流体力学实验指导书.docx

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流体力学实验指导书

流体力学实验指导书（新版）（总24页）

《水力学》

实验教学指导书及报告

姓名：

班级：

学号：

唐山学院土木工程系

序言

水力学是应用性较强的专业技术基础课。

从学科的发展来看，水力学属于技术基础学科，实验方法和实验技术是促进其发展的重要研究手段。

由于流体运动的复杂性，水力学的研究及应用就更加离不开科学实验，其发展很大程度上取决于实验技术的进步。

因此，水力学实验是巩固和加深理论知识的学习、探求流体运动规律、解决工程实际问题的重要环节，通过实验教学，掌握各种实验方法，规范操作，提高实验技能。

一、实验教学目的：

（1）观察流动现象，增强感性认识，提高实验分析能力。

（2）根据实测资料验证水力学基本理论，以加强和巩筑理论知识的学习。

（3）学会使用基本的测量仪器，掌握测量技术。

（4）培养分析实验数据，整理实验成果和编写实验报告的能力。

（5）培养严谨踏实的科学态度和合作精神，为未来进行研究和实际工作打下基础。

二、实验教学要求：

（1）每次实验前，预习教材中有关内容及实验指导书，了解本次实验的目的、原理、步骤和所要验证的理论。

（2）认真听取指导教师讲解，弄清实验方法和步骤后，方能动手实验。

（3）实验中，应注意观察实验现象，细心读取实验数据，并做相应的记录，原始数据不得任意修改。

（4）实验小组内每位学生亲自动手、相互配合、共同完成实验。

（5）实验态度严肃、方法严密，一丝不苟进行操作。

（6）实验完毕应清理设备及实验室，实验设备摆放整齐。

三、实验报告要求：

（1）实验报告是实验资料的总结、是实验的成果。

通过完成实验报告，可以提高分析问题的能力，要求必须独立完成并按规定时间交给指导教师。

（2）实验报告一般包括以下几项内容：

①班级、姓名、同组人及实验日期。

②实验名称及实验目的。

③实验原理。

④实验装置简图及仪器。

⑤流动现象的描述及实验原始记录。

⑥计算实验结果。

（3）报告要求字体工整，语言通顺，计算结果无误，所绘表格、曲线清楚、连续，书面整洁，无胡乱涂画现象。

实验一水的流线、流动形态及能量转化实验（综合性实验）

实验二静水压强实验

实验三雷诺实验

实验四沿程阻力系数测定实验

实验五局部阻力系数测定实验

实验六文丘里流量计实验

实验七恒定流动量定理实验

实验一水的流线、流动形态及能量转化实验（综合性实验）

一、实验目的

1.应用流动显示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以增强对流体运动特性的认识。

2.应用流动显示仪演示水流绕流不同形状物体的尾流涡街现象及非自由射流等，增强对流动现象的感性认识。

3.观察虹吸发生、发展及破坏的过程。

4.理解虹吸工作的原理及估算虹吸管能使虹吸管正常工作的高度。

5.认识水流过水断面的能量由位能、压能和动能三部分组成。

6.测压管水位显示的是位能和压能之和，即z+

7.测速管中水位显示的是总机械能，即z+

+

8.了解测压管水头线与总水头线的变化规律，及其各自特点、相互关系。

9.认识水流运动过程中的能量转化规律，验证恒定总流的能量方程。

二、实验设备与仪器

旋涡仪

烟风洞演示仪

虹吸实验仪

能量方程演示仪

流线和流谱可以形象的显示各种水流及气流形态及其液流内部质点运动的特性。

常用设备有漩涡仪、油槽流线演示仪、烟风洞、虹吸仪、能量方程演示仪等。

三、实验内容与步骤

内容与步骤一：

（漩涡仪、油槽流线演示仪、烟风洞）

1、显示气流、液流遇到碍障物时的绕流现象及其流谱。

2、显示逐渐扩散，逐渐收缩、突然扩大和突然缩小及直角弯道等管道纵剖

面上的流谱图象。

3、显示圆柱及桥墩绕流的流谱。

4、显示桥孔的水流谱。

5、显示流体在驻点处的停滞现象，边界层分离状况及卡门涡街的图象。

内容与步骤二：

（虹吸仪）

1、将测压烧杯内加满水。

2、开启水泵，向高位水箱、低位水箱注水，使高位水箱有溢流，低位水箱水位达2/3后，关闭供水阀。

3、打开低位水箱的放水阀，在虹吸管形成真空后，水流将由高位水箱向低位水箱流动，同时能看到烧杯中的三根测压管水位上升，这是由于管路中的真空造成，表明三个测压点的压力分布不同。

4、拧开螺旋，吸入空气，可观察虹吸现象的破坏过程。

内容与步骤三：

（能量方程演示仪）

1.开动水泵，将供水箱内水位升至最高，溢流管开始溢流。

2.调节实验管道阀门，使测压管，测速管中水位和测压板上红、黄两条线一致。

3.实验过程中，始终应保持少量溢流；

4.测量流量、管径、水头高度、水温。

四、实验报告与成果分析

1、绘制相应流动现象的流谱并观察其特性。

2.虹吸高度h的理论值推导。

3.实验数据计算表

水温T=℃运动粘性系数ν=cm2/s

断面

体积

V（cm3）

时间

t（s）

流量

Q（cm3/s）

管径

d（mm）

流速

v（cm/s）

Re=

测压管水头

z+

（cm）

总水头

z+

+

（cm）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

4．绘制总水头线与测压管水头线

5.思考问题

1、旋涡区与能量损失有什么关系

2、什么情况下产生急变流

3、空化现象为什么常发生在旋涡区中

4、虹吸管道内为什么有最大真空值的要求。

5、长直管总水头线与测压管水头线的相互关系及其高差的意义是什么

6、沿程水头损失与局部水头损失的变化规律。

7、总水头线与测压管水头线的变化趋势有何不同

实验二静水压强实验

一、目的

1.加深理解静力学基本方程式及等压面的概念。

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。

二、演示原理

对密封容器的液体表面加压时，设其压强为P0，即P0>Pa。

从U形管可以看到有压差产生，U形管与密封容器上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。

由此可知液面下降的表面压强即是密闭容器内液体表面压强P0，即P0=Pa+ρgh，h是U形管液面上升的高度。

当密闭容器内压强P0下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即P0＜Pa，这时密闭容器内液面压强P0=Pa-ρgh。

H为液面下降高度。

水静压强实验台

三、实验步骤

如果对密闭容器的液体表面加压时，其容器内部的压强向各个方向传递，在图中左侧的测压管中，可以看到由于A，B、两点在容器内的淹没深度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。

1.关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差

，在加压的同时，观察右侧A、B管的液柱上升情况。

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。

四、实验结果与分析

1.实验数据记录表

单位cm

hA

hB

P＜0

P＞0

P＜0

P＞0

1

2

3

2.结果分析

1.表面压强

的改变、基准面0-0位置的改变，对A、B两点的位置水头与压强水头有什么影响对真空度有什么影响

2.相对压强、绝对压强真空度有什么相互关系

实验三雷诺实验

（层流紊流流态和临界雷诺数量测实验）

一、实验目的

1.观察流体流动的两种不同流态——层流和紊流的流动特征，观察其临界状态及转变过程。

2.通过对临界雷诺数的量测来确定层流、紊流流态的判别标准。

二、实验设备与仪器

雷诺数实验台

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、实验内容与步骤

1.观察流动型态

水箱上水，并保持微小溢流，小开出水阀门和颜色水阀门，使颜色水成一条细线，此时为层流状态；逐渐开大出水阀门，增大流量，颜色水线开始颤动、弯曲，并逐渐扩散，此时为上临界状态；再次增大流量，色流扩散消失，水流呈紊流状态。

逐渐关小出水阀门，流量减小，色流重复出现，呈波动扩散状，为下临界状态；再次减小流量，色流呈细直线，为层流状态。

2.测定临界雷诺数

每调节一次阀门，量测流量、水温，查表得运动粘性系数v，可得雷诺数：

Re=

同时记录色流状态，根据流动型态的变化确定上临界雷诺数R′ec和下临界雷诺数Rec。

四、实验结果与分析

1.记录表

管径d=cm水温T=℃运动粘性系数ν=cm2/s

No.

水体体积

V（cm3）

时间

t（s）

流量

Q（cm3/s）

流速

v（cm/s）

R

Re=

临界雷诺数Rec

色流形状

2.数据计算

Q=

v=

=

Re=

五、思考问题

1.颜色水流的作用是什么它与实际水流的关系是什么

2.为什么上、下临界雷诺数数值会有差别为什么用下临界雷诺数作为流态的判别标准

实验四沿程阻力系数测定实验

一、实验目的

1.测定流体在等直径圆管中流动不同雷诺数Re时的沿程阻力系数

，并确定它们之间的关系。

2.了解流体在管道中流动时能量损失的测量和计算方法。

二、实验设备与仪器

沿程阻力系数测定仪

1.水箱（内置潜水泵）2.供水管3.电器开关4.供水分配管5.稳压筒6.整流栅板

7.更换活结8.测压嘴9.实验管道10.差压计11.调节阀门12.调整及计量水箱

三、实验内容与步骤

1.实验原理：

流体在管道中流动时，由于流体的粘性作用产生阻力，阻力作用表现为流体的能量损失。

对长度为Ｌ的管段两断面列能量方程式时，得Ｌ长度上的沿程水头损失。

hf=

=h1-h2=△h

根据达西公式：

hf=

实验测得△h（=hf），再用体积法测得流量Ｑ，算出断面的平均流速v，即可求得沿程阻力系数λ：

λ=

2.实验步骤：

（1）关闭无关测点的小阀门。

（2）打开阀门2、4、5、7、8。

（3）开泵。

调节阀门４，使测压管5、6中出现高差，此高差即为△h（=hf）。

（4）用计量箱量测流量，测水温Ｔ。

（5）调节流量重复上述操作三次。

四、实验结果与分析：

d1=mmd2=mmd3=mmL=mT=℃运动粘性系数

=cm2/s

h1

（cm）

h2

（cm）

Δh

（cm）

V

（cm3）

t

（s）

Q

（L/s）

v

（cm/s）

Re=

λ

λ

管道1

管道2

管道3

五、思考问题

1.影响管道沿程阻力系数λ的因素有哪些

实验五局部阻力系数测定实验

一、实验目的

1.掌握用实验方法测定三种局部管件（突扩、突缩和阀门）的局部阻力系数。

2.加深对局部水头损失机理的理解，学会其测定方法。

二、实验设备与仪器：

局部阻力系数实验台

1.水箱2.供水管3.水泵开关4.进水阀门5.细管沿程阻力测试段

6.突扩7.粗管沿程阻力测试段8.突缩9.测压管10.实验阀门

11.出水调节阀门12.计量箱13.量筒14.回水管15.实验桌

三、实验内容和步骤：

1.实验原理

阀门阻力实验原理

阀门的局部水头损失测压管段

阀门的局部阻力

对1、2两断面列能量方程式，由于实验管段为玻璃管，较光滑，所以这两个断面之间的沿程阻力损失可以忽略不计，这样通过列这两个断面的能量方程即可求得阀门的局部水头损失，以

表示，则：

得：

突扩圆管的局部阻力

对2、3两断面列能量方程式，同样忽略这两个断面间的沿程阻力损失，可求得突扩圆管的局部水头损失，以

表示，则

得：

突缩圆管的局部阻力

对4、5两断面列能量方程式，同样忽略这两个断面间的沿程阻力损失，可求得突缩圆管的局部水头损失，以

表示，则

得：

2.实验数据记录表

细管直径d1=mm粗管直径d2=mm

No

Δh2（cm）

Δh3

（cm）

V

（L）

t

（s）

Q

（cm3/s）

V2

（cm/s）

V4

（cm/s）

ξ突扩

ξ突缩

1

2

3

阀门开启度

（cm）

V

（L）

t

（s）

Q

（cm3/s）

V1

（cm/s）

ξ阀门

30o

45o

全开

3.分析实验结果与理论计算的数据存在误差的原因

四、思考问题

1.产生局部水头损失的原因有哪些

2.减少局部阻力的措施有哪些

实验六文丘里流量计实验

一、实验目的

1.确定文丘里流量计的流量系数。

2.验证能量方程的正确性。

二、实验设备与仪器

三、实验内容和步骤

1.实验原理

在文丘里流量计入口处取Ⅰ—Ⅰ断面，在其喉部收缩段处取Ⅱ—Ⅱ断面，由于流量计水平放置，则列上述两断面的能量方程如下，（不计水头损失）

取

由连续性方程得：

即：

得出：

代入能量方程中，求出流速：

令

为两断面测压管水头差，即Δh

∴

因此，根据测压管水位高差，即可求出计算流量（理论流量）

。

由于实际上所取的两个断面间存在着水头损失，所以实际流量

一般要略小于计算流量

。

令

称μ<1为文丘里流量系数。

实际流量

可用体积法测定。

2.实验步骤：

（1）检查测压计液面水平。

（2）关闭测点3～10的小阀门。

（3）开泵，此时1、2测压管中应出现较小高差。

（4）缓慢开启阀门7，使压差调至最大。

（5）用夹子夹死11号管。

（6）记录数据。

四、实验结果与分析

d1=cmd2=cmK=

No

h1

（cm）

h2

（cm）

Δh

（cm）

V

（cm3）

t

（s）

Q

（cm3/s）

Q0

（cm3/s）

μ=

1

2

3

五、思考问题

为什么流量系数μ只能小于1

实验七恒定流动量定理实验

一、实验目的

1.实测射流对平板或曲面板施加的作用力，并与用动量定理计算的作用力相比较，以验证恒定总流的动量方程式。

2.观察水箱的反作用力。

二、实验设备与仪器

三、实验原理及步骤

1.水箱

（1）原理

以水箱水面，射流收缩断面及箱壁为控制面，对X轴列动量方程：

Rx=ρQ（V2x-V1x）

Rx——水箱对水流的作用力，水流对水箱的作用力为反作用力。

V1x——水箱水面的平均流速在X轴的投影为零，（m/s）。

V2x——射流出口收缩断面的平均流速在X轴的投影，（m/s）。

Rx对转轴取矩，得计算力矩M；

M=Rx·L=ρQVL

L——射流出口中心至转轴的距离（m）。

移动平衡砝码调平水箱，得实测力矩M。

M0=G·ΔS

ΔS=S-S0

S——出流时砝码平衡读数。

S0——起始状态砝码平衡读数。

M0和M应比较接近。

（2）实验步骤

a、开启进水阀门，将水箱充满水并射流。

调节阀门，使其保持微小溢流。

b、拨出插销，观察射流对水箱的作用效果，移动砝码，使水准泡居中，记下动态平衡时砝码位置为S。

c、用体积法测流量（或重量法测流量）。

2.平板

（1）原理：

取喷嘴出口断面，射流表面以及沿平板出流的截面为控制面，对X轴列动量方程。

Rx=ρQ（V2x-V1x）

Rx——平板对水流的作用力，与水流对平板的作用力大小相等，方向相反。

V1x——喷嘴出口平均流速在X轴的投影（m/s）。

V2x——平板水流流速在X轴的投影，V2X=0

Rx对转轴取矩，得计算力矩M

M=RxL1=ρQV·L1（kg·m）

L1——水流冲击点至转轴的距离（m）

由砝码而得到实测力矩M。

M0=G·L2

L2——砝码作用点到转轴的距离.

M0与M应较接近。

（2）实验步骤

a、在拉链端部加-50克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持原有铅垂位置，记下砝码重量G，并用体积（重量）法实测流量。

b、改变砝码重量（100克）重复上述步骤。

四、实验数据记录与处理分析

1.原始数据记录表

表一水箱原始数据记录表

No.

G（kg）

S0（m）

S（m）

V（m3）

t（s）

d（m）

L（m）

1

2

表二平板原始数据记录表

No.

G（kg）

L2（m）

V（m3）

t（s）

d（m）

L1（m）

1

2

2.实验数据处理表

表三水箱数据处理表

No.

G

（kg）

S0

（m）

S

（m）

△S

（m）

M0=G×S

（kg·m）

V

（m3）

t

（s）

Q=V/t

（m3/s）

v=4Q/Pid2

（m/s）

Rx=ρQv

（kg）

M=Rx×L

（kg·m）

M0/M

（%）

1

2

表四平板数据处理表

No.

G

（kg）

L2

（m）

M0=G×L2

（kg·m）

V

（m3）

t

（s）

Q=V/t

（m3/s）

v=4Q/Pid2

（m/s）

Rx=ρQv

（kg）

M=Rx×L1

（kg·m）

M0/M

（%）

1

2