工程流體力學(xué)實(shí)臉指導(dǎo)書

謝振華編

北京科技大學(xué)

土木與環(huán)境工程學(xué)院

2023年9月

—1^-

刖百

工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是《工程流體力學(xué)》課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)，可

以對課堂講授的理論知識加以鞏固和進(jìn)一步的驗(yàn)證，加強(qiáng)理論和實(shí)踐的結(jié)合,

同時可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力和分析問題、解決問題的能力，為此后的科學(xué)

研究打下基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是根據(jù)教學(xué)大綱的規(guī)定，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體設(shè)備編寫的。實(shí)驗(yàn)

內(nèi)容涉及水靜壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，不可壓縮流體定常流動動量方程實(shí)驗(yàn)，雷諾實(shí)驗(yàn)，管

路沿程阻力實(shí)驗(yàn)，管路局部阻力實(shí)驗(yàn)，畢托管測速實(shí)驗(yàn)，文丘里流量計實(shí)驗(yàn)。這

些實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測量技巧，為進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

做準(zhǔn)備。

由于編者水平有限和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，書中局限性之處在所難免，敬請讀者批

評指正。

編者

2023年7月

目錄

實(shí)驗(yàn)1水靜壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)........................................................1

實(shí)驗(yàn)2不可壓縮流體定常流動動量方程實(shí)驗(yàn)..................................3

實(shí)驗(yàn)3雷諾實(shí)驗(yàn)............................................................6

實(shí)驗(yàn)4管路沿程阻力實(shí)驗(yàn)...................................................8

實(shí)驗(yàn)5管路局部阻力實(shí)驗(yàn)....................................................12

實(shí)驗(yàn)6畢托管測速實(shí)驗(yàn).....................................................15

實(shí)驗(yàn)7文丘里流量計實(shí)驗(yàn)....................................................17

實(shí)驗(yàn)1水靜壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.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(qiáng)及其液體內(nèi)部某空間點(diǎn)的壓強(qiáng)。

3.觀測壓強(qiáng)傳遞現(xiàn)象。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1.1所示。

測

壓

調(diào)

管

壓

及

傳

測

固

壓

定

管

架

固

定

板

圖1.1水靜壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

三、實(shí)驗(yàn)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(qiáng)為P0,則PO>Pa,為大氣壓強(qiáng)。

從U形管中可以看到有壓差產(chǎn)生,U形管與密封水箱上部連通的一面，液面下降，而與大

氣相通的一面，液面上升。密閉水箱內(nèi)液體表面壓強(qiáng)為：

Po=心+汝

式中/——液體的重度；

h——U形管中液面上升的高度。

當(dāng)密閉水箱內(nèi)壓強(qiáng)P0下降時,U形管內(nèi)的液面呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象，即POVPa,這時密閉水箱

內(nèi)液面壓強(qiáng)為：

A）=Pa-汝

式中h——U形管中液面下降的高度。

四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

1.關(guān)閉排氣閥，用加壓器緩慢加壓,U形管出現(xiàn)壓差。在加壓的同時，觀測左側(cè)A.B

管的液柱上升情況。由于水箱內(nèi)部的壓強(qiáng)向各個方向傳遞，在左側(cè)的測壓管中，可以看到

由于A.B兩點(diǎn)在水箱內(nèi)的淹沒深度h不同，在壓強(qiáng)向芥點(diǎn)傳遞時，先到A點(diǎn)后到B點(diǎn)。在

測壓管中反映出的是A管的液柱先上升，而B管的液柱滯后一點(diǎn)也在上升，當(dāng)停止加壓時,

A.B兩點(diǎn)在同一水平面上。

2.打開排氣閥，使液面恢復(fù)到同一水平面上。關(guān)閉排氣閥，打開密閉容器底部的水門，放

出一部分水，導(dǎo)致容器內(nèi)壓力下降，觀測U形管中液柱的變化情況。

五、分析和討論

1.液體表面壓強(qiáng)與表壓強(qiáng)、真空度有什么關(guān)系？

2.用該實(shí)驗(yàn)裝置是否可以測出其他液體的重度？為什么？

實(shí)驗(yàn)2不可壓縮流體定常流動動量方程實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

i.通過射流對水箱的反作用力和射流對平板的作用力驗(yàn)證不可壓縮流體定常流動

的動量方程。

通過對動量與流量、流速、射流角度等因素的相關(guān)性分析，進(jìn)一步掌握流體的動量守恒定

理。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.1所示。

圖2.1動量方程實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

1.實(shí)驗(yàn)水箱2.控制閥門3.高位水孔4.低位水孔5.祛碼6.轉(zhuǎn)動軸承7.擋板8.固定插銷

9.水平儀10.噴嘴11.水泵12.水箱13.擋水板14.實(shí)驗(yàn)臺支架

三、實(shí)驗(yàn)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n—H及箱壁為控制面，對水平軸列動量方程：

S工=R、=超（%%—劭%）

式中J一一水箱對射流的反作用；

P一一水的密度；

Q——射流流量；

,一一動量修正系數(shù)，取1；

——水箱水面的平均流速在軸的投影，取0；

v2v——出口斷面的平均流速在x軸的投影。

由對轉(zhuǎn)軸計算力矩"求得（。

M=R、?L=pQy'L

式中L——出口中心至轉(zhuǎn)軸的距離；

v——出口流速。

移動平衡祛碼得到實(shí)測力矩：

A/o=GAS

式中G——平衡祛碼重量；

AS----AS=S-S（1；

S一一出流時（動態(tài)）祛碼至轉(zhuǎn)軸的距離；

So——未出流時（靜態(tài)）平衡祛碼至轉(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，以及平板出流的截而n—n為控制面，對水平

軸列動量方程：

ZFv=R'=㈤（。02%

式中Rx——平板對射流的反作用力；

——噴嘴出口平均流速在軸的投影，即流速；

——II—II斷面平均流速在軸的投影，取0。

由對轉(zhuǎn)軸計算力矩M求得氏一

M=Rx-L1=pQyA,

式中L}——水流沖擊點(diǎn)至轉(zhuǎn)軸的距離；

v噴嘴出口的平均流速。

添加硅碼得到實(shí)測力矩：

=GL2

式中G一一祛碼重量；

L2——祛碼作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離。

四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)及注意事項

1.射流對水箱的反作用力實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

①啟動進(jìn)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，移動硅碼，使水平儀水平，記下此時（靜態(tài)）祛碼位置。

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，移動祛碼，使水平儀水平，記下此時（動態(tài)）跌碼的位置。

⑤用體積法測量流量，計算流速。

⑥將出口轉(zhuǎn)至低孔位置，反復(fù)環(huán)節(jié)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(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

①在拉鏈端部加重量50克跌碼，然后啟動并調(diào)節(jié)閥門，使平板保持垂直位置，記下硬碼

位置，用體積法測流量。

②改變祛碼重量，反復(fù)環(huán)節(jié)①。

2）注意事項

①應(yīng)緩慢啟動和調(diào)節(jié)閥門。

②注意單位換算。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計算

1.水箱法

儀器

常

數(shù)：

△S=Rx=M=

cm,SVtQV

S-SQGASpQvR/L

(m)(n?)(s)(m3/s)(m/s)(%)

(m)(Nm)(N)(Nm)

叫

N

1

高

孔

2

1

低

孔

2

2.平板法

儀

器

常

數(shù)：%=Rx=M=

GVtQVM(>/M

GL2pQvR"

(N)(m3)(s)(m3/s)(m/s)(%)

m,(NM(N)(Nm

m

1

2

3

六、分析和討論

分析用動量方程求得的作用力值和實(shí)測值之間產(chǎn)生誤差的因素。

實(shí)驗(yàn)3雷諾實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

i.觀測流體在不同流動狀態(tài)時流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律。

2.觀測流體由層流變紊流及由紊流變層流的過渡過程。

3.測定液體在圓管中流動時的下臨界雷諾數(shù)Re,

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.1所示。

圖3.1雷諾實(shí)驗(yàn)裝置

L水箱及潛水泵2.上水管3.溢流管4.電源5.整流柵6.溢流板7.墨盒8.墨針9.實(shí)驗(yàn)

管10.調(diào)節(jié)閥11.接水箱12.量杯13.回水管14.實(shí)驗(yàn)桌

三、實(shí)驗(yàn)原理

流體在管道中流動，有兩種不同的流動狀態(tài)，其阻力性質(zhì)也不同。在實(shí)驗(yàn)過程中，保

持水箱中的水位恒定，即水頭H不變。假如管路中出口閥門啟動較小，在管路中就有穩(wěn)定

的平均速度，微啟紅色水閥門，這時紅色水與自來水同步在管路中沿軸線向前流動，紅

顏色水呈一條紅色直線，其流體質(zhì)點(diǎn)沒有垂直于主流方向的橫向運(yùn)動，紅色直線沒有與周

邊的液體混雜，層次分明地在管路中流動。此時，在流速較小而粘性較大和慣性力較小的

情況下運(yùn)動，為層流運(yùn)動。假如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(diǎn)還沒有出現(xiàn)互相互換的現(xiàn)象，流體的流動呈臨界狀態(tài)。假如將出口閥門繼續(xù)開大，出

現(xiàn)流體質(zhì)點(diǎn)的橫向脈動，使紅色線完全擴(kuò)散與自來水混合，此時流體的流動狀態(tài)為紊流運(yùn)

動。

流體的雷諾數(shù)，根據(jù)連續(xù)方程：，。流量用體積法測出，即在時間內(nèi)流入計

量水箱中流體的體積。

式中A——管路的橫截面積；

d——管路直徑；

v——流體繁榮流速；

V---水的運(yùn)動粘度。

四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

1.準(zhǔn)備工作。將水箱充水至經(jīng)隔板溢流流出，將進(jìn)水閥門關(guān)小，繼續(xù)向水箱供水，以

保持水位高度H不變。

2.緩慢啟動閥門7,使玻璃管中水穩(wěn)定流動，并啟動紅色閥門9,使紅色水以微小流速在

玻璃管內(nèi)流動，呈層流狀態(tài)。

3.開大出口閥門7,使紅色水在玻璃管內(nèi)的流動呈紊流狀態(tài)，再逐漸關(guān)小出口閥門7,觀

測玻璃管中出口處的紅色水剛剛出現(xiàn)脈動狀態(tài)但還沒有變?yōu)閷恿鲿r，測定此時的流量，計

算出下臨界流速。反復(fù)做三次，即可算出下臨界雷諾數(shù)。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計算

d=mm水溫=℃

'實(shí)驗(yàn)次數(shù)AV(m3)Ar(QQ(mVs)Vc(m/s)V(m7s)Re,

1

2

3

下臨界雷諾數(shù)的計算公式為:

V

實(shí)驗(yàn)4管路沿程阻力實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

i.驗(yàn)證沿程水頭損失與平均流速的關(guān)系。

2.測定不同管路的沿程阻力系數(shù)。

對照雷諾實(shí)驗(yàn)，觀測層流和紊流兩種流態(tài)及其轉(zhuǎn)換過程。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4.1所示。

箱4.計量水箱5.孔板及比托管實(shí)驗(yàn)管段進(jìn)水閥6.閥門阻刀實(shí)驗(yàn)管段進(jìn)水閥7.D=14mm沿程阻力實(shí)

驗(yàn)管段進(jìn)水閥8.D=14mm沿程阻力實(shí)驗(yàn)管段9.閥門阻力實(shí)驗(yàn)管段10.孔板流量計11.比托管12.

測阻閥門13.測壓管及測壓管固定板14.D=14mm沿程阻力實(shí)驗(yàn)管段出水閥15閥門阻力實(shí)驗(yàn)管段出水

閥16.孔板及比托管實(shí)驗(yàn)管段出水閥17.文丘里實(shí)驗(yàn)管段山水閥18.D=10nnn沿程阻力實(shí)驗(yàn)管段山水

閥19.管支架20.D=10mm沿程阻力實(shí)驗(yàn)管段21.文丘里流量計22排水閥門

三、實(shí)驗(yàn)原理

1.沿程水頭損失與流速的關(guān)系

對沿程阻力兩測點(diǎn)的斷面列伯努利方程

2P,a.v,2

4+2S=z—+—+/?.

/2g

因?qū)嶒?yàn)管段水平，且為均勻流動，所以

Z1=z2,d、=d2,v}=v2,a}=a2?1,ht=hf

由此得

yy

即管路兩點(diǎn)的沿程水頭損失的等于測壓管水頭差A(yù)Ao

由此式求得沿程水頭損失，同時根據(jù)實(shí)測流量計算平均流速，將所得和數(shù)據(jù)繪

在對數(shù)坐標(biāo)紙上，就可擬定沿程水頭損失與平均流速的關(guān)系。

2.沿程阻力系數(shù)的測定

由上面的分析可以得到：

），y

由達(dá)西公式：

用體積法測得流量，并計算出斷面平均流速，即可求得沿程阻力系數(shù)

2gdbh

四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

1.沿程水頭損失與流速的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作。將實(shí)驗(yàn)臺個閥門置于關(guān)閉狀態(tài)，啟動實(shí)驗(yàn)管道閥門，將泵啟動，檢

查系統(tǒng)是否有泄露；排放導(dǎo)壓膠管中的空氣。

2）啟動調(diào)節(jié)閥門，測讀測壓計水面差。

3）用體積法測量流量，并計算出平均流速。

2.4）將實(shí)驗(yàn)的與計算得出的值標(biāo)入對數(shù)坐標(biāo)紙內(nèi)，繪出關(guān)系曲線。

3.5）調(diào)節(jié)閥門逐次由大到小，共測定10次。

4.沿程阻力系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)

1）本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行粗細(xì)不同管徑的兩組實(shí)驗(yàn)，每組各作出6個實(shí)驗(yàn)。

2）啟動進(jìn)水閥門，使壓差達(dá)成最大高度，作為第一個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

3）測讀水柱高度，并計算高度差。

4）用體積法測量流量，并測量水溫；

5）用不同符號將粗細(xì)管道的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)繪制成lgRe-lgl002對數(shù)曲線。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析

1.沿程水頭損失與流速的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計算如表4.1所示，關(guān)系曲線如圖4.2所示。

儀器常數(shù)：d=cm,A=cm2L=in,t=℃

表4.1數(shù)據(jù)表

h,hhfVtQV

No2lg%lgv

(cm)(cm)(cm)(cm3)(s)(cm3/s)(cm/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2.沿程阻力系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)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粗二cm,d細(xì)二cm,

m

t=℃/水=N/m：，

表4.2數(shù)據(jù)表

類h.h2h汞h水VtQVlg(

NoReIgReA

別(cm)(cm)(cm)(cm)(cm3)(s)(cm3/s)(cm/s)100A)

1

2

粗

3

4

管

5

6

細(xì)1

2

3

4

管

5

6

實(shí)驗(yàn)5管路局部阻力實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

i.掌握三點(diǎn)法、四點(diǎn)法測量局部阻力系數(shù)的技能。

2.通過對圓管突擴(kuò)局部阻力系數(shù)的包達(dá)定理和突縮局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)

驗(yàn)驗(yàn)證與分析，熟悉用理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法建立函數(shù)式的途徑。

3.加深對局部阻力損失機(jī)理的理解。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置同實(shí)驗(yàn)4,如圖4.1所示。

三、實(shí)驗(yàn)原理

1.寫出局部阻力前后兩斷面的伯努利方程，根據(jù)推導(dǎo)條件，扣除沿程水頭損失可得

局部水頭損失。

2.忽然擴(kuò)大沿程水頭損失與流速的關(guān)系

采用三點(diǎn)法計算，下式中由按流長比例換算得出：

實(shí)測

22

-=昭+.)+決］_［仁+.)+爭］+

y2gy2g

2

2g

理論

昂=。一3)2

A2

3.忽然縮小

采用四點(diǎn)法計算，下式中點(diǎn)為突縮點(diǎn)，由hf3.4換算得出，由換算得出。

實(shí)測

29

?叫av^

+衛(wèi))+5)+hfB-5]

2g/2g

2

…4

JS匚、

2g

經(jīng)驗(yàn)

四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

1.測記實(shí)驗(yàn)有關(guān)常數(shù)。

2.打開水泵，排除實(shí)驗(yàn)管道中的滯留氣體及測壓管氣體。

3.打開出水閥至最大開度，等流量穩(wěn)定后，測記測壓管讀數(shù)，同時用體積法計量流

量。

4.改變出水閥開度3?4次，分別測記壓管讀數(shù)及流量。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計算

記錄、計算有關(guān)常數(shù)：

cm,cm,cm,

1.cm,cm,cm,cm,cm,cm,,

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表5.1,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算結(jié)果如表5.2所示。

3.將實(shí)測局部阻力系數(shù)與理論值或經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較。

表5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)登記表

流量(cmVs)測壓管讀數(shù)cm

順序

體積時間流量

表5.2計算表

前斷面后斷面

阻力順流量6ZV22

avhrhr

3EE7

形式序cm/s2g2gcmcm

cmcm

cmcm

忽然擴(kuò)大

忽然縮小

六、分析和討論

1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，分析比較突擴(kuò)與突縮在相應(yīng)條件下的局部損失大小關(guān)系。

2.結(jié)合流動演示的水力現(xiàn)象，分析局部阻力損失機(jī)理何在？產(chǎn)生突擴(kuò)與突縮局部阻

力損失的重要部位在那里？如何減小局部阻力損失？

3.現(xiàn)有一段與調(diào)節(jié)閥相連，內(nèi)徑與實(shí)驗(yàn)管道相同的直管段（見圖4.1）,如何用兩點(diǎn)

法測量閥門的局部阻力系數(shù)？

實(shí)驗(yàn)6畢托管測速實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

i.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一點(diǎn)流速的技

能。

了解普朗特型畢托管的構(gòu)造和合用性，并檢查其測量精度，進(jìn)一步明確傳統(tǒng)流體力學(xué)測量

儀器的現(xiàn)實(shí)作用。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置同實(shí)驗(yàn)4,如圖4.1所示。

三、實(shí)驗(yàn)原理

用畢托管測量流速時,

u=c12gM=A:VA/Z

式中u一一畢托管測點(diǎn)史的流速；

C——畢托管的流速校正系數(shù)；

A/7畢托管的全壓水頭與靜水壓水頭差；

——儀器常數(shù)，。

對管嘴出流：

u=(p12gMi

式中一一測點(diǎn)處流速，由畢托管測定；

(P一一管嘴的流速系數(shù)；

——管嘴的作用水頭。

聯(lián)立解以上兩式，可得:

(p=cj△〃/AH

四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

1.打開水泵和出水閥，讀取管嘴的上下游水位和畢托管水頭。

2.調(diào)節(jié)出水閥、再反復(fù)環(huán)節(jié)1)三次。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計算

1.計算常數(shù)。畢托管的校正系數(shù),常數(shù)cm0.5/so

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計算見表6.1。

表6.1數(shù)據(jù)表

上下游水位差畢托管水頭差

測點(diǎn)流速

測點(diǎn)流速系數(shù)

實(shí)驗(yàn)(cm)(cm)u=k>/Xh

順序(p=c1A/z/AH

(cm/s)

HiH2A/7H3H4Ah

1

2

3

4

實(shí)驗(yàn)7文丘里流量計實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>