《工程流体力学》实验指导书剖析.docx

《工程流体力学》实验指导书剖析.docx

《《工程流体力学》实验指导书剖析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《工程流体力学》实验指导书剖析.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

《工程流体力学》实验指导书剖析

《工程流体力学》实验指导书

适用专业：

机械电子工程

上海电机学院

2014年9月

目录

实验一雷诺实验1

实验二局部水头损失实验5

实验三沿程水头损失实验10

实验一雷诺实验

一、实验目的和要求

1.观察层流、湍流的流态及其转换过程；

2.测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；

3.学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，确定非圆管流的流态判别准数。

二、实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

图1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

10.稳压筒11.传感器12.智能化数显流量仪

2.装置说明与操作方法

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。

实验流量由调节阀9调节。

流量由智能化数显流量仪测量，使用时须先排气调零，所显示为一级精度瞬时流量值。

水温由数显温度计测量显示。

三、实验原理

1883年,雷诺（OsborneReynolds）采用类似于图1所示的实验装置，观察到液流中存在着层流和湍流两种流态：

流速较小时，水流有条不紊地呈层状有序的直线运动，流层间没有质点混掺，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点作杂乱无章的无序的直线运动，流层间质点混掺，这种流态称为湍流。

雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速

，

与流体的粘性、园管的直径d有关。

若要判别流态，就要确定各种情况下的

值，需要对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研究，工作量巨大。

雷诺实验的贡献不仅在于发现了两种流态，还在于运用量纲分析的原理，得出了量纲为一的判据——雷诺数Re，使问题得以简化。

量纲分析如下：

因

根据量纲分析法有

其中kc是量纲为一的数。

写成量纲关系为

由量纲和谐原理，得1=1，2=-1。

即

或

雷诺实验完成了管流的流态从湍流过度到层流时的临界值kc值的测定，以及是否为常数的验证，结果表明kc值为常数。

于是，量纲为一的数

便成了适合于任何管径，任何牛顿流体的流态由湍流转变为层流的判据。

由于雷诺的贡献，

定名为雷诺数Re。

于是有

式中：

v为流体流速；为流体运动粘度；d为圆管直径；

为圆管内过流流量；K为计算常数，

。

当流量由大逐渐变小，流态从湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数Rec，当流量由零逐渐增大，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数

。

上临界雷数受外界干扰，数值不稳定，而下临雷诺数Rec值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。

雷诺经反复测试，得出圆管流动的下临界雷诺数Rec值为2300。

工程上，一般取Rec=2000。

当Re

对于非圆管流动，雷诺数可以表示为

式中

；R为过流断面的水力半径；A为过流断面面积；为湿周（过流断面上液体与固体边界接触的长度）。

以水力半径作为特征长度表示的雷诺数也称为广义雷诺数。

四、实验内容与方法

1．定性观察两种流态。

启动水泵供水，使水箱溢流，经稳定后，微开流量调节阀，打开颜色水管道的阀门，注入颜色水，可以看到圆管中颜色水随水流流动形成一直线状，这时的流态即为层流。

进一步开大流量调节阀，流量增大到一定程度时，可见管中颜色水发生混掺，直至消色。

表明流体质点已经发生无序的杂乱运动，这时的流态即为湍流。

2．测定下临界雷诺数

先调节管中流态呈湍流状，再逐步关小调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水开始形成一直线时，表明由湍流刚好转为层流，此时管流即为下临界流动状态。

测定流量，记录数显温度计所显示的水温值，即可得出下临界雷诺数。

注意，接近下临界流动状态时，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可关小、不可开大。

3．测定上临界雷诺数

先调节管中流态呈层流状，再逐步开大调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水开始散开混掺时，表明由层流刚好转为湍流，此时管流即为上临界流动状态。

记录智能化数显流量仪的流量值和水温，即可得出上临界雷诺数。

注意，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可开大、不可关小。

五、数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称：

实验台号：

_________

实验者：

______________________实验日期：

_________

管径d=_____×10-2m，水温t=______oC

运动粘度

（m2/s）=×10-4m2/s

计算常数K=×106s/m3

2．实验数据记录及计算结果

表1雷诺实验记录计算表

实验次序

颜色水线形状

流量

（10-6m3/s）

雷诺数

Re

阀门开度增（）或

减（）

备注

1

2

3

4

5

6

7

实测下临界雷诺数（平均值）

=

3．成果要求

（1）测定下临界雷诺数（测量2~4次，取平均值）；见表.1

（2）测定上临界雷诺数（测量1~2次，分别记录）；见表1

（3）确定广义雷诺数表达式及其圆管流的广义下临界雷诺数实测数值。

六、分析思考题

1．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湍流的判据？

七、注意事项

1．为使实验过程中始终保持恒压水箱内水流处于微溢流状态，应在调节流量调节阀后，相应调节可控硅调速器，改变水泵的供水流量。

2．实验中不要推、压实验台，以防水体受到扰动。

实验二局部水头损失实验

一、实验目的和要求

学习掌握三点法、四点法测量局部阻力因数的技能，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；

二、实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

图1局部水头损失实验装置简图

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.溢流板

6.稳水孔板7.圆管突然扩大8.气阀9.测压计10.测压管①~⑥11.滑动测量尺

12.圆管突然收缩13.实验流量调节阀14.回流接水斗15.下回水管

16.稳压筒17.传感器18.智能化数显流量仪

2．装置说明

（1）实验管道由圆管突扩、突缩等管段组成，各管段直径已知。

在实验管道上共设有六个测压点，测点①－③和③－⑥分别用以测量突扩和突缩的局部阻力因数。

其中测点①位于突扩的起始界面处，这里引用公认的实验结论“在突扩的环状面积上的动水压强近似按静水压强规律分布”，认为该测点可用以测量小管出口端中心处压强值。

气阀8用于实验开始时排除管中滞留气体。

（2）流量测量——智能化数显流量仪

智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒、高精密传感器和智能化数显流量仪（含数字面板表及A/D转换器）。

该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。

流量仪需先排气调零，流量仪所显示的数值为瞬时流量值。

3．基本操作方法

（1）排气。

启动水泵待恒压水箱溢流后，关闭实验流量调节阀13，打开阀8排除管中滞留气体。

排气后关闭阀8，并检查测压管各管的液面是否齐平，若不平，重复排气操作，直至齐平，智能化数显流量仪调零。

（2）测压管水头用测压计测量，基准面可选择在滑动测量尺零点上。

（3）流量测量。

实验流量用阀13调节，记录智能化数显流量仪的流量值。

三、实验原理

流体在流动的局部区域，如流体流经管道的突扩、突缩和闸门等处（图2），由于固体边界的急剧改变而引起速度分布的变化，甚至使主流脱离边界，形成旋涡区，从而产生的阻力称为局部阻力。

由于局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。

局部水头损失是在一段流程上，甚至相当长的一段流程上完成的，如图2，断面1至断面2，这段流程上的总水头损失包含了局部水头损失和沿程水头损失。

若用hi（i=1,2…）表示第i断面的测压管水头，即有

图2局部水头损失

或

局部阻力因数为

（1）圆管突然扩大段。

本实验仪采用三点法测量。

三点法是在突然扩大管段上布设三个测点，如图1测点①、②、③所示。

流段①至②为突然扩大局部水头损失发生段，流段②至③为均匀流流段，本实验仪测点①、②间距为测点②、③的一半，hf1-2按流程长度比例换算得出。

则hf1-2＝hf2-3/2=h2-3/2=（h2-h3）/2

式中hi为测压管水头值，当基准面选择在标尺零点时即为第i断面测压管液位的标尺读值；

分别表示式中的前、后括号项。

因此只要实验测得三个测压点的测压管水头值h1、h2、h3及流量等即可得突然扩大段局部阻力水头损失。

若圆管突然扩大段的局部阻力因数用上游流速v1表示，为

对应上游流速v1的圆管突然扩大段理论公式为

（2）圆管突然缩小段。

本实验仪采用四点法测量。

四点法是在突然缩小管段上布设四个测点，如图1测点③、④、⑤、⑥所示。

图中B点为突缩断面处。

流段④至⑤为突然缩小局部水头损失发生段，流段③至④、⑤至⑥都为均匀流流段。

流段④至B间的沿程水头损失按流程长度比例由测点③、④测得，流段B至⑤的沿程水头损失按流程长度比例由测点⑤、⑥测得。

本实验仪l3-4=2l4-B，lB-5＝l5-6，有hf4-B＝hf3-4/2=h3-4/2，hfB-5＝hf5-6=h5-6。

则hf4-5＝h3-4/2+h5-6=（h3-h4）/2+h5-h6

因此只要实验测得四个测压点的测压管水头值h3、h4、h5、h6及流量等即可得突然缩小段局部阻力水头损失。

若圆管突然缩小段的局部阻力因数用下游流速v5表示，为

对应下游流速v5的圆管突然缩小段经验公式为

（3）测量局部阻力因数的二点法。

在局部阻碍处的前后顺直流段上分别设置一个测点，在某一流量下测定两点间的水头损失，然后将等长度的直管段替换局部阻碍段，再在同一流量下测定两点间的水头损失，由两水头损失之差即可得局部阻碍段的局部水头损失。

四、实验内容与方法

测量突然扩大局部水头损失与突然缩小局部水头损失，并测定相应的局部水头损失因数。

参照实验基本操作方法，在恒定流条件下改变流量2~3次，其中一次为最大流量，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量。

实验数据处理与分析参考第五部分。

五、数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称：

实验台号：

_________

实验者：

______________________实验日期：

_________

实验管段直径：

d1=D1=____10-2md2=d3=d4=D2=____10-2m

d5=d6=D3=___10-2m

实验管段长度：

l1-2=10-2ml2-3=10-2ml3-4=10-2m

l4-B=10-2mlB-5=10-2ml5-6=10-2m

2.实验数据记录及计算结果

表1局部水头损失实验记录表

次数

流量

/（10-6m3/s）

测压管读数/10-2m

h1

h2

h3

h4

h5

h6

1

2

3

表2局部水头损失实验计算表

次数

阻力形式

流量

/（10-6m3/s）

前断面

后断面

hj

/10-2m

理论值

经验值

/10-2m

E1

/10-2m

/10-2m

E2

/10-2m

1

突然扩大

2

3

1

突然缩小

2

3

注：

对应于突扩段的v1或突缩段的v5。

3．成果要求

（1）测定突扩断面局部水头损失因数ζ值并与理论值比较。

见表1

（2）测定突缩断面局部水头损失因数ζ值并与经验值比较。

见表1

六、分析思考题

1．管径粗细相同、流量相同条件下，试问d1/d2（d1

2．分析局部阻力损失机理。

产生突扩与突缩局部水头损失的主要部位在哪里？

怎样减小局部水头损失？

3．局部阻力类型众多，局部阻力因数的计算公式除突然扩大是由理论推导得出之外，其它都是由实验得出的经验公式。

试问，获得经验公式有那些途径？

七、注意事项

1．恒压水箱内水位要求始终保持在溢流状态，确保水头恒定。

2.测压管后设有平面镜，测记各测压管水头值时，要求视线与测压管液面及镜子中影像液面齐平，读数精确到0.5mm。

实验三沿程水头损失实验

一、实验目的和要求

1．学会测定管道沿程水头损失因数和管壁粗糙度的方法；

2．分析圆管恒定流动的水头损失规律、随雷诺数Re变化的规律，验证沿程水头损失hf与平均流速v的关系。

二、实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

图1沿程水头损头实验装置图

1.自循环高压恒定全自动供水器2.实验台3.回水管4.压差计

5.滑动测量尺6.稳压筒17.实验管道8.压差数显仪9.压差传感器

10.测压点11.实验流量调节阀12.供水管及供水阀13.旁通管及旁通阀

14.稳压筒15.流量传感器16.智能流量数显仪

2．装置说明

（1）水泵与稳压器。

自循环高压恒定全自动供水器1由水泵、压力自动限制开关、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，水泵的供水是先进入稳压器的压力罐，经稳压后再送向实验管道。

（2）旁通管与旁通阀。

由于供水泵设有压力自动限制开关，在供小流量时因压力过高，水泵可能出现断续关闭的现象，为此设有旁通管与旁通阀13，在小流量实验时，通过旁通管分流可使水泵持续稳定运行。

（3）阀11用于调节层流实验流量；阀12用于检修，实验时始终全开；阀13层流时用于分流（全开），湍流时用于调节实验流量。

（4）实验管道7为不锈钢管，其测压断面上沿十字型方向设有4个测压孔，经过均压环与测点管嘴相连通。

（5）本实验仪配有压差计4（倒U型气-水压差计）和压差仪8，压差计测量范围为0~0.3mH2O；压差电测仪测量范围为0~10mH2O，视值单位为10-2mH2O。

压差计4与压差电测仪8所测得的压差值均可等值转换为两测点的测压管水头差，单位以m表示。

在测压点与压差计之间的连接软管上设有管夹，除湍流实验时管夹关闭外，其他操作时管夹均处于打开状态。

（6）流量测量——智能化数显流量仪

智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒、高精密传感器和智能化数显流量仪（含数字面板表及A/D转换器）。

该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。

流量仪的使用方法参见伯努利方程实验，需先排气调零，流量仪所显示的数值为瞬时流量值。

（7）配有数显温度计。

3．基本操作方法

（1）层流实验

层流实验压差由压差计测量，流量用称重法或量体积法。

1）称重法或量体积法是在某一固定的时段内，计量流过水流的重量或体积，进而得出单位时间内流过的流体量，是依据流量定义的测量方法。

本实验及后述各实验的测流量方法常用称重法或量体积法，用秒表计时，用电子称称重，小流量时，也可用量筒测量流体体积。

为保证测量精度，一般要求计时大于15~20秒。

2）压差计连接管排气与压差计补气。

启动水泵，全开阀11，间歇性开关旁通阀13数次，待水从压差计顶部流过即可。

若测压管内水柱过高须补气，全开阀门11、13，打开压差计4顶部气阀K，自动充气使压差计中的右管液位降至底部（必要时可短暂关闭阀12），立即拧紧气阀K即可。

排气后，全关阀11，测压计压差应为零。

3）实验时始终全开阀13，用阀11调节流量。

层流范围的压差值仅为2~3cm以内，水温越高，差值越小，由于水泵发热，水温持续升高，应先进行层流实验。

用压差计测量，流量调节后须等待几分钟，稳定后再测量。

（2）湍流实验

湍流实验测量时用管夹关闭压差计连通管，压差由数显压差仪测量，流量用智能化数显流量仪测量。

1）调零。

启动水泵，全开阀11，间歇性开关旁通阀13数次，以排除连通管中的气泡。

然后，在关闭阀11的情况下，管道中充满水但流速为零，此时，压差仪和流量仪读值都应为零，若不为零，则可旋转电测仪面板上的调零电位器，使读值为零。

2）流量调节方法：

全开实验流量调节阀11，调节旁通阀13来调节流量。

3）流量用智能化数显流量仪测量。

无论层流还是湍流实验，每次实验均须测记水温。

三、实验原理

1．对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失由达西公式表达为

式中：

为沿程水头损失因数；l为上下游测量断面之间的管段长度；d为管道直径；v为断面平均流速。

若在实验中测得沿程水头损失hf和断面平均流速，则可直接得沿程水头损失因数

其中k=

由伯努利方程可得

沿程水头损失hf即为两测点的测压管水头差h，可用压差计或电测仪测得。

2．圆管层流运动

3．管壁平均当量粗糙度在流动处于湍流过渡区或阻力平方区时测量，可由巴尔公式确定

即

四、实验内容与方法

沿程水头损失因数测量与分析实验

参照实验基本操作方法，分别在层流和湍流两种流态下测量流量、水温、压差各4~6次。

实验数据参考表1处理。

五、数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称：

实验台号：

_________

实验者：

______________________实验日期：

_________

圆管直径d=______10-2m测量段长度l=______10-2m

2．实验数据记录及计算结果（参表1）

3．成果要求

（1）测定沿程水头损失因数值，分析沿程阻力损失因数随雷诺数的变化规律。

并将结果与穆迪图进行比较，分析实验所在区域。

（2）根据实测管道内流量和相应沿程损失值，绘制lgv～lghf关系曲线，并确定其斜率m值，

。

将从图上求得的m值与已知各流区的m值进行比较验证。

六、分析思考题

1．为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？

实验管道倾斜安装是否影响实验成果?

2．为什么管壁平均当量粗糙度不能在流动处于光滑区时测量？

七、注意事项

1．实验装置长期静置不用后再启动时，需在切断电源后，先用螺丝刀顶住电动机轴端，将电机轴转动几圈后方可通电启动。

2．实验时，去掉水泵罩壳，以防泵体过热。