流体力学三个实验34274.docx
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流体力学三个实验34274
流体力学
实验指导书与报告
静力学实验
流体伯诺里方程实验
雷诺实验
中国矿业大学能源与动力实验中心
学生实验守则
一、学生进入实验室必须遵守实验室规章制度,遵守课堂纪律,衣着整洁,保持安静,不得迟到早退,严禁喧哗、吸烟、吃零食和随地吐痰。
如有违犯,指导教师有权停止基实验。
二、实验课前,要认真阅读教材,作好实验预习,根据不同科目要求写出预习报告,明确实验目的、要求和注意事项。
三、实验课上必须专心听讲,服从指导教师的安排和指导,遵守操作规程,认真操作,正确读数,不得草率敷衍,拼凑数据。
四、预习报告和实验报告必须独自完成,不得互相抄袭。
五、因故缺课的学生,可向指导教师申请一次补做机会,不补做的,该试验以零分计算,作为总成绩的一部分,累计三次者,该课实验以不及格论处,不能参加该门课程的考试。
六、在使用大型精密仪器设备前,必须接受技术培训,经考核合格后方可使用,使用中要严格遵守操作规程,并详细填写使用记录。
七、爱护仪器设备,不准动用与本实验无关的仪器设备。
要节约水、电、试剂药品、元器件、材料等。
如发生仪器、设备损坏要及时向指导教师报告,属责任事故的,应按有关文件规定赔偿。
八、注意实验安全,遵守安全规定,防止人身和仪器设备事故发生。
一旦发生事故,要立即向指导教师报告,采取正确的应急措施,防止事故扩大,保护人身安全和财产安全。
重大事故要同时保护好现场,迅速向有关部门报告,事故后尽快写出书面报告交上级有关部门,不得隐瞒事实真相。
九、试验完毕要做好整理工作,将试剂、药品、工具、材料及公用仪器等放回原处。
洗刷器皿,清扫试验场地,切断电源、气源、水源,经指导教师检查合格后方可离开。
十、各类实验室可根据自身特点,制定出切实可行的实验守则,报经系(院)主管领导同意后执行,并送实验室管理科备案。
1984年5月制定
2014年4月再修订
中国矿业大学能源与动力实验中心
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力的技能;
2.验证不可压缩流体静力学基本方程;
3.通过诸多流体静力学现象的实验分析和研讨,进一步提高解决流体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1.1流体静力学实验装置图
1.测压管2.带标尺测压管3.连通管4.通气阀5.加压打气球6.真空测压管
7.U型测压管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
或
(1.1)
式中:
——被测点在基准面的相对位置高度;
——被测点的静水压力,用相对压力表示,以下同;
——水箱中液面的表面压力;
——液体容重;
——被测点的液体深度。
另对装有水油(图1.2及图1.3)的U型测管,应用等压面可得油的比重
有下列关系:
*(1.2)
图1.2图1.3
据此可用仪器(不用另外尺)直接测得
。
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5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、7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№及各常数(记入表1.1)。
3.量测点静压力(各点压力用厘米水柱高表示)。
1)打开通气阀4(此时
),记录水箱液面的标高▽0和测管2液面标高▽H(此时▽0=▽H);
2)关闭通气阀4及截止阀8,加压使之形成
,测记▽0及▽H;
3)打开放水阀11,使密闭箱体内形成
(要求其中一次
,即
),测记▽0及▽H。
4.测出真空测压管6插入小水杯中的深度。
5.测定油比重S0。
1)开启通气阀4,测记▽0;
2)关闭通气阀4,打气加压(
),微调放气螺母使U型管中水面与油水交界面齐平(图1.2),测记▽0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(
),使U型管中的水面与油面齐平(图1.3),测记▽0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。
实验装置台号№
各测点的标尺读数为:
▽B=cm,▽C=cm,▽D=cm,
N/cm3。
2.分别求出各次测量时,A、B、C、D点压力,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。
4.测出真空测压管6插入小水杯中的深度。
表1.1流体静压强测量记录及计算表单位:
cm
实验条件
次序
水箱液面
▽0
测压管液面
▽H
压强水头
测压管水头
1
1
2
3
(其中一次
)
1
2
3
注:
表中基准面选在,zC=cm,zDcm
表1.2油溶重测量记录及计算表单位:
cm
条件
次序
水箱液面
标尺读数
▽0
测压管2液面标尺读数▽H
h1
h2
且U型管中水面与油水交界面齐平
1
2
3
且U型管中水面与油面齐平
1
2
3
六、实验分析与讨论
1.同一静止液体内的测压管水头线是根什么线?
2.当
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
。
4.如测压管太细,对测压管液面的读数将有何影响?
5.过C点作一水平面,相对测压管1、2、7及水箱中液体而言,这个水平面是不是等压面?
哪一部分是同一等压面?
6.用图1.1装置能演示变液位下的定常流实验吗?
7.该仪器在加气增压后,水箱液面将下降
而测压管液面将升高H,实验时,若以
时的水箱液面作为测量基准,试分析加气增压后,实验压力(H+δ)与视在压力H的相对误差值。
本仪器测压管内径为0.8cm,箱体内径为20cm。
伯诺里方程实验
一、实验目的要求
1.验证流体定常总流的能量方程;
2.通过对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水力学的能量转换特性;
3.掌握流速、流量、压力等水力学水力要素的实验量测技能。
二、实验装置
本实验的装置如图2.1所示。
图2.1自循环伯诺里方程实验装置图
1.自循环供水箱;2.实验台;3.可控硅无级调速器;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:
仪器的测压管有两种:
1.毕托管测压管(表2.1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
与断面总水头
不同(因一般
),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2.1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)或重量时间法(电子称另备)测量(以下实验类同)。
三、实验原理
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=2,3,……,n)
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v及
,从而即可得到各断面测压管水头和总水头。
四、实验方法与步骤
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.打开调速开关3,将水箱充水,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、压力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?
为什么?
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。
五、实验成果及要求
1.把有关常数记入表2.1实验装置台号№
水箱液面高程▽0cm,上管道轴线高程▽Zcm。
D1=cm,D2=cm,D3=cm。
表2.1有关常数记录表
测点编号
1*
2
3
4
5
6*
7
8*
9
10
11
12*
13
14*
15
16*
17
18*
19
管径cm
两点间距cm
4
4
6
6
4
13.5
6
10
29
16
16
注:
(1)测点6、7所在断面内径为D2,测点16、17为D3,余均为D1。
(2)标“*”者为毕托管测点(测点编号见图2.2)。
(3)测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点,10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。
2.量测
并记入表2.2。
表2.2测记
数值表(基准面选在标尺的零点上)单位:
cm
测点
编号
2
3
4
5
6*
7
8*
9
10
11
12*
13
14*
15
16*
17
18*
19
t
s
V
cm3
Q
cm3/s
实验次序
1
2
3
3.计算流速水头和总水头。
4.绘制上述测试结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绘在图2.2上)。
提示:
1.P-P依表2.2数据绘制,其中测点10\11数据不用;
2.E-E线依表2.3
(2)数据绘制,其中测点10、11数据不用;
3.在等值径管段E-E与P-P线平行。
图2.2(水头线)测试结果
表2.3计算数值表
(1)流速水头
管径d
(cm)
Q=(cm3/s)
Q=(cm3/s)
Q=(cm3/s)
A
(cm2)
v
(cm/s)
(cm)
A
(cm2)
v
(cm/s)
(cm)
A
(cm2)
v
(cm/s)
(cm)
(2)总水头
单位:
cm
测点编号
2
3
4
5
7
9
13
15
17
19
Q
(cm3/s)
实
测
次
序
1
2
3
六、成果分析及讨论
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?
4.试问避免喉管(测点7)处形成真空有哪些技术措施?
分析改变作用水头(如抬高或降低水箱的水位)对喉管压力的影响情况。
5.毕托管所显示的总水头与实测绘制的总水头线一般都略有差异,试分析其原因。
雷诺实验
一、实验目的要求
1.观察层流、紊流的流态及其转换特征;
2.测定临界雷诺数,掌握园管流态判别准则;
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,并了解其实际意义。
二、实验装置
本实验的装置如图3.1所示。
图3.1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始终保持轻微溢流的程度,以提高进口前水体稳定度。
本恒定水箱还设有多道稳水隔板,可使稳水时间缩短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。
三、实验原理
;
四、实验方法与步骤
1.测记本实验的有关常数。
2.观察两种流态。
打开调速器3的开关使水箱充水至溢流水位,经稳定后,微微开启调节阀9,使颜色水流入实验管内并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刚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,用体积法测定流量;
(3)根据所测流量计算下临界雷诺数,并与公认值(2000)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.在关小阀门过程中,只许逐渐关小,不许开大;
c.随出水流量减小,应适当调小调速器3的开关(右旋)使供水量减少,以减轻由溢流量引发的扰动。
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,当色水刚开始散开时,即为上临界状态,测定上临界雷诺数1~2次。
五、实验成果及要求
1.记录、计算有关常数:
实验装置台号№
管径d=cm,水温t=℃计算常数K=s/cm3
运动粘度
cm2/s
2.整理、记录计算表
表3.1记录计算表
实验
次序
颜色水线
形态
水体积
V(cm3)
时间
T(s)
流量
Q(cm3/s)
雷诺数
Re
阀门开度增
(↑)或减(↓)
备注
1
2
3
4
5
实测下临界雷诺(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。
六、实验分析与讨论
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
与公认值偏离多少?
原因何在?
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.为什么在测定Rec调小流量过程中,不许有反调?
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?
沿程阻力实验
一、实验目的要求
1.加深了解园管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律;
2.掌握管道沿程阻力系数的量测技术和应用气—水压差计及水—水银多管压差计测量压差的方法;
3.将测得的Re~λ关系值与莫迪图对比,分析其合理性,进一步提高实验成果的整理和分析能力。
二、实验装置
本实验的装置如图4.1所示。
图4.1自循环沿程阻力实验装置图
1.高压恒定自动供水器;2.实验台;3.回水管;4.供水管与供水阀;5.旁通管与旁通阀;
6.测压计;7.水压差计;8.水银压差计;9.滑动测量尺;10.实验管道;
11.水封器;12.测压点;13.实验流量调节阀。
根据压差测法不同,有两种型式:
型式Ⅰ压差计测压差。
低压差用水压差计量测;高压差用水银多管式压差计量测。
装置简图如图4.1所示。
型式Ⅱ电子量测仪测压差。
低压差用水压差计量测;而高压差用电子量测仪(简称电测仪)量测。
与型式Ⅰ比较,该型唯一不同在于水银多管式压差计被电测仪(图4.2)所取代。
本实验装置配备有:
1.自动供水泵与稳压器
自循环高压恒定全自动供水器3由离心泵、自动压力开关、气—水压力罐式稳压器等组成。
压力超高时能自动停机,过低时能自动开机。
为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影响,离心泵的输水是先进入稳压器的压力罐,经稳压后再送向实验管道。
图4.2电测仪
1.压力传感器;2.排气旋钮;3.连通器;4.主机
2.旁通管与旁通阀
由于本实验装置所采用水泵的特性,在供小流量时有可能时开时停,从而造成供水压力的较大波动。
为了避免这种情况出现,供水器设有与蓄水箱直通的旁通管(图中未标出),通过分流可使水泵持续稳定运行。
旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门,即旁通阀,实验流量随旁通阀开度减小(分流量减小)而增大。
实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要阀门之一。
3.水封器
为了简化排气,并防止实验中再进气和误操作引起的水银外溢。
在水银压差计的连通管上装有水封器,水封器由2只充水(不满顶)的密封立筒构成(图4.1)。
4.电测仪
由压力传感器和主机两部分组成。
经由连通管将其接入测点(图4.2)。
压差读数(以米水柱为单位)通过主机显示。
三、实验原理
由达西公式
得
(4.1)
另由能量方程对水平等直径园管可得
(4.2)
压差可用压差计或电测仪。
以于多管式水银压差有下列关系:
*
(4.3)
式中,
、
分别为水银和水的容生:
为汞柱总差。
四、实验方法与步骤
准备Ⅰ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、水位是否够高及旁道阀5是否全部打开。
否则予以补水并关闭阀门:
记录有关常数:
工作管内径d和实验管长L(标志于蓄水箱)。
准备Ⅱ启动水泵,本供水装置采用的是自动水泵,接通电源,全开阀5,打开供水阀4,水泵自动开启供水。
如关闭阀5和供水阀4,则水泵无法正常运转,且会对电机造成损坏。
准备Ⅲ调试量测系统。
(1)通水、排气对各有关量测仪及其连通管按下列程序充水排气;
实验管道将旁通阀5,供水阀4和出水阀13全开,将气体排出后,关闭出水阀13。
水压差计关闭阀13,全开阀5,松开(水压计连通管)止水夹,开启阀4,旋开倒U型管旋钮F1(图4.1)(待测管升至一定高度,再按下列步骤适当降低。
以保证有足够的量程),全关阀4,(待倒U型管水位降至测尺值22cm左右)拧紧F1。
压力传感器关闭阀13,开启阀4,打开排气旋钮F2(图4.2),待旋孔溢水再拧紧。
(2)校核关闭阀13,全开阀4和阀5,检查水压差计两测管中水位平否?
否则近上述步骤重新排气。
实验量测
(1)调节流量实验可按流量由小到大依次进行:
微开阀13(阀5已全开),使流量逐次增大,其增量,在流量较小时,用水压差计水柱关△h控制,每次增量可取△h=4~6mm。
初次小些。
按些增量作5个点,第6个点使水压差计达到最大压差。
大流量通过渐关旁通阀,调大压差,量测改用电测仪,流量增量改用电测仪计数控制。
电测仪读数为△hm, 第一次读数(即第7个点)为200cm左右,每次增加200cm,做到第9个点,第10个点也就是最后一个点,使旁通阀5全关,电测仪达到最大读数。
(1)注意:
①当换用电测仪时,务必夹紧水压差计连通管;
②流量每调一次,均需稳定2~3分钟,流量愈大,稳定时间愈长;
③每次测流时段不小于8~10秒(流量大可短些);
④要求变更流量不少于10次。
(2)依次测定压差计测管(或电测仪)读数、相应流量和温度(温度表应挂在水箱中)。
(3)结束工作
①关闭阀13,检查△h=0及△hm=0与否。
否则表明压差计已进气,需重做实验;
②关闭阀4,切断电源。
五、实验成果及要求
1.有关常数。
实验装置台号№
圆管直径d=cm。
量测段长度L=85cm。
2.记录及计算(见表4.1)。
3.绘图分析*绘制lgv~lghf曲线,并确定指数关系值m的大小。
在厘米纸上以lgv为横坐标,以lghf为纵坐标,点绘所测的lgc~lghf关系曲线,根据具体情况连成一段或几段直线。
求厘米纸上直线的斜率
将从图上求得的m值与已知各流区的m值(即层流区m=1,光滑管流区m=1.75,粗糙管紊流区m=2.0,紊流过渡区1.75 表4.1记录及计算表常数 cm5/s2 次序 体积 (cm3) 时间 s 流量 Q (cm3/s) 流速 v (cm/s) 水温 ℃ 粘度 ν (cm2/s) 雷诺数 Re 比压计读数 沿程损失 hf cm 沿程损失 系数λ Re<2320 h1 h2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 六、实验分析与讨论 1.为什么压差计的水柱差就是沿程阻力损失? 如实验管道安装成倾斜,是否影响实验成
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