（建筑工程管理）工書工程流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書謝振華編北京科技大學(xué)土木和環(huán)境工程學(xué)院前言工程流體力學(xué)實驗是《工程流體力學(xué)》課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過實驗，能夠?qū)φn堂講授的理論知識加以鞏固和進壹步的驗證，加強理論和實踐的結(jié)合，同時能夠培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力和分析問題、解決問題的能力，為今后的科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。備編寫的。實驗內(nèi)容包括水靜壓強實驗，不可壓縮流體定常流動動量方程實驗，雷諾實驗，管路沿程阻力實驗，管路局部阻力實驗，畢托管測速實驗，文丘里流量計實驗。這些實驗?zāi)軌蚴箤W(xué)生掌握流體力學(xué)的實驗技術(shù)和測量技巧，為進行科學(xué)實驗研究做準由于編者水平有限和實驗設(shè)備的限制，書中不足之處于所難編者驗 1實驗2不可壓縮流體定常流動動量方程實驗 3驗 6實驗4管路沿程阻力實驗 8驗 12驗 15實驗7文丘里流量計實驗 17實驗1水靜壓強實驗壹、實驗?zāi)康?．加深理解流體靜力學(xué)基本方程及等壓面的概念。2．理解封閉容器內(nèi)靜止液體表面壓強及其液體內(nèi)部某空間點的壓強。二、實驗裝置三、實驗原理對密封容器（即水箱）的液體表面加壓時，設(shè)液體表面壓強為P0，則P0>Pa，為大氣壓強。從U形管中能夠見到有壓差產(chǎn)生，U形管和密封水箱上部連通的壹面，液面下降，而和大氣相通的壹面，液面上升。密閉水箱內(nèi)液體表面壓強為：式中——液體的重度；當密閉水箱內(nèi)壓強P0下降時，U形管內(nèi)的液面呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象，即0＜Pa，這時密閉水箱內(nèi)液面壓強為：觀察左側(cè)A、B管的液柱上升情況。由于水箱內(nèi)部的壓強向各個方向傳遞，于左側(cè)的測壓管中，能夠見到由于A、B倆點于水箱內(nèi)的淹沒深度h不同，于壓強向各點傳遞時，先到A點后到B點。于測壓管中反應(yīng)出的是A管的液柱先上升，而B管的液柱滯后壹點也于上升，當停止加壓時，A、B倆點容器底部的水門，放出壹部分水，造成容器內(nèi)壓力下降，觀察U形管中液五、分析和討論2．用該實驗裝置是否能夠測出其他液體實驗2不可壓縮流體定常流動動量方程實驗壹、實驗?zāi)康?.通過射流對水箱的反作用力和射流對平板的作用力驗證不可壓縮流體定常流動的動量方程。2.通過對動量和流量、流速、射流角度等因素的關(guān)聯(lián)性分析，進壹步掌握流體的動量守恒定理。二、實驗裝置實驗裝置如圖2.1所示。圖2.1動量方程實驗裝置簡圖1.實驗水箱2.控制閥門3.高位水孔4.低位水孔5.砝碼三、實驗原理1．射流對水箱的反作用力原理以水箱水面Ⅰ—Ⅰ,出口斷面Ⅱ—Ⅱ及箱壁為控制面，對水平軸列動量方程：式中——水箱對射流的反作用；——水的密度；——射流流量；,??動量修正系數(shù)，取1；——水箱水面的平均流速于軸的投影，取0；——出口斷面的平均流速于軸的投影。式中——出口中心至轉(zhuǎn)軸的距離；移動平衡砝碼得到實測力矩：式中——平衡砝碼重量；——;——出流時（動態(tài)）砝碼至轉(zhuǎn)軸的距離；——未出流時（靜態(tài)）平衡砝碼至轉(zhuǎn)軸的距離。2．射流對平面的作用力原理取噴嘴出口斷面Ⅰ—Ⅰ,射流表面，以及平板出流的截面Ⅱ—Ⅱ為控制面，對水平軸列動量方程：式中——平板對射流的反作用力；——噴嘴出口平均流速于軸的投影，即流速；——Ⅱ—Ⅱ斷面平均流速于軸的投影，取0。式中——水流沖擊點至轉(zhuǎn)軸的距離；添加砝碼得到實測力矩：式中——砝碼重量；四、實驗步驟及注意事項①開啟進水閥門，將水箱充滿水，關(guān)小閥門，使之保持較小溢流。②拔出插銷，移動砝碼，使水平儀水平，記下此時（靜態(tài)）砝碼位置。③插上插銷，將出口轉(zhuǎn)至高孔位置。調(diào)節(jié)閥門，使之仍保持較小溢流。④拔出插銷，移動砝碼，使水平儀水平，記下此時（動態(tài)）砝碼的位⑤用體積法測量流量，計算流速。⑥將出口轉(zhuǎn)至低孔位置，重復(fù)步驟③~⑤。2）注意事項①調(diào)節(jié)前，必須將插銷插上。②拔出插銷后，應(yīng)用手托扶水箱，以免擺動過大損壞儀器。2．射流對平面的作用力實驗1）實驗步驟①于拉鏈端部加重量50克砝碼，然后開啟且調(diào)節(jié)閥門，使平板保持垂直位置，記下砝碼位置，用體積法測流量。②改變砝碼重量，重復(fù)步驟①。2）注意事項①應(yīng)緩慢開啟和調(diào)節(jié)閥門。②注意單位換算。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及計算QQS（m）)1高孔21低孔2v)t2.平板法123六、分析和討論分析用動量方程求得的作用力值和實測值之間產(chǎn)生誤差的原因。實驗3雷諾實驗壹、實驗?zāi)康?．觀察流體于不同流動狀態(tài)時流體質(zhì)點的運動規(guī)律。2．觀察流體由層流變紊流及由紊流變層流的過渡過程。3．測定液體于圓管中流動時的下臨界雷諾數(shù)二、實驗裝置1.水箱及潛水泵2.上水管3.溢流管4三、實驗原理流體于管道中流動，有倆種不同的流動狀態(tài)，其阻力性質(zhì)也不同。于實驗過程中，保持水箱中的水位恒定，即水頭H不變。如果管路中出口閥門開啟較小，于管路中就有穩(wěn)定的平均速度，微啟紅色水閥門，這時紅色水和自來水同步于管路中沿軸線向前流動，紅顏色水呈壹條紅色直線，其流體質(zhì)點沒有垂直于主流方向的橫向運動，紅色直線沒有和周圍的液體混雜，層次分明地于管路中流動。此時，于流速較小而粘性較大和慣性力較小的情況下運動，為層流運動。如果將出口閥門逐漸開大，管路中的紅色直線出現(xiàn)脈動，流體質(zhì)點仍沒有出現(xiàn)相互交換的現(xiàn)象，流體的流動呈臨界狀態(tài)。如果將出口閥門繼續(xù)開大，出現(xiàn)流體質(zhì)點的橫向脈動，使紅色線完全擴散和自來水混合，此時流體的流動狀態(tài)為紊流運動。流體的雷諾數(shù)，根據(jù)連續(xù)方程。流量用體積法測出，即于時間內(nèi)流入計量水箱中流體的體積。式中——管路的橫截面積；——管路直徑；——流體繁榮流速；紅色水以微小流速于玻璃管內(nèi)流動，呈層流狀態(tài)。3．開大出口閥門7，使紅色水于玻璃管內(nèi)的流動呈紊流狀態(tài)，再逐漸關(guān)小出口閥門7，觀察玻璃管中出口處的紅色水剛剛出現(xiàn)脈動狀態(tài)但仍沒有變?yōu)閷恿鲿r，測定此時的流量，計算出下臨界流速。重復(fù)做三次，即可算出下臨界雷諾數(shù)。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及計算次數(shù)123Q（m3/s）（m2/s）（m/s）（s）下臨界雷諾數(shù)的計算公式為：實驗4管路沿程阻力實驗壹、實驗?zāi)康?．驗證沿程水頭損失和平均流速的關(guān)系。2．測定不同管路的沿程阻力系數(shù)。3．對照雷諾實驗，觀察層流和紊流倆種流態(tài)及其轉(zhuǎn)換過程。二、實驗裝置實驗裝置如圖4.1所示。1.水泵電機2.水泵3.循環(huán)儲水箱4.計量水箱5.孔板及比托管實驗管段進水閥6.閥門阻力實驗管段進水閥7.D=14mm沿程阻力實驗管段進水閥8.D=14mm沿程阻力實固定板14.D=14mm沿程阻力實驗管段出水閥15閥門阻力實驗管段出水閥16.孔板及比托管實驗管段出水閥17.文丘里實驗管段出水閥18.D=10mm沿程阻力實驗管段出水閥19.管支架20.D=10mm沿程阻力實驗管段21.文丘里流量計22排水閥門三、實驗原理1．沿程水頭損失和流速的關(guān)系對沿程阻力倆測點的斷面列伯努利方程因?qū)嶒灩芏嗡?，且為均勻流動，所以即管路倆點的沿程水頭損失等于測壓管水頭差。由此式求得沿程水頭損失，同時根據(jù)實測流量計算平均流速，將所得和數(shù)據(jù)繪于對數(shù)坐標紙上，就可確定沿程水頭損失和平均流速的關(guān)系。由上面的分析能夠得到：由達西公式：用體積法測得流量，且計算出斷面平均流速，即可求得沿程阻力系數(shù)：四、實驗步驟1．沿程水頭損失和流速的關(guān)系實驗1）實驗前準備工作。將實驗臺個閥門置于關(guān)閉狀態(tài)，開啟實驗管道閥門，將泵開啟，檢驗系統(tǒng)是否有泄露；排放導(dǎo)壓膠管中的空氣。2）開啟調(diào)節(jié)閥門，測讀測壓計水面差。3）用體積法測量流量，且計算出平均流速。4）將實驗的和計算得出的值標入對數(shù)坐標紙內(nèi)，繪出關(guān)系曲線。5）調(diào)節(jié)閥門逐次由大到小，共測定10次。2．沿程阻力系數(shù)的測定實驗1）本實驗共進行粗細不同管徑的倆組實驗，每組各作出6個實驗。2）開啟進水閥門，使壓差達到最大高度，作為第壹個實驗點。3）測讀水柱高度，且計算高度差。4）用體積法測量流量，且測量水溫；5）用不同符號將粗細管道的實驗點繪制成對數(shù)曲線。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及分析儀器常數(shù)：d=cm,A=cm2L=m,t=℃（cm)123456789V2foflgv關(guān)系曲線阻力系數(shù)的測定實驗數(shù)據(jù)及計算如表4.2所示，關(guān)系曲線如圖4.3所示。儀器常數(shù)：d粗=—cm，d細=—cm，=mVV)123456123456粗管細管類別實驗5管路局部阻力實驗壹、實驗?zāi)康?．掌握三點法、四點法測量局部阻力系數(shù)的技能。2．通過對圓管突擴局部阻力系數(shù)的包達定理和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式的實驗驗證和分析，熟悉用理論分析法和經(jīng)驗法建立函數(shù)式的途3．加深對局部阻力損失機理的理解。二、實驗裝置實驗裝置同實驗4，如圖4.1所示。三、實驗原理寫出局部阻力前后倆斷面的伯努利方程，根據(jù)推導(dǎo)條件，扣除沿程水頭損失可得局部水頭損失。1．突然擴大沿程水頭損失和流速的關(guān)系采用三點法計算，下式中由按流長比例換算得出：實測理論采用四點法計算，下式中點為突縮點，由hf3-4換算得出，由換算得出。實測經(jīng)驗四、實驗步驟2．打開水泵，排除實驗管道中的滯留氣體及測壓五、實驗數(shù)據(jù)記錄及計算1．記錄、計算有關(guān)常數(shù)：，，2．實驗數(shù)據(jù)記錄見表5.1，實驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果如表5.2所示。次次序3．將實測局部阻力系數(shù)和理論值或經(jīng)驗值進行比較。測壓管讀數(shù)cm流量（cm3/s）測壓管讀數(shù)cm次序體積時間流量前斷面后斷面前斷面形式形式cm3/s突然擴大突然縮小六、分析和討論和突縮局部阻力損失的主要部位于那里？怎樣減小局部阻力損失？如何用倆點法測量閥門的局部阻力系數(shù)？4實驗6畢托管測速實驗壹、實驗?zāi)康?．通過對管嘴淹沒出流流速及流速系數(shù)的測量，掌握用畢托管測量某壹點流速的技能。2．了解普朗特型畢托管的構(gòu)造和適用性明確傳統(tǒng)流體力學(xué)測量儀器的現(xiàn)實作用。二、實驗裝置實驗裝置同實驗4，如圖4.1所示。三、實驗原理用畢托管測量流速時，式中——畢托管測點處的流速；——畢托管的流速校正系數(shù)；——畢托管的全壓水頭和靜水壓水頭差；對管嘴出流：式中——測點處流速，由畢托管測定；——管嘴的流速系數(shù)；聯(lián)立解之上倆式，可得：五、實驗數(shù)據(jù)記錄及計算上下游水位差上下游水位差畢托管水頭差測點流速測點流速系數(shù)實驗次序11234實驗7文丘里流量計實驗壹、實驗?zāi)康?．通過測定流量系數(shù)，掌握文丘里流量計測量管道流量的技術(shù)。2．驗證能量（伯努利）方程的正確性。二、實驗裝置實驗裝置同實驗4，如圖