工程流体力学实验指导书北京科技大学土木与环境工程学院2003 年 9 月工程流体力学实验是工程流体力学课程教学的重要环节。通过实验， 可以对课堂讲授的理论知识加以巩固和进一步的验证，加强理论和实践的结合， 同时可以培养学生实际动手能力和分析问题、解决问题的能力，为今后的科学 研究打下基础。本实验指导书是根据教学大纲的要求，并结合实验室的具体设备编写的。 实验内容包括水静压强实验，不可压缩流体定常流动动量方程实验，雷诺实验， 管路沿程阻力实验，管路局部阻力实验，毕托管测速实验，文丘里流量计实验。 这些实验可以使学生掌握流体力学的实验技术和测量技巧，为进行科学实验研 究做准备。由于编者水平有限和实验设备的限制，书中不足之处在所难免，敬请读者 批评指正。编者2003年7月目录实验1 水静压强实验 1实验2 不可压缩流体定常流动动量方程实验 3实验3 雷诺实验 6实验4 管路沿程阻力实验 8实验5 管路局部阻力实验 12实验6 毕托管测速实验 15实验7 文丘里流量计实验 17实验1水静压强实验、实验目的1加深理解流体静力学基本方程及等压面的概念。2理解封闭容器内静止液体表面压强及其液体内部某空间点的压强 3观察压强传递现象。、实验装置实验装置如图1.1 所示。Illlllll-EMIlllllll图1.1水静压强实验装置图三、实验原理对密封容器（即水箱）的液体表面加压时，设液体表面压强为p,则pp, p为大 0 0 a a气压强。从U形管中可以看到有压差产生，U形管与密封水箱上部连通的一面，液面下降, 而与大气相通的一面，液面上升。密闭水箱内液体表面压强 p 为：0p 二 p +y h0a式中 丫液体的重度;h U 形管中液面上升的高度。当密闭水箱内压强P下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即PVP，这时密闭 0 0 a 水箱内液面压强 p 为：0p 二 p _yh0a式中 h U 形管中液面下降的高度。四、实验步骤1. 关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差Ah。在加压的同时，观察左侧 A、B 管的液柱上升情况。由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可 以看到由于A、B两点在水箱内的淹没深度h不同，在压强向各点传递时，先到A点后到 B点。在测压管中反应出的是A管的液柱先上升，而B管的液柱滞后一点也在上升，当停 止加压时，A、B两点在同一水平面上。2打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。关闭排气阀，打开密闭容器底部的水 门，放出一部分水，造成容器内压力下降，观察U形管中液柱的变化情况。五、分析和讨论1液体表面压强 p 与表压强、真空度有什么关系？02用该实验装置是否可以测出其他液体的重度？为什么？实验2 不可压缩流体定常流动动量方程实验一、实验目的1. 通过射流对水箱的反作用力和射流对平板的作用力验证不可压缩流体定常流动 的动量方程。2. 通过对动量与流量、流速、射流角度等因素的相关性分析，进一步掌握流体的动 量守恒定理。二、实验装置实验装置如图2.1所示。图2.1 动量方程实验装置简图1.实验水箱 2.控制阀门 3.高位水孔 4.低位水孔 5.砝码 6.转动轴承 7.挡板 8.固定插 销 9.水平仪 10.喷嘴 11.水泵 12.水箱 13.挡水板 14.实验台支架 三、实验原理1射流对水箱的反作用力原理以水箱水面I I,出口断面II II及箱壁为控制面，对水平x轴列动量方程：工 F = R =pQ(a v -a v )x x02 2 x 01 1x式中 R 水箱对射流的反作用；xp 水的密度；Q 射流流量；a ， a 动量修正系数，取1；01 02v 水箱水面的平均流速在x轴的投影，取0；1xv 出口断面的平均流速在x轴的投影。2x由对转轴计算力矩M求得R。xM = R - L = p Qv - Lx式中 L 出口中心至转轴的距离；v 出口流速。移动平衡砝码得到实测力矩 M ：0M 二 G-AS0式中 G 平衡砝码重量；AS AS 二 S - S ；0S 出流时（动态）砝码至转轴的距离；S 未出流时（静态）平衡砝码至转轴的距离。02. 射流对平面的作用力原理取喷嘴出口断面I I,射流表面，以及平板出流的截面II II为控制面，对水平x轴列动量方程：工 F = R =pQ（a v a v ）x x02 2 x 01 1 x式中 R 平板对射流的反作用力；xv 喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速；1xv II II断面平均流速在x轴的投影，取0。2x由对转轴计算力矩M求得R。xM=R -L =pQv-Lx 11式中L1水流冲击点至转轴的距离；v喷嘴出口的平均流速。添加砝码得到实测力矩M :0M =G-L02式中 G 砝码重量；L 2砝码作用点到转轴的距离。四、实验步骤及注意事项1. 射流对水箱的反作用力实验1）实验步骤 开启进水阀门，将水箱充满水，关小阀门，使之保持较小溢流。 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（静态）砝码位置 S 。0 插上插销，将出口转至高孔位置。调节阀门，使之仍保持较小溢流。 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（动态）砝码的位置S。 用体积法测量流量，计算流速。 将出口转至低孔位置，重复步骤。2）注意事项 调节前，必须将插销插上。 拔出插销后，应用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器。2. 射流对平面的作用力实验1）实验步骤 在拉链端部加重量50克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持垂直位置，记下 砝码位置，用体积法测流量。改变砝码重量，重复步骤。2）注意事项 应缓慢开启和调节阀门。 注意单位换算。五、实验数据记录及计算1水箱法仪器常数：L =cm, S =m, G =N仪器常数：L i =m, L 2 =m六、分析和讨论分析用动量方程求得的作用力值和实测值之间产生误差的原因。实验3 雷诺实验、实验目的1 观察流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。 2 观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程3. 测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数Rec、实验装置 实验装置如图3.1所示。图3.1雷诺实验装置1.水箱及潜水泵 2.上水管 3.溢流管 4.电源 5.整流栅 6.溢流板 7.墨盒 8.墨针 9.实 验管 10.调节阀 11.接水箱 12.量杯 13.回水管 14.实验桌三、实验原理流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保 持水箱中的水位恒定，即水头H不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定 的平均速度v，微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红 颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周 围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的 情况下运动，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体 质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出 现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运 动。vdQ流体的雷诺数Re =，根据连续方程：Q = Av , v =。流量Q用体积法测出，VA即在At时间内流入计量水箱中流体的体积A V。兀d 2A =4式中 A 管路的横截面积；d 管路直径；v 流体繁荣流速；V 水的运动粘度。四、实验步骤1准备工作。将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水， 以保持水位高度H不变。2缓慢开启阀门7，使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门9，使红色水以微小流 速在玻璃管内流动，呈层流状态。3开大出口阀门7，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出口阀门7， 观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量， 计算出下临界流速v。重复做三次，即可算出下临界雷诺数。c五、实验数据记录及计算d = mm水温= C实验次数AV (m3)At (s)Q (m3/s )v (m/s)cV (mz/s)Rec123下临界雷诺数的计算公式为：Rec实验4 管路沿程阻力实验、实验目的1 验证沿程水头损失与平均流速的关系。 2测定不同管路的沿程阻力系数。3 对照雷诺实验，观察层流和紊流两种流态及其转换过程 、实验装置实验装置如图4.1所示。图4.1阻力综合实验装置1.水泵电机 2.水泵 3.循环储水箱 4.计量水箱 5.孔板及比托管实验管段进水阀 6.阀门阻 力实验管段进水阀7.D=14mm沿程阻力实验管段进水阀8.D=14mm沿程阻力实验管段9阀门阻力实 验管段10.孔板流量计11.比托管12测阻阀门13测压管及测压管固定板14.D=14mm沿程阻力 实验管段出水阀 15 阀门阻力实验管段出水阀 16.孔板及比托管实验管段出水阀 17.文丘里实验管 段出水阀18.D=10mm沿程阻力实验管段出水阀19.管支架20.D=10mm沿程阻力实验管段21.文丘 里流量计 22排水阀门三、实验原理1沿程水头损失与流速的关系对沿程阻力两测点的断面列伯努利方程p av 2 P a v 2z + i += z + 2 2 + h1 Y2 g2 Y 2 g 1因实验管段水平，且为均匀流动，所以z = z , d = d , v = v ,a =a = 1, h = h1 2 1 2 1 2 1 2 l f由此得h =厶-厶=h/ y Y即管路两点的沿程水头损失h等于测压管水头差Ah。f由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速v ,将所得h和v数据绘f 在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与平均流速的关系。2沿程阻力系数的测定由上面的分析可以得到：h =厶-厶=AhfyY由达西公式：丫 X l v 2h =-f d 2 g用体积法测得流量Q，并计算出断面平均流速v，即可求得沿程阻力系数X :2gdAhX =lv2四、实验步骤1沿程水头损失与流速的关系实验1）实验前准备工作。将实验台个阀门置于关闭状态，开启实验管道阀门，将泵开启 检验系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。2）