工程流體力學實驗(勝利學院)

1、工程流體力學實驗指導書Experiment of Engineering Fluid Mechanics倪玲英 李成華 編操作性實驗目 錄錯誤！未定義書簽。實驗一、流體靜力學實驗1實驗二、能量方程（伯諾利方程）實驗6實驗五、動量定律實驗11實驗八、局部阻力實驗15實驗一、流體靜力學實驗一、實驗目的1掌握用液式測壓計測量流體靜壓強的技能；2驗證不可壓縮流體靜力學基本方程，加深對位置水頭、壓力水頭和測壓管水頭的理解；3. 觀察真空度（負壓）的產(chǎn)生過程，進一步加深對真空度的理解；4測定油的相對密度；5通過對諸多流體靜力學現(xiàn)象的實驗分析，進一步提高解決靜力學實際問題的能力。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖

2、1-1所示。1.測壓管； 2.帶標尺的測壓管； 3.連通管； 4.真空測壓管； 5.U型測壓管；6.通氣閥； 7.加壓打氣球； 8.截止閥； 9.油柱； 10.水柱； 11.減壓放水閥圖1-1 流體靜力學實驗裝置圖說明1所有測管液面標高均以標尺（測壓管2）零讀數(shù)為基準；2儀器銘牌所注、系測點B、C、D標高；若同時取標尺零點作為靜力學基本方程的基準，則、亦為、；3本儀器中所有閥門旋柄順管軸線為開。三、實驗原理1在重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程形式之一： （1-1a）形式之二： （1-1b）式中 被測點在基準面以上的位置高度；被測點的靜水壓強，用相對壓強表示，以下同；水箱中液面的表面壓強；液

3、體重度；被測點的液體深度。2. 油密度測量原理當U型管中水面與油水界面齊平（圖1-2），取其頂面為等壓面，有 （1-2）另當U型管中水面和油面齊平（圖1-3），取其油水界面為等壓面，則有即 （1-3）圖1-2 圖1-3由（1-2）、（1-3）兩式聯(lián)解可得：代入式（1-2）得油的相對密度 （1-4）據(jù)此可用儀器（不用另外尺）直接測得。四、實驗要求1記錄有關(guān)常數(shù) 實驗裝置編號No. 各測點的標尺讀數(shù)為：= ； = ； = ；基準面選在 ； = ； = ；2分別求出各次測量時，A、B、C、D點的壓強，并選擇一基準驗證同一靜止液體內(nèi)的任意二點C、D的()是否為常數(shù)。3求出油的重度。 = 4測出4#測壓

4、管插入小水杯水中深度。 = 五、實驗步驟1搞清儀器組成及其用法。包括：1）各閥門的開關(guān)；2）加壓方法 關(guān)閉所有閥門（包括截止閥），然后用打氣球充氣；3）減壓方法 開啟筒底閥11放水；4）檢查儀器是否密封 加壓后檢查測管l、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏氣，應查明原因并加以處理。2記錄儀器編號、各常數(shù)。3實驗操作，記錄并處理實驗數(shù)據(jù)，見表1-1和表1-2。4量測點靜壓強。1)打開通氣閥6(此時)，記錄水箱液面標高和測管2液面標高(此時)；2)關(guān)閉通氣閥6及截止閥8，加壓使之形成 ，測記及；3)打開放水閥11，使之形成(要求其中一次 ，即)，測記及。5測出測壓管4插入小水杯中的深度。6測定

5、油的相對密度。1)開啟通氣閥6，測記；2)關(guān)閉通氣閥6，打氣加壓( )，微調(diào)放氣螺母使U形管中水面與油水交界面齊平(圖1-2)，測記及(此過程反復進行3次)。3)打開通氣閥，待液面穩(wěn)定后，關(guān)閉所有閥門；然后開啟放水閥11降壓( )，使U形管中的水面與油面齊平(圖1-3)，測記(此過程亦反復進行3次)。六、注意事項1用打氣球加壓、減壓需緩慢，以防液體溢出及油珠吸附在管壁上；打氣后務必關(guān)閉打氣球下端閥門，以防漏氣。2在實驗過程中，裝置的氣密性要求保持良好。18表1-1 流體靜壓強測量記錄及計算表實驗條件次序水箱液面測壓管2液面壓力水頭測壓管水頭112（其中一次）123表1-2 油相對密度測量記錄及

6、計算表條件次序水箱液面測壓管2液面且U型管中水面與油水交界面齊平123且U型管中水面與油面齊平123七、問題分析1同一靜止液體內(nèi)的測壓管水頭線是根什么線?2當時，試根據(jù)記錄數(shù)據(jù)確定水箱內(nèi)的真空區(qū)域。3若再備一根直尺，試采用另外最簡便的方法測定。4如測壓管太細，對測壓管液面的讀數(shù)將有何影響?5過C點作一水平面，相對管1、2、5及水箱中液體而言，這個水平面是不是等壓面?哪一部分液體是同一等壓面?6該儀器在加氣增壓后，水箱液面將下降而測壓管液面將升高H，實驗時，若以時的水箱液面作為測量基準，試分析加氣增壓后，實際壓強(H+)與視在壓強H的相對誤差值。本儀器測壓管內(nèi)徑為，箱體內(nèi)徑為。7測壓管和液面計有

7、何區(qū)別？8絕對壓強與相對壓強、真空度的關(guān)系是什么？將p=-4.9×104Pa的相對壓強用真空度表示出來。八、課外拓展1、水罐、油罐液位高度檢測方案設(shè)計。可借用硬件設(shè)備：水、油、U型管、管線、標尺、壓縮空氣。2、應用靜力學平衡原理，證明空氣具有可壓縮性實驗方案設(shè)計。可借用硬件設(shè)備：水、小試管、可增壓或減壓的可密封盛水大容器和打氣球。3、應用靜力學平衡原理進行喂食式魚缸設(shè)計有一魚缸，其水位高于敞開于大氣中喂食口，水不能從喂食口溢出，但人可以將手由喂食口伸入魚缸內(nèi)給魚兒喂食。實驗二、能量方程（伯諾利方程）實驗一、實驗目的1驗證實際流體穩(wěn)定流的能量方程；2通過對諸多動水水力現(xiàn)象的實驗分析，理

8、解能量轉(zhuǎn)換特性；3掌握流速、流量、壓強等水力要素的實驗量測技能。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖2-1所示。圖2-1 自循環(huán)伯諾利方程實驗裝置1.自循環(huán)供水器； 2.實驗臺； 3.可控硅無級調(diào)速器； 4.溢流板； 5.穩(wěn)水孔板； 6.恒壓水箱；7.測壓計； 8.滑動測量尺； 9.測壓管； 10.實驗管道； 11.測壓點； 12.皮托管； 13.實驗流量調(diào)節(jié)閥說明本儀器測壓管有兩種：（1）皮托管測壓管（表2-1中標的測壓管），用以測讀皮托管探頭對準點的總水頭，須注意一般情況下與斷面總水頭不同（因一般），它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢；（2）普通測壓管（表2-1未標者），用以定量量測測壓管水頭。

9、實驗流量用閥13調(diào)節(jié)，流量由體積時間法（量筒、秒表另備）、重量時間法（電子稱另備）或電測法測量（以下實驗類同）。三、實驗原理 在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取個過水斷面?？梢粤谐鲞M口斷面（1）至另一斷面（）的能量方程式（=2,3,）取，選好基準面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速及，從而即可得到各斷面測管水頭和總水頭。四、實驗要求1記錄有關(guān)常數(shù) 實驗裝置編號 No._均勻段= ；縮管段= ；擴管段= ；水箱液面高程= ； 上管道軸線高程= （基準面選在標尺的零點上）表2-1 管徑記錄表測點編號1*23456*78*9101112*1314*1516*17

10、18*19管徑兩點間距4466413.561029.516162量測（）并記入表2-2。表2-2 數(shù)據(jù)記錄表實驗次數(shù)123注：為測壓管水頭，單位：，為測點編號。3計算流速水頭和總水頭。表2-3 流速水頭計算處理表管徑= = 表2-4 總水頭計算處理表實驗次數(shù)1234繪制上述成果中最大流量下的總水頭線和測壓管水頭線（軸向尺寸參見圖2-2，總水頭線和測壓管水頭線可以繪在圖2-2上）。五、實驗步驟 1熟悉實驗設(shè)備，分清哪些測管是普通測壓管，哪些是皮托管，以及兩者功能的區(qū)別。2打開開關(guān)供水，使水箱充水，待水箱溢流，檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測壓管水面是否齊平。如不平則需查明故障原因（例連通管受阻、漏氣或夾氣

11、泡等）并加以排除，直至調(diào)平。驗證同一靜止液體的測壓管水頭線是根水平線。3打開閥13，觀察思考：1）不同流速下，同一斷面上測壓管水頭和總水頭的變化規(guī)律；2）測點（2）、（3）測管水頭同否？為什么？3）測點（10）、（11）測管水頭是否不同？為什么？4）沿流程總水頭和測壓管水頭的變化規(guī)律5）管道內(nèi)有沒有負壓區(qū)？4調(diào)節(jié)閥13開度，待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時測記實驗流量（皮托管供演示用，不必測記讀數(shù)）。5改變流量2次，重復上述測量。其中一次閥門開度大到使19號測管液面接近標尺零點。六、注意事項自循環(huán)供水實驗均需注意：計量后的水必須倒回原實驗裝置的回水漏斗內(nèi)，以保持自循環(huán)供水。七、問題分析

12、1測壓管水頭線和總水頭線的沿流程變化趨勢有何不同?為什么？ 2流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？3測點2、3和測點10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？4試問避免喉管（測點7）處形成真空有哪幾種技術(shù)措施？分析改變作用水頭（如抬高或降低水箱的水位）對喉管壓強的影響情況。 5由皮托管測量顯示的總水頭線與按實測斷面平局流速繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其原因。八、課外拓展1、證明緩變流斷面測壓管水頭為一常數(shù)實驗方案設(shè)計。可借用硬件設(shè)備：液式測壓管、帶壓流動管段。2、自循環(huán)虹吸原理實驗方案設(shè)計?？山栌糜布O(shè)備：自循環(huán)伯諾利方程實驗裝置、壓力表、管子若干米、標尺等。圖2-2 水頭線繪制坐標

13、圖實驗五、動量定律實驗一、實驗目的1驗證不可壓縮流體穩(wěn)定流的動量方程；2通過對動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關(guān)性的分析研究，進一步掌握流體動力學的動量守恒定理；3了解活塞式動量定律實驗儀原理、構(gòu)造，進一步啟發(fā)與培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的能力。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖5-1所示。圖5-1 動量定律實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器； 2.實驗臺； 3.可控硅無級調(diào)速器； 4.水位調(diào)節(jié)器； 5.恒壓水箱；6.管嘴； 7.集水箱； 8.帶活塞套的測壓管； 9.帶活塞和翼片的抗沖平板； 10.上回水管自循環(huán)供水裝置1由離心式水泵和蓄水箱組合而成。水泵的開啟、流量大小的調(diào)節(jié)均由調(diào)速器3控制。水流經(jīng)供水管

14、供給恒壓水箱5，溢流水經(jīng)回水管流回蓄水箱。流經(jīng)管嘴6的水流形成射流，沖擊帶活塞和翼片的抗沖平板9，并以與入射角成90°的方向離開抗沖平板?？箾_平板在射流沖力和測壓管8中的水壓力作用下處于平衡狀態(tài)?；钊涡乃羁捎蓽y壓管8測得，由此可求得射流的沖力，即動量力F。沖擊后的棄水經(jīng)集水箱7匯集后，再經(jīng)上回水管10流出，最后經(jīng)漏斗和下回水管流回蓄水箱。為了自動調(diào)節(jié)測壓管內(nèi)的水位，以使帶活塞的平板受力平衡并減小摩擦阻力對活塞的影響，本實驗裝置應用了自動控制的反饋原理和動摩擦減阻技術(shù)，其構(gòu)造如下：帶活塞和翼片的抗沖擊平板9和帶活塞套的測壓管8如圖4-2所示，該圖是活塞退出活塞套時的分部件示意圖。活

15、塞中心設(shè)有一細導水管a，進口端位于平板中心，出口端伸出活塞頭部，出口方向與軸向垂直。在平板上設(shè)有翼片b，活塞套上設(shè)有窄槽c。工作時，在射流沖擊力作用下，水流經(jīng)導水管a向測壓管內(nèi)加水。當射流沖擊力大于測壓管內(nèi)水柱對活塞的壓力時，活塞內(nèi)移，窄槽c關(guān)小，水流外溢減少，使測壓管內(nèi)水位升高，水壓力增大。反之，活塞外移，窄槽開大，水流外溢增多，測管內(nèi)水位降低，水壓力減小。在恒定射流沖擊下，經(jīng)短時段的自動調(diào)整，即可達到射流沖擊力和水壓力的平衡狀態(tài)。這時活塞處于半進半出、窄槽部分開啟的位置上，過a流進測壓管的水量和過c外溢的水量相等。由于平板上設(shè)有翼片b，在水流沖擊下，平板帶動活塞旋轉(zhuǎn)，因而克服了活塞在沿軸向

16、滑移時的靜摩擦力。圖5-2 圖5-3三、實驗原理恒定總流動量方程為取脫離體如圖4-3所示，因滑動摩擦阻力水平分力，可忽略不計，故x方向的動量方程為式中 作用在活塞形心處的水深；活塞的直徑；射流流量；射流的速度；動量修正系數(shù)。實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得流量Q和活塞形心水深，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可率定射流的動量修正系數(shù)值，并驗證動量定律。其中，測壓管的標尺零點已固定在活塞的圓心處，因此液面標尺讀數(shù)，即為作用在活塞圓心處的水深。四、實驗要求1記錄有關(guān)常數(shù)。 實驗裝置編號No. 管嘴內(nèi)徑： ； 活塞直徑： 2編制實驗參數(shù)記錄、計算表格，并填入實測數(shù)據(jù)（見表5-1）。表5-1

17、 動量定律實驗測量記錄及計算表測次體積V時間管嘴作用水頭活塞作用水頭流量流速動量力F動量修正系數(shù)1233取某一流量，繪出脫離體圖，闡明分析計算的過程(參見圖5-3、5-2及表5-1)。五、實驗步驟1準備 熟悉實驗裝置各部分名稱、結(jié)構(gòu)特征、作用性能，記錄有關(guān)常數(shù)。2開啟水泵 打開調(diào)速器開關(guān)，水泵啟動23分鐘后，關(guān)閉23秒鐘，以利用回水排除離心式水泵內(nèi)滯留的空氣。3調(diào)整測壓管位置 待恒壓水箱滿頂溢流后，松開測壓管固定螺絲，調(diào)整方位，要求測壓管垂直、螺絲對準十字中心，使活塞轉(zhuǎn)動松快。然后旋轉(zhuǎn)螺絲固定好。4測讀水位 標尺的零點已固定在活塞圓心的高程上。當測壓管內(nèi)液面穩(wěn)定后，記下測壓管內(nèi)液面的標尺讀數(shù)，

18、即值。5測量流量 用體積法或重量法測流量時，每次時間要求大于20秒，若用電測儀測流量時，則須在儀器量程范圍內(nèi)。均需重復測三次再取均值。6改變水頭重復實驗 逐次打開不同高度上的溢水孔蓋，改變管嘴的作用水頭。調(diào)節(jié)調(diào)速器，使溢流量適中，待水頭穩(wěn)定后，按35步驟重復進行實驗。7驗證對的影響 取下平板活塞，使水流沖擊到活塞套內(nèi)，調(diào)整好位置，使反射水流的回射角度一致，記錄回射角度的目估值、測壓管作用水深和管嘴作用水頭。六、注意事項若活塞轉(zhuǎn)動不靈，會影響實驗精度，需在活塞與活塞套的接觸面上涂抹4B鉛筆芯粉。七、問題分析1實測與公認值(1.021.05)符合與否？如不符合，試分析原因。2帶翼片的平板在射流作用

19、下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程有無影響？為什么？3若通過細導水管的分流，其出流角度與相同，試問對以上受力分析有無影響？4滑動摩擦力為什么可以忽略不計？試用實驗來分析驗證的大小，記錄觀察結(jié)果。(提示：平衡時，向測壓管內(nèi)加入或取出l左右深的水量，觀察活塞及液位的變化)。5若不為零，會對實驗結(jié)果帶來什么影響？試結(jié)合實驗步驟7的結(jié)果予以說明。八、課外拓展1、利用動量定理，進行水罐罐底沖刷器水力設(shè)計。主要考慮因素：沖刷器供水量、進水管的直徑、進水管布置、噴水孔大小。要求：完成水罐罐底沖刷器水力設(shè)計、模型制作和實驗；對水罐罐底沖刷器水力設(shè)計參數(shù)和實驗結(jié)果進行比較分析、提出優(yōu)化措

20、施。2、利用動量定理，進行噴水船水力設(shè)計。主要考慮因素：進水方向（正前方、側(cè)方、后方）、進出水管的直徑及船體阻力。要求：完成噴水船水力設(shè)計、模型制作和實驗；對噴水船水力設(shè)計參數(shù)和實驗結(jié)果進行比較分析、提出優(yōu)化措施。實驗八、局部阻力實驗一、實驗目的1掌握三點法、四點法量測局部水頭損失系數(shù)的技能；2通過對圓管突擴局部阻力系數(shù)的表達公式和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式的實驗驗證與分析，熟悉用理論分析法和經(jīng)驗法建立函數(shù)式的途徑；3加深對局部水頭損失機理的理解。二、實驗裝置本實驗裝置如圖8-1所示。圖8-1 局部水頭損失實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器； 2.實驗臺； 3.可控硅無級調(diào)速器； 4.恒壓水箱； 5.

21、溢流板； 6.穩(wěn)水孔板；7.突擴實驗管段； 8.測壓計； 9.滑動測量尺； 10.測壓管； 11.突縮實驗管段； 12.流量調(diào)節(jié)閥。實驗管道由小大小三種已知管徑的管道組成，共設(shè)有六個測壓孔，測孔13和36分別測量突擴和突縮的局部水頭損失系數(shù)。其中測孔1位于突擴界面處，用以測量小管出口端壓強值。三、實驗原理寫出局部水頭損失前后兩斷面的能量方程，根據(jù)推導條件，扣除沿程水頭損失可得：1突然擴大采用三點法計算，下式中由按流長比例換算得出。實測 理論 2突然縮小采用四點法計算，下式中點為突縮點，由換算得出，由換算得出：實測 經(jīng)驗 四、實驗要求1有關(guān)常數(shù) 實驗臺號No. _1_實驗管徑：_1.02_； _1.89_；_1.04_實驗管段長度： 12 ； 24 ； 12 ； 6 ； 6 ； 6 ；局部阻力系數(shù)：_0.5_， _0.35_。2實驗數(shù)據(jù)記錄計算結(jié)果如表8-1和表8-2所示。表8-1 局部阻力實驗記錄表次序流 量測壓管讀數(shù)123456113017.721.721.321.27.47.1