工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書 (一)

工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書

機械工程學(xué)院工程實驗教學(xué)中心

2019年10月

實驗注意事項

一、流體力學(xué)實驗是學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)課程的一個重要組成環(huán)

節(jié)。它有助于加深理解工程流體力學(xué)中的基本概念，鞏固課堂上所學(xué)

的知識，使理論與實踐相結(jié)合，因此學(xué)生必須認(rèn)真對待。

二、在每次實驗前要認(rèn)真學(xué)習(xí)課程有關(guān)內(nèi)容和閱讀實驗指導(dǎo)書。

在實驗開始時，指導(dǎo)教師可根據(jù)需要對學(xué)生提問本實驗的目的，內(nèi)容

和步驟等。

三、進入實驗后首先要將實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容裝置進行對照，然后

按指導(dǎo)書的內(nèi)容步驟進行。實驗中學(xué)生要勤于動腦、動手、細(xì)心觀察。

四、實驗中要嚴(yán)格注意安全，不屬于本實驗內(nèi)容的設(shè)備、儀器、

按鈕等，不得隨意操作。在實驗中有不了解的地方應(yīng)向指導(dǎo)教師提出，

待了解后再繼續(xù)進行，在實驗中發(fā)生事故時，應(yīng)立即報告指導(dǎo)老師，

以便妥善處理。

五、每次實驗后，應(yīng)按實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容要求寫出實驗報告，一

周內(nèi)交實驗指導(dǎo)老師。

六、實驗成績作為本課程考核成績的一部分，無故不參加實驗者

不得參加木課程考試。

實驗項目

一、流量測量實驗

二、能量方程實驗

三、管流沿程阻力水頭損失實驗

四、管流局部阻力水頭損失實驗

五、動量定理實驗

六、雷諾實驗

圖1流體力學(xué)綜合試驗臺

實驗流量測量實驗

文丘里管流量系數(shù)的率定

（一）實驗?zāi)康?/p>

1.了解文丘里管的構(gòu)造及測流量的原理。

2.掌握文丘里管流量系數(shù)的率定方法。練習(xí)用體積法測流量。

（二）實驗原理

流量是工程流體力學(xué)中最基本的物理量，一般指在單位時間內(nèi)，

流經(jīng)有效斷面的流體體積，其單位是立方米/秒（或升/秒，在實驗室

中常用）。文丘里管是測量管道中流量常用的流量計，管本身包括收

縮段、喉道和擴散段三部分，在理想液體中，僅僅由于文丘里管收縮

段前后斷面不同而產(chǎn)生壓差曲，在不同流量下，其壓值不同，其關(guān)

系如下：

&一江一百礪

44TdM（1）

Q。為理想液體的流量，D為收縮前直徑，d為喉道直徑，這兩者

均為已知值，故只需測得加（即壓差），即可求得所通過的流量，但

在實際流體中，由于粘滯力的存在，水流通過文丘里管時有能量損失,

故實際通過的流量。一般比°。小，因此實際運用時，上式應(yīng)予修正，

實際流量與理想狀態(tài)下的流量之比，稱為流量系數(shù)，即

Q==-/乃~—.J2gM

WL4（2）

（三）實驗步驟

1.熟悉實驗儀器設(shè)備

文丘里管、測壓管、計量水箱、秒表，

2?記錄有關(guān)常數(shù)：D與d等。

3.管道通過流量為零時，檢查測壓管兩液面是否在同一水平面

上，如不在同一水平面上，說明管內(nèi)混有氣泡，應(yīng)同時拔下測壓管上

的兩根導(dǎo)壓管，讓水流淌一段時間，待混有空氣的水流出后，冉重新

裝上。

4.逐漸打開被測管道始端閥門，由小到大，試調(diào)一個最大壓差值,

讀山、hz的高度，得到一個最大壓差值同時，需要測量水的流量,

水的體積通過計量水箱刻度得到，時間用秒表來測，記在實驗表格中,

這樣可測得Q，一組數(shù)據(jù)測完。

5?調(diào)節(jié)始端閥門，改變流量（逐漸減?。┲貜?fù)上述5?7次，當(dāng)

閥門完全關(guān)閉，Q為零AZ?亦為零時停止。

6.整理實驗數(shù)據(jù)，并繪制文丘里流量計流量Q和壓差M的關(guān)系曲

線（方格紙）。

圖2文丘里管示意圖

圖3文丘里流量計流量Q和壓差關(guān)系曲線

實驗二水流能量轉(zhuǎn)換實驗

（一）實驗?zāi)康?/p>

當(dāng)流體做恒定流動時.，通過直接測量，用圖示的方法在管道上把

位置水龍頭（Z）、壓力水頭（P//）和速度水頭（v?/2g）沿流程變

化規(guī)律表示出來。從而加深對伯努利方程式的理解，觀察實際流體和

理想流體總水頭（H）的差別，建立起能量損失的概念。

（二）實驗原理

理想不可壓縮流體在重力場中沿管道做恒定流動時，應(yīng)遵循伯努

利方程式：

Z+2+J常數(shù)⑴

Y2g

即單位重量流體的位置勢能、壓力勢能和動能之和沿流線為一常

數(shù)。

V2

在位能不變的情況下，管徑發(fā)生變化，導(dǎo)致而變化，同時壓力

勢能也相應(yīng)發(fā)生變化，但三者之和保持一常數(shù)。

實際上，因流體具有粘性，使得流動過程中有能量損失，故實際

流體的伯努利方程式應(yīng)為：

4+&五=乙+八互+兒，⑵

y2gy2g

九一一為單位重量流體在1—2斷面間的能量損失

對靜止流體，伯努利方程式即為靜力學(xué)基本方程式

z+K二常數(shù)

（三）實驗設(shè)備

伯努利方程實驗設(shè)備如圖4所示。穩(wěn)壓水箱內(nèi)的水靠溢流來維持

穩(wěn)定的液面，以保證管內(nèi)的流動是定常的c實驗管為一透明、變截面

的有機玻璃管，為觀察沿管各處能量的變化，在管道上開4個靜壓測

孔，分別用測壓管測它們的壓力。管道出口下面是計量水箱，用以測

量通過管道流體的流量。

（四）實驗步驟

熟悉實驗設(shè)備，了解各測壓管的測壓點及體積法測流量的方法。

打開進水閥向穩(wěn)壓水箱充水，使穩(wěn)壓水箱內(nèi)始終保持溢流。

排除管道內(nèi)以及測壓管和傳壓管內(nèi)的空氣。

開啟管道進口閥門任意調(diào)一流量，待各測壓管水位穩(wěn)定后，記錄

各測壓管水面讀數(shù)1/九

用體積法測流量。（通過計量水箱刻度得到體積、時間用秒表測

得）。

（五）整理實驗報告，描繪出有關(guān)水頭線，并進行結(jié)果分析

魏水頭級

圖4水流能量轉(zhuǎn)換實驗裝置簡圖

實驗三管流沿程阻力水頭損失實驗

(一)實驗?zāi)康?/p>

1.驗證在恒流中，水流沿程阻力的規(guī)律。

2.掌握測定沿程阻力的方法。

(二)實驗原理

由于流體具有粘性，在流動時流動質(zhì)點間受固體邊界的影響存在

著一種抗拒水流運動的力，稱為水流阻力。

由于沿程的摩擦阻力引起的水流阻力稱為沿程阻力，用其相應(yīng)的

沿程阻力水頭損失來度量。在恒流中，圓管中的水流沿程阻力常用式

(1)表示：

式中當(dāng)一流速水頭

2g

/一管道計算長度

d—水管直徑

4—沿程阻力系數(shù)

根據(jù)理論分析得出：在圓管層流中X值與水流的雷諾數(shù)Re有關(guān)

即人竺(2)

Re

在圓管紊流中實驗證明幾值一般不僅與水流的雷諾數(shù)有關(guān)，而且

還與水管的相對粗糙度△"有關(guān)。

(

即4=/Re-(3)

\d>

則水流的沿程阻力可用下式表示

m

hf=KV（4）

式中V—水流斷面平均速度

K一常數(shù)

m-指數(shù)層流m=l,紊流m=l.75-2.0

（三）實驗設(shè)備

本實驗采用的設(shè)備如圖5所示。它主要由保持恒水位的高位水箱

12、實驗管道1、測量阻力損失的測壓管以及測量水流量的設(shè)備（體

積法）組成。實驗段采用鐵管，前面裝有進水閥，用來控制管內(nèi)流量,

以改變實驗管段內(nèi)的流速。測壓管兩端分別接在實驗管段二端的取壓

點上，測量流量采用體積法，體積通過計量水箱的刻度得到，時間用

秒表測。

T

圖5管流沿程阻力水頭損失裝置簡圖

（四）實驗步驟

1.熟悉實驗設(shè)備，啟動水泵向高位水箱供水，使溢流管始終保持

溢流。

2.全開實驗管路前面的進水閥，排除管道內(nèi)的氣體，并排除取壓

連接管和測壓管中的空氣。

3.實驗管段進水閥全開，試調(diào)一個最大壓差，得一個最大壓差值

△勺，同時用體積法側(cè)水的流量，體積通過計量水箱刻度得到，時間

用秒表來測，這樣可得流量，一組數(shù)據(jù)測完。

4.調(diào)始端閥門，改變流量（逐漸減小）重復(fù)上述步驟10?12次

（壓差大約按60、50、40、30、20、10、5、3、2、1、0.5、0.3、

0.2遞減）

臉部

圖6hf與U關(guān)系曲線

實驗四管流局部阻力水頭損失實驗

（一）實驗?zāi)康?/p>

用實驗方法測定管流局部阻力系數(shù)4O

掌握測定局部阻力損失的實驗方法。

（二）實驗原理

水在流動過程中，由于邊界的局部變化，如流向或過水?dāng)嗝娴鹊?/p>

改變，水流中各點的流速和壓強都將改變，而且容易引起邊界層脫離,

產(chǎn)生漩渦，因而消耗一部分水流能量。這種由于局部阻力引起的能量

損失叫做局部阻力水頭損失，其值可用式⑴表示。

V2

△%=4?。?）

2g

式中：△為一一局部阻力水頭損失

?——局部阻力系數(shù)

上一一流速水頭，V一般采用局部裝置以后的斷面上的平

2g

均流速。局部阻力系數(shù)

見圖7管流局部阻力水頭損失裝置簡圖

M=九一九，

M=/ty-hy

△%=A/?1-M

（三）實驗設(shè)備

圖7管流局部阻力水頭損失裝置簡圖

（四）實驗步驟

1.熟悉實驗設(shè)備和儀器

2.啟動水泵得到穩(wěn)定水位后全開管道進水閥，閥A半開（閥A角

度45,左右）記錄測壓管片、卜2、N的值，同時測流量（體積法）；

閥A全開（即閥A水平）再次記錄測壓管1卜、lx，的值，同時測

流量（體積法）。

實驗五動量定理實驗

（一）實驗?zāi)康?/p>

1.掌握測定水射流對平板（或曲面板）沖擊力的實驗方法。

2.將測得的沖擊力與用動量方程計算出的射流沖擊力進行比較，

驗證修止系數(shù)K是件在標(biāo)定范圍內(nèi)。

（二）實驗原理

1.計算方法求沖擊力（動量方法）

水從噴咀噴出，射在固體板壁上，對板壁產(chǎn)生沖擊力，此力大小

可由方程（1）計算。

穩(wěn)定流動：

F^=pQV0（\-cosa）（i）

考慮射流高差、能量損失及其他影響因素，應(yīng)對上式加以修正。

%西_2gz（1-C0S6Z）（2）

式中k——經(jīng)實驗求得的修正系數(shù)

k值見每個實驗臺說明書

P——水的密度

Q---射流流置（米3秒）

匕——噴咀出口流速（米/秒）

Z——射流噴射高度

。——射流入口流速與出口流速的方向夾角

2.測量方法求沖擊力見實驗原理圖得GX=/n

口GX.

%二-j-(kg)

(二)實驗方法與步驟

熟悉實驗儀器設(shè)備：動量實驗儀、轉(zhuǎn)子流量計

實驗方法與步驟

L記錄有關(guān)常數(shù)：沖擊力臂L,

祛碼重量G,

射流噴射高度Z,

噴咀直徑d,

射流入口流速與出口流速夾角。。

2.調(diào)整標(biāo)尺支座定位螺絲，使受力板與噴咀對中，將祛碼移至標(biāo)

尺零點，調(diào)節(jié)調(diào)零祛碼觀察標(biāo)尺指針，使標(biāo)尺處于水平位置。

3.緩慢打開進水閥門，水流從噴咀射出，沖擊受力板，標(biāo)尺傾斜,

調(diào)整磋碼位置，使標(biāo)尺恢復(fù)水平位置，記下此祛碼位置上的標(biāo)尺度數(shù)。

4.量測此平衡狀態(tài)下的流量。

5.改變進水閥開度、重復(fù)上述步驟可測出不同流量下的數(shù)據(jù)。

注意事項：

實驗中如發(fā)現(xiàn)射流與受力板有偏離、不對中、可調(diào)整支座定位螺

絲，使射流對中。

實驗六雷諾實驗

（一）實驗?zāi)康?/p>

1.用流動可視化的方法，觀察流動的層流和紊流狀態(tài)，從而對

黏性流體的流動得到一些感性認(rèn)識。

2.通過實驗理解判別流態(tài)的雷諾數(shù)的意義，掌握測定臨界雷諾

數(shù)的方法。

（二）實驗原理

實際流體在同樣邊界條件下流動，由于運動速度不同，具有兩種

不同的流動型態(tài)一一層流和條流。

流速較小時，流體質(zhì)點做有條不