实验流体力学(1)
流体力学实 验.
Re V d / V Q / A
流量Q用体积法测出，即在Δt时间内流入量筒中流体的体积ΔV。
Q V / t A d 2 / 4
式中：管路的横截面积A；管路直径d=27mm ； 流速V； 水的运动粘性系数υ 在实际工程中，上临界临界流速没有实际意义，一般指的临界流速即指下临界流 速。对应于临界流速的雷诺数称为临界雷诺数，通常用Recr表示。大量实验表明， 尽管在不同的管道、不同的液体以及不同的外界条件下，其临界雷诺数有所不同，
但通常情况下，临界雷诺数总在2300附近，即 Re cr 2300
当管中雷诺数小于临界雷诺数时，管中流动处于层流状态，反之则为紊流。
四、实验步骤
1、准备工作：将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小， 继续向水箱供水，以保持水位高度H不变。 2、缓慢开启出水阀门C，使玻璃管中的水稳定流动，并开启红 颜色水阀门B，使颜色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状 态。 3、开大出水阀门C，注意观察层流、过渡状态、紊流时颜色水 状态。 4、使颜色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出水阀 门C，观察玻 璃管中颜色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流 时，测定此时的流量。重复三次，即可算出下临界雷诺数。
流体静力学公式还可以写成 p pa gh
由图1-1看出， p0 pa g(z10 z9 ) 1g(z2 z1 )
式中 pa 是当地大气压强， p0 是密封容器内水面上的气体压强，
是水的密度， 1000 kg / m3
由此得到未知液体的密度是 1 (z10 z9 )（/(1z-22） z1 )
图1 力矩平衡原理示意图
恒定总流的动量方程为
若令，
《流体力学》实验指导书
实验（一）流体静力学综合性实验一、实验目的和要求掌握用测压管测量流体静压强的技能；通过测量静止液体点的静水压强，加深理解位臵水头、压强水头、及测管水头的基本概念；观察真空现象，加深对真空度的理解；验证不可压缩流体静力学基本方程；测量油的重度。
二、实验装臵本实验装臵如图1.1所示图1.1流体静力学综合性实验装臵图1.测压管2.带标尺测压管3.连通管4.真空测压管5.U 型测压管6.通气阀7.加压打气球8.截止阀9.油柱 10.水柱 11.减压放水阀说明：1.所有测压管液面标高均以标尺(测压管2)零度数为基准；2.仪器铭牌所注▽B 、▽C 、▽D 系测点B 、C 、D 标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则▽B 、▽C 、▽D 亦为ＺB 、ＺC 、ＺD3.本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。
4.测压管读数据时，视线与液面保持水平，读凹液面最低点对应的数据。
三、实验原理1在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程const γpz =+或h p p γ+=0式中：z —被测点在基准面以上的位臵高度；p —被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；0p —水箱中液面的表面压强γ—液体容重； h —被测点的液体深度。
上式表明，在连通的同种静止液体中各点对于同一基准面的测压管水头相等。
利用液体的平衡规律，可测量和计算出连通的静止液体中任意一点的压强，这就是测压管测量静水压强的原理。
压强水头γp和位臵水头z 之间的互相转换，决定了夜柱高和压差的对应关系：h γp ∆=∆ 对装有水油（图1.2及图1.3）U 型侧管,在压差相同的情况下，利用互相连通的同种液体的等压面原理可得油的比重So 有下列关系：21100h h h γγS w+==图1.2 图1.3据此可用仪器（不用另外尺）直接测得So 。
四、实验方法与步骤1.搞清仪器组成及其用法。
包括： 1）各阀门的开关；2）加压方法 关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气； 3）减压方法 开启筒底阀11放水4）检查仪器是否密封 加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。
工程流体力学实验
工程流体力学实验实验一 静水压强实验一、实验目的1、通过实验加深对流体静力学基本方程h p p γ+=0的理解。
2、验证静止流体中不同点对于同一基准面的测压管水头为常数，即=+γpz 常数3、实测静水压强，掌握静水压强的测量方法。
4、巩固绝对压强、相对压强、真空度的概念，加深理解位置水头、压力水头以及测压管水头之间的关系。
5、已知一种液体重度测定另一种液体的重度。
二、实验原理γ3图1 静水压强实验原理图静水压强实验原理如图1所示，相对静止的液体只受重力的作用，处于平衡状态。
以p 表示液体静压强，γ表示液体重度，以z 表示压强测算点位置高度（即位置水头），流体静力学方程为=+γp z 常数上式说明 1、在重力场中静止液体的压强p 与深度h 成线性分布，即4030403h h h h p p p p --=--2、同一水平面（水深相同）上的压强相等，即为等压面。
因此，水箱液面和测点3、4处的压强（绝对压强）分别为00h p p a γ+=()03∆-∆+=γa p()04∆-∆+=γa p33h p p a γ+=()33z p a -∆+=γ44h p p a γ+=()44z p a -∆+=γ与以上各式相对应的相对压力（相对压强）分别为a p p p -='000h γ= ()03∆-∆=γ()04∆-∆=γa p p p -='333h γ= ()33z -∆=γa p p p -='444h γ= ()44z -∆=γ式中 a p —— 大气压力，Pa γ—— 液体的重度，3m N0h —— 液面压力水头，m0∆ —— 液面位置水头，m3∆、4∆—— 3、4处测压管水头，m3z 、 4z —— 3、4处位置水头，m3h 、4h —— 3、4处压力水头，m3、静水中各点测压管水头均相等，即43∆=∆或 γγ'+='+4433p z p z 或 4433h z h z +=+即测压管3、4的液位在同一平面上。
实验流体力学讲义(1)
参考资料：周光炯《实验流体力学发展简史》1992 年
2
第二章 实验模拟方法和理论
第二章 实验模拟方法和理论 Chapter 2 Method and Theory in Experiments
Байду номын сангаас
实验研究分为两种：实物试验和模型试验。当然用真实物体或样机直接进行试验时，数据 是可信的。但是，往往实物试验是危险的，不经济的。用模型代替实物在实验室中进行试验， 一般是安全的，相对说也是经济的。但是在用模型进行模拟试验时需要回答几个问题：
第六章 温度测量 §6.1 常规测温仪器------------------------------------------------------------------------------（119） §6.2 热电偶原理----------------------------------------------------------------------------------（119） §6.3 温度探头------------------------------------------------------------------------------------（- 120） §6.4 与辐射有关的测温方法------------------------------------------------------------------（- 121） §6.5 热流测量------------------------------------------------------------------------------------（- 123）
流体力学实验报告(全)
工程流体力学实验报告实验一流体静力学实验实验原理在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程或(1.1)式中：z被测点在基准面的相对位置高度；p被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；p0水箱中液面的表面压强；γ液体容重；h被测点的液体深度。
另对装有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面可得油的比重S0有下列关系：(1.2)据此可用仪器（不用另外尺）直接测得S0。
实验分析与讨论1.同一静止液体内的测管水头线是根什么线？测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测管液面至基准面的垂直高度。
测压管水头线指测压管液面的连线。
实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。
<0时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。
2.当PB，相应容器的真空区域包括以下三部分：(1)过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占的空间区域，均为真空区域。
(2)同理，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。
(3)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。
这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。
3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h和h0，由式，从而求得γ0。
4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算式中，为表面张力系数；为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛细升高。
常温(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。
水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0。
于是有(h、d单位为mm)一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可略而不计。
实验一 流体力学实验
5
实验 流量/ 次数 （m3/h） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 6 6.6 7 7.5 8 5.5 4.5
Re 光滑管 3.30×10
4
λ光滑管 exp 0.0252 0.0240 0.0220 0.0207 0.0194 0.0200 0.0192 0.0194 0.0210 0.0217
六、 实验结果讨论
（1）在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀？为什 么？ 答：是，这样可使管中有较大压力使得气体排出。 （2）如何检测管路中的空气已经被排除干净？ 答：先检查连接软管以及传感器的出口管中有没有气泡。如果没有了，关闭 流量调节阀，看压差计的读数是否为零，如果为零，则说明气体已经排空。 （3）以水作介质所测得的λ~Re 关系能否适用于其他流体？如何应用？ 答：能适用于其他流体。通过密度和黏度换算。 （4）在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re 数据能否关 联在同一条曲线上？ 答：能关联在同一曲线上。 （5）如果测压口，孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响？ 答：没有影响，静压是由流体内部分子运动造成的，静压一定反应到压差计 高度差一定，所以对测量无影响。
计算示例：
0.0322 Re光滑管 duρ μ 7.5 1000 π 2 3600 0.0322 4 8.24 ×10 4 0.001
光滑管exp
P 2d 3910 2 0.0322 0.0207 2 7.5 lu 2 1000 2 （ ） π 2 3600 0.0322 4
2
南京工业大学化工原理实验报告
④关闭阀 2， 打开阀 1 并调节流量使转子流量计的示值分别为 3m3/h、 4m3/h、 3 4.5m /h……9m /h，测得每个流量下对应光滑管和粗糙管的压差，分别记下倒 U 形管压差计的读数； ⑤关闭阀 1，打开阀 2，重复步骤④，测得闸阀全开时的局部阻力；
实验一 流体力学综合实验实验报告
实验一 流体力学综合实验预习实验：一、实验目的1．熟悉流体在管路中流动阻力的测定方法及实验数据的归纳 2．测定直管摩擦系数λ和e R 关系曲线及局部阻力系数ζ 3. 了解离心泵的构造，熟悉其操作和调节方法 4. 测出单级离心泵在固定转速下的特定曲线 二、实验原理流体在管路中的流动阻力分为直管阻力和局部阻力两种。
直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力，可由下式计算：gu d l g p H f 22⋅⋅=∆-=λρ (3-1) 局部阻力主要是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力，计算公式如下：gu g p H f22''⋅=∆-=ζρ (3-2) 管路的能量损失'f f f H H H +=∑ (3-3)式中 f H ——直管阻力，m 水柱；λ——直管摩擦阻力系数；l ——管长，m ； d ——直管内径，m ；u ——管内平均流速，1s m -⋅；g ——重力加速度，9.812s m -⋅p ∆——直管阻力引起的压强降，Pa ；ρ——流体的密度，3m kg -⋅；ζ——局部阻力系数； 由式3-1可得22ludP ρλ⋅∆-=(3-4) 这样，利用实验方法测取不同流量下长度为l 直管两端的压差P ∆即可计算出λ和Re ，然后在双对数坐标纸上标绘出Re λ-的曲线图。
离心泵的性能受到泵的内部结构、叶轮形式、叶轮转速的影响。
实验将测出的H —Q 、N —Q 、η—Q 之间的关系标绘在坐标纸上成为三条曲线，即为离心泵的特性曲线，根据曲线可找出泵的最佳操作范围，作为选泵的依据。
离心泵的扬程可由进、出口间的能量衡算求得：gu u h H H H 221220-++-=入口压力表出口压力表 (3-5) 式中出口压力表H ——离心泵出口压力表读数，m 水柱；入口压力表H ——离心泵入口压力表的读数，m 水柱；0h ——离心泵进、出口管路两测压点间的垂直距离，可忽略不计；1u ——吸入管内流体的流速，1s m -⋅；2u ——压出管内流体的流速，1s m -⋅泵的有效功率，由于泵在运转过程中存在种种能量损失，使泵的实际压头和流量较理论值为低，而输入泵的功率又较理论值为高，所以泵的效率%100⨯=NN eη (3-6) 而泵的有效功率g QH N e e ρ=/（3600×1000） (3-7) 式中：e N ——泵的有效功率，K w ；N ——电机的输入功率，由功率表测出，K w ； Q ——泵的流量，-13h m ⋅；e H ——泵的扬程，m 水柱。
流体力学实验指导书
实验一 雷诺实验一、实验目的1、增加对两种流态的感性认识．2、掌握测雷诺数的方法．二、实验原理实际流体在同一边界条件下流动时，由于速度不同，产生不同的流动形态－层流和紊流 当流速较小时，液体质点做有条不紊的线状运动，彼此互不混杂，称这种流动状态为层流． 当流速增加到某一定数值后，液体质点在沿管轴方向运动过程中，互相混掺，呈杂乱无章的运动称此流为紊流．运动的流体，受惯性力和粘滞力的作用，当惯性力占主导地位时，一般为紊流．当粘滞力占主导地位时，一般呈现层流．不同的流动类型，具有不同的阻力规律．在层流时水头损失∆P ／γ与平均流速V 成正比，而在紊流时∆P ／γ则于V n 成正比例，其中指数值n 在.１.７５～２.０之间． 判别液体流动型态的准则是被称之为雷诺数的无因次数R еν/Re Vd =式中：Re ――雷诺数（无因次数） V ――液体断面平均速度（m ／s ） d －－管径 (m)ν――液体的运动粘度系数（㎡／s ）当ν/Re Vd =≤2000时为层流, Re ＞2000为紊流。
由于ρμν/= 所以 μρ/Re Vd =.μ――液体的动力粘度系数，单位是Pa.•s,即（Ｎ•s ／㎡）三、实验设备１、雷诺实验装置１套；２、量筒１个；３、温度计１支；４、秒表１块．四、实验步骤１、试验前的准备工作关闭泄水阀门Ｄ，打开进水阀Ｃ，并调节到整个试验过程中都有溢流水从溢流板溢流而过，以保证水箱中有稳定的水头．２、试验前的观察将阀门Ａ微微开启，同时微开阀门Ｂ，使颜色水与清水同时从玻璃管中流过，调节到颜色水呈一条细线．此时即为层流状态，然后再将阀门Ａ逐渐开大，直至颜色水纹线破碎，并将清水完全掺混，此时为紊流状态．３、由层流到紊流的测试＜１＞调节阀门Ａ，使流动成为层流状态．注意颜色水纹线应达到清晰稳定．＜２＞逐渐地缓缓开启阀门Ａ．同时注意玻璃管中段颜色水纹线的变化．当颜色水纹线开始破碎，分散成许多细线（偶尔出现集中的颜色水线）时，即表示已达到紊流状态，即上临界状态，此时立即停止开启阀门Ａ的工作．＜３＞待水流稳定后，则可用量筒和秒表，应用体积法测定管内流量Ｑ．＜４＞测定水的温度，以便查表确定水的运动粘性系数ν值．＜５＞将（２）至（４）步重复做三次４、由紊流到层流的测试＜１＞先将管中水流调节到紊流状态．＜２＞逐渐地缓缓关闭阀门Ａ，同时注意玻璃管中段水流状态的变化，当开始出现一条颜色线时，即表示已达到层流状态或者说已达到了下临界状态，立即关掉阀门Ａ的工作，并观察颜色水线是否连续稳定．＜３＞待颜色水纹线连续而稳定后，仍用体积法测算管中的流量Ｑ．＜４＞测定水温．＜５＞将（２）至（４）步重复做三次五、实验注意事项1、调节阀门Ａ时必须缓慢进行，并且在调节过程中阀门只允许往一个方向进行，中间不可逆转．2、为了避免玻璃管出口和入口对水流状态的影响，观察应以中段为准．3、在整个试验过程中要特别注意保持安静，以防环境对试验的干扰．六、实验报告1、对所测数据进行处理，求上临界雷诺数与下临界雷诺数所测数据如下：数据处理：分析误差产生原因：七、实验体会实验二 局部阻力损失测试实验一、实验目的1、 测定管路突然扩大局部阻力系数值，并与理论公式ξ=（D 2/d 2-1）2的计算值比较2、 通过本实验掌握一般局部阻力系数的测定。
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第二节 流动的相似原理与近似模化实验
3. 模型实验 模型实验以相似原理为基础，按一定规则改变流动
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
第三节 流体力学基本量测量仪表的选择与标定
第一节 流体力学的相似条件
流体力学实验研究是指用人为控制的方法对所要研究的流 动现象或过程进行观察和测量，以达到以下目的：
➢ 重复实现和观察某流动现象或过程，以便获得充分的感性认 识、掌握其物理本质； ➢ 通过参数测量，寻求物理量之间的关系； ➢ 验证理论分析或数值模拟计算结果； ➢ 设计、施工的可靠性检验。
几何相似是前提，力学相似是基础，运动相似是流 场相似的表现。
基本比例常数（Cl，CV， Cρ）确定了其它比例常数
Cm = Cr Cl3 CF = Cr CV2Cl2 Cp = Cr CV2
很有用!!!
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
1. 相似原理 (1). 两种流动相似，必定为同类现象，因此控制方程 相同。
1. 几何相似 模型与原型流动空间要相似。长度比例常数Cl为：
Cl
Lm Lp
Lmod el Lprototype
L
L
第一节 流体力学的相似条件
2. 运动相似
模型与原型流场对应点、对应时刻速度 大小成比例，方向一致。
速度比例常数：
CV
Vm Vp
um up
vm vp
wm wp
模型 原型
第一节 流体力学的相似条件
3. 力学相似 模型与原型流场内各对应点上的相应力的大小 成比例，方向一致。
力比例常数：
p1
CF =
Fm = Fp
Ap1m = Ap1 p
At 1m At 1p
p1
τ2
原型
τ1 τ2
模型
p2 p2
τ1
第一节 流体力学的相似条件
4. 时间相似
Ct
tm tp
CL CV
在非定常流中必须保证的相似条件。
第一节 流体力学的相似条件
马赫数：Ma=V/a
流场惯性力与弹性力之比，表示流场弹性力/压缩性影响的相似， 在可压缩流动（Ma>0.3)中是一个重要准则。
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
韦伯数： We V
/(L)
流场中表面张力的相似。毛细管内流动问题 根据相似原理，在几何相似、边界条件和初始条件相似的前 提下，只要所有的相似准则相等，则流场必定相似，并且互为 充分必要条件。 相似准则数的幂、加/减常参数后仍为该准则数。
1
CgCl CV2
1 Frm
Frp
C pCt C CLCV
1 Cp
C
CL Ct
CV
Cp C CV2
Eum Eup
C Ct Cl2
1
C Cl2 Ct
C ClCV
1 Rem Rep
2. 流体力学中的常用相似准则数
欧拉数：
Eu
p
V 2
流动相似时，两个流场的欧拉数一定相等。Eu数表明流场内
CV um / u p
C m / p
Ct tm / t p Cp pm / pp
Cn = nm / n p Cl = xm / xp Cg = fxm / fxp
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
改造模型方程：
CV Ct
du dt
p
Cg fx p
Cp C Cl
p
x p
C CV Cl2
du dt
fx
p
x
(
2u x 2
2u y2 )
求各相似比例常数间的关系。
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
原型和模型相应的控制方程：
du dt
p
fx p
p
x p
p
(
2u x2
2u y 2
)
p
(原型,
p
x m
m
(
2u x2
2u y2 )m
(模型, x 方向)
由于两流动相似，那么任意物理参数之间有关系：
(2). 两种流动相似，所有单值性条件相似。单值性条件 包括流动空间几何形状、流动速度、流体性质、壁面 条件、初始条件等等。
(3). 两种流动相似，那么单值性条件中某些物理量组成 的相似准则数（无量纲数）对应相等。 Why?
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
例题1： 设有两个二维不可压定常粘性流动相似，其控制方程 N-S方程。具体形式如下（x 方向）：
压差力与惯性力之比，描述了两流场间压差力的相似。压差
对流问题。
弗劳德数： Fr V gl
流场惯性力与重力之比，表明两个流场的重力场相似。明渠流 动、船舶波动阻力问题。
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
雷诺数：Re=ρDV/μ
流场惯性力与粘性力之比，表示流场中粘性力作用的相似。 管内粘性流动、外部绕流的摩擦阻力问题。
第一节 流体力学的相似条件
模型实验的优点： ➢ 节省费用； ➢ 简化实验过程； ➢ 科学地表达实验结果。用无量纲的相似准则数整理和表达实验结
果，可以使其更具有代表性和适用性，有利于将模型试验结果推广应用到原 型中去。
模型实验的缺点： ➢ 边界条件和初始条件； ➢ 相似准则数的确定。
第一节 流体力学的相似条件
研究生课程-动力工程测试技术
实验流体力学 (1)
王海民
流体机械与工程研究所 hmwang@
2013年11月
主要内容
本章任务： ➢ 熟悉两种流动现象相似的条件、流体力学中常用的
相似准则数，掌握利用量纲分析方法获得准则方程以及 模化实验设计。
➢ 流体力学基本量测量 主要内容：
第一节 流体力学的相似条件
第一节 流体力学的相似条件
流体力学的实验方法可分为两种： 原型实验：直接得出反映实际流动的规律性结果 模型实验：限于实验条件的限制，通过设计与原型相似的模型 进行研究，间接获得实际流动的规律性结果。主要的模型实验 方法有：
(1) 几何尺寸的改变(放大或缩小); (2) 流动工质的改变; (3) 对原型的简化。
2u y 2
)
p
du dt
p
fx p
p
x p
p
(
2u x2
2u y 2
)
p
相似问题的控制方程应完全相同，对比后有：
CgCt = 1 CV
CpCt 1 C Cl CV
C Ct Cl2
1
－－相似指标
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
相似指标涉及的物理量即可组合成一个无量纲量－即相似准 则数
CgCt CV
(
2u x2
2u y 2
)
p
得到：
du CgCt dt p CV
fx
p
C pCt C Cl CV
p
x
p
C Ct Cl2
(
2u x2
2u y 2
)
p
第二节 流动的相似原理与近似模化实验
对比两个流动控制方程：
du dt
CgCt p CV
fx
p
C pCt C CLCV
p
x
p
C Ct CL2
(
2u x2