流体力学实验.docx
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流体力学实验
福州大学土木工程学院本科实验教学示范中心
学生实验指导书
工程流体力学
实验指导书
福州大学土木工程学院水力学实验室编
2007年7月28日
一、毕托管测速实验
二、管路沿程阻力系数测定实验
三、管路局部阻力系数测定实验
四、流体静力学实验
一、毕托管测速实验
一、实验目的和要求
1．通过对管嘴淹没出流点流速系数的测量，掌握用毕托管测量点流速的技能；
2．了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其量测精度，进一步明确传统流体力学量测仪器的现实作用。
二、实验装置
本实验的装置如图一所示
说明：
经淹没管嘴6，将高低水箱水位差的位能转换成动能，并用毕托管测出其点流速值。
测压计11的测压管1、2和以测量高、低水箱位置水头，测压管3、4用以测毕托管的全压水头和静压水头，水位调节阀4用以改变测点的流速大小。
三、实验原理
（1）
式中u——毕托管测点处的点流速；
c——毕托管的校正系数；
Δh——毕托管全压水头与静水压头差。
（2）
联解上两式可得
（3）
式中u——测点处流速，由毕托管测定；
——测点流速系数；
Δh——管嘴的作用水头。
四、实验方法与步骤
1．准备（a）熟悉实验装置各部分名称、作用性能，分解毕托管，搞清构造特征、实验原理。
（b）用医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管1、2相连通。
（c）将毕托管对准管嘴，距离管嘴出口处约2～3cm，上紧固定螺丝。
2．开启水泵顺时针打开调速器开关3，将流量调节到最大。
3．排气待上、下游溢流后，用吸气球（如医用洗耳球）放在测压管口部抽吸，排除毕托管及各连通管中的气体，用静水匣罩住毕托管，可检查测压计液面是否齐平，液面不齐平可能是空气没有排尽，心须重新排气。
4．测记各有关常数和实验参数，填入实验表格。
5．改变流速操作调节阀4并相应调节调速器3，溢流量适中，共可获得三个不同恒定水位与相应的不同流速。
改变流速后，按上述方法重复测量。
6．完成下述实验项目：
（1）分别沿垂向和纵向改变测点的位置，观察管嘴淹没射流的流速分布；
（2）在有压管道测量中，管道直径相对毕托管的直径在6～10倍以内时，误差在2～5%以上，不宜使用。
试将毕托管头部伸入到管嘴中，予以验证。
7．实验结束时，按上述3的方法检查毕托管比压计是否齐平。
五、实验成果及要求
实验装置台号No
表1记录计算表校正系数c=，k=cm0.5/s
实验
次序
上、下游水位差（cm）
毕托管水头差（cm）
测点流速
（cm/s）
测点流速系数
h1
h2
ΔH
h3
h4
Δh
六、实验分析与讨论
1．利用测压管测量点压强时，为什么要排气？
怎样检验排净与否？
2．毕托管的压头差Δh和管嘴上、下游水位差ΔH之间的大小关系怎样？
为什么？
3．所测的流速系数
说明了什么？
4．据激光测速仪检测，距孔口2～3cm轴心处，其点流速系数
为0.996，试问本实验的毕托管精度如何？
如何率定毕托管的校正系数c？
5．普朗特毕托管的测速范围为0.2～2m/s，流速过小过大都不宜采用，为什么？
另，测速时要求探头对正水流方向（轴向安装偏差不大于10度），试说明其原因（低流速可倾斜压差计）。
6．为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器？
二、管路沿程阻力系数测定实验
一、实验目的要求
1．加深了解园管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律；
1．掌握管道沿程阻力系数的量测技术和应用气—水压差及水—水银多管压差计测
量压差的方法；
3．将测得的Re～λ关系值与莫迪图对比，分析其合理性，进一步提高实验成果分析能力。
二、实验装置
本实验的装置如图一所示。
根据压差测法不同，有两种型式：
型式Ⅰ压差计测压差。
低压差用水压差计量测；高压差用水银多管式压差计量
测。
装置简图如图一所示。
型式Ⅱ电子量测仪测压差。
低压差仍用水压差计量测；而高压差用电子测仪（简
称电测仪）量测。
与型式Ⅰ比较，该型唯一不同在于水银多管式压差计被电测仪（图二）所取代。
本实验装置配备有：
1．自动水泵与稳压器
自循环高压恒定全自动供水器3由离心泵、自动压力开关、气—水压力罐式稳压器等组成。
压力超高时能自动停机，过低时能自动开机。
为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影响，离心泵的输水是先进入稳压器的压力罐，经稳压后再送向实验管道。
2．旁通管与旁通阀
由于本实验装置所采用水泵的特性，在供水流量时有可能时开时停，从而造成供水压力的较大波动。
为了避免这种情况出现，供水器设有与蓄水箱直通的旁通管（图中未标出），通过分流可使水泵持续稳定运行。
旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门，即旁通阀，实验流量随旁通阀开度减小（分流量减小）而增大。
实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要阀门之一。
3．水封面为了简化排气，并防止实验中再进气和误操作引起的水银外溢。
在水银压差计的连通管上装有水封器，水封器由2只充水（不满顶）的密封立筒构成（图一）。
4．电测仪由压力传感器和主机两部分组成。
经由连通管将其接入测点（畋7.2）。
压差读数（以米水柱为单位）通过主机显示。
三、实验原理
由达西公式
得
（1）
另由能量方程对水平等直径园管可得
（2）
压差可用压差计或电测。
对于多管式水银压差有下列关系：
*
（3）
式中，
、
分别为水银和水的容重；
为汞柱总差。
四、实验方法与步骤
准备Ⅰ对照表装置图和说明搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查
蓄水箱、水位是否够高及旁通阀12是否已关闭。
否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数；工作管内径d和实验管长L（标志于蓄水箱）。
准备Ⅱ启动水泵。
本供水装置采用的是自动水泵，接通电源，全开阀12打开供水阀11，水泵自动开启供水。
准备Ⅲ调通量测系统。
（1）通水、排气对各有关量测仪及其连通管按下列程序充水排气：
【实验管道】关闭旁通阀12，全开水供水阀11和出水阀10。
【水压差计】关闭阀10/全开阀12/松开（水压计连通管）止水夹/开启阀11（待测管升至一定高度，再按下列步序适当降低，以保证有足够的量程）/旋开倒U管旋钮F1（图一）/全关阀1/（待倒U型管水位降至测尺标值10cm左右）拧紧F1，
【水银压差计】检查水封器13充水度是否够，当无压下水位低于2/3筒高时，按下列步骤进行充水：
关闭阀10/开启阀10若干次，直至连通管气泡排净为止。
【压力传感器】关闭阀10/开启阀11/打开排气旋钮（图二）待旋孔溢水再拧紧。
（2）校核关闭阀10/全开阀11/检查水压差计两测管中水位平否？
以及水银压差计是否满足
？
否则按上述步骤重新排气。
实验量测
（1）调节流量实验可按流量由小到大依资助进行；微开阀10（阀12已全开），使流量逐次增大，其增量，在流量较小时，用水压差计水柱差
控制，每次增量可取
=4～6mm（初次小些）。
大流量通过渐关旁通阀调大压差量测改用水银压差计（或电测仪），流量增量改用汞柱差控制，第一次取
=30～40mm，以后各次取
=150mm（如用电测相应取
=0.4m和2.0m）。
注意：
①当换用水银压差计时，务心夹紧水压差计连通管；
②流量每周一次，均需稳定2～3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；
③每次测流时段水小于8～10秒（流量大可短些）；
④要求变更流量不少于10次。
（2）依次测定压差计测管（或电测仪）读数、相应流量和温度（温度表应挂在水箱中）。
（3）结束工作
①关闭阀10，检查
=0及
与否。
否则表明压差计已进气，需重做实验；
②关闭阀11，切断电源。
五、实验成果及要求
1．有关常数。
实验装置台号
圆管直径d=cm，量测段长度L=85cm。
及计算（见表1）。
表1记录及计算表
常数K=π2gd5/8L=cm5/s2
次
序
体积
cm3
时间
s
流量
Q
cm3/s
流速
v
cm3/s
水温
C
粘度
v
cm2/s
雷诺数
Re
比压计数
cm
沿程损失
hf
cm
流程损失
系数λ
Re<2320
h1
h2
1
2
3
4
5
6
7
h1
h2
h3
h4
8
9
10
11
12
13
14
3．绘图分析*绘制lgυ～lghf曲线，并确定指数关系值m的大小。
在厘米纸上
以lgυ为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的lgυ～lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。
求厘米纸上直线的斜率
将从图上求得的m值与已知各流区的m值（即层流m=1，光滑管流区m=1.75，粗糙管紊流区m=2.0，紊流过渡区1.75六、实验分析与讨论
1．为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？
如实验管道安装成倾斜，是否影响
实验成果？
2．据实测m值判别本实验的流动型态和流区。
3．实际工程中钢管中的流动，大多为光滑紊流或紊流过渡区，而水电站泄洪洞的流动，大多为紊流阻力平方区，其原因何在？
4．管道的当量粗糙度如何测得？
5．本次实验结果与莫迪图吻合与否？
试分析其原因。
三、管路局部阻力系数测定实验
一、实验目的要求
1．掌握三点法、四点法量测局部阻力系数的技能；
2．通过对园管突扩局部阻力系数的表达公式和突缩局部阻力系数的经验公式的实
验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径；
3．加深对局部阻力损失机理的理解。
二、实验装置
本实验装置如图一所示。
三、实验原理
写局部阻力前后两断面的能量方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得：
1．突然扩大
采用三点法计算，下式中hf1—2由hf2—3按流长比例换算得出。
实测
理论
2．突然缩小
采用四点法计算，下式中B点为突缩点，hf4—B由hf3—4换算得出，hfB—5由hf5—6换算得出。
实测
经验
四、实验方法与步骤
1．测记实验有关常数。
2．打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中的滞留气体。
待水箱溢
流后，检验泄水阀全关时，各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。
3．打开泄水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法测记流量。
4．改变泄水阀开度3～4次，分别测记测压管读数及流量。
5．实验完成后关闭泄水阀，检查测压管液面是否齐平？
否则，需重做。
五、实验成果及要求
1．记录计算有关常数。
实验装置台号No
d1=D1=cm，d2=d3=d4=D2=cm，
d5=d6=D3=cm，l1—2=12cm，l2—3=24cm，
l3—4=12cm，l4—B=6cm，lB—5=6cm，l5—6=6cm，
=，
=。
2．整理记录、计算表。
3．将实测
值与理论值（突扩）或公认值（突缩）比较。
表1记录表
序号
流量cm3/s
测压管读数cm
体积
时间
流量
表2计算表
阻力
形式
次
序
流
量
cm3/s
前断面
后断面
hj
cm
ξ
hj′
cm
cm
E
cm
cm
E
cm
突
然
扩
大
突
然
缩
小
六、实验分析与讨论
1．结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系：
1）不同Re的突扩ξe是否相同？
2）在管径比变化相同的条件下，其突扩ξe是否一定大于突缩ξs？
2．结合流动仪演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？
产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里？
怎样减小局部阻力损失？
3．现备有一段长度及联接方式与调节阀（图一）相同，内径与实验管道相同的直管段，如何用两点法测量阀门的局部阻力系数？
4．实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数（Re>105）如下：
序号
1
2
3
4
5
d2/d1
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
ξ
0.48
0.42
0.32
0.18
0
试用最小二乘法建立局部阻力系数的经验公式。
5．试说明用理论分析法经验法建立相关物理量间函数关系式的途径。
四、流体静力学实验
一、实验目的要求
1．掌握用测压管测量流体静压强的技能；
2．验证不可压缩流体静力学基本方程；
3．通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际问题的能力。
二、实验装置
本实验装置如图一所示。
说明
1．所有测管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；
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、ZD；
3．本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。
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
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；
——液体容重；
h——被测点的液体深度。
另对装置有水油（图二及图三）U型测管，应用等压面可得油的比重S0有下列关系：
*
据此可用仪器（不用另外尺）直接测得S0。
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；
表1流体静压强测量记录及计算表单位：
cm
实验条件
次序
水箱液面▽0
测压管液面▽H
压强水头
测压管水头
P0=0
1
P0>0
1
2
3
P0<0
（其中一次
PB<0
1
2
3
注：
表中基准面选在ZC=cmZD=cm
表2油容重测量记录及计算表单位：
cm
条件
次序
水箱液面标尺
读数▽0
测压管2液面标尺读数▽H
h1=▽H—▽0
h1=▽0—▽H
P0>0
且U型管中水面与油水交界面齐平
1
S0=
N/cm3
2
3
P0<0
且U型管中水面与油面齐平
1
2
3
4）检查仪器是否密封加压后检查测管1、2、5液面是否恒定。
若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。
2．记录仪器号N0及各常数（记入表1）。
3．量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。
1）打开通气阀6（此时p0=0），记录水箱液面标高▽0和测管2液面标高▽H（此时▽0=▽H）；
2）关闭通气阀6及截止阀8，加压使之形成p0>0，测记▽0及▽H；
3）打开放水阀11，使之形成P0<0（要求其中一次
<0，即▽H<▽B），测记▽0及▽H。
4．测出4#测压管插入小水杯中的深度。
5．测定油比重S0。
1）开启通气阀6，测让▽n；
2）关闭通气阀6，打气加压（p0>0），微调放气螺母使U形管水面与油水交界面齐平（图1.2），测记▽0及▽H（此过程反复进行3次）；
3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（p0<0），使U形管中的水面与油面齐平（图1.3），测记▽0及▽H（此过程亦反复进行3次。
）
五、实验成果及要求
1．记录有关常数。
实验装置台号No
各测点的标尺读数为：
▽B=cm，▽C=cm，▽D=cm，
=N/cm3。
2．分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，并选择一基准检验同一静止液体内的任意二点C、D的
是否为常数。
3．求出油的容重。
4．测出4#测压重管插入小水杯水中深度。
六、实验分析与讨论
1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？
2．当pB<0时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。
3．若再箅一根直尺，试采用另外最简便的方法测定
。
4．如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？
5．过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？
哪一部液体是同一等压面？
6．用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？
7．该仪器在加气增压后，水箱液面将下降δ而测压管液面半升高H,实验时,若以p0=0时的水箱液面作为测量基准,试分析加气增压后,实际压强（H+δ）与视压强H的相对误差值.本仪器测压管内径为0.8cm,箱体内径为20cm.
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