西南交大工程流体力学实验参考数据与数据处理.docx
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西南交大工程流体力学实验参考数据与数据处理
流体静力学实验
一、实验目的和要求
1、掌握用测压管测定流体静压强的技能。
2、验证不可压缩流体静力学基本方程。
3、通过对流体静力学现象的实验分析,进一步加深基本概念。
二、实验仪器和设备
静水压强测定仪,装置如图所示。
1
2
3
4
5
三、实验原理
重力作用下流体静力学基本方程为:
式中,z为单位重量液体的位能,也称位置水头;p/ρg为单位重量液体的压能,也称压强水头。
如果自由表面压强p0与当地大气压pa压强相等时,液体内任一点相对压强可表示为:
式中h为液体自由表面下任一点液体深度。
四、实验步骤
1、记录A、B点位置标高。
2、打开电源开关,按下减压按钮,同时观察测压管,使水箱形成一定的负压,然后松开按钮,待测压管水位稳定后,读取1~5号测压管读数。
3、按下常压按钮,同时观察测压管,使水箱为常压状态,然后松开按钮。
4、按下升压按钮,同时观察测压管,使水箱形成一定的正压,然后松开按钮,待测压管水位稳定后,读取1~5号测压管读数。
5、按下常压按钮,使水箱液面恢复常压状态。
五、实验原始记录
1、记录有关常数
A点位置标高=0㎝,B点位置标高=3㎝
2、记录测量值
管号
次数
各测压管液面标高读数(㎝)
1
2
3
4
5
1
p0>pa
27.3
32.6
39.4
27.4
22.0
2
p0 19.3 38.0 34.5 19.2 22.0 六、实验数据计算 1、计算在上述两次测定(p0>pa和p0 答: (1)当p0>pa时: 绝对压强: 相对压强: (2)当p0 绝对压强: 相对压强: 2、根据计算结果验证: 当p0>pa和p0 答: (1)当p0>pa时: 即 (2)当p0 即 3、计算测压管2和3在p0>pa和p0 当p0>pa时: 当p0 七、实验结果分析及思考题回答 1、如经过2号管液面取一水平面,则水平面上各点液体(分别在1、2、3、4、5号管上)哪些是处在同一等压面上? 答: 2、3在同一等压面上,1、4、5在同一等压面上。 2、当p0>pa和p0 答: 当p0>pa时,4、5号管水面标高差表示水箱液面相对压强。 当p0 文丘里流量计实验 一、实验目的和要求 1、通过测定流量系数,掌握文丘里流量计测量管道流量的技术。 2、掌握气—水多管压差计测量压差的技能。 二、实验仪器和设备 文丘里实验仪、量筒、秒表 三、实验原理 如下图所示: 文丘里管前1-1断面及喉管处2-2断面,该两处截面面积分别为A1、A2,两处流速分别为v1、v2。 d2 不考虑流体受到的阻力作用,对两断面列伯努利方程 (1) 及连续性方程: 即: (2) 由 (1)、 (2)两式联立可得: (3) 式中,K为文丘里流量计常数 △h为两断面测压管水头差 由式(3)算得的流量为不考虑阻力的理论流量,即Q=Q理论,而实际通过的流量Q实际恒小于Q理论,引入一无量纲系数对所测流量Q理论进行校正。 即: (4) 式(4)中的为文丘里管的流量系数。 通过实验测得实际流量Q实际及水头差△h,便可以测得文丘里管的流量系数 (5) 四、实验步骤 1、记录各有关实验常数。 2、打开电源开关并打开调节流量阀,待水流稳定后,读取各测压管的液面读数h1、h2、h3、h4,并用秒表、量筒测定流量。 3、逐次改变调节流量阀,改变流量,重复步骤2,注意调节阀门要缓慢,要使测压管内有水柱。 4、把测量值记录在实验表格内,并进行有关计算。 5、实验结束,关闭电源开关。 五、实验原始记录 1、记录有关常数 d1=1.40㎝,d2=0.70㎝ 2、记录测量值 次数 测压管读数 水量V (㎝3) 测量时间t (s) h1(㎝) h2(㎝) h3(㎝) h4(㎝) 1 45.6 7.5 38.4 4.4 683 4.7 2 42.4 11.5 33.3 7.2 732 5.8 3 37.3 16.3 29.8 10.3 750 7.0 4 35.7 18.2 28.9 12.4 721 7.3 5 33.7 20.1 26.4 15.2 746 8.8 6 32.1 22.1 24.6 17.7 668 9.5 7 30.1 24.4 22.4 20.5 670 14.1 8 29.5 25.2 21.9 21.7 697 19.4 六、实验数据计算 1、计算原理 Q实际的测量方法是体积法,计算公式为: ,V、t的值见上表。 气—水多管压差计测得的测压管水头差为: ,其中h1、h2、h3、h4的值见上表。 Q理论的值由式(3)算得,文丘里管流量系数由式(5)算得。 2、计算结果 K=17.597㎝2.5/s 次数 Q实际(㎝3/s) (㎝) Q理论(㎝3/s) 1 145.32 72.1 149.42 0.97 2 126.21 57.0 132.91 0.95 3 107.14 40.5 111.99 0.96 4 98.77 34.0 102.61 0.96 5 84.77 24.8 87.63 0.97 6 70.31 17.0 72.55 0.97 7 47.52 7.6 48.51 0.98 8 35.93 4.5 37.33 0.96 取文丘里管流量系数的平均值得: =0.965 七、实验结果分析及思考题回答 1、为什么计算流量Q理论与实际流量Q实际不相等? 答: 因为实际流体在流动过程中受到阻力作用、有能量损失(或水头损失),而计算流量是假设流体没有阻力时计算得到的,所以计算流量恒大于实际流量。 2、若文丘里流量计不是水平安装、其计算流量公式是否要改变? 为什么? 答: 计算流量公式不变。 因为若文丘里流量计不是水平安装的,使得式(3)中的z值变化,而测压管水头 是不变的,所以计算流量式(3)不变。 管路沿程水头损失实验 一、实验目的和要求 1、掌握管道沿程阻力系数λ的测量技术。 2、通过测定不同雷诺数Re时的沿程阻力系数λ,从而掌握λ与Re等的影响关系。 二、实验仪器和设备 沿程阻力实验仪、电子测量仪、天平秤、秒表、温度计、水桶 三、实验原理 由达西公式,可得到: (1) 式 (1)中: d为管道直径,L为研究管段的长度,hf为管段沿程水头损失,由电子测量仪测量,v为断面平均流速,可通过测流量和时间的方法求得。 雷诺数Re值为 (2) 式 (2)中,为运动粘度,由流体的温度计算。 四、实验步骤 1、记录各有关实验常数。 2、打开有关阀门,接通电源,启动水泵。 3、把调节流量阀门开到最大,待水流稳定后,记录电子测量仪读数及管道出口处的水温,再用水桶接一定量水,同时用秒表计时,然后用天平秤量水的质量,记下有关数据。 4、逐次调节流量阀门,使流量逐次变小,把测量值记录在实验表格内,并进行有关计算。 5、实验结束,关闭电源开关。 五、实验原始记录 1、记录有关常数 管径d=0.69㎝,测量段长度L=85㎝,水温t=31℃ 运动粘度7.86×10-3㎝2/s 2、记录测量值 次数 水质量m(㎝) 测量时间t(s) 沿程损失hf(㎝) 1 3.54 12.1 760 2 3.70 13.5 672 3 3.46 13.4 611 4 2.94 12.6 501 5 2.80 13.0 431 6 2.94 14.3 106 7 2.89 15.2 351 8 2.78 16.0 300 9 2.74 16.3 283 10 2.88 19.4 223 11 2.68 19.8 195 12 2.53 21.4 156 13 2.38 24.2 108 14 2.05 24.9 77 15 2.15 43.5 32 六、实验数据计算 次数 流量Q (㎝3/s) 流速v (㎝/s) 沿程损失hf(㎝) 沿程损失系数 雷诺数Re(×104) lg(100) Lg(Re) 1 292.56 782.87 760 0.0197 6.872 0.2944 4.8370 2 274.07 733.41 672 0.0199 6.438 0.2988 4.8087 3 258.21 690.95 611 0.0204 6.065 0.3096 4.7828 4 233.33 624.39 501 0.0205 5.481 0.3118 4.7388 5 215.38 576.36 431 0.0207 5.060 0.3160 4.7041 6 205.59 550.16 406 0.0214 4.830 0.3304 4.6839 7 190.13 508.78 351 0.0216 4.466 0.3344 4.6499 8 173.75 464.95 300 0.0221 4.082 0.3444 4.6108 9 168.10 449.82 283 0.0222 3.949 0.3464 4.5964 10 145.88 390.36 223 0.0233 3.427 0.3673 4.5349 11 135.35 362.20 195 0.0237 3.180 0.3747 4.5024 12 118.22 316.36 156 0.0248 2.777 0.3944 4.4435 13 98.35 263.17 108 0.0248 2.310 0.3944 4.3636 14 82.33 220.31 77 0.0253 1.934 0.4031 4.2864 15 49.42 132.26 32 0.0291 1.161 0.4639 4.0648 七、实验结果分析及思考题回答 1、绘制~Re曲线图 lg(100) lg(Re) 从上图可见,各试验点的连线近似直线,即与Re的关系为线性关系。 再从~Re所在区域Re的值来考虑,可知曲线~Re处于光滑管区。 3、如在同一管道中以不同液体进行实验,当流速相同时,其水头损失是否相同? 答: 由沿程水头损失式可知,在同一管道中以不同液体进行 实验,当两液体流速相同时的水头损失只与沿程损失系数有关。 而影响的因素有两种,即雷诺数Re和管道相对粗糙度 ,两流体的雷诺数Re是不同的,相对粗糙度 是相同的。 当流体处于层流区、层紊过渡区、或水力光滑区时,沿程损失系数只与雷诺数Re有关,所以水头损失hf不同。 当流体处于过渡粗糙区时,沿程损失系数与雷诺数Re及相对粗糙度 都有关,所以水头损失hf不同。 当流体处于水力粗糙区时,沿程损失系数只与相对粗糙度 有关,所以水头损失hf相同。 3、若同一流体经两个管径相同、管长相同、而粗糙系数不同的管路,当流速相同时,其水头损失是否相同? 答: 由沿程水头损失式可知,同一流体经两个管径相同、管 长相同的管路,当流速相同时的水头损失只与沿程损失系数有关。 此时两流体的雷诺数Re是相同的,而相对粗糙度 是不同的。 当流体处于层流区、层紊过渡区、或水力光滑区时,沿程损失系数只与雷诺数Re有关,所以水头损失hf相同。 当流体处于过渡粗糙区时,沿程损失系数与雷诺数Re及相对粗糙度 都有关,所以水头损失hf不同。 当流体处于水力粗糙区时,沿程损失系数只与相对粗糙度 有关,所以水头损失hf不同。 4、有两根直径、长度、绝对粗糙度相同的管路,输送不同的液体,当两管道中液体雷诺数相同时,其水头损失是否相同? 答: 由于沿程水头损失式中,影响沿程损失系数的因素: 雷诺数Re相同,管道相对粗糙度 相同,所以沿程损失系数值相同。 又由雷诺数式可知在Re、d相同,不同时,两流体的流速v不相同。 而且两根流体管径d、长度L相同,所以无论两流体在哪个区,它们的水头损失都不同。 宽顶堰溢流实验 一、实验目的和要求 1、观察宽顶堰的水流现象。 2、掌握测定无侧向收缩宽顶堰流量系数的技能。 。 二、实验仪器和设备 明渠水槽、测针、宽顶堰、三角堰 三、实验原理 (1)宽顶堰流量系数m的计算公式: (1) 式中: Q为宽顶堰流量,由三角堰测量;b为堰宽;H0为堰上作用水头,计算式 为: ,其中H为堰顶水头,计算式为: ;v0为明槽进口处断面平均流速,其计算式为: 。 具体各个量如图所示。 (2)流量Q通过三角堰测量,流量公式为: ,A、B为率定常数,标明于设备上,h为三角堰溢流水位, ,如图所示: 四、实验步骤 1、记录各有关实验常数 2、打开电源开关,启动水泵。 3、调节流量阀门和下游尾门开度,使之形成堰下自由出流,用测针测量上游堰底高程和堰顶高程,待水流稳定后,测量宽顶堰上游水位和三角堰上游水位。 4、调节阀门开度,改变流量,注意仍要形成自由出流,重复步骤3。 5、实验结束,关闭电源开关。 五、实验原始记录 1、记录有关常数 堰宽b=10.0㎝ 上游堰底高程▽2=12.01㎝,堰顶高程▽0=12.91㎝ 三角堰起始水位▽00=25.01㎝,A=15.42,B=2.47 2、记录测量值 次数 三角堰上游水位▽01(㎝) 堰上游水位▽1(㎝) 1 28.37 21.43 2 29.93 22.47 3 30.91 23.36 4 32.12 24.49 5 32.20 24.69 六、实验数据计算 三角堰溢流水位h(㎝) 流量Q (㎝3/s) 堰顶水头H(㎝) 平均流速v0(㎝/s) 流速水头v02/2g(㎝) 堰顶总水头H0(㎝) 流量系数μ 3.36 307.71 1.52 3.27 0.0054 1.5254 0.3687 4.63 679.31 2.56 6.49 0.0215 2.5810 0.3699 5.51 1044.07 3.45 9.20 0.0431 3.4931 0.3610 6.53 1588.25 4.58 12.73 0.0826 4.6625 0.3562 6.73 1711.12 4.78 13.50 0.0930 4.8730 0.3597 取宽顶堰流量系数平均值m=0.3631 七、实验结果分析及思考题回答 1、为什么在宽顶堰进口处必然形成水面跌落? 答: 因为水流趋于堰顶时,流股断面收缩,流速增大,动能增加,而势能减小,所以水面必然跌落。 2、量测堰顶水头H值时,堰上游水位为何要在堰壁上游3~4H附近处测读? 答: 因为据实验和观察证实,在堰壁上游3~4H处水面还没有跌落,并且该处水面比较平稳,使得则定的值接近与实际。
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