测压架中经过即可。排气完
毕,打开旁通阀。若测压管内水柱过高,可打开测压架顶部放气阀,(所有阀
门都打开,)水柱自动降落,至正常水位拧紧放气阀即可。
2)传感器端软管排气:关闭流量调节阀,打开传感器端排气阀,传感器内连续出
水,关闭排气阀,排气完成。
3)关闭流量调节阀,观察测压架内两水柱是否齐平,不平,找出原因并排除;齐
平,实验准备完成,实验开始。
b)层流实验
1、全开进水阀、旁通阀,微开流量调节阀,当实验管道两点压差小于2cm(夏天)~3cm
(冬天)时,管道内呈层流状态,待压力稳定,测量流量、温度、测压管内压差。
2、改变流量3~5次,重复上述步骤。其中第一次实验压差H~,逐次增
加H~。
c)紊流实验