流体力学工程流体力学实验指导书与报告PDF版20120404
工 程 流 体 力 学 实 验
指 导 书 与 报 告
专业 专业 班级 班级 班级 学号 学号 姓名 姓名 姓名
温州大学建筑与土木工程学院水力学实验室 温州大学建筑与土木工程学院水力学实验室
20122012年4月
本实验指导书与报告是和本室的工程流体力学系列教学仪器相配套的实验教材。教材中对各项基础实验的实验目的、实验原理、实验方法与实验技能的培养要求作了详尽地阐述,并突出了实验成果分析与讨论。在“实验分析与讨论”内容中,按其涉及知识面的宽度与深度分为必做与选做两类,带☆者为选做内容。编者相信,这有助于学生分析与解决问题能力的培养。
本教材包含了流体静力学实验、伯诺里方程实验和不可压缩流体恒定动量定律实验等八项基础实验和一项设计性实验——局部阻力损失实验。在应用时,根据专业要求和学时多少,可对实验项目、内容酌情选择,区分为必做(或者部分必做),选做等,予以不同要求。
设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件,由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。教材中设置了一项设计性实验,目的是使学生运用所学到的实验知识和技能,在实验方法的考虑、实验仪器的选择、测量条件的确定等方面受到系统的训练,培养学生的动手能力、研究能力,激发学生的创新精神。
学生在实验前,必须预习本实验指导书与实验报告、教材及参考书的相关内容,并完成相应的实验预习报告。实验中仅仅能按规定完成实验步骤操作是远远不够的,还必须针对实验指导书中成果要求及分析讨论题,查阅有关参考书,深入地进行实验探索。并结合本室演示类的演示实验,认真分析与思考。为此,应提倡并鼓励一人独立实验,实验小组人数以不超过三人为宜。
编 者
2012年4月
(一) 流体静力学实验……………………………………………………………………………………1 (二) 不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺里方程)实验……………………………………………6 (三) 不可压缩流体恒定流动量定律实验……………………………………………………………10 (四) 毕托管测速实验…………………………………………………………………………………14 (五) 雷诺实验…………………………………………………………………………………………17 (六) 文丘里流量计实验………………………………………………………………………………20 (七) 沿程水头损失实验………………………………………………………………………………24 (八) 设计性实验——局部阻力损失实验……………………………………………………………29 (九) 孔口与管嘴出流实验……………………………………………………………………………33
(一)流体静力学实验 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
本实验的装置如图1.1所示。
图1.1 流体静力学实验装置图
1. 测压管; 2. 带标尺测压管; 3. 连通管; 4. 真空测压管; 5. U型测压管; 6. 通气阀; 7. 加压打气球;8. 截止阀; 9. 油柱;10. 水柱 11. 减压放水阀。
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
p
z+=const
γ
或
p=p0+γh (1.1)
式中:z——被测点在基准面以上的位置高度;
p——被测点的静水压强,用相对压强表示,以下同; p0——水箱中液面的表面强度; γ——被测点的液体深度。
另对装有水油(图1.2及图1.3)U型测管,应用等压面可得油的比重S0有下列关系1
;
S0=
γ0γ=h1
h ω1+h2
图1.2 图1.3
据此可用仪器(不用另外尺)直接测得S0。
四、实验方法和步骤
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; 1
* 该式推导如下:
当U型管中水面与油水界面齐平(图1.2),取其顶面为等压面,有
p01=γωh1=γ0H
另外,当U型管中水面和油面齐平(图1.3),取其油水界面为等压面,则有
p02+γωH=γ0H 又 p02=−γωh2=γ0H−γωH
由(1.a)、(1.b)两式联解可得:
H=h1+h2
代入式(1.a)得:
γ0h1
γ= ωh1+h2
(1.2)
表1.1 流体静压强测量记录及计算表 单位:cm
注:表中基准面选在
ZC= cm ZD= cm
表1.2 油容量测量记录及计算表 单位:cm―3―
4)检查仪器是否密封 加压后检查测管l、2、5液面高程是否恒定。若下降,表明漏气,应查明原因并加以处理。
2. 记录仪器号No.及各常数(记入表1.1)。 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)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,测记▽0;
2) 关闭通气阀6,打气加压(p0>0),微调放气螺母使U形管中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)。
pB
γ
<0,即▽H<▽B ),测得▽0及▽H。
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,γw3。
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(Z+
P
γ
)是否为常数。
3. 求出油的容重。γ03
4. 测出4# 测压管插入小水杯水中深度。∆h4。
六、实验分析与讨论
1. 当pB<0时,试根据记录数据确定水箱内的真空区域。 2. 若再备一根直尺,试采用另外最简便的方法测定γ0。 3. 如测压管太细,对测压管液面的读数将有何影响?
4. 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?哪一部分液体是同一等压面?
☆5. 用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗?
☆6. 该仪器在加气增压后,水箱液面将下降δ而测压管液面将升高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)与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm,箱体内径为20cm。
(二)不可压缩流体恒定流能量方程(不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺里方程)伯诺里方程)实验 实验
一、 实验目的要求
1. 验证流体恒定总流的能量方程;
2. 通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研讨,进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性;
3. 掌握流速、流量、压强等动水力学要素的实验量测技能。
二、 实验装置
本实验的装置如图2.1所示。
图2.1 自循环伯诺里方程实验装置图
1. 自循环供水器; 2. 实验台; 3. 可控硅无级调速器; 4. 溢流板; 5. 稳水孔板; 6. 恒压水箱; 7. 测压计;8. 滑动测量尺; 9. 测压管; 10. 实验管道 11. 测压管; 12. 毕托管; 13. 实验流量调节阀。
说明
本仪器测压管有两种:
1. 毕托管测压管(表2.1 中标 * 的测压管),用以测读毕托管探头对准点的总水头
pu2pu2
H(=Z++,须注意一般情况与断面总水头H(=Z++不同(因一般 u ≠ν ),它的
γ2gγ2g
'
水头线只能定性表示总水头变化趋势;
2. 普通测压管(表2.1未标 * 者),用以定量量测测压管水头。
实验流量用阀13调节,流量由体积时间法(量筒、秒表另备)、重量时间法(电子称另备)或点测法测量(以下实验类同)。
三、实验原理
在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面(1)至另—断面(i)的能量方程式(i=2,3,……,n)
piaivi2a1v12
Z1++=Zi+++hw1−i
γ12gγi2g
p1
取a1=a2=…an=1,选好基准面,从已设置的各断面的测压管中读出Z+
p
γ
值,测出通过管路的
av2
,从而即可得到各断面测管水头和总水头。 流量,即可计算出断面平均流速v及2g
四、实验方法与步骤
1. 熟悉实验设备,分清哪些测管是普通测压管,哪些是毕托管测压管,以及两者功能的区别。 2. 打开开关供水,使水箱充水,待水箱溢流,检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因(例连通管受阻、漏气或夹气泡等)并加以排除,直至调平。
3. 打开阀13,观察思考:1)测压管水头线和总水头线的变化趋势;2)位置水头和压强水头之间的相互关系;3)测点(2)、(3)测管水头同否?为什么?4)测点(12)、(13)测管水头是否不同?为什么?5)当流量增加或减少时测管水头如何变化?
4. 调节阀13开度,待流量稳定后,测记各测压管液面读数,同时测记实验流量(毕托管供演示用,不必测记读数)。
5. 改变流量2次,重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。
五、实验成果及要求
1. 记录有关常数 实验装置台号No.________ 均匀段D1cm 缩管段D2cm 扩管段D3cm 水箱液面高程▽0 上管道轴线高程▽
表2.1 管径记录表
2 3 4
6
6* 7 4
13.5
8* 9
6 10 11
10 12* 13
29 14* 15
16 16* 17
18* 19 16
测点编号 1*
4 5
管径cm 两点间距cm
4
6
注:(1) 测点6、7所在断面内径为D2,测点16、17为D3,余均为D1。
(2) 标“*”者为毕托管测点(测点编号见图2.2).
(3) 测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点,10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。
2. 量测(Z+
p
γ
)并记入表2.2。
表2.2 测记(Z+
测点编号 实验次序
3
2
1
2
3
4
5
7
p
γ
)数值表 (基准面选在标尺的零点上) 单位:cm
Q
cm³/s
9
10
11
13
15
17
19
3. 计算流速水头和总水头。
4. 绘制上述成果中最大流量下的总水头线 E-E 和测压管水头线 P-P(轴向尺寸参见图2.2,总水头线和测压管水头线可以绘在图2.2上)。
提示:
1. P-P 线依据2.2数据绘制,其中测点10、11、13数据不用; 2. E-E 线依表2.3(2)数据绘制,其中测点10、11数据不用; 3. 在等直径管段 E-E 与 P-P 线平行。
图2.2
六、成果分析及讨论
1. 测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题?
☆2. 试问避免喉管(测点7)处形成真空有哪几种技术措施?分析改变作用水头(如抬高或降低水箱水位)对喉管压强的影响情况。
表2.3 计算数值表
(2) 总水头 (Z+
p
γ
+
av2
) 单位:cm 2g
测点编号
Q (cm³/s)
1
实 验 次 序
3 2
―9―
(三)不可压缩流体恒定流动量定律实验 不可压缩流体恒定流动量定律实验
一、实验目的要求
1. 验证不可压缩流体恒定流的动量方程;
2. 通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研讨,进一步掌握流体动力学的动量守恒定理;
3. 了解活塞式动量定律实验仪原理、构造,进一步启发与培养创造性思维的能力。
二、实验装置
本实验的装置如图3.1所示。
图3.1 动量定律实验装置图
1. 自循环供水器; 2. 实验台; 3. 可控硅无级调速器; 4. 水位调节阀; 5. 恒压水箱; 6.管嘴; 7.集水箱; 8. 带活塞的测压管; 9. 带活塞和翼片的抗冲平板; 10. 上回水管。
自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控制。水流经供水管给恒压水箱5,溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴6的水流形成射流,冲击带活塞和翼片的抗冲平板9,并以与入射角成90o的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管8中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深hc 可由测压管8测得,由此可求得射流的冲力,即动力量F。冲击后的弃水经集水箱7汇集后,再经上回水管10流出,最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。
为了自动调节测压管内的水位,以使带活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影响,本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术,其构造如下:
带活塞和翼片的抗冲击平板9和带活塞套的测压管8如图3.2所示,该图是活塞退出活塞套时的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a ,进口端位于平板中心,出口端伸出活塞头部,出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片b ,活塞套上设有窄槽c。
图3.2 图3.3
工作时,在射流冲击力作用下,水流经导水管a 向测压管内加水。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时,活塞内移,窄槽c 关小,水流外溢减少,使测压管内水位升高,水压力增大。反之,活塞外移,窄槽开大,水流外溢增多,测管内水位降低,水压力减小。在恒定射流冲击下,经短时段的自动调整,即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处于半进半出、窄槽部分开启的位置上,过a 流进测压管的水量和过c 外溢的水量相等。由于平板上设有翼片b ,在水流冲击下,平板带动活塞旋转,因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。
为验证本装置的灵敏度,只要在实验中的恒定流受力平衡状态下,人为地增减测压管中的液位高度,可发现即使改变量不足总液柱高度的±5‰(约0.5-1mm),活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移,开大或减小窄槽c ,使过高的水位降低或过低的水位提高,恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.5%,亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。
三、实验原理
恒定总流动量方程为