流体力学实验报告册

《流体力学》实验报告册

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南京工业大学环境学院

2013年11月

目录

实验一能量方程实验 (1)

实验二文丘里流量计实验 (3)

实验三动量方程实验 (6)

实验四雷诺实验 (9)

实验五局部阻力系数测定实验 (13)

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组别 实验日期 报告日期

实验一 能量方程实验

一、实验目的

1．观察恒定流的情况下，通过管道水流的位置势能、压力势能、动能的沿程转化规律，验证能量方程，加深对能量方程物理意义与几何意义的理解。 2．观察均匀流、渐变流断面及其水流特征。 3．观察急变流断面压强分布规律。

二、实验原理

实际液体在有压管道中作恒定流动时，其能量方程如下：

22

1122

1222w p v p v z z h g g g g

ρρ++=+++

均匀流及渐变流断面压强分布符合静水压强分布规律：

12120p p

z z C p p gh g g

ρρρ+

=+==+以及

图1 能量方程实验装置

三、实验要求

1．测定管道的测压管水头及总水头值。

2．绘制管道的测压管水头线及总水头线图，验证能量方程式。

四、实验步骤

1．熟悉仪器设备，记录铭牌上有关数据，分辨测压管与毕托管。 2．启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。

3．检查尾阀全关时，测压管及毕托管的液面是否齐平，若不平，则需排气调平。

4、打开尾阀，使管道通过一定的流量，量测各测压管水头值及其总水头值。

5．观察急变流断面B处及C处的压强分布规律。

6．本次实验共做两次，绘制测压管水头线及总水头线。

五、注意事项

1、尾阀的开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，不要使测压管水面下降太多，以免空气倒吸入管路系统，影响实验进行。

2．阀门开启后，至少需等待3-5分钟，待流量稳定后才能读数记录。

3．流量较大时，测压管水面有波动现象，可取用波动水位最高与最低读数的平均值。

六、实验数据记录及处理

七、绘制测压管水头线及总线头线并分析

2

3

组别 实验日期 报告日期

实验二 文丘里流量计实验

一、实验目的

1、掌握文丘里流量计的原理和测量方法；

2、测定文丘里流量计的流量系数μ；

3、绘制文丘里流量计压差（h ?）与实测流量（实Q ）的关系曲线。

二、实验原理

文丘里流量计是用于测量管道流的量常用仪器，由收缩段、喉管、扩散段三部分构成。由于喉管处过水断面收缩，使得该断面水流动能加大、势能减小，并引起断面不同断面间的势能差，此势能差可利用压差计测得。根据能量方程、连续性方程以及等压面原理，可得不计阻力作用时文丘里流量计的流量计算公式，如下：

h k Q ?=理

式中：g d

D d D k 24

4

4

22?=π

12

1212

()()p p h z z h h γγ

?=+?+=? 管道的实测流量实Q 可由体积法或重量法测出，文丘里流量计的流量系数为 理

实Q Q =

μ。

三、实验装置

实验装置及各部分名称如下图2所示。

图2 文丘里流量计实验装置

4

四、实验步骤

1、熟悉仪器，记录铭牌上有关数据。

2、启动抽水机，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。

3、检查尾阀K 全关时，压差计的液面是否齐平，若不平则需排气调平。

4、调节尾阀K ，依次增大流量或依次减小流量，量测各次流量和相应压差值，共做10次。流量Q 用体积法或重量法测量：用小水桶接水后经电子秤秤重并换算出接水体积V ，接水同时用秒表记录时间T ，经计算可得流量T

V Q =

实。 五、注意事项

1、在读取压差计读数、调控阀门开启度、以及测量流量时，同学间需要分工合作进行。

2、改变流量时，必须在水流稳定后（开关改变后至少需待3~5

分钟）方可进行记录。

3、流量较大时测压管水面可能会有波动现象，可读取波动水位的最高、最低读数后取平均值。

4、测量流量时，量筒、盛水容器的水使用过后要再倒入水箱中，以免循环水不足。

5、严格按照使用说明书操作秒表，并注意爱护秒表、量筒、电子秤等仪器设备。

六、实验数据记录及处理

1、 有关常数

文丘里管管道直径D =______cm ；文丘里管喉管直径d =_________cm ； 2、量测记录、计算表格

注意：处理数据时请注意各参数单位。

Q的关系曲线（用方格纸）并分析

七、绘制文丘里管的水头差h?与实测流量实

5

6

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实验三 动量方程实验

一、实验目的

1、测定管嘴喷射水流对平板或曲面板所施加的冲击力。

2、将测出的冲击力与动量方程计算出的冲击力进行比较，加深对动量方程的理解。

二、实验原理

应用力矩平衡原理求射流平面板和曲面板的作用力。 力矩平衡方程： 1GL FL =

式中F 为射流作用力；L 为作用力力臂；G 为砝码重量；L 1为砝码力臂 由上式得： L

GL F 1

=

应用动量方程求得射流对平面板和曲面板的作用力公式为

(1cos )v F Q a βρ=?

Q 为喷嘴的流量；V 为喷嘴出口流速；α为射流沿平面或曲面板的转折角度；ρ为液体密度；β为动量校正系数，取1=β。本实验共有三种不同转折角a 的平面板（o 90=a ）和曲面板（o o 180135==a a 及）。从水平管道喷嘴射出的水股冲击平板或曲面板后，应用动量方程可以求得平板和曲面板的冲击力如下：

水股对平板的冲击力： v R Q ρ=

水股对曲面板的冲击力：

135(1c os )(10.707) 1.707180(1c o s )2v v v v v

R Q Q Q R Q Q αραρραραρ==?=+===?=o o

，，

式中Q 为喷嘴的流量；V 为喷嘴出口流速，α为射流沿曲面板的转折角度。

三、实验装置

实验装置及各部分名称如下图3所示

四、实验步骤

1、记录铭牌上管嘴直径及仪器有关参数。

2、安装平面板，调节平衡锤位置，使杠杆处于水平状态。

3、启动抽水机，使水箱充水，并保持溢流，此时水流从喷嘴射出，冲击平板中心，标尺倾斜。然后加砝码并调节砝码位置，使与射流与平板所产生的力矩相平衡，记录砝码重量G 和力臂1L 。依杠杆原理即可得水流对平板的作用力实测F 进行比较。

4、用体积法或重量法测量流量Q ，计算射流流速V ，依动量方程计算射流对板的作用力理论F ，

7

5、改变溢流板高度，使水头和流量变化，重复上述步骤，可实测和计算不同流量下的作用力。

6、将平面板更换为曲面板（o

o 180135==αα及），同样方法实测和计算不同流量下的作用力。

7、关闭抽水机，将水箱中水排空，砝码从杠杆中取下，实验结束。

图3 动量方程实验装置图

五、注意事项

1、实验必须在水流稳定下方可进行。

2、量测流量后，量筒内的水必须倒回接水器，以保证循环水水量。

3、测流量时为减小流量的量测误差，计时与量简接水一定要同步进行。

4、严格按照使用说明书操作秒表，并注意爱护秒表、量筒等仪器设备。

六、实验数据记录及处理

1、喷嘴直径d =________________________cm

2、喷嘴断面面积A =________________________cm 2

3、射流作用力力臂L =________________________cm 量测记录及计算表格见下页。

七、思考题

1、F 实与F 理有差异，除实验误差外还有什么原因？

2、流量很大与很小时各对实验精度有什么影响？

3、实验中，平衡锤产生的力矩没有加以考虑，为什么？

8

9

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实验四 雷诺实验

一、实验目的

测定层流与紊流两种流态的水头损失与断面平均流速的关系。

二、实验原理

流体运动时可呈现两种不同的流动型态：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，称为层流；当流速较大时，管中水流各质点之间发生互相混掺的运动，称为紊流。不同的流动型态，其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不相同的。当发生层流时，沿程水头损失与断面平均流速的1次方成正比；当发生紊流时，沿程水头损失与断面平均流速的1.75～2次方成正比，视水流情况而定，可表示为m f h kV =，式中m 为指数，或表示为v m k h f lg lg lg +=。每套实验装置的管径固定时，当水箱水位保持不变时管内即产生恒定流动，且产生的沿程水头损失f h 与断面平均流速v 的关系可由能量方程导出：

f h g

v p z g v p z +++=++222

2222111γγ

由于管径不变，则21v v = 因此1212((f p p

h z z h g g

ρρ=+

?+=?，其中h ?值可由压差计读出。 三、实验装置

实验装置及各部分名称如下图4所示。

图4 雷诺实验装置图

10 四、实验步骤

1、熟悉仪器，测记有关常数。

2、启动抽水机，打开进水阀门开关使水箱充水，并保持溢流使水位恒定。

3、检查尾阀K 全关时，压差计液面是否齐平，若不平则需排气调平。

4、打开尾阀K 量测各次流量及相应的压差值。将尾阀由小开启至最大增大管内流量，每改变一次流量，均待水流平稳后测定流量Q 和试验段的水头损失h ?。其中流量Q 用体积法或重量法测量，具体操作方法为：用小水桶在出口处接水，之后进行秤重并计算出成水体体积V ，接水的同时用秒表计时T ，进而计算得到流量V Q T

=。相应的断面平均流速A

Q v =。

5、流量采用尾阀K 调节，共做10次；当2500

6、测量水温t ，在t-ν关系曲线上查得运动粘度ν（教材第一章表1-5），计算出雷诺数e vd R ν=值。

7、相反，再逐步关闭尾阀K 使管内流量逐步减小，重复上述步骤。

五、注意事项

1、整个实验过程中，要特别注意保持水箱内的水位稳定，应经常观察水箱溢流状况，以保证实验过程中水箱中水位不变。

2、实验过程中每变动一次阀门开启度，均待水头稳定后再量测流量和水头损失。

3、打开尾阀K 时要注意开关的转向，须小心缓慢旋转尾阀K ，不要一次关得太多；可用压差计压差控制阀门开启度，即每次调节尾阀K 时使压差只能减小3mm 左右，处于紊流时每次压差减小差值可稍大些。

4、在流态处于临界点附近，流量变化的间隔要小些，以使测点多些以便准确测定出临界雷诺数。

5、层流时由于流速较小，所以相应水头损失 h f 值也较小，应耐心、细致地多测几次。同时注意不要碰撞设备并保持实验环境的安静，以减少扰动。

6、严格按照使用说明书操作秒表，并注意爱护秒表、量简、温度计等设备。

7、每次体积法测量流量，量筒、水桶里的水称量后都要倒回接水器，以免循环水不足。

六、实验数据记录及处理

1、有关常数

管径 d = cm ；断面面积4

2

A

= 2

水温 t = 度；运动粘滞系数 v = s cm /2。

2、量测记录表格：

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12 七、用方格纸或双对数纸绘制v h f lg lg ?曲线，并计算层、紊流时的斜率m 值。

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组别 实验日期 报告日期

实验五 局部阻力系数测定实验

一、实验目的

1、掌握测定管道局部阻力系数ξ的方法。

2、将管道局部阻力系数的实测值与理论值进行比较。

3、观察管径突然扩大时旋涡区测压管水头线的变化情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况。

二、实验原理

由于边界形状的急剧改变，主流就会与边界分离出现漩涡并改变水流流速分布，从而消耗一部分机械能，单位重量液体产生的这部分能量损失称为局部水头损失。边界形状的改变有水流断面的突然扩大或突然缩小、弯道及阀门等。

局部水头损失常用下式进行确定：h j =ξg

v 22

。式中： ξ—局部阻力系数，也叫局部水头损失系

数。管道局部水头损失目前仅有断面突然扩大情形可采用理论分析获得，其他情况则需采用实验方法来测定ξ值，进而得到局部水头损失。突然扩大的局部水头损失可应用动量方程、能量方程及连续方程联合求解分析：

22

1122

112222j p v p v z z h g g g

g ααρρ++=+++

得到：2212112222j p p v v h g g g g ααρρ=?+? 即 22

12

1222j v v h g g

=???+?

得到如下公式：

h j = ξ1

212v g ，ξ1理 =（211A A ?）2

或 h j = ξ2222v g ，ξ2 理=（21

1A A ?）2 式中：A 1和v 1分别为突然扩大上游管段的断面面积和平均流速：A 2和v 2分别为突然扩大下游管段的断面面积和平均流速。

三、实验装置

实验装置及各部分名称如下图5所示。

四、实验步骤

1、熟悉仪器，记录铭牌上有关参数。

2、启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。

3、检查尾阀K 全开时，测压管的液面是否齐平，若不平，则需排气调平。

4、慢慢打开尾阀K ，使流量在测压管量程范围内最大，待流动稳定后，记录测压管液面标高，用体积法测量管道流量，然后根据管路中不同管段的流速计算出流速水头。

14 5、调节尾阀改变流量，重复测量三次。

6、选取一组较好的试验数据，计算出测压管水头，然后根据管路中不同管段流速计算出流速水头，与测压管水头相加得到总水头线，最后绘制出总水头线及测压管水头线。

图5 局部阻力系数实验装置

五、注意事项

1、实验必须在水流稳定后方可进行。

2、计算局部水头损失系数时，应注意选择相应的流速水头：所选量测断面应选在渐变流断面上，尤其下游断面应选在旋涡区的末端，即主流恢复并充满全管的断面上。

六、实验数据记录及处理

1、有关常数：

突然扩大前管径 d 1 = cm ，断面面积A 1 = cm 2； 突然扩大后管径 d 2 = cm ，断面面积A 2 = cm 2； 突然缩小管管径 d 3 = cm ，断面面积A 3 = cm 2； 90°圆角弯管管径 d 4 = cm ，断面面积A 4 = cm 2； 90°直角弯管管径 d 5 = cm ，断面面积A 5 = cm 2。 管道突然扩大：212=1A A ξ?

（） 或 2

21

=1

A A ξ?（） 管道突然缩小：32

=0.51A A ξ?

2

（）

2、量测记录表格：

3、计算表格：

（1）突然扩大：

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（3）90°圆角弯管：

（4）90°直角弯管：

七、思考题

1、试分析实测h j与理论计算h j有什么不同？原因何在？

2、如不忽略管段的沿程损失h f，所测出的ξ值比实际的偏大还是偏小？

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