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流体力学实验指导书主编 李旭机电工程系实验一静水压强实验一、实验目的1、通过实验加深对流体静力学基本方程的理解。2、验证静止流体中不同点对于同一基准面的测压管水头为常数,即常数3、实测静水压强,掌握静水压强的测量方法。4、巩固绝对压强、相对压强、真空度的概念,加深理解位置水头、压力水头以及测压管水头之间的关系。5、已知一种液体重度测定另一种液体的重度。二、实验原理图1所示是一种静水压强实验仪原理示意图:图1 静水压强实验原理图()实验装置包括四个部分,从左到右依次是调压桶、测压管组、主水箱、增减压气筒。主水箱液面上压强通过调节增减压气筒改变,使其大于或小于大气压,水箱上面通过连通管和测压管6相连。在水箱不同液面深度选择测点1、2,分别和测压管组连接。测压管组中2、3开口通向大气,测压管1、4、5通过一个四通接头和调压桶相接,通过上、下移动调压桶就可以改变调压筒中的压强,进而调节测压管1、4、5中的压强。球阀1和2的开启可以使密闭水箱液面上压强和调压桶压强恢复到大气压强。(注:图1中,图2中,) 图2 静水压强实验原理图()相对静止的液体只受重力的作用,处于平衡状态。以表示液体静压强,表示液体重度,以表示压强测算点位置高度(即位置水头),流体静力学方程为常数上式说明1、在重力场中静止液体的压强与深度成线性分布,即2、同一水平面(水深相同)上的压强相等,即为等压面。因此,水箱液面和测点1、2处的压强(绝对压强)分别为 与以上各式相对应的相对压力(相对压强)分别为 式中 大气压力, 液体的重度, 液面压力水头, 液面位置水头, 、 1、2处测压管水头, 、 1、2处位置水头, 、 1、2处压力水头, 3、静水中各点测压管水头均相等,即或 或 即测压管1、2的液位在同一平面上。4 、调压筒和测管1、2相连构成连通器,在其中注入重度为的液体,可以测量液体的重度。图2为关闭球阀2,通过调节调压桶,使的情况。根据联通器原理,得即 式中 调压桶中液体的重度,、 Y型管中两液面位置高度 , 根据上式可知,已知某种液体(如水)的重度,可以通过本实验确定另一种液体的重度。三、实验装置 下图为我们华北科技学院机电系自主研制的FSP型流体静压实验仪,整套设备由四部分组成,从左到右分别是:调压桶装置,测压管组,实验密闭主水箱,水箱上液面增减压强调节装置。图3 FSP型流体静压实验仪实物图四、实验步骤1、关闭球阀1和球阀2,并检查密封效果。其方法是,移动调压筒至某一高程位置,这时各管的液面也随之移动。如果密封效果良好,各管液面的升降的速度越来越慢,并最终停止在某一高程位置,不再变化。如果密封效果不好,各管的液面总是不停升降,直至各管液面与调压筒以及水箱的液面平齐。这就说明水箱漏气。 2、记录测点高度和,打开球阀1和球阀2,读出液面初始位置高度0 , 并作相应记录。2、关闭球阀1,使主水箱密闭,调节增减压气筒,使水箱液面压力升高,此时,读出、, 并记入表内。再继续给水箱加压两次,记下各测压管位置高度。3、调节增减压气筒,使水箱液面压力降低,并获得的状态。同样读取三组数据记入表内。4、关闭球阀2,调节左侧的调压桶高度,改变测压管上压强, 分别在和两种情况下,读出、, 自绘表格并记入表内。五、实验数据记录( )cm, =( )cm, =( )cm。静水压强实验数据记录表1测管液面高程读数记录工况测次123456123123六、实验结果分析1、完成数据处理表2。2、根据实验结果,验证静力学基本方程的正确性。3、求出待测液体的重度。静水压强实验结果处理表2工况测次(N/cm2)(N/cm2)(N/cm2)(cm)(cm)(N/cm3)123123七、实验思考题1、重力作用下的静止液体压强分布的基本规律是什么?从实验结果举例说明。 2、如何利用测压管量测静止液体中任意一点的压强(包括液面压强)? 3、相对压强与绝对压强、相对压强与真空是什么关系? 4、试分析产生量测误差的原因,并指出在实验中应该采取哪些措施尽可能减小误差。八、实验注意事项1. 升降调压筒时,应轻拉轻放。 2. 在读取测管读数时,一定要等液面稳定后再读,并注意使视线与液面最低点处于同一水平面上。 3. 读数时,注意测管标号和记录表中要对应实验二 沿程水头损失量测实验一、实验目的1. 学会测定管道沿程水头损失系数的方法。 2. 分析圆管恒定流动的水头损失规律,验证在各种情况下沿程水头损失与平均流速的变化规律。二、实验原理对于通过直径不变的圆管的恒定水流,沿程水头损失为: 即上下游量测断面的测压计读数差。沿程水头损失也常表达为: 称为沿程水头损失系数, 为上下游量测断面之间的管段长度,为管道直径,为断面平均流速。若在实验中测得 和断面平均流速,则可直接得到沿程水头损失系数: 其中为水的运动粘滞系数,不同流动型态及流区的水流,其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次方成正比。 沿程水头损失系数是相对粗糙度与雷诺数的函数,为管壁当量粗糙,圆管层流流动 光滑圆管紊流流动可取可见在层流流动和紊流光滑区,沿程水头损失系数只取决于雷诺数。粗糙圆管紊流流动, 沿程水头损失系数完全由粗糙度决定,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,所以紊流粗糙区通常也叫做“阻力平方区”。在紊流光滑区和紊流粗糙区之间存在过渡区,此时沿程水头损失系数与雷诺数和粗糙度都有关。 三、实验设备四、实验步骤1. 预习实验指示书,认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。 2. 查阅用测压管量测压强和用体积法量测流量的原理和步骤。 3. 开启上下游阀门排气,检查下游阀门全关时,各个测压管水面是否处于同一水平面上。如不平,则需排气调平。 4. 核对设备编号,记录所用设备的断面管径、量测段长度。 5. 开启下游阀门,流量应先放到最大,待水流恒定后,观察测管水头的变化。量测流量及相应的水头损失,登录到数据表格上。 6. 减小阀门开度,重复上述步骤,并按序登录数据。流量的调整逐步由大到小,每改变一次流量需要等待12分钟,待水流恒定后再进行量测。水流的紊动使比压计的水面有波动,应记录水面的时均值。 7. 检查数据记录表是否有缺漏?是否有某组数据明显地不合理?若有此情况,进行补正。为了提高实验精度,便于分析整理,实验点尽可能多一些。要求改变流量不少于12次。8. 在实验开始和结束时分别量测水温,加以平均作为实验水温。 五、实验数据记录仪器编号: 实验管道的基本参数如下:有机玻璃; 内径:;实验段长度:;绝对粗糙度:量水箱底面积:(36.5*23.5);(36.5*4.5)水温: ;运动粘滞系数: 测次测压计读数 体积法 计算 (cm)(cm)(cm)体积V(cm3)时间T(s)流量Q(m3/s)流速(m/s)雷诺数Re123456789101112六、实验结果分析 将实测的数据整理计算,在坐标纸上,以为纵坐标,点绘所测的关系曲线,并分析不同的区间随的变化规律,与已知一般规律进行比较。 七、实验注意事项1.实验时一定要待水流恒定后,才能量测数据。 2. 两个以上同学参加量测实验,读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。 3. 注意爱护秒表等仪器设备。 4. 实验结束后,将上游阀门关闭。实验三 局部水头损失量测实验一、 实验目的1 观察突扩管旋涡区测管水头线,以及其它各种边界突变情况下的测管水头变化情况,加深对局部水头损失的感性认识。 2 掌握测定管道局部水头损失系数的方法,并将突扩管的实测值与理论值比较,将突缩管的实测值与经验值比较。 3 学习用测压管测量压强和用体积法测流量的实验技能。二、 实验原理有压管道恒定流遇到管道边界的局部突变 流动分离形成剪切层 剪切层流动不稳定,引起流动结构的重新调整,并产生旋涡 平均流动能量转化成脉动能量,造成不可逆的能量耗散(图1)。与沿程因摩擦造成的分布损失不同,这部分损失可以看成是集中损失在管道边界的突变处,每单位重量流体承担的这部分能量损失称为局部水头损失。图1 流道的局部突变示意图根据能量方程,局部水头损失 ,这里我们认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1,2-2两断面之间,不再考虑沿程损失。 上游断面1-1应取在由于边界的突变,水流结构开始发生变化的渐变流段中,下游2-2断面则取在水流结构调整刚好结束,重新形成渐变流段的地方。总之,两断面应尽可能接近,又要保证局部水头损失全部产生在两断面之间。经过测量两断面的
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