流体力学实验 马骏、薛莉娉.

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1 流体力学实验 马骏、薛莉娉

2 实验一 静水压强实验

3 一、 实验目的 1． 掌握在用测压管测量静压强的方法； 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讨论，进一步提高解决静力学实际问题的能力。

4 二、实验装置

5 三 实验原理 在重力作用下不可压缩液体静力学的基本方程为： Z+P/R=const. (1-1) 或P=P0+rh (1-2)
式中，Z为位置水头，表示被测点相对于基准面高度，即单位重量水体所具有的位能：p/r为压强水头，表示被测点处单位重量水体所具有的压强；Z+P/R为测压管水头；P-被测点的静水压强；P0水箱中液面的表面压强；R—液体容重；h—被测点的液体深度。 （1-1） 式表明静水中任意一点的测压管水头都相等。 （1-2） 式表明液面以下任一点的静水压强等于表面压强P0与这一点至液面的水深乘以液体容重之和，即静水压强是随液体深度按线性规律变化。

6 四、实验方法及步骤 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；
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； 4）检查仪器是否密封 加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表面漏气，应查明原因并加以处理。

7 2.记录仪器号及各常数。 3.测量点静压强(各点压强用厘米水柱高表示）。 1）打开通气阀6，记录水箱液面标高▽０和测管２液面标高▽Ｈ； ２）关闭通气阀６及截止阀８，加压使之形成Ｐ０＞０，测量▽０ 及▽Ｈ； ３）打开放水阀１１，使之形成Ｐ０＜０，测量▽０ 及▽Ｈ。

8 4.测定油比重 1）打开通气阀6，记录水箱液面标高▽０ 2）关闭通气阀６及截止阀８，打气加压（Ｐ０＞０），微调放气螺母使U形管中水面与油水面齐平，测量▽０ 及▽Ｈ； 3）打开通气阀6，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形管中的水面与油水面齐平，测量▽０ 及▽Ｈ。

9 五 实验注意事项 1.加压后先检查气密性再记录数据；减压时要注意测压管的读数变化；
五 实验注意事项 1.加压后先检查气密性再记录数据；减压时要注意测压管的读数变化； 2.油液面高时注意缓缓下降，防止在细管中由于水锤作用造成油水混合的现象。

10 六 预习和思考题 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。
六 预习和思考题 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、如再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定油比重。 4、如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？

11 实验二 能量方程实验

12 一 实验目的 1、验证流体恒定总流的能量方程； 2、通过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征；
一 实验目的 1、验证流体恒定总流的能量方程； 2、通过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征； 3、掌握流速、流量、压强等动水力学要素的实验量测技能。

13 二 实验装置

14 三 实验原理 根据能量方程，沿管道水流方向取n个过水断面，列出进口断面（1-1）至（I-I）断面的能量方程（I=2,3,4……n）
三 实验原理 根据能量方程，沿管道水流方向取n个过水断面，列出进口断面（1-1）至（I-I）断面的能量方程（I=2,3,4……n） 取a1= a2=…= an=1，选好基准面，从已设置的名断面的测压管中读出测压管水头（Z+P/R）值，再测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速及流速水头，从而得到管流的测压管水头和总水头。

15 三 实验步骤 1．熟悉实验设备，分清各断面的普通测压管和装有毕托管的测压管，并弄清这两种测压管的测压原理及安装位置。
三 实验步骤 1．熟悉实验设备，分清各断面的普通测压管和装有毕托管的测压管，并弄清这两种测压管的测压原理及安装位置。 2．接通电源，等给水箱溢流后排净测压管中的气泡，用橡胶塞堵住出口，若所有测压管水位均齐平，说明气已排净，否则要重新排气。 3．打开橡胶塞，用阀门调节流量，待水稳定后观察各断面两测压管的区别和现象；观察文丘里进口断面和喉管断面的测压管水头的变化和流速水头的大小；观察阀门前后断面的测压管水头变化，加深对局部水头损失的理解；观察14、15测压管咀在同一断面的不同位置，为什么14、15测压管水头相等？16、17测压管咀也在同一断面的不同位置，为什么16、17测压管水头不相等？，加深对恒定流里渐变流与急变流特性的理解。 4．改变流量，观察测压管水头线和管轴线总水头线的变化趋势（注：由于毕托管探头布置在管轴线上，因此测到的是管轴线上的总水头线，它比管道的平均总水头线要高，管道的平均总水头线可通过测量流量，然后算出管道各断面的平均流速和流速水头，再加上各断面的测压管水头而获得），了解测压管水头线和总水头线怎样通过实验方法测出。 5．实验完毕，关闭电源，打开阀门放空积水。

16 四 注意事项 1、调节流量后，等测压管读数稳定后记录数据。 2、作图时10、11、13数据不用。

17 五 预习和思考题 1、测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？ 2、流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？
五 预习和思考题 1、测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？ 2、流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 3、测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？

18 实验三 动量方程实验

19 一 实验目的 1、验证不可压缩流体恒定总流的能量方程；
一 实验目的 1、验证不可压缩流体恒定总流的能量方程； 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，进一步掌握楼梯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。

20 二 实验装置

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24 实验四 雷诺实验

25 一 实验目的 1．观察层流和紊流的流动特征及其转换特征； 2、测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则
一 实验目的 1．观察层流和紊流的流动特征及其转换特征； 2、测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则 3、观察层流和紊流的流速分布，了解层流和紊流的判别标准。

26 二 实验装置

27 三 实验原理

28 四 实验步骤 1．记录有关常数 2．接通电源，等稳水箱溢流后排净测压管中的气，关闭阀门8，检查测压管是否齐平，若不平说明测压管中有气，查出原因并给予排出。 3．将阀门8微微打开，等水流稳定后，注入颜色水，当颜色水在试验管中呈现一条稳定而明显的流线时，管内即为层流，观察其流态（图6-2（a））。 4．逐渐开大阀门8，增大流量，当颜色水开始颤动、弯曲并逐渐括散到全管，水流紊乱到看不清颜色流线时，管内即为紊流（图6-2（b）、（c））。 5．测定下临界雷诺数。 （1） 将阀门8打开，使管中流态呈完全紊流，再逐渐关小阀门减小流量。减小到使注入的颜色呈现出一条稳定而明显的流线时，即为下临界状态。 （2） 当管中出现下临界状态时，用体积法测量流量和水温即可测出下临界雷诺数。 （3） 重复步骤(1)、（2）、，重复测量3次，然后求出平均下临界雷诺数。 6．实验完毕，切断电源，打开阀门放空积水，整理现场。

29 五 注意事项 1．每调节一次阀门都需等水稳定几分钟后，再进行下一次调节； 2．关小阀门调节时下临界状态时，只许阀门渐关，不许开大。

30 六 预习与思考题 1、为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？
六 预习与思考题 1、为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？ 2、雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数位2320，而目前教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因？

31 实验五 文丘里流量计实验

32 一 实验目的 １． 通过实验掌握文丘里流量计的原理及用途，学会流量系数的率定方法。
一 实验目的 １． 通过实验掌握文丘里流量计的原理及用途，学会流量系数的率定方法。 ２． 观察管道恒定流中文丘里流量计的断面变化引起的动能和势能的转化情况，并观察真空现象，加深对能量方程的理解。 ３． 学会体积流量法的量测方法，掌握多管压差计的原理和使用方法。

33 二 实验装置

34 三 实验原理 根据能量方程和连续性方程，可推导出文丘里流量计的理论流量与进口断面与喉管两断面的测压管水头差△h的关系式：
三 实验原理 根据能量方程和连续性方程，可推导出文丘里流量计的理论流量与进口断面与喉管两断面的测压管水头差△h的关系式： 由于实际流体通过文丘里流量计时有能量损失，因此实际流量Q0比理论流量Q/小，对于这个误差我们引用一个小于１的系数μ来修正，实际流量： Q0=μk μ= Q0/ Q/ 式中：d1、d2为文丘里管进口直径和喉管直径：……为只与文丘里管几何尺寸有关的常数；△h为文丘里管进口断面与喉管断面之间的测压管水头差，由于静力学基本方程可得多管压差计的△h=(h2-h1)+(h4-h3)；μ为流量系数，一般在０.９５~1之间。

35 四 实验步骤 １． 记录有关常数。 ２． 接通电源，等稳水箱溢流后排净测压管中的气，关闭阀门２，检查测压管（h2－h1）＋…（h4－h3）是否则零，若不为零，查出原因并予排出。 ３． 打开阀门２，通过排气管调节多管压差计h1，h2，h3，h4高度，使之能测到最大流量。然后将流量调节到测压管所能测到的最大值，从大流量开始测，等水流稳定后测读压差计h1、h2、h3、h4的读数，同时测定相应的流量。 ４． 测量流量。（１）电测体积法：打开电测仪开关，将记时器回零，然后将水流切换11接住水流，电测体积流量计接满标定体积所用的时间会自动记下（实测流量G=标定体积/实测时间），当水快接满时，将水流切换器11复原，电测体积流量计接满的水会自动流回畜水箱，然后记录时间，将记时器回零，又可进行下次量测。（2）体积（或重量）法：把量筒或水桶接满时，将水流切换器11复原，同时按下秒表停止键，再测量所测水的体积或称出重量，（实测流量Q0=实测体积（或重量）/实测时间）。 ５． 逐渐关小调节阀8，改变流量10次左右，重复步骤3、4，并将实测值记录在实验表格里。 ６． 若测压管内液面有波动，读其时均值。 ７． 实验读数结束后，按步骤2校核压差计是否为零。 ８． 将流量调节到最大，打开压差计止气夹10，观察文丘里遗喉管真空吸气现象。

36 五 预习与思考题 1、为什么计算流量Q’与实际流量Q不相等？ 2、验证气-水多管压差计有下列关系：