工程流体力学实验学生指导书Word文件下载.docx
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3、显示30°
弯头、直角圆弧弯头、直角弯头、45°
弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。
4、显示30°
弯头、分流、合流、45°
弯头,YF一溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。
其中YF一溢流阀固定,为全开状态,蝶阀活动可调。
5、显示明渠逐渐扩散,单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。
6、显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正反流线体绕流等流段上的流动图谱。
7、显示“双稳放大射流阀”流动原理。
二、实验原理
1、在逐渐扩散段可看到由边界层分离而形成的旋涡,且靠近上游喉颈处,流速越大,涡旋尺度越小,紊动强度越高;
而在逐渐收缩段,无分离,流线均匀收缩,亦无旋涡,由此可知,逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。
在突然扩大段出现较大的旋涡区,而突然收缩只在死角处和收缩断面的进口附近出现较小的旋涡区。
表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失(缩扩的直径比大于O.7时例外),而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。
由于本仪器突缩段较短,故其流谱亦可视为直角进口管咀的流动图像。
在管咀进口附近,流线明显收缩,并有旋涡产生,致使有效过流断面减小,流速增大。
从而在收缩断面出现真空。
在直角弯道和壁面冲击段,也有多处旋涡区出现。
尤其在弯道流中,流线弯曲更剧,越靠近弯道内侧,流速越小。
且近内壁处,出现明显的回流,所形成的回流范围较大,将此与ZL一2型中圆角转弯流动对比,直角弯道旋涡大,回流更加明显。
2、文丘里流量计的过流顺畅,流线顺直,无边界层分离和旋涡产生。
在孔板前,流线逐渐收缩,汇集于孔板的孔口处,只在拐角处有小旋涡出现,孔板后的水流逐渐扩散,并在主流区的周围形成较大的旋涡区。
由此可知,孔板流量计的过流阻力较大;
圆弧进口管嘴流量计入流顺畅,管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产生:
在圆形弯道段,边界层分离的现象及分离点明显可见,与直角弯道比较,流线较顺畅,旋涡发生区域较小。
3、在每一转弯的后面,都因边界层分离而产生旋涡。
转弯角度不同,旋涡大小、形状各异。
在圆弧转弯段,流线较顺畅,该串联管道上,还显示局部水头损失叠加影响的图谱。
在非自由射流段,射流离开喷口后,不断卷吸周围的流体,形成射流的紊动扩散。
在此流段上还可看到射流的“附壁效应”现象。
4、在转弯、分流、合流等过流段上,有不同形态的旋涡出现。
合流涡旋较为典型,明显干扰主流,使主流受阻,这在工程上称之为“水塞”现象。
为避免“水塞”,给排水技术要求合流时用45°
三通连接。
闸阀半开,尾部旋涡区较大,水头损失也大。
蝶阀全开时,过流顺畅,阻力小,半开时,尾涡紊动激烈,表明阻力大且易引起振动。
蝶阀通常检修用,故只允许全开或全关。
5、单圆柱绕流时的边界层分离状况,分离点位置、卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱。
(1)边界层分离将引起较大的能量损失。
(2)卡门涡街圆柱的轴与来流方向垂直,在圆柱的两个对称点上产生边界层分离后,不断交替在两侧产生旋转方向相反的旋涡,并流向下游,形成冯·
卡门(VonKarman)“涡街”。
多圆柱绕流,被广泛用于热工中的传热系统的。
“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等,流体流经圆柱时,边界层内的流体和柱体发生热交换,柱体后的旋涡则起混掺作用,然后流经下一柱体,再交换再混掺。
换热效果较佳。
6、流线形柱体绕流,这是绕流体的最好形式,流动顺畅,形体阻力最小。
又从正、反流线体的对比流动可见,当流线体倒置时,也现出卡门涡街。
因此,为使过流平稳,应采用顺流而放的圆头尖尾形柱体。
7、经喷嘴喷射出的射流(大信号)可附于任一侧面,若先附于左壁,射流经左通道后,向右出口输出;
当旋转仪器表面控制圆盘,使左气道与圆盘气孔相通时(通大气),因射流获得左侧的控制流(小信号),射流便切换至右壁,流体从左出口输出。
这时若再转动控制圆盘,切断气流,射流稳定于原通道不变。
如要使射流再切换回来,只要再转动控制圆盘,使右气道与圆盘气孔相通即可。
三、实验仪器
四、实验步骤
1、起动打开旋钮,关闭掺气阀,在最大流速下便显不回网侧下水道充满水。
2、掺气量调节旋动调节阀5,可改变掺气量(ZL--7型除外)。
注意有滞后性,调节应缓慢,逐次进行,使之达到最佳显示效果。
掺气量不宜太大,否则会阻断水流或产生振动(仪器产生剧烈噪声)。
五、实验现象分析与讨论
1、旋涡的大小和紊动强度与流速有何关系?
2、突扩段比突缩段的局部水头损失大小比较?
3、合流涡旋较为典型,明显干扰主流,使主流受阻,这在工程上称之为‘‘水塞”现象。
为避免“水塞”应采取什么措施?
4、流线形柱体绕流,这是绕流体的最好形式,流动顺畅,形体阻力最小。
又从正、反流线体的对比流动比较,为使过流平稳,应采用哪种流线体?
实验二水击综合实验
1.观察管道水击现象的发生、传播与消失过程,增强对水击现象的感性认识。
2.量测水击引起的压强增量,加深对水击影响的定量认识。
3.了解水击的利用—水击扬水原理。
4.通过调压室水位振荡现象的演示,以及使用调压室前、后水击压强增量的变化情况,了解调压室消减水击压强的作用。
1、水击的产生:
在有压管道中,由于某种原因(如迅速关闭或开启阀门、水泵机突然停电等)使得水流速度发生突然的变化,从而引起管内压强急剧升高和降低的交替变化以及水体、管壁压缩与膨胀的交替变化,并以波的形式在管中往返传播的现象称为水击(或水锤)。
2、水击的危害:
强烈震动、噪声和声穴,有时甚至引起管道的变形、爆裂或阀门的损坏(工程安全问题)。
3、水击的利用——水击扬水原理(可利用水击产生的压强将水提升到高处)。
水击扬水机由图中的l、9、11、12、13、5、4、2等部件组成。
水击发生阀11每关闭一次,在水击室13内就产生一次水击升压,逆止阀12随之被瞬时开启,部分高压水被注入压力室5,当阀4开启时,压力室的水便经出水管2流向高处。
由于阀11的不断运作水击连续多次发生,水流亦一次一次地不断注入压力室,因而便源源不断地把水提升到高处。
这正是水击扬水机工作原理,本仪器扬水高度为37cm,即超过恒压供水箱的液面达1.5倍的作用水头。
水击扬水虽然能使水流从低处流向高处,但它仍然遵循能量守恒规律。
扬水提升的水量仅仅是流过供水管的一部分,另一部分水量通过阀11的阀孔流出了水击室。
正是这后一部分水量把自身具有势能(其值等于供水箱液面到阀11出口处的高差),以动量传输的方式,提供了扬水机扬水。
由于水击的升压可达几十倍的作用水头,因而若提高扬水机的出水管2的高度,水击扬水机的扬程也可相应提高,但出水量会随着高度的增加而减小。
4、水击危害的消除——调压筒(井)工作原理
如上所述,水击有可利用的一面,但更多的是它对工程具有危害性的一面。
例水击有可能使输水管爆裂。
为了消除水击的危害,常在阀门附近设置减压阀或调压筒(井)、气压室等设施。
本仪器设有由阀l0和调压筒6组成水击消减装置。
实验时全关阀4、全开阀10。
然后手动控制阀11的开与闭。
由气压表3可见,此时,水击升压最大值约为120m汞柱,其值仅为阀10关闭时的峰值的l/3。
同时,该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。
当阀11开启时,调压筒中水位低于供水箱水位(以下称库水位),而当阀11突然关闭时,调压筒中的水位很快涌高且超过库水位,并出现和竖立U形水管中水体摆动现象性质相同的振荡,上下波动的幅度逐次衰减,直至静止。
三、仪器简介
1、仪器装置简图
本实验仪由恒压水箱、供水管、调压筒、水击室、压力室、气压表、扬水机出水管、水击发生阀、水泵、可控硅无级调速器及集水箱等组成其装置如下图所示。
1、恒压水箱2、水击扬水机出水管3、气压表4、扬水机截止阀
5、压力室6、调压筒7、水泵8、水泵吸水管
9、供水管10、调压筒截止阀11、水击发生阀12、逆止阀
13、水击室14、集水箱15、底座16、回水管
四、实验步骤:
1、通电试验
放水前插上市电220V电源,顺时针旋转调速器旋钮,水泵启动。
2、启动水击发生阀11
启动阀11,必须先向下推开,并使过水系统中的空气全部排出,然后松手,阀11就会自动地往复上下运动,时开时闭而发生水击。
3、量测水击压强
量测时,应全关阀10和4。
4、水击扬水实验
应全开阀4,全关阀10。
5、调压井实验
应全关阀4,全开阀10。
五、实验数据记录及实验现象记录
1、无调压井时水击压强达到的最大值,有调压井时水击压强达到的最大值,并分别与位置水头比较
2、扬水机演示现象
六、实验结果分析及讨论
1、水击产生的压强值与工作水头值比较有何结论?
2、水击预防措施有哪些?
3、若改变扬水机出水管的高度,水击扬水机扬程是否会提高,且出水管水量有何变化?
4、直接水击和间接水击的区别?
实验三流体静力学实验
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l.1流体静力学买验装置图
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
(1.1)
或
式中z一一被测点在基准面以上的位置高度;
p一一被测点的静水压强,用相对压强表示,以下同;
p0一一水箱中液面的表面压强;
一一液体容重;
h一一被测点的液体深度。
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:
(1.2)
据此可用仪器(不用另外尺)直接测得S0
四、实验方法与步骤
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;
(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▽o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Po>
0,测记▽o及▽H;
(3)打开放水阀11,使之形成P0<
0(要求其中一次
<
0,即▽H<
▽B),测记▽0及▽H。
4、测出4#测压管插人小水杯中的深度。
5、测定油比重S0。
(1)开启通气阀6,测记▽o
(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▽o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▽o及▽H(此过程亦反复进行3次)。
五、实验成果及要求
1、记录有关常数。
各测点的标尺读数为:
▽B=cm,▽C=cm,▽D=cm,γw=N/cm3。
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
是否为常数。
3、求出油的容重。
γ0=N/cm3
4、测出4#测压管插入小水杯中的深度。
△h4=cm
六、实验分析与讨论
1、同一静止液体内的测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、若再备一根直尺,试采用另外最简便的方法测定γo。
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?
实验四雷诺实验
1.观察层流、紊流的流态及其转换特征;
2.测定临界雷诺数,掌握圆管流态判别准则;
3.学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法,并了解其实用意义。
本实验的装置如图2-1所示.
图2-1自循环雷诺实验装置图
1.自循环供水器;
2.实验台;
3.可控硅无级调速器;
4.恒压水箱;
5.有色水水管;
6.稳水孔板;
7.溢流板;
8。
实验管道;
9.实验流量调节阀。
供水流量由无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度,以提高进口前水体稳定度。
本恒压水箱还设有多道稳水隔板,可使稳水时间缩短到3—5分钟。
有色水经有色水水管5注入实验管道8,可据有色水散开与否判别流态。
为防止自循环水污染,有色指示水采用自行消色的专用色水。
1.测记本实验的有关常数。
2.观察两种流态。
打开开关3使水箱充水至溢流水位,经稳定后,微微开启调节阀9,并注入颜色水于实验管内,使颜色水流成一直线。
通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态,然后逐步开大调节阀,通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征,待管中出现完全紊流后,再逐步关小调节阀,观察由紊流转变为层流的水力特征。
3.测定下临界雷诺数。
(1)将调节阀打开,使管中呈完全紊流,再逐步关小调节阀使流量减小。
当流量调节到使颜色水在全管呈现出一稳定直线时,即为下临界状态;
(2)待管中出现临界状态时,用体积法或电测法测定流量;
(3)根据所测流量计算下临界雷诺数,并与公认值(2320)比较,偏离过大,需重测;
(4)重新打开调节阀,使其形成完全紊流,按照上述步骤重复测量不少于三次;
(5)同时用水箱中的温度计测记水温,从而求得水的运动粘度。
注意:
a、每调节阀门一次,均需等待稳定几分钟;
b、关小阀门过程中,只许渐小,不许开大;
c、随出水流量减小,应适当调小开关(右旋),以减小溢流量引发的扰动。
4.测定上临界雷诺数。
逐渐开启调节阀,使管中水流由层流过渡到紊流,当色水线刚开始散开时,即为上临界状态,测定上临界雷诺数l~2次。
五、实验数据记录及处理
1.记录、计算有关常数:
实验装置台号No_______
管径d=水温t=℃
运动黏度
计算常数K=s/cm3
2.整理记录计算表
实验号
颜色水线形态
水体积
时间
T(s)
流量
Q(cm3/s)
雷诺数
Re
阀门开度
增(↑)或减(↓)
备注
实测下临界雷诺数(平均值)
注:
颜色水形态指:
稳定直线,稳定略弯曲.直线摆动,直线抖动,断续,完全散开等。
六、思考题与讨论
1.流态判据为何采用无量纲参数,而不采用临界流速?
2.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?
3.雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320,而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000,原因何在?
4.试结合紊动机理实验的观察,分析由层流过渡到紊流的机理何在?
5.分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异?
实验五不可压缩流体恒定流能量方程
(伯努利方程)实验
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、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。
本实验的装置如图1-1所示。
图1-1自循环伯努利方程实验装置图
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.测压点;
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1-1中标*的测压管),用以测读毕托管探头对准点的总水头
,须注意一般情况下H’与断面总水头
,不同(因一般u≠v),它的水头线只能定性表示总水头变化趋势;
2.普通测压管(表1-1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)或电测法测量(以下实验类同)。
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)至另一断面(i)的能量方程式(i=2,3,……,n)
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值,测出通过管路的流量,即可计算出断面平均流速u及
,从而即可得到各断面测管水头和总水头。
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、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?
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。
1.记录有关常数实验装置台号No._____
表1-1管径记录表表
2.量测
,并记人表1-2。
表1-2
3.计算流速水头和总水头。
(1)流速水头
表1-3
(1)流速水头表
管径d
(cm)
Q=(cm3/s)
A
(cm2)
V
(cm/s)
V2/2g
1.37
1.00
2.00
(2)总水头
表1-3
(2)总水头表
测点编号
2
3
4
5
7
9
13
15
17
19
Q
(cm3/s)
实验次数
1
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线依表1-2资料绘制,其中测点l0、11、13资料不用;
2.E-E线依表1-3
(2)资料绘制,其中测点10、11资料不用;
3.在等直径管段E-E与P—P线平行
图2
六、思考题及讨论
1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同?
2.流量增加,测压管水头线有何变化?
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?
4.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(如抬高或降低水箱的水位)对喉管压强的影响情况。
5.毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异,试分析其原因。
实验六不可压缩流体恒定流动量定律实验
一、实验目的
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;
4.
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