8流体力学的实验研究方法
流体力学实验报告
实验一 柏努利实验一、实验目的1、通过实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和柏努利方程。
2、通过实测流速的变化和与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。
二、基本原理流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以互相转换。
在没有摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能总和是相等的。
在有摩擦而没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。
流体静压能可用测压管中液柱的高度来表示，取流动系统中的任意两测试点，列柏努利方程式：∑+++=++f h p u g Z P u g Z ρρ2222121122对于水平管，Z 1=Z 2，则 ∑++=+f h p u p u ρρ22212122若u 1=u 2, 则P 2<P 1；在不考虑阻力损失的情况下，即Σh f =0时，若u 1=u 2, 则P 2=P 1。
若u 1>u 2 , p 1<p 2；在静止状态下，即u 1= u 2= 0时，p 1=p 2。
三、实验装置及仪器图2－2 伯努利实验装置图装置由一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管路上取有不同的测压点由玻璃管连接。
水的流量由出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。
四、实验步骤及思考题3、关闭出口阀7，打开阀门3、5，排出系统中空气；然后关闭阀7、3、5，观察并记录各测压管中的液压高度。
思考：所有测压管中的液柱高度是否在同一标高上？应否在同一标高上？为什么？4、将阀7、3半开，观察并记录各个测压管的高度，并思考：（1）A、E两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D两管中，C、D两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？5、将阀全开，观察并记录各测压管的高度，并思考：各测压管内液位高度是否变化？为什么变化？这一现象说明了什么？五、实验数据记录.液柱高度 A B C D E阀门关闭半开全开实验二 雷诺实验一、实验目的1、 观察流体在管内流动的两种不同型态，加强层流和湍流两种流动类型的感性认识；2、掌握雷诺准数Re 的测定与计算；3、测定临界雷诺数。
流体力学实验 (2)
流体力学实验
流体力学实验是研究流体运动、流体性质和流体力学现象的实验方法和实验技术。
在流体力学实验中，通常会使用各种仪器设备和测量装置来观测、记录和分析流体的运动状态、流速、压力、温度等重要参数。
流体力学实验的目的可以是验证理论模型、研究流体流动的规律、探究流体与固体的相互作用等。
以下是一些常见的流体力学实验：
1. 流体的静力学实验：通过测量流体中的压力分布，来研究流体静力学的规律，常用的实验方法有水压实验和气压实验。
2. 流体的动力学实验：研究流体运动的规律，常见的实验包括流体的流速测量、流体的流线观测、流体的密度测量等。
3. 流体的粘性实验：用来研究流体粘性特性的实验方法，通常会测量流体的粘度和黏滞阻力。
4. 流体与固体相互作用的实验：研究流体在固体表面上的附着和流动的实验，如流体在管道中的摩擦阻力实验、流体在物体表面的湿润实验等。
5. 流体流动模拟实验：通过模拟实验方法来研究流体流动的现象和规律，常见的方法有模型试验和数值模拟。
流体力学实验通常需要使用精密的仪器设备和仔细的实验操作，以确保实验结果的准确性和可靠性。
实验结果可以为理论研究提供验证和支持，也可以为工程应用提供参考和指导。
流体力学动量定理实验报告
流体力学动量定理实验报告流体力学是研究流体运动规律的一门学科，其中动量定理是流体力学中的重要定律之一。
本实验旨在通过实际操作验证流体力学动量定理，并深入理解其物理意义和应用。
一、实验目的1. 验证流体力学动量定理的实际有效性；2. 理解动量定理的物理意义和应用；3. 探究不同流体条件下动量定理的适用性。
二、实验原理根据动量定理，当一个物体受到外力作用时，其动量的变化率等于作用在物体上的合外力。
对于流体，其动量定理可以表述为：流体的动量的变化率等于作用在流体上的合外力和压力力之和。
三、实验器材和药品1. 实验装置：流体力学实验装置、流量计、压力计等；2. 实验介质：水。
四、实验步骤1. 将流体力学实验装置连接好，保证流体可以顺利流动；2. 打开水源，调节流量计的流量，保持恒定；3. 使用压力计测量不同位置的压力值，并记录；4. 分别改变流动介质的流速和流量，再次测量压力值并记录；5. 根据实验数据，计算流体的动量变化率并进行比较分析。
五、实验结果与分析通过实验测量得到的压力值和流速数据，可以计算出流体的动量变化率。
根据动量定理，动量的变化率应该等于作用在流体上的合外力和压力力之和。
通过对不同流速和流量下的实验数据进行比较分析，可以得出以下结论：1. 随着流速的增加，流体的动量变化率也增加，说明流体受到的合外力也增大；2. 当流速恒定时，流量的增加会导致动量变化率的增加，说明流体受到的压力力也增大；3. 实验结果与动量定理的预期结果相符，验证了动量定理在流体力学中的适用性。
六、实验总结与思考通过本次实验，我们深入理解了流体力学动量定理的物理意义和应用。
实验结果表明，动量定理在流体力学中具有实际有效性，并能够用于解释和预测流体运动过程中的各种现象。
同时，实验过程中还发现了流速和流量对流体动量变化率的影响，这为进一步研究流体力学提供了新的思路和方向。
通过本次实验我们验证了流体力学动量定理的实际有效性，并深入理解了其物理意义和应用。
流体力学的研究内容与研究方法
工程流体力学
流体力学的研究内容与研究方法
1.3 流体力学的应用及其分支
在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学是与人 类日常生活和生产事业密切相关的。大气和水是最常见的两种流体，大气包 围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动（包括波浪、 潮汐、中尺度涡旋、环流等）乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究 内容。
流体力学的研究内容与研究方法
1.2 流体力学的研究方法
理论分析
理论分析是根据流体运动的普遍规律，如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利 用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理 论分析的步骤大致如下：首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题， 分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力 学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、 理想流体、平面流动等。
20世纪初，世界上第一架飞机出现以后，飞机和其他各种飞行器得到迅速 发展。20世纪50年代开始的航天飞行，使人类的活动范围扩展到其他星球和 银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力学 和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成 果的领域。
流体力学的研究内容与研究方法
流体力学的研究内容与研究方法
1.2 流体力学的研究方法
流体力学的 研究方法
现场观测
实验室模拟
理论分析
数值计算
流体力学的研究内容与研究方法
1.2 流体力学的研究方法
现场观测
现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种 仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。 过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。
流体力学的研究方法和实验技术
流体力学的研究方法和实验技术流体力学是研究流体力学行为的科学领域，主要包括理论研究和实验技术。
在流体力学的研究过程中，科学家们积极探索各种研究方法和实验技术，以便更好地理解和解释流体行为。
本文将介绍流体力学的研究方法和实验技术。
一、研究方法1. 理论分析法理论分析法是流体力学研究中最基本的方法之一，它基于方程和模型的推导，通过数学和物理原理来描述流体力学行为。
在理论分析法中，科学家通过设立基本假设和方程，运用数学和物理方法，推导出描述流体力学行为的基本方程。
这些方程可以用来解释和预测流体的流动、压力、速度等特性。
2. 数值模拟法随着计算机技术的快速发展，数值模拟法在流体力学研究中得到广泛应用。
数值模拟法通过将流体力学问题抽象为数值计算问题，利用计算机大规模计算流体力学问题的解。
科学家们通过将流体力学模型离散化为有限元、有限差分等形式，利用数值计算方法求解离散化后的方程，从而得到流体流动的数值解。
数值模拟法不仅可以辅助理论预测，还可以对复杂流体力学问题进行模拟和仿真。
3. 实验观测法实验观测法是流体力学研究的另一种重要方法，它通过设计和搭建实验装置，对流体力学现象进行实际观测和测试。
实验观测法可以直接获得流体的物理参数和特性，例如流速、流量、压力等。
科学家们可以通过实验观测法验证理论模型，同时也可以发现和研究新的流体力学现象。
在实验观测法中，合理的实验设计和精确的测量技术对于研究结果的准确性和可靠性至关重要。
二、实验技术1. 流速测量技术流体力学研究中，流速是一个非常关键的参数。
科学家们发展了各种流速测量技术，例如静压法、热线法和激光多普勒测速法等。
静压法通过测量静压差来计算流速，热线法通过测量流体对热线的冷却效应来计算流速，激光多普勒测速法则通过测量被激光散射的光频来计算流速。
这些技术为流体流速的精确测量提供了可行的方法。
2. 压力测量技术在流体力学研究中，压力是另一个重要的参数。
科学家们发展了多种测量压力的技术，例如压电传感器、压阻传感器和毛细管压力测量法等。
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
实验一 流体流动阻力的测定一、 实验目的和任务1.了解流体流过管路系统的阻力损失的测定方法；2.测定流体流过圆形直管的阻力，确定摩擦系数λ与流体Re 的关系；3.测定流体流过管件的阻力，局部阻力系数ξ；4.学会压差计和流量计的使用方法；5.识别管路中各个管件、阀门，并了解其作用；二、实验原理流体的流动性，即流体内部质点之间产生相对位移。
真实流体质点的相对运动表现出剪切力，又称内摩擦力，流体的粘性是流动产生阻力的内在原因。
流体与管壁面的摩擦亦产生摩擦阻力，统称为沿程阻力。
此外，流体在管内流动时，还要受到管件、阀门等局部阻碍而增加的流动阻力，称为局部阻力。
因此，研究流体流动阻力的大小是十分重要的。
1．直管摩擦系数λ测定流体在管道内流动时，由于流体粘性作用和涡流的影响产生阻力。
阻力表现为流体的能量损失，其大小与管长、管径、流体流速等有关。
流体流过直管的阻力计算公式，常用以下各种形式表示：(1) 2L h 2f u d λ＝)2( 2g u d L H 2f λ＝ 或 )3( 2L P P P 221f u d ρλ＝－＝－∆式中hf ——以能量损失表示的阻力，J ／kg ；Hf ——以压头损失表示的阻力，m 液柱； △Pf ——以压降表示的阻力，N ／m2 L ——管道长，m d ——管道内径，m ；u ——流体平均流速，m/s ； P ——流体密度，kg ／m3； λ——摩擦系数，无因次；g ——重力加速度，g 一9.81m/s2。
．λ为直管摩擦系数，由于流体流动类型不同，产生阻力的原因也不同。
层流时流体流动主要克服流体粘性作用的内摩擦力。
湍流时除流体的粘性作用外，还包括涡流及管壁粗糙度的影响，因此λ的计算式形式各不相同。
层流时，利用计算直管压降的哈根－泊谡叶公式：)4( d uL 32P P P 221f μ＝－＝－∆和直管阻力计算公式(3)，比较整理得到λ的理论计算式为)5( Re 64du 232＝＝ρμλ⨯由此式可见，λ与管壁粗糙度ε无关，仅为雷诺数的函数。
第六章 流体力学的试验研究方法相似原理和量纲分析
和管径d有关，试用瑞利量纲分析法建立Vc的公式结构。 和管径d有关，试用瑞利量纲分析法建立V 的公式结构。 [解] 假定 vc = kρ α ⋅ µ β ⋅ d γ 为无量纲常数。 式中k为无量纲常数。 将各物理量的量纲
vc ] = LT −1 , [ ρ ] = ML−3 [
µ ] = ML−1T −1 , [ d ] = L [
（8-5b） 5b）
§8.2 相似准则与量纲分析
若模型与原型系统相似， 若模型与原型系统相似， 几何相似 运动相似 满足相似条件
x p = Cl xm , y p = Cl ym , z p = Cl zm
v px = Cv vmx , v py = Cv vm y , v pz = Cv vm z , t p = Ct tm
∂vpz
∂vpz
∂vpz
（8-5a） 5a）
∂vmz ∂vmz ∂vmz ∂vmz 1 ∂pm µm ∂2vmz ∂2vmz ∂2vmz + vpx + vmy + vmz = −gm − + 2 + 2 + 2 ρm ∂zm ρm ∂x m ∂y m ∂z m ∂tm ∂xm ∂ym ∂zm
动力相似
p p = C p pm , g p = Cg g m ,
其他物理量
ρ p = C ρ ρ m , µ p = Cµ µ m ,
（8-6）
§8.2 相似准则与量纲分析
（8-6）代入（8-5），可得到以模型参数和相似比例尺 代入（ ），可得到以模型参数和相似比例尺 表示的原型流动方程
2 CV ∂vmz CV ∂vmz ∂vmz ∂vmz + vmx + vmy + vmz = Ct ∂tm Cl ∂xm ∂ym ∂zm Cp 1 ∂pm Cv Cµ µm ∂2vmz ∂2vmz ∂2vmz −Cg gm − + 2 2 + 2 + 2 （8-7） CCρ ρm ∂zm C lCρ ρm ∂x m ∂y m ∂z m l
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即Cv、Ct、Cl中确定两个，其余也确定。
8.1.3 动力相似
动力相似：两个几何相似、运动相似的流
动系统中，对应点处作用的相同性质的力F，
其方向相同，大小成一定比例
Fp / Fm C f
7
8.1.4 初始条件和边界条件相似
初始条件：适用于非稳态流动。 边界条件：有几何、运动和动力三个方面的因素。 如固体边界上的法线流速为零，自由液面上的压强 为大气压强等 。
思考题：对应的角度是否满足上面的条件？
5
8.1.2 运动相似 运动相似：模型和原型在满足几何相似的
基础上，在流场的所有对应点和对应时刻流速 的方向相同，流速的大小成相同的比例。
速度比尺 Cv vp / vm 时间比尺 Ct t p / tm
6
根据速度、位移 和时间的关系有：
CvCt 1 Cl
粘性力μA(dvx /dy)∝μl2v/l=μlv
l 2v2 lv
m
l 2v2
(
lv
)p
v
l
m
vl ( )p
vl
m
vl
(
)p
令 Re vl vl
雷诺数
11
所以有 Re m Re p
即两个流场粘性力相似，其雷诺数必相等。因此雷 诺数是粘性力相似准则。它反映粘性力对流体的作 用，与粘性力有关的现象由Re数决定。如流动的流 态、流动阻力。
惯性力与压 力之比
惯性力与重 力之比
惯性力与弹 性力之比
惯性力与表 面张力之比ຫໍສະໝຸດ maA dvx dy
m
ma
(
A
dvx dy
)p
(a)
ma pA
m
ma
(
) pA
p
(b)
ma mg
m
(
ma mg
)
p
(c)
ma
KA m
(
ma KA
)
p
(d)
ma
l
m
(
ma
l
)
p
(e)
10
一、粘性力相似准则
由（a）式 ：惯性力 ma∝ρVv/t∝ρl2v2
l 2v2 l 2c2
m
( l 2v2 l 2c2
)p
v c
m
(
v c
)
p
马赫数
令 Ma v / c
马赫数表征惯性力与弹性力的比值。与压缩性有关
的现象由马赫数决定，如气体高速流动。
16
五、表面张力相似准则
由式(e)可得
lv2
m
lv2
令 We lv2
韦伯数
与表面张力有关的现象由韦伯数决定，如液体射流 的分裂和雾化。
因此两个流场相似就要求: 几何相似 运动相似 动力相似 边界条件、初始条件相似
4
8.1.1 几何相似 几何相似：模型流动的边界形状和原型相似，
即对应边成一定比例。若用L表示某一几何特征尺度，
则几何相似意味着
Lp / Lm Cl
下标p表示原型（prototype），m表示模型（model）。 Cl为长度比尺或长度比例系数。
8 流体力学的实验研究方法
掌握流场相似条件 熟悉相似准则 熟悉量纲分析法
1
工程实际中，由于控制方程多为非线性方程， 大多问题无法得到理论解析结果，而必须借助于实 验的方法，尤其是对于目前尚未有合适数学模型的 复杂湍流流动、某些非牛顿流体的流动、多相流等 问题，实验测试则是唯一的研究方法。
2
流体力学实验研究方法有实物实验、比拟 研究和模型研究三类。
20
2.量纲一致性
任何物理方程中各项的量纲必定相同，这就是 量纲一致性原理。
8.3.2量纲分析法
1.瑞利法 假设已知一种物理量(被定量)y是受另一些物理
量(主定量)x1, x2, x3,……xn的影响和决定的，由于主 定量较多，做单项试验比较困难。
21
瑞利法是先假设被定量可以表示成主定量的某种指数 乘积形式，即:
实物实验是用仪器实测原型系统的流动参数，适 用于较小的原型； 比拟实验是利用电场和磁场来模拟流场，实施起 来限制条件较多； 模型研究是实验流体力学最常用的研究方法。
3
8.1相似的概念
流体力学中两个流场相似是指两个流场的力学 相似，即在流动空间的各对应点和各对应时刻，描述 流动过程的所有物理量各自互成一定的比例。
8
8.2 相似准则
实际上，由于原型流动情况是未知的，这就必 须建立相似准则来保证模型与原型相似。
在流体力学中，作用在流体质点上的力可能有 粘性摩擦力、压力(压差)、重力、弹性力、表面张力 和惯性力等。当流场中上述六种力都存在时，必须 满足下式，模型流场和原型流场才动力相似。
9
惯性力与粘 性力之比
12
二、压力相似准则
由(b)式可得
l 2v2
pl 2
m
l 2v2
( pl2
)p
p
v2
m
p
( v2
)p
令
p
Eu v2
欧拉数
欧拉数表征压力与惯性力的比值。
13
则存在
Eum Eu p
两个流场压力相似其欧拉数必相等，反之亦然。 欧拉数反映压力对流体的作用，与压力有关的现象 由欧拉数决定，如空泡现象和空泡阻力。
由于实际问题中起决定作用的是相对压强或压 强差，欧拉数中的压强也常用压强差代替，即
p
Eu v2
14
三、重力相似准则
由(c)式可得
(
v gl
)m
(
v gl
)
p
令
Fr v
gl
弗劳德数
两个流场重力相似，其弗劳德数必相等
Frm Frp
有关重力的现象，如波浪运动、闸口泄流。
15
四、弹性相似准则
由式(d)，并利用K=ρdp/dρ和dp/dρ=c2
y
k
x1 1
x2
2
......
xn n
然后根据量纲的一致性原理，确定出上式的待定系
数αi。这样上式中仅有k未知，比较容易由实验确定。
22
例题：已知矩形堰流如图，其流量主要与堰上 水头H，堰宽b和重力加速度g相关，试用瑞利 法导出矩形堰流流量的表达式。
H v
23
解：按瑞利法，流量表达式可表示为
1.基本量纲与导出量纲
彼此独立且不能互相导出的量纲称为基本量纲。在 流体力学中通常选取长度、时间、质量、温度的量纲L、 T、M、Θ为基本量纲。一个物理量x的量纲记为[x]
19
则
ML3 v LT 1 a LT 2
F ma MLT2
p
F A
MLT2 L2
ML1T 2
pt ML1T 2T ML1T 1
17
8.3量纲分析法
流体力学问题中，往往是一种物理量受多个因素 的影响，如
B f (a1, a2 , a3, a4......)
如果进行单项试验，则试验工作量巨大。解决这个矛 盾的有效方法就是量纲分析法。
8.3.1量纲知识
物理量单位的种类称为量纲，用不同的符号表示， 如
18
长度单位有m、cm、mm等，量纲为L; 时间单位有h、min、s等，量纲为T; 质量单位有t、kg、g等，量纲为M; 温度单位有 ℃、K，量纲为Θ(西塔)。