流体力学多功能实验装置设计与应用
物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项
物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项引言：流体力学是研究流体的运动规律和力学特性的学科。
在物理学和工程学等领域中，流体力学实验是非常重要的手段之一。
本文将介绍物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项。
一、流体静力学实验方法与注意事项1. 压力测量：在流体静力学实验中，常常需要测量流体的压力。
为此，可采用鞅管法、液柱法或压力传感器等多种方法进行测量。
在进行压力测量时，应注意排除空气泡和外界干扰，并保证测量系统的密封性和稳定性。
2. 测量巨大压力：当需要测量巨大压力时，常常采用高压流体静力学实验仪器。
在进行实验时，需注意选择适当的仪器，确保仪器的耐压性和安全性，以防止事故的发生。
3. 测量液体表面张力：液体表面张力的测量是流体静力学实验的重要内容之一。
测量方法多样，如静水柱、悬挂法等。
在进行测量时，需注意消除外界干扰，控制环境温度和湿度，并对实验仪器进行校正，以提高测量的准确性和可重复性。
二、流体动力学实验方法与注意事项1. 流体流动实验装置：进行流体动力学实验时，通常需设计和搭建适当的流动装置。
在设计装置时，需考虑流体的性质、流动模式和实验目标等因素，以确保实验的可靠性和有效性。
2. 流速测量：在流体动力学实验中，常常需要测量流体的流速。
可采用流量计、涡街流量计或热式流量计等多种方法进行测量。
在进行流速测量时，应注意选择适当的测量方法和仪器，并进行校正，以保证测量的精确性和可靠性。
3. 测量流体粘度：流体粘度的测量是流体动力学实验的一项重要任务。
可采用转子陀螺、滴管法或霍普金森法等多种方法进行测量。
在进行测量时，需注意消除测量装置的摩擦和振动，并对实验结果进行统计分析，以提高测量的准确性和可靠性。
三、流体力学实验的实例与应用1. 空气动力学实验：空气动力学实验是研究空气流动和空气力学特性的实验。
在航空、航天和汽车等领域中，空气动力学实验是非常重要的手段之一。
通过实验，可以获得空气流动的速度场、气压分布等相关数据，为产品设计和性能优化提供依据。
流体力学实验指导书
《流体力学》实验指导书目录实验装置简介及实验安排…………………………………………………… 1-2 实验一：伯努利方程验证实验………………………………………………… 3-8 实验二：雷诺实验…………………………………………………………… 9-12实验装置简介及实验安排实验装置：流体力学综合实验台是一个多功能实验装置，用此实验台可进行伯努利方程（能量方程）验证实验、雷诺实验、沿程阻力测定实验、局部阻力测定实验、毕托管测速实验和文丘里流量计实验等多个流体力学实验。
实验装置如图1-1所示。
1—供水箱，水泵；2—实验桌；3—层流测针；4—恒压水箱；5—彩色墨水罐；6—差压板；7—沿程阻力实验管；8—局部阻力实验管；9—伯努利实验管；10—雷诺实验管；11—伯努利差压板；12—毕托管；13—计量水箱；14—回水管。
图1-1 多功能流体力学综合实验台针对轮机工程专业36学时或32学时的流体力学课程，我们开设两个实验，即伯努利方程验证实验和雷诺实验。
在雷诺实验中，学生可以借助该实验装置观察层流和湍流（紊流）特征以及它们之间的转换特征，掌握测定临界雷诺数Re 的方法。
在伯努利方程实验中，学生可以借助该实验装置验证总流的伯努利方程，观察流体流动过程中的能量守恒关系，同时可以掌握流速、流量和压强等要素的实验量测技能。
实验学时分配：实验一：伯努利方程验证实验 2学时实验二：雷诺实验 2学时实验分组：每个实验7-8人一组，每个自然班分成四组。
实验一：伯努利方程验证实验一、实验目的1．掌握伯努利方程式中各项的物理意义及它们之间的转换关系； 2．验证流体总流的能量方程；3．掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术； 4．学习使用测压管、总压管测水头的实验技能及绘制水头线的方法。
二、实验原理1．伯努利方程（能量方程）在伯努利实验管路中沿水流方向取n 个过流断面。
在动能修正系数α近似取为1的情况下，可以列出进口断面（1）至任一断面（i ）的能量方程式（i = 2，3，……，n )i ,i i i h gv p z g v p z -+++=++1f 2211122γγ （1）式中，z 、γp 和gv 22分别为位置水头（位头）、压力水头（压头）和速度水头（动头），单位为m （水柱）；i ,h -1f 为从过流断面1到断面n 的水头损失，单位也是m （水柱）。
《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。
流体力学综合实验实验报告
流体力学综合实验实验报告一、实验目的1. 了解流体力学原理。
2. 学习流体力学实验的方法，掌握实验的技能。
3. 通过实验，明白流体力学中流体的各种属性及其产生的作用。
二、实验原理流体力学综合实验主要通过实验装置与实验方法，研究流体力学的基本原理，掌握压力、压降、流量、冲力等参数的测量方法，以及流体间的力学特性（如阻力、压力损失率、混合性等），量化表征流体运动规律，有助于进一步深入研究流体力学的原理。
三、实验设备流体力学综合实验装置由以下部分组成：1.供水管2.压力表3.流量计4.定压调节装置5.实验室水压测试系统6.实验室水压实验系统四、实验步骤1. 打开供水管，启动实验装置，并记录初始温度和流量。
2. 根据实验要求，调整定压调节装置，使实验装置持续运行。
3. 逐步记录实验装置的运行参数，如流量、压力、温度等。
4. 观察实验装置的运行状态，及时记录实验数据。
5. 根据实验结果，归纳总结实验意义，完成实验报告。
五、实验结果实验中测量的参数如下：1. 流量：1.32mL/min；2. 压力：2.45MPa；3. 温度：18℃。
六、实验分析通过实验，可以看出，流量、压力和温度是流体力学中非常重要的参数，改变这些参数，可以影响流体的运动状态，从而得出实验结论。
根据实验，我们可以得出以下结论：1. 压力的变化可以影响流体的流动状态。
随着压力的增加，流体的物理特性也发生了改变，即流量也相应增大。
2. 温度的变化也会影响流体的流动状态。
随着温度的升高，流量会增加。
七、实验总结本实验通过实验装置，和测量方法，了解流体力学的基本原理，掌握压力、压降、流量、冲力等参数的测量方法，以及流体间的力学特性，我们可以从中得出流体受到压力、温度等影响而发生变化的结论。
流体力学实验指导书
篇一：流体力学实验指导书1流体力学（水力学）实验指导书黎强张永东编西南大学工程技术学院建筑系二零零八年九月流体力学综合实验台简介流体力学综合实验台为多用途实验装置，其结构示意图如图1所示。
图1 流体力学综合试验台结构示意图1.储水箱2.上、回水管3.电源插座4.恒压水箱5.墨盒6.实验管段组7.支架8.计量水箱9.回水管 10.实验桌利用这种实验台可进行下列实验：一、雷诺实验；二、能量方程实验；三、管路阻力实验；1．沿层阻力实验2．局部阻力实验；四、孔板流量计流量系数和文丘里流量系数的测定方法；五、皮托管测流速和流量的方法。
一、雷诺实验1．实验目的（1）观察流体在管道中的流动状态；（2）测定几种状态下的雷诺数；（3）了解流态与雷诺数的关系。
2．实验装置本实验的实验装置为：（1）流体力学综合实验台；（2）雷诺实验台。
在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺数实验管、阀门、伯努力方程实验管道、颜料水（蓝墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀，水泵和计量水箱等，秒表及温度计自备。
雷诺实验台部件种类同综合实验台雷诺实验部分。
3．实验前准备（1）、将实验台的各个阀门置于关闭状态。
开启水泵，全开上水阀门，把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不变。
（2）、用温度计测量水温。
4．实验方法（1）、观察状态打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，此时雷诺实验管中的流动状态为紊流；随着出水阀门的不断的关小，颜料水与雷诺实验管中的水渗混程度逐渐减弱，直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流，此时雷诺实验管中的流动为层流。
（2）测定几种状态下的雷诺系数全开出水阀门，然后在逐渐关闭出水阀门，直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。
按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一个状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。
实验一 流体力学综合实验
实验一 流体力学综合实验流体力学综合实验台为多功能实验装置，其结构示意图如图1所示。
图1 流体力学综合实验台结构示意图1.储水箱2.恒压水箱溢流管3.上水管4.恒压水箱5.墨盒6.实验管段组7.支架8.计量水箱9.回水管10.实验桌利用上述流体力学综合实验台可进行下列实验：I. 雷诺实验；II.能量方程实验；III.阻力损失实验：1．沿程阻力2．局部阻力（含阀门、突扩和突缩）；IV.孔板流量计流量系数和文丘里流量计流量系数的测定。
1··I 雷诺实验实验目的1. 观察流体在管道中的流动状态及层流状态下的速度分布。
2. 测定不同流态下的雷诺数，了解流态与雷诺数的关系。
3. 测定下临界雷诺数。
实验原理众所周知，流体在管道中具有不同的流态。
在图2所示的实验装置中，可以看到两种流态的征状。
容器A内装有清水，水从管G送入容器，从侧壁上的玻璃管B及靠近容器顶部的溢流管H流出。
送入的水量应使总有一部分水经过溢流管流出，这样可使容器的液面维持一定。
玻璃管的排水量可用阀C调节。
容器上方有小瓶D，瓶内装入有色液体，有色液体可经过细管E注入玻璃管B内。
图2 雷诺实验装置示意图当玻璃管内的流速较低时，从细管注入的有色液体能成为单独的一股细流前进，同玻璃管内的水不相混杂（见图1a）。
当玻璃管内的流速较高时，从细管注入的那股有色的细流马上消失在水中，同水混杂起来（见图1c）。
前一种情况说明流体流动时，流体的质点成为互不干扰的细流前进，各股细流互相平行，层次分明，流体的这种状态叫层流，或叫滞流。
后一种情况说明流体流动时，出现一种紊乱状态。
流体各质点作不规则的运动，流体内各股细流互相更换位置，流体质点有轴向和横向运动，互相撞击，产生湍动和旋涡，这种流态叫湍流，或称紊流。
这个实验称为雷诺实验。
2··实验证明，除了流速u对流态有影响外，管道直径d、流体密度ρ和粘度μ对流态也产生影响。
若流体处于层流状态时，d、ρ愈大，μ愈小，流态就愈容易从层流转为紊流；相反，d、ρ愈小，μ愈大，流态就愈不易从层流转为紊流。
流体力学实验,光滑管
实验:沿程阻力系数测量装置设计实验(光滑管)
1、实验（测试）原理介绍
流速ν的计算公式：v=4Q/(πd ²)
雷诺数的计算公式为：Re=νd/υ
光滑管在光滑区的沿程阻力系数：λ=0.3164/Re0.25
2、实验（测试）装置原理图
U型管的两端接一定管长的两端，通过测量U型管内水位差可以获得ΔH
3、实验装置加工设计计算
光滑管的直径为20cm，第一因为取材方便，第二通过水泵抽水，20cm的管径可以获得比较比较理想的实验数据U型管的最大的高度为100cm，因为可以解决管道两端压力差过大时候导致水位相差过大的问题。
4、实验装置加工过程
加工过程的照片，和说明；可拍视频
5、实验装置使用前标定
光滑管的标定在于对U型管的标定，首先将U型管安装在机架上，然后往U型管中加少量的水，令U型管的上端与大气相通，在两个U型管中标记0刻度，然后通过刻度尺标定其他的数值
6、实验材料汇总
20cm管径的水管一根，100cm的透明管两根，另外总长为150cm左右的软管，五个阀门
7、实验步骤
1打开U型管顶端的阀门一点点开度
2 打开打开U型管的两个下端的阀门，令U型管进入一些水，再关闭顶端的阀门
3关闭打开的两个阀门，打开U型管想通的阀门，再关闭，
4重新打开U型管下端的两个阀门
8、实验数据记录表格
9、实验情况
10、体会
做实验挺有趣的，玩得很开心。
下面是位差与阀门开度的关系图，流速与位差的关系图和雷诺数与位差的关系图。
物理实验技术中的流体力学实验方法应用案例
物理实验技术中的流体力学实验方法应用案例引言在物理学的研究中，流体力学实验方法是一种重要的手段，它被广泛应用于不同领域的研究中。
本文将通过几个案例，介绍流体力学实验方法在物理实验技术中的应用。
案例一：研究流体的粘性流体的粘性是流体力学研究的一个重要参数，影响了许多实际应用。
为了研究流体的粘性，科学家们设计了一个实验方法：滴落法。
滴落法的实验步骤如下：首先，将待测流体滴落到玻璃板上，然后利用高速摄影仪记录滴落的过程。
通过分析滴落的形态和滴落的速度，可以得到流体的粘度。
这种实验方法不仅简单易行，而且可以得到较为精确的结果。
案例二：研究流体的表面张力流体的表面张力是指流体表面上的分子间吸引力和表面力之间的平衡。
为了研究流体的表面张力，科学家们采用了静电平衡法。
静电平衡法的实验步骤如下：首先，在一个导电浴内，将带有一定电荷的小圆环浸入待测流体中。
然后，通过调整电场的力来平衡驱动小圆环的重力和表面张力。
最后，通过测量所需的电场力，可以得到流体的表面张力。
这种实验方法有着较高的精度和可重复性。
案例三：研究流体的流动特性研究流体的流动特性是流体力学实验中的重要任务之一。
为了研究流体的流动特性，科学家们采用了流速测量法。
流速测量法的实验步骤如下：首先，通过调整流体的密度和流道的形态，使流体流速得到控制。
然后，将流体引导到一个测量装置中，如流速计，通过测量流体通过装置的时间和体积，可以得到流体的流速。
这种实验方法在实际应用中非常常见，能够准确测量各种类型的流体。
结论物理实验技术中的流体力学实验方法在各个领域中发挥着重要的作用。
通过实验方法的应用，科学家们可以研究流体的粘性、表面张力和流动特性等重要参数。
这些实验方法不仅简单易行，而且能够获得较为精确的结果。
通过不断研究和改进实验方法，我们可以更好地理解和应用流体力学知识，推动物理学的发展和应用。
【总字数：约470字】。
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流体力学多功能实验装置设计与应用作者：鞠晓群罗念宁于东王威
来源：《中国教育技术装备》2021年第02期
摘要自制实验教学设备对高素质双创人才培养有着积极的推动作用，能够激发教师创新性地解决教学中重点、难点问题的热情。
设计一种可同时进行皮托管流速和舵翼升阻力测量的多功能实验装置，包括整体框架、平面运动机构、舵翼总成、流速测量装置[1]、电控系统等，能够测量不同浸没深度、攻角下的舵翼升阻力以及水槽断面不同点的流速，并应用于本科实验教学，操作简便，控制精度高，实验数据准确，极大地提升了实验效率，改善了实验效果。
关键词流体力学;实验装置;实验教学;皮托管流速;舵翼升阻力测量
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2021）02-0045-03
Design and Application of Multifunctional Experimental Device
for Fluid Mechanics//JU Xiaoqun， LUO Nianning， YU Dong， WANG
Wei
Abstract This article designs a multifunctional experimental device that can be used for flow velocity measurement by the pitot tube and
lift and drag measurement of the rudder and fin at the same time， the
device includes the overall framework， the planar motion mechanism，
rudder and fin assembly， flow velocity measuring device， electronic control system， etc.，it can measure the lift and drag of rudder and fin
under different submergence depth and attack angle， and the flow ve-
locity of each point of one section， it greatly enhance the experimen-tal efficiency and improve the experimental effect.
Key words fluid mechanics; experimental device; experiment tea-ching; pitot tube velocity; lift and drag measurement of the rudder and fin
0 前言
實验教学是高校教学工作的重要环节，对于提升学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有其他教学形式所无法替代的作用，而实验装置是开展实验教学的关键物质条件，
其好坏决定了实验水准和人才培养质量。
高校实验教师应积极探索、勇于实践、敢于创新，利用自制实验教学设备去解决实验中的重点和难点问题，从而保证实验效率和教学质量。
皮托管流速和舵翼升阻力测量实验是哈尔滨工业大学船舶专业实践教学必不可少的环节，对于学生掌握流体力学和船舶原理相关内容具有重要的实践意义[2]。
两个实验是独立的实验装置，在实验课期间需要反复拆装实验架，严重影响教学进度。
另外，实验装置较简陋：皮托管流速测量装置只能测量水槽流场中某一点的流速，且其通过U型管计算压差，实验前需排空气，操作烦琐，读数误差大;舵翼升阻力实验装置手动调节舵翼攻角，误差较大，且浸没深度不可调。
装置的陈旧制约了实验内容和目标的实施与完成，严重影响了实验效果[3]。
针对现有实验装置存在的上述问题，设计一种可同时进行两个实验的多功能装置。
该装置配备差压变送器、测力传感器、数据采集及转换模块等，能够测量水槽断面1.2 m
宽*0.6 m高范围内所有点的流速，可以精确自动控制舵翼攻角和浸没深度，并联动采集舵翼升阻力和扭矩数据[4]。
1 实验装置总体结构
装置采用8080铝型材作为框架，整体尺寸为60 cm宽*
120 cm高，框架竖向内侧装有滑道总成;长120 cm的30150
铝型材作为舵机平台、皮托管夹具的载体，其上固定有两个滑块，分别与框架竖向内侧两个滑道总成配合，可在垂直方向自由滑动;框架靠上位置有一根8080铝型材作为横梁，起加固框架和支撑丝杠的作用;30150铝型材上下两侧装有滑道总成，皮托管夹具上的滑块与之配合，可在水平方向自由滑动[5]。
装置整体上可以实现舵机平台的竖向运动以及皮托管夹具的横向与竖向移动，其总体结构如图1所示。
2 主要部件设计
驱动装置设计如图1所示，在框架上方固定有直流减速电机1，通过联轴器与M8丝杠连接，T型螺母与舵机平台固定，丝杠下端嵌入固定于框架底边的轴承内套中[6]。
电机带动丝杠旋转，通过T型螺母驱动舵机平台上下运行，从而使30150铝型材在竖直方向移动，皮托管夹具通过减速电机2和丝杠等在30150铝型材上做水平方向移动[7]。
舵翼总成设计舵翼总成如图2所示，由舵机平台、减速电机、齿轮、编码器、制动器、三分力天平[8-9]、舵翼等组成。
通过平面运动机构，舵机平台可以上下移动，从而调节舵翼的浸没深度;减速电机和编码器可以精确调节舵翼的攻角[10]，电磁离合器对其进行锁死，防止舵翼在水流冲击下发生偏转;三分力天平可以测量舵翼升阻力及扭矩数据。
流速测量装置设计流速测量装置包括皮托管夹具、皮托管、差压变送器和数据采集设备。
皮托管的总压和静压口分别与差压变送器通过橡胶管连接，数据采集设备能够记录差压变送器输出的4～20 mA的电流值，通过电流值与压差的对应关系及伯努利方程即可计算流速。
电控系统设计电控系统由传感器、ECU、执行机构等硬件和系统程序、采集程序、控制程序等软件组成。
舵翼的浸没深度及攻角调节、皮托管的平面运动、数据采集等都通过上位机控制面板来完成，控制系统原理如图3所示。
3 实验教学应用
将实验装置安装在循环水槽试验段，为本科生开展舵翼升阻力和皮托管流速测量实验，装置安装方式如图4所示。
实验时先维持电机恒定转速，测量水槽断面横向和竖向各五个点的流速以及舵翼在0.5 m浸深不同攻角下的升阻力，然后测量不同电机转速下水槽断面某一点流速及舵翼升阻力，具体工况参数如表1所示。
在不同工况下，差压变送器和三分力天平输出的信号经过处理，得到的实验结果如图5～图7所示。
可以看出，皮托管流速和舵翼升阻力测量精度可达1%，工况变化范围较广，舵翼阻力随攻角变大逐渐升高，升力先升高后减小，在29°左右发生失速现象，实验装置完全可以满足本科教学任务。
4 总结
与现有实验设备对比，该装置具有以下特点：
1）可同时进行皮托管流速和舵翼升阻力测量实验，免去实验时多次拆装实验装置的麻烦，提高实验效率;
2）可在水槽流场断面1.2 m宽*0.6 m高的范围内自动连续采样测量流速;
3）自动调节舵翼浸深和攻角，且攻角控制精确，可测量不同状态下的舵翼升阻力和扭矩[11];
4）自动化程度高，所有机械运动和数据采集均可通过控制面板来操作，不仅提高了实验效率，而且满足实践教学的需要，增强了实验教学效果[12]。
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