工程流体力学实验指导书

《工程流体力学》

实验指导书

开课单位：机械电子工程系

开课实验室：机械电子工程系流体力学实验室

编写：邓晓刚

审核：李良

2011年2月

目录

目录 ..................................................................................................................................... I 前言 ................................................................................................................................... III 工程流体力学实验规程............................................................................................................. IV （一）水静力学综合实验 .. (1)

一、实验目的 (1)

二、实验设备 (1)

三、实验原理 (1)

四、实验步骤 (2)

五、实验数据记录及处理 (3)

六、讨论 (3)

（二）流线演示实验 (4)

一、实验目的 (4)

二、实验设备和仪器 (4)

三、实验步骤 (4)

（三）伯努利能量方程实验测定 (6)

一、实验目的 (6)

二、实验设备 (6)

三、实验准备工作 (7)

四、实验步骤 (7)

五、结束实验 (8)

六、思考 (8)

（四）雷诺数的测定 (10)

一、实验目的 (10)

二、实验装置 (10)

三、实验原理 (10)

四、实验步骤 (11)

五、实验数据记录及计算 (12)

六、思考 (12)

（五）节流式流量计测量实验 (13)

一、实验目的 (13)

二、实验原理 (13)

四、实验步骤 (14)

五、注意事项 (14)

六、思考题 (14)

（六）流动阻力水头损失测量实验 (16)

一、实验目的和要求 (16)

二、实验仪器和设备 (16)

三、实验原理 (17)

四、实验步骤 (17)

五、思考 (18)

（七）孔口与喷嘴出流实验 (19)

一、实验目的 (19)

二、实验原理 (19)

三、实验设备 (20)

四、实验步骤 (20)

五、注意事项 (21)

六、思考题 (21)

前言

工程流体力学实验，是工程流体力学课程教学的不可分割的一部分。通过课带实验，除了验证有关基本定理、巩固学生所学理论知识以外，还可以培养学生正确使用水泵、阀门、压力仪表、各种流量计，正确处理实验数据、分析实验结果以及撰写实验报告的能力。这对于培养工科学生严谨的科学研究态度，培养应用型本科专门人才具有十分重要的意义。

经过长时间的建设，流体力学实验室已经拥有了一批基本满足本科工程流体力学课带实验需用的实验仪器设备。通过指导书的实验原理和设备的介绍，可以让学生在实验前能进行充分预习，掌握实验的大致目标和操作步骤，以及实验过程中需要注意的一些事项，能促使学生在实验过程中正确进行仪器操作，顺利测定对应的实验数据，且为实验数据的记录提供了规范的记录表格。这就为实验后学生完成实验报告奠定了坚实的基础。

根据各本科专业工程流体力学课程实验大纲的项目要求，在课程组全体老师充分讨论的基础上，为全面提高实验课教学质量，工程流体力学课程组特编写了这本实验指导书。本实验指导书的内容包括工程流体力学实验规则、实验基本测量仪器及其操作、实验项目说明及实验数据记录等。

限于学术水平，书中错误难免。敬请各位老师和同学批评指正。

重庆科技学院机械与动力工程学院

机械电子工程系

2011.2

工程流体力学实验规程

1、学生必须按时到指定实验室做实验，不得迟到。

2、实验前，学生必须预习实验指导书规定的有关内容。实验时，经指导教师检查认可后，才能开始做实验准备。

3、学生应独立完成实验准备工作。在启动设备之前，需经指导教师检查认可。

4、实验时，要严肃认真，正确操作，仔细观察，真实记录实验数据的结果。不许喧闹谈笑，不做与实验无关的事，不动与实验无关的设备，不进入与实验无关的场所。

5、实验中要注意安全，遵守《实验室安全规则》及有关的操作规程。

6、仪器设备发生不正常现象时，应及时报告指导教师。发生人身安全事故时，应立即切断相应的电源、气源等，并听从指导教师的指导，要沉着冷静，不要惊慌失措。

7、实验中，如发现仪器设备损坏，应及时报告，查明原因。凡属违反操作规程导致设备损坏的，要追究责任，照章赔偿。

8、实验结束时，实验数据要指导教师审阅、签字，并整理好实验现场后，方可离去。

9、学生要进入开放实验室做自行设计的实验时，应事先和有关实验室联系，报告自己的实验目的、内容和所需实验仪器，经同意后，在实验室安排的时间内进行。

10、学生因某项实验不合格需重做者，或未按规定时间做实验而要补做者，必须交纳实验仪器设备折旧费、实验器材和水电消耗费。

11、本守则学校授权教务处实验室与设备管理科负责解释。

（一）水静力学综合实验

一、实验目的

1．加深理解静力学基本方程式及等压面的概念。验证静止液体中，不同点对于同一基准面

的测压管水头为常数（即

C g p

z =+

ρ）。

2．理解封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点的压力。 3．观察压力传递现象。建立液体表面压强a p p >0，

a p p <0的概念，并观察真空现象。

4．.学习利用U 形管测量液体密度。

二、实验设备

水静压强综合实验台

三、实验原理

在重力作用下，水静力学基本方程为：

C g p

z =+

ρ

它表明：当质量力仅为重力时，静止液体内部任意点对同

一基准面的z 与g p

ρ两项之

和为常数。

重力作用下，液体中任何一点静止水压强

gh p p ρ+=0，

0p 为液体表面压强。

图1.1 水静压强实验台示意图

a p p >0为正压；a p p <0为负压，负压可用真空压强v p 或真空高度v h 表示：

abs a v p p p -=

g p h v v ρ=

对密封容器的液体表面加压时，设其压力为p 0，即p 0>pa ，pa 为1个大气压。从U 形管可以看到有压差产生，U 形管与密封容器上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。由此可知液面下降的表面压力即是密闭容器内液体表面压力p 0，即p 0= pa+ρgh ，h 是U 形管液面上升的高度。当密闭容器内压力p 0下降时，U 形管内的液面呈现相反的现象，即p 0＜pa ，这时密闭容器内液面压力 p 0= pa -ρgH 。H 为液面下降高度。

四、实验步骤

如果对密闭容器的液体表面加压时，其容器内部的压力向各个方向传递，在右侧的测压管中，可以看到由于A ，B 、两点在容器内的淹没深度h 不同，在压力向各点传递时，先到A 点后到B 点。在测压管中反应出的是A 管的液柱先上升而B 管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A 、B 两点在同一水平面上。

1．关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U 形管出现压差h ?，在加压的同时，观察右侧A 、B 管的液柱上升情况。

2．打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上，关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器内压力下降。

实验过程中，需要注意以下几点：

1、加压或卸压时速度不宜过快，仔细观察U 型测压管中的液体高度变化，防止气泡进入水箱。

2、在测记测压管液面标高时，一定要待液面稳定后再测读数。若0p 未变而测压管水面持续变化时，则表明阀门漏气，应采取修复措施。

3、由于毛细管现象的影响，液面呈凹面形状，读数时一定要在平稳状态下按凹面底部位置读取。

4、实验完成后，必须清洁实验装置并放空水箱中的水，以免有机玻璃变色。

五、实验数据记录及处理

六、讨论

1、为什么可以称同一U型管内的水柱高度差为表压力？

2、A、B两管从水箱不同高度位置引出，比较其左右两边液面高度位置相同还是不同，并分析原因。

3、用该设备是否可以测出其他液体的重度？为什么？

（二）流线演示实验

一、实验目的

1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以观察在不同边界条件下的流线、旋涡等，增强对流体运动特性的认识。

2、应用流动演示仪演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象及非自由射流等，增强对这些现象的感性认识。

二、实验设备和仪器

流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。而通过各种演示设备就可以演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。现以流动演示仪为例加以说明。

图 2-1 为流动演示仪的示意图，该仪器用有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示不同边界条件下的多种水流现象，并显示相应的流线。整个仪器有不同的单元组成。每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，亦可同时使用。

三、实验步骤

（一）、操作程序 1、接通电源，打开开关。

2、用调节进气量旋钮，调节气泡大小。 （二）演示内容

Ⅰ型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装置能十分清楚地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状态分离状况及卡门涡街现象。

1、驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。

2、边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离点的位置及分离后的回流形态。

图2.1 流线演示仪

3、卡门涡街：即圆珠柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游。

Ⅱ型：显示桥墩、机翼绕流的流线。

该桥墩为圆珠笔头方尾的绕流体。水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡街，并可观察水流绕过机翼时的运动状态。

Ⅲ型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板（或丁坝）纵剖面上的流线图像。

1、在逐渐收缩段，流线均匀收缩，无旋涡产生；在逐渐扩散段可看到边界层层分离而产生明显的漩涡。

2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有一小旋涡出现；孔板后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。

Ⅳ型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。

1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。

2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。

3、在直角转变处，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于水流通道很不畅顺，回流区范围较广。

四、注意事项

此处注意调节进气阀的进气量，使气泡大小适中，流动演示更清晰。

五、思考题

1、旋涡区与水流能量损失有什么关系？

2、指出演示设备中的急变流区。

3、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？

4、卡门涡街具有什么特征？对绕流物体有什么影响？

（三）伯努利能量方程实验测定

一、实验目的

1、观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析，加深对能量方程的理解；

2、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能：

3、验证静压原理。

4、进一步掌握有压管流中，动能、压能和位置能三者之间的转换关系。

5、测定管道的测压管水头和总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水头线。

二、实验设备

本实验台由压差板、实验管道、水泵、实验桌和计量水箱等组成。

图3.1 能量方程实验台示意图

每一组测压管都有两种不同的测点位置：

一种是测点处于管道中心位置，称为毕托管测压管（后续课堂内容会讲到），测量对应截面

的总水头g u g p Z H 22

+

+=ρ（全压）。注意这里的速度u 为管道中心处的点流速，与截面平均速度v 有所差异。但在紊流状态下两者之间差异有限。

另一种是测点处于管道壁面，称为普通测压管，测量对应截面的静压头，即只包含Z 和

g

p ρ两项。全压与静压之差，称为动压，即g

u 22

。

三、实验准备工作

1、熟悉实验设备，分清毕托管测压管和普通测压管的区别以及各自表征的物理量。

2、接上各导压胶管；

3、检验测压板是否与水平线垂直；

4、启动电泵使水工作循环，检查各处是否有漏水的现象。

5、用手堵住出水口突然放水，重复几次，直至使实验管中的气泡排除。关闭尾阀，检查各个测压管水位高度是否在同一水平线上，如果不在同一水平线上，说明有气泡存在，必须全部排除。否则测量数据无效。

四、实验步骤

1、验证静压原理：

启动电泵，关闭给水阀，此时能量方程试验管上各个测压管的液柱高度相同，因管内的水不流动没有流动损失，因此静水头的连线为一平行基准线的水平线，即在静止不可压缩均匀重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和（总势能）保持不变，测点的高度和测点位置的前后无关，记下四组数据于表二的最下方格中。

2、测速：

能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流体点速度，本试验已将测压管开口位置在能量方程试验管的轴心，故所测得的动压为轴心处的，即最大速度。

毕托管求点速度公式： gh u 2=

利用这一公式和求平均流速公式（F Q V /=）计算某一工况（如表中工况2平均速度栏）各测点处的轴心速度和平均流速得到表3.1。

在能量方程中，使用截面平均流速v=Q/A 。

表3.1

3、观察计算流体、管径，能量方程试验管（伯努利管）对能量损失的情况：

在能量方程试验管上布置八对测压管，测量1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8截面上的总压和静压，全开给水阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，这说明流体的总势能沿着流体的流动方向是减少的，改变给水阀门的开度，同时用计量水箱和秒表测定不同阀门开度下的流量及相应的八组测压管液柱高度，记在数据表3.2中。

根据以上数据和计算结果，绘出流量下的各种水头线，并解释图中现象。

H

S

能量曲线图

4、自行设计一个表格，用所取得的数据，计算突然扩大断面和突然缩小断面的局部水头损失及局部阻力系数。(如单独开设阻力损失实验，这一部分计算可以不做)

五、结束实验

全开阀门，把管道内的水放掉，然后关闭各阀门。

六、思考

1、为什么截面3和4的直径一样，但截面3处的动压远远小于截面4的动压？

2、阀门全关时，为什么所有截面的水头高度会一样？

3、为什么截面4的动压会小于截面1的动压？

4、分析表一的数据，结合连续性方程，讨论不可压缩流体稳定流动时，管径与流速之间的关系。

表3.2 实验数据表

俩测点间距离：L1-2=250mm；L2-3=332 mm；L3-4=500 mm；L4-5=174 mm；L5-6=250mm

9

（四）雷诺数的测定

一、实验目的

1、用实验方法观察液体层流、紊流的流态区别及其相互转换的过程。以加深对层流、紊流形态的感性认识。

2、测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；

3、学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。

二、实验装置

如图4.1所示。供水流量由调速器控制，使恒压水箱4始终保持溢流状态，以稳定进口处水体压力。稳水隔板的作用是使水面的扰动时间缩短。有色水调整流量后，经水管5注入实验管道8，根据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水体污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。

三、实验原理

同一种液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体在运行中有两种不同的流态。当流速较小时，管中水流的全部质

点以平行而不互相混杂的方式分层流动，这种形态的游体流动称为层流。当流速较大时，管中水流各质点间发生相互混杂的运动，这种形态的液体流动称为紊流。

图4.1 雷诺实验台

1、自循环供水器；

2、实验台；

3、调速器；

4、恒压水箱；

5、有色水水管；

6、稳水板；7溢流板；

8、实验管道；9-流量调节阀

υ

πυ

πυ

44Re d K KQ d Q

vd

=

==

=

实验中，s m /10126-?=υ。在106实验室和109实验室中的雷诺实验仪器，直径值不同。请注意记录106实验室中黑板上的原始数据。

临界雷诺数有两个：当流量从0开始逐渐开大，当红线散开时将产生一个上临界雷诺数1Re c ；当流量由大逐渐关小，当红线聚成一条稳定直线时，产生一个下临界雷诺数2Re c 。上临界雷诺数受干扰较大，数值不稳定，有时候会得出临界雷诺数高达几万的结果。而下临界雷诺数相对较稳定。雷诺经反复实验，测得圆管水流的下临界雷诺数2Re c 为2320。这也作为了层流、紊流的流态判别依据。

四、实验步骤

1、记录本实验的有关常数（实验管道直径d 、水的运动粘度υ）。

2、打开水泵，使水箱充水至溢流水位。水面稳定后，微微开启调节阀9，调整有色水流量控制阀，将有色水注入实验管道内，有色水形成一直线。再逐步开大调节阀9。观察层流、紊流两种流态的变化。记录在紊流的几种不同状态下的流量。

3、测定下临界雷诺数。将调节阀9开得较大，使管中完全紊流。逐步关小调节阀，每调节一次，需等待一段时间，红线稳定后再观察其形态，直至红色水流成一直线为止。此时表明紊流转化为层流。此时的雷诺数称为下临界雷诺数。用量筒、秒表测量此时的流量，计算水流速度。

4、将调节阀9开大，从步骤3开始重复，记录3组数据。

5、将三次测量的数据进行处理，计算各次的下临界雷诺数，记录在数据表中。 注意事项：

1、缓慢调节阀门，尤其当流量较小时，每一次的调节量要注意控制。每次调节阀门后，都须等待水流稳定，即停留15秒以上。

2、调节阀门的过程中，只许逐渐关小阀门，调节过程中不许开大阀门。

3、水箱进水量调到合适位置，保持有少量溢水即可。如果进水量过大，将增大水箱液面处的位置波动，从而导致管道内压力波动。

4、由于上临界雷诺数不容易得到一个固定值，且参考意义不大，所以在实验中不要求测定。

五、实验数据记录及计算

六、思考

1、雷诺数的量纲是什么？

2、如果阀门从小逐渐开大，所得到的上临界雷诺数为何数值有时候会较大？

3、下临界雷诺数，在测量计算的过程中，受到哪些因素的影响？

（五）节流式流量计测量实验

一、实验目的

1．了解文德里和孔板流量计测流量的原理及其简单构造。

2．绘出压差与流量的关系，确定文丘里流量计和孔板流量计的系数μ。

二、实验原理

文丘里流量计是在管道中常用的流量计。它包括收缩段、喉管、扩散段三部分。由于喉管过水断面的收缩，该断面水流动能加大，势能减小，造成收缩段前后断面压强不同而产生的势能差。此势能差可由压差计测得。

孔板流量计原理与文丘里流量计相同，根据能量方程和连续方程可得出不计阻力作用时的文德里流量计(孔板流量计)的流量计算公式：

h K Q ?=理

武中：

g

d

D d D k 24

2

2

22-=

π

（孔板）；

g

D d A k 214

2

??

?

??-=

（文丘里）

)()(2211g

p z g p z h ρρ+-+

=? 根据实验室的设备条件，管道的实测流量Q 实可由体积法测出。

在实际液体中，由于阻力的存在，水流通过文德里流量计(或孔板流量计)时有能量损失，故实际通过的流量Q 实一般比Q 理稍小，因此在实际应用时，上式应予以修正，实测流量与理想流体情况下的流量之比称为流量系数，即

理实

Q Q =

μ （课本中，孔板流量计的流量系数，使用符号α。）

三、实验设备

实验设备与各部分名称如图5.1所示。

1号管

2号管

3号管

图5.1 流体力学综合实验台示意图

四、实验步骤

1．熟悉仪器，记录有关数据。，

2．启动水泵，打开总进水闸阀，使水进入管道系统；打开1号管和2号管的进水闸阀，确认出水管有稳定出流。

3．检查压差计内是否有气泡。如有气泡，必须排除干净。

4．分别调整1号管和2号管进水闸阀，依次增大流量和依次减小流量。量测各次流量相应的压差值，使用体积法测量实际流量Q（记录水箱高度，使用秒表记录时间）。每管各做6次。将数据记录在表5.1中。

五、注意事项

1．改变流量时，需待开关改变后，水流稳定之后(至少需3～5分钟)，方可记录。

2．当管内流量较大时，测压管内水面会有波动现象。可读取波动水面的最高与最低读数的平均值作为该次读数。

六、思考题

1．收缩断面前与收缩断面后相比，哪一个压强大?为什么？

2．实验求出的μ值是大于l ，还是小于1？是否合理？

3．每次测出流量系数μ值是否是常数?若不是常数则与哪些因素有关?

表5.1 数据记录和计算表格

结论：1号管中，流量系数=α ；2号管中，流量系数=μ