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流体力学实验操作与指导书



一、实验目的和要求

1. 测量绝热材料(不良导体)的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。

2. 掌握使用热电偶测量温差的方法。


二、实验仪器及工作、实验原理

1.实验装置简图



三、雷诺实验

(一)实验目的和要求

1.观察液体流动时的层流和紊流现象,加深对雷诺数的理解。

2.测定有色液体在管中不同状态下的雷诺数。

3.通过对有色液体在管中不同状态的分析,加深对管流不同流态的了解。


(二)实验仪器及工作、实验原理

1.工作原理

实验装置的结构示意图所示。水位水箱靠溢流来维持不变的水位。在水箱的下部装有水平放置的雷诺试验管,实验管与水箱相通,恒水位水箱中的水可以经过实验管恒定出流,实验管的另一端装有出水阀门,可用以调节出水的流量。阀门的下面装有回水水箱,在恒水位水的上部装有色液罐,其中的颜色液体可经细管引流到实验管的进口处。色液罐的下部装有调节小阀门,可以用来控制和调节色液液流。雷诺仪还设有储水箱,有水泵向实验系统供水,而实验的回流液体可经集水管回流到储水箱中。


2.实验原理

临界雷诺数由下式得出


式中,流速   

运动粘度(根据实验水温,从水的粘温曲线上查得)

—圆管直径


3.操作步骤


实验前的准备

a.打开进水阀门后,启动水泵,向恒水位水箱加水。

b.在水箱接近放满时,调节阀门,使水箱的水位达到溢流水平,并保持有一定的溢流。

c.适度打开出水阀门,使实验管出流,此时,恒水位水箱仍要求保持水位,否则,可再调节阀门,使其达到水位,应一直保持有一定的溢流。(注意:整个实验过程中都应满足这个要求)。

d.测量水温。


进行实验,观察流态具体操作如下:

a.微开出水阀门,使实验管中水流有稳定而较小的流速。

b.开色液罐下的小阀门,使色液从细管中不断流出,此时,可能看到管中的色液液流与管中的水流同步在直管中沿轴线向前流动,色液呈现一条细直流线,这说明在此流态下,流体的质点没有垂直于主流的横向运动,有色直线没有与周围的液体混杂,而是层次分明的向前流动。此时的流体即为层流。(若看不到这种现象,可再逐渐关小阀门,直到看到有色直线为止)。

c.逐渐缓慢开大阀门至一定开度时,可以观察到有色直线开始出现脉动,但流体质点还没有达到相互交换的程度,此时,即象征为流体流动状态开始转换的临界状态(上临界点),当时的流速即为临界流速。

d.继续开大阀门,即会出现流体质点的横向脉动,继而色线会被全部扩散与水混合,此时的流态即为紊流。

e.此后,如果把阀门逐渐关小,关小到一定开度时,有可以观察到流体的流态从紊流转变到层流的临界状态(下临界点)。继续关小阀门,试验管中会再次出现细直色线,流体流态转变为层流。


测定临界雷诺数具体操作如下:

a.开大水阀门,并保持细管中有色液流出,使实验管中的水流处于紊流状态,看不到色液的流线。

b.缓慢地逐渐关小出水阀门,仔细观察试验管中的色液流动变化情况,当阀门关小到一定开度时,可看到试验管中色液出口处开始有有色脉动流线出现,但还没有达到转变为层流的状态,此时,即象征为稳流装变为层流的临界状态。

c.在此临界状态下测量出水流的流量,具体步骤如下:

--调整好秒表使之处于工作状态;

--手持计量升杯;

--对准出水管嘴同时按下秒表,即可开始计量。

--读出水的升数与时间,将测试结果记入实验记录表中。


实验台因用户需求不同,会利用不同手段对流量进行测量,常见有体积法、流量计计量法等。以上操作步骤为体积法测量流量。若实验台采用流量计计量流量,则可直接在流量计读取流量数值,并代入计算公式中。若为电子测量,则通过流量积算仪或多通道巡检仪表可读取流量数值。


注意事项:

⑴实验前后注意水电安全。

⑵本实验因涉及颜料水使用,水体染色需及时更换。颜料水为墨水介质,无毒害。

⑶长期不使用需清洗水箱、管道及颜料罐,并干燥避光。


(三)实验记录及计算

1.记录有关常数。
实验装置台号
No.
             


   
有关常数:管径     m,水温       ,运动粘度         


2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据。



实验
次序
颜色水线形态
流量
(m3/s)
流速
(m/s)
雷诺数
阀门开度
()()
1





2





3





4





5





6









四、沿程阻力系数测定实验

(一)实验目的和要求

1.掌握管道沿程阻力系数的测量。

2.加深理解圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律。

3.绘出曲线并与莫迪图对比,分析其合理性,提高对实验成果的分析能力。


(二)实验仪器及工作、实验原理

1.工作原理

实验台主要由一根透明有机玻璃实验管路组成。管子中间L长度的两断面上设有测压孔,可用压差板测出管路实验长度L上的沿程损失;管路的流量测量采用体积法测量。

利用水泵将储水箱中的水打入试验管路,经稳流箱稳定水流,再通过出水阀门控制出水流量。通过计量水箱返回储水箱。


2.实验原理

3.1对于通过直径不变的圆管的恒定水流,沿程水头损失为


其值为上下游量测断面的压差计读数。沿程水头损失也常表达为


其中:λ为沿程水头损失系数;L为上下游量测断面之间的管段长度;d为管道直;V为断面平均流速。若在实验中测得△h和断面平均流速,则可直接得到沿程水头损失系数。


3.2不同流动形态的沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。层流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的1次方成正比。紊流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的1.75~2.0次方成正比。见图1、图2。



3.3沿程水头损失系数λ是相对粗糙度△/d与雷诺数Re的函数,△为管壁的粗糙度,Re=Vd/(其中为水的运动粘滞系数)。

对于圆管层流流动

λ=64/Re

对于水力滑管紊流流动可取


可见在层流和紊流光滑管区,沿程水头损失系数λ只取决于雷诺数。

    对于水力粗糙管紊流流动


沿程水头损失系数λ完全由粗糙度决定,与雷诺数无关,此时沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比,所以紊流粗糙管区通常也叫做“阻力平方区”。


3.4对于在紊流光滑区和紊流粗糙管区之间存在过渡区,沿程水头损失系数λ与雷诺数和粗糙度都有关。


将阻力系数公式简化整理如下:


式中:—沿程阻力系数

—实验段两断面间管道沿程水头损失,m

—实验管道内直径,m

—实验段管道长度,m

流速

雷诺数


4.操作步骤


对照装置图和说明,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。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


接通电源,启动水泵。打开供水阀。


调通量测系统:

a.启动水泵排除管道中的气体。

b.关闭出水阀,排除其中的气体。随后,关闭进水阀,开出水阀,使水压计的液面降至标尺零附近。再次开启进水阀并立即关闭出水阀,稍候片刻检查水位是否齐平,如不平则需重调。

c.气-水压差计水位齐平。

d.实验装置通水排气后,即可进行实验测量。在进水阀全开的前提下,逐次开大出水阀,每次调节流量时,均需稳定2-3分钟,流量愈小,稳定时间愈长;测流量时间不小于8-10秒;测流量的同时,需测记压差计读数;

e.结束实验前,关闭出水阀,检查水压计是否指示为零,若均为零,则关闭进水阀,切断电源。否则,表明压力计已进气,需重做实验。


注意事项:

⑴实验前后注意水电安全。

⑵长期不使用需清洗水箱、管道及颜料罐,并干燥避光。


(三)实验记录及计算

1.记录有关常数。
实验装置台号
No.
             


   
有关常数:圆管直径       m    实验段长度         m

运动粘度        


2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据。



次序
体积
(m3)
时间
(s)
流量
(m3/s)
流速
(m/s)
雷诺数Re
差压计读数(m)
沉程损失   (m)
沿程阻力系数











1

10







2

10







3

10







4

10







5

10







6

10







7

10







8

10







9

10







10

10










(四)分析讨论

1.为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失?如果实验管道安装得水平,是否影响实验结果?

2.实验结果与莫迪图吻合与否?分析原因。

3.实验中的误差主要由哪些环节产生?





局部阻力系数测定实验

(一)实验目的和要求

1.掌握管路中测定局部阻力系数的方法,把所测的局部阻力系数与经验公式计算值进行比较分析。

2.了解管径局部突变,在突变断面前后测压管水头变化,加深对局部水头损失的理解。

3.了解阀门阻力对管道流压差的影响,观察阀门前后测点压差变化,探究阀门阻力系数的测定方法。


(二)实验仪器及工作、实验原理

1.工作原理

实验装置的整体结构如图所示。装置主要由出水阀门、局部阻力实验管路、测压管、实验台桌、进水阀门、储水箱、水泵等组成。利用水泵将储水箱中的水打入实验管路,然后利用进水阀门和出水阀门,可以控制和调节出水流量。阀门的下面装有回水箱和计量水箱。放水时的回流流体可以经集水箱回流到储水箱中。测压板上的测压管是用硅胶管与各测试截面上的测压孔相联,由此在实验时可以显示出各截面的测管水头高度及其前后截面的水头差值。



2.实验原理

有压管道恒定流遇到管道边界的局部突变,会引起流动分离并产生漩涡,造成局部水头损失。列出沿水流方向的局部阻力前后断面的能量方程,可得局部阻力系数(对应流过局部装置后的速度水头)。

突然扩大


将上式变为局部水头损失的一般表达式,可得:

   


实测值      经验公式值

式中   ——突扩前测点处截面面积,对应流速

      ——突扩后测点外截面面积,对应流速


突然缩小


当液体从较大容器流入管道时,则,一般称之为管道进口水头损失系数。将上式变为局部水头损失的一般表达式,可得:



实测值      经验公式值

式中   ——前测点处截面面积,对应流速

          ——突后测点外截面面积,对应流速


4.操作步骤


打开电源开关,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,检查流量调节阀全关时合测压管液面是否齐平,若不平则需排气调平。


打开流量调节阀至最大开度,待流量稳定后,测记测压管读数,同时用体积法或称重法测记流量。


逐渐关小流量调节阀开度3~4次,分别测记测压管读数及流量。

⑷实验完成后关闭流量调节阀,检查测压管液面是否齐平。


注意事项:

次改变流量后,要等测压管水位稳定后,再读测。

实验中注意水电安全。


(三)实验记录及计算

1.记录有关常数。
实验装置台号
No.
             


   
有关常数:         m          m         m


2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据。

2.1记录表


实验
次序
流量
测压管读数(m)






体积(m3)
时间(s)
流量(m3/s)




1







2







3









2.2计算表


阻力形式
实验次序




1
2
3

突然扩大
(m)













突然缩小
















流量     流量     截断面积

突扩        突缩




伯努利方程实验

(一)实验目的和要求

1.观察流体流经能量方程试验管的能量转化特性,对实验中出现的现象进行分析,加深对能量方程的理解。

2.学会压强、流速、流量等的测量,掌握绘制测压管水头线和总水头线的方法。

3.验证静压原理,验证流体恒定总流的能量方程。


(二)实验仪器及工作、实验原理

1.工作原理

伯努利方程实验台如图(1.实验装置简图)所示,是由水泵、恒压水箱、实验管路、测压排管及阀门构配件组成的。该伯努利方程实验台为能量方程实验的简化,是能量方程最具有代表性意议的管路形式。该实验台由恒压水箱稳定水平面为恒压水头,流体经伯努利方程实验管路,通过不同内径管截面测点及截面中心测点的水柱高度测量,结合体积法流量的测量,来记录和计算能量方程的流速水头及总水头,并根据所得绘制最大流量下的总水头线和测压管水头线。


2.实验原理

在伯努利实验管路中沿管内水流方向取过水断面。列出恒压水箱水面(0)至任过水断面()的伯努利方程(


,选定基准面,从各断面的测压管中读出值(管壁测点水柱高度值),用体积法测出通过管路的流量,计算出断面平均流速(流速水头),并算得各断面的总水头,从而验证伯努利方程。


运算式说明:

测点流速   A为测点处截面积

流速水头


3.操作步骤


熟悉实验设备,分清普通测压管、总压管,以及两者功能的区别


打开电源开关,使恒压水箱充水并产生溢流后,检查调节阀关闭时所有测压管水现是否齐平。如不平则需查明故障原因(例如连通管受阻、漏气、或夹气泡)并加以排除,直至调平。


打开流量调节阀,观察:

测压管水头线和总水头线的变化趋势;

位置水头、压强水头之间的相互关系;

当流量增加或减少时测压管水头如何变化。

⑷调节阀门开度,待流量稳定后,测记各测压管液面读数,同时测记实验流量。(总压管供演示用,不必测记读数。)


改变流量2次,重复上述测量。其中一次阀门开度大到使阀门前的测压管液面接近标尺零点。

注意事项:

⑴注意水电安全。

长期不使用,须清洗管路、水箱,干燥避光放置。


(三)实验记录及计算

1.记录有关常数。
实验装置台号
No.
             


   
均匀段       m,扩管段         m,水箱液面高程        m


2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据。


管径记录表单位m


测点编号
1*
2
3*
4
5*
6
7*
8
管径




与前点间距





注:测点34所在断面内径为,其余均为

标注*者为总压管测点。


记录表(基准面选在标尺的零点上)单位m


测点编号
2
4
6
8


实验次序
1






2






3







计算流速水头和总水头

流速水头单位m


管径









































总水头单位m


测点编号
2
4
6
8


实验次序
1






2






3







绘图分析。绘制上述数据中最大流量下的总水头线和测压管水头线。






文丘里流量计和孔板流量计系数的测定实验

(一)实验目的和要求

掌握文丘里流量计的工作原理和修正系数的测量方法;

掌握压差计的使用方法和体积法测流量的实验技能;

掌握能量方程和连续性方程的使用原则;

学会用孔板流量计测量流量。

(二)实验仪器及工作、实验原理

1、文丘里流量计是一种常用的管道流量的测量仪,见图1,属压差式流量计。它由“收缩段”、“喉部”、和“扩散段”三部分组成,安装在需要测定流量的管路上。在收缩段进口断面1-1和喉部断面2-2上设测压孔,并接上比压计,通过测量两个断面的测管水头差△h。就可计算管道的理论qv,再经修正得到实际流量qvs


2、理论流量:不考虑水头损失,速度水头的增加等于测管水头的减小(即比压计液面高差△h)通过测得的△h,建立两断在平均流速V1和V2之间的一个关系:


如果我们假设动能修正系数1=2=1,则

    另一方面,由恒定总流连续方程有

   

所以

     于是

    解得


最终得到理论流量为

   

式中


3、际流量:用量筒测量水的实际流量qvs

4、流量因数:


1)流量计流过实际流体时,两断面测管水头差中包括了粘性造成的水头损失,这导致计算出的理论流量偏大。

(2)对于某确定的流量计,流量因数还取决于流动的雷诺数:Re=V2d2/,但当雷诺数较大(流速较高)时,流量因数基本不变。

5、孔板流量计的原理

流体流过孔板时,孔板前后产生压差,其差值随流量而变,两者之间有确定的关系,因此可通过测量压差来测量流量。结构原理图如下:



式中:μ — 流量系数

△h — 压差计读数(㎜)

A — 空口截面积(㎜²)

μ为流量因素,不同孔板流量计μ值不同;△h为差。


(三)实验步骤

1、查阅用压差计量测压和用体积法测量流量的原理和方法;

2、对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤;

3、启动水泵,给水箱充水,并保持溢流状态,使水位稳定;

4、检查下游阀门关闭时,压差计各个测压管水面是否处于同一平面上。如不平,则需排气调平;

5、录断面管径等数据;

6、先从大流量开始实验。开启下游阀门,使压差计上出现最大的值,待水流稳定后,再进行量测,并将数据记录入表中;

7、依次减小流量,待稳定后,重复上述步骤8次以上,并按序记录数据;

8、检查数据记录表是否有缺漏?是否有某组数据明显不合理?若有此情况,进行补测;

9、整理实验结果,得出流量计在各种流量下的△h,qv,qvs

10、对实验结果进行分析讨论。

(四)实验记录及计算

有关常数

文丘里管:   d2 =       ㎜           d1 =      ㎜     水温t=     ℃

孔板流量计:d2 =       ㎜           d1 =     



   
测压管读数(㎝)
水量
㎝³
测量时间
(s)




h1
h2
h3
h4


1






2






3






4






5






6






7






8






9











序号
qvs


㎝³/s
h
(h1-h2+h3-h4)
(㎝)
㎝³/S

1




2




3




4




5




6




7




8




9






(五)分析与思考

1、文丘里流量计的实际流量与理论流量为什么会有差别,这种差别是由那些因素造成的?

2、文丘里流量计的流量因数是否与雷诺数有关?通常给出一个固定的流量因数应怎么理解?

3、为什么在实验中要反复强调保持水流稳定的重要性?




文丘里流量计和孔板流量计系数的测定实验

(一)实验目的和要求

了解毕托管的构造,掌握毕托管测量流速的原理和方法;

测定管嘴淹没出流流速计算管嘴淹没出流流速因素。

(二)实验仪器及工作、实验原理

可用毕托管测量点流速


式中:V 毕托管测点处流速

            c 毕托管的修正因数

△h — 毕托管全压水头与静压水头差。

管嘴出流时断面平均流速为:


式中:V 测点断面的平均流速

Cv — 流速因数

△h — 管嘴的作用水头

认为出流断面速度分布均匀,联立(1)、(2)式得;


(三)实验步骤

熟悉实验装置各部分名称、作用及构造。将毕托管对准管嘴,距离管嘴出口处约2-3㎝,上紧固定螺丝。

开启水泵。

待上下溢流后,用吸气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,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,重新排气。

测记各有关常数,填入实验表格。

改变流速操作调节阀,使溢流量适中,共可获得三个不同恒定水位与相应的不同流速记录数据。改变流速后,按上述方法重复测量。

(四)实验记录及计算

表1记录计算表校正系数C =     ,K =         ㎝⁰·⁵/s


实验次序
上、下游水位差(㎝)
毕托管水头差(㎝)
测点流速
(㎝/s
测点流速系数





h1
h2
△h
h3
h4
△h

















































(五)分析与思考

利用测压管测量点压强时,为什么要排气?怎么检验排净与否?

所测的流速因数Cv说明了什么?

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?另外,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。








  实验设备交付运行数据参考表


实验项目
水柱
编码
第一组
mm/L/s
第二组
mm/L/s
第三组
mm/L/s
局部阻力实验





























沿程阻力实验









文丘利流量计实验









孔板流量计实验









毕托管实验
(阀门阻力实验)









伯努利方程实验
1




2




3




4




5




6




7




8



雷诺实验
流量




现象






实验场地情况 

[环境温度:  ] [环境湿度:   RH] [电源情况:   ] [给排水情况:   ]

实验员:                              实验日期:                      





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