《流體力學(xué)》課堂實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

課程中文名稱：流體力學(xué)

課程英文名稱：FluidMechanics

課程編號(hào)：020060150

適用專業(yè)；新能源科學(xué)與工程

學(xué)時(shí)數(shù)：32

學(xué)分?jǐn)?shù)：2

課程類別：專業(yè)課程

應(yīng)開(kāi)課學(xué)期：第四學(xué)期

實(shí)驗(yàn)一：不可壓縮流體恒定流能量方程（伯努利方程）實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)類型：綜合型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)要求：5人/組

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.加深理解實(shí)際流體恒定總流的伯努利方程與能量損失之間的關(guān)系；

2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)諸多水力現(xiàn)象進(jìn)行分析研討，進(jìn)一步掌握有壓管流中動(dòng)水力

學(xué)的能量轉(zhuǎn)換特性；

3.掌握流速、流量、壓強(qiáng)等動(dòng)水力學(xué)水力要素的實(shí)驗(yàn)量測(cè)技能。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.測(cè)定流體流動(dòng)的流速、流量、壓強(qiáng)等水力學(xué)參數(shù)；

2.觀察有壓管流中動(dòng)水力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；

3.建立實(shí)際流體恒定總流的伯努利方程與能量損失之間的關(guān)系。

三、儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1.1所示。

圖1.1自循環(huán)伯諾利方程實(shí)驗(yàn)裝置圖

I.自循環(huán)供水器；2.實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3.可控硅無(wú)線調(diào)速器；4.溢流板；5.穩(wěn)水孔板；6.恒壓水箱；7.測(cè)

壓計(jì)；8.滑動(dòng)測(cè)量尺；9.測(cè)壓管；10.實(shí)瞼管道；11.測(cè)壓點(diǎn)；12.畢托管；13.實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥

說(shuō)明：

本儀器測(cè)壓管有兩種：

（1）畢托管測(cè)壓管（表2.1中標(biāo)*的測(cè)壓管），用以測(cè)讀畢托管探頭對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)的

總水頭"（=z?/），須注意一般情況下〃與斷面總水頭?二;）不同

y2gy2g

（因一般〃HV）,它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢(shì)；

（2）普通測(cè)壓管（表1.1未標(biāo)*者），用以定量量測(cè)測(cè)壓管水頭。

實(shí)驗(yàn)流量用閥13調(diào)節(jié),流量由智能化數(shù)顯流量計(jì)直接讀出（以下實(shí)驗(yàn)類同）。

四、實(shí)驗(yàn)原理、方法、手段和步驟

1.實(shí)驗(yàn)原理

在實(shí)驗(yàn)管路中沿管內(nèi)水流方向取〃個(gè)過(guò)水?dāng)嗝??？梢粤谐鲞M(jìn)口斷面（1）至

另一斷面（/）的能量方程式（＜=2,3,...,〃）

取切=B=…4〃=1,選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測(cè)壓管中讀出Z+2

1

值，測(cè)出通過(guò)管路的流量，即可計(jì)算出斷面平均流速P及」，從而即可得到各

打

斷面測(cè)壓管水頭和總水頭。

2.實(shí)驗(yàn)方法和步驟

（1）熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分清哪些測(cè)壓管是普通測(cè)壓管，哪些是畢托管測(cè)壓管，

以及兩者功能的區(qū)別。

（2）打開(kāi)開(kāi)關(guān)供水，使水箱充水，待水箱溢流，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程水箱始終都要

處于溢流狀態(tài)。檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測(cè)壓管水面是否齊平，如不平則需查明故

障原因（例連通管受阻、漏氣或夾氣泡等）并加以排除，直至調(diào)平。

（3）打開(kāi)閥13,觀察思考；1）；測(cè)壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)；2）；

測(cè)點(diǎn)（2）、（3）測(cè)壓管水頭同否？為什么？3）：測(cè)點(diǎn)（10）、（11）測(cè)管水頭是否

不同？為什么？）4）：測(cè)點(diǎn)（6）、（7）測(cè)管水頭怎樣？為什么？5）：當(dāng)流量增加

或減少時(shí)測(cè)壓管水頭如何變化？

（4）調(diào)節(jié)閥13開(kāi)度，使19號(hào)測(cè)壓管液面在標(biāo)尺6cm上下，待流量及測(cè)壓

管水頭高度穩(wěn)定后，測(cè)記各測(cè)壓管液面讀數(shù)（由于所有測(cè)點(diǎn)都在同一基準(zhǔn)面上,

在標(biāo)尺上直接讀取數(shù)據(jù)），同時(shí)測(cè)記流量計(jì)所顯示的流量（畢托管供演示用，不

必測(cè)記讀數(shù)），記入表1.2中。

（5）再改變流量1次，使閥門開(kāi)度開(kāi)到最大（這時(shí)19號(hào)測(cè)壓管在標(biāo)尺上已

沒(méi)有讀數(shù)，就記為零讀數(shù)），重復(fù)上述測(cè)量，把數(shù)據(jù)記入表1.2中。

（6）（Z+2）也就是測(cè)壓管水頭測(cè)記完后根據(jù)表2.3（1）的要求求出斷面的速

12

度水頭一，最后在表1.3（2）里疊加出總水頭（Z+"+”）。（提示：重力加

hy2g

速度g取980）。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

（1）把有關(guān)常數(shù)記入表Lio

表2.1D)=cm；Di=cm；D產(chǎn)cm

測(cè)點(diǎn)編26*8*1012*14*16*18*

1*45

號(hào)3791113151719

測(cè)點(diǎn)所

在管道

管徑cm

注：（1）測(cè)點(diǎn)6、7所在斷面內(nèi)徑為n,測(cè)點(diǎn)16、17為03,余均為

（2）標(biāo)“*”者為畢托管測(cè)點(diǎn)

（3）測(cè)點(diǎn)2、3為直管均勻流段同一斷面上的兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，10、II為彎管非均勻流段同一斷面上的兩

個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（2）量測(cè)（Z+上）并記入表1.2。

r

表2.2測(cè)記（Z+2）數(shù)值表（基準(zhǔn)面選在標(biāo)尺的零點(diǎn)上）單位：cm

Y

測(cè)點(diǎn)Q

23457913151719

編號(hào)cn?/s

實(shí)

驗(yàn)1Qi=

次

序

26=

（3）計(jì)算流速水頭和總水頭。

表23計(jì)算數(shù)值表

（I）流速水頭注：g取980

QI=(cm%)Q2=(cmVs)

管徑D：

Ir?

(cm)ArAV

(cm2)(cm/s)!f(cm2)(cm/s)??

(cm)(cm)

Di=

D2=

6=

(2)總水頭(Z+"+")(注：a=\)

y2g

Q

測(cè)點(diǎn)編號(hào)23457913151719

(cm3/s)

實(shí)

驗(yàn)1Q?=

次

序2Qz=

六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

i.讀取測(cè)壓管液面高度時(shí)，眼睛要與液面水平，讀取凹液面下端的數(shù)值；

2.測(cè)流量時(shí)，至少測(cè)兩次，要求兩次水的流出體積同為1000mL,流出時(shí)

間差不超過(guò)0.2s；

3.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，先開(kāi)泵，后開(kāi)出口閥，而試驗(yàn)接受時(shí)，先關(guān)出口閥后關(guān)水

泵，以保訐玻璃管中充滿液體。

七、預(yù)習(xí)與思考題

1.各個(gè)過(guò)水?dāng)嗝嫔系臏y(cè)壓管水頭高度的連線稱為測(cè)壓管水頭線，各個(gè)過(guò)水

斷面上的總水頭高度的連線稱為總水頭線。依你測(cè)量和計(jì)算的數(shù)據(jù)，想一想測(cè)壓

管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)有何不同？

實(shí)驗(yàn)二：雷諾實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)類型：綜合型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)要求：5人/組

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.觀察層流、紊流的流態(tài)及流體由層流變紊流、紊流變層流時(shí)的水力特征;

2.測(cè)定下臨界雷諾數(shù)，掌握?qǐng)A管流態(tài)的判別準(zhǔn)則：

3.學(xué)習(xí)應(yīng)用量綱分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法，了解其使用意義。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.觀察液體流動(dòng)時(shí)的層流和紊流現(xiàn)象；

2.區(qū)分兩種不同流態(tài)的特征，搞清兩種流態(tài)產(chǎn)生的條件；

3.分析圓管流態(tài)轉(zhuǎn)化的規(guī)律；

4.測(cè)定顏色水在管中的不同狀態(tài)下的雷諾數(shù)及沿程水頭損失；

5.繪制沿程水頭損失和斷面平均流速的關(guān)系曲線，驗(yàn)證不同流態(tài)下沿程水

頭損失的規(guī)律；

6.對(duì)比層流、紊流兩種流態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與動(dòng)力學(xué)特性的差異性；

7.學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法。

三、儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)的裝置如圖2.1所示。

I.自循環(huán)供水器；2.實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3.可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速器；4.恒區(qū)水箱；5.有色水水管;

6.穩(wěn)水孔板；7.溢流板；8.實(shí)驗(yàn)管道；9.實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥。

供水流量由無(wú)極調(diào)速器調(diào)控使恒壓水箱4始終保持微溢流的狀態(tài)，以提高進(jìn)

口前水體穩(wěn)定度。本恒壓水箱還設(shè)有多道穩(wěn)水隔板，可使穩(wěn)水時(shí)間縮短到3?5

分鐘,有色水經(jīng)有色水水管5注入實(shí)驗(yàn)管道8,可根據(jù)有色水散開(kāi)與否判別流態(tài)，

為防止循環(huán)水污染，有色指示水采用自行消色的專用色水。

四、實(shí)驗(yàn)原理、方法、手段和步驟

1.實(shí)驗(yàn)原理

雷諾形象化揭示了兩種不同的流態(tài)，而且通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)判別流

態(tài)的無(wú)量綱數(shù)一一雷諾準(zhǔn)則或雷諾數(shù)：

不論什么性質(zhì)的流體（Q〃），也不論在尺寸（心多大的管道中以多高的平

均流速（V）流動(dòng)，凡雷諾數(shù)媒＜232的流動(dòng)就是層流；當(dāng)代＞232的流動(dòng)就屬于

紊流。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備未受任何干擾，而不引起水箱內(nèi)液體微小擾動(dòng)時(shí)，由層流向紊流

過(guò)渡時(shí)，可能在很大的雷諾數(shù)下流動(dòng)才變?yōu)槲闪?，這時(shí)的雷諾數(shù)稱為上臨界雷

諾數(shù)Rwj.臨。反之紊流變成層流時(shí)的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)七”卜臨。

2.實(shí)驗(yàn)方法和步驟

（1）記錄本實(shí)驗(yàn)裝置的有關(guān)常數(shù)。

（2）觀察兩種流態(tài)。

打開(kāi)開(kāi)關(guān)3使水箱充水至溢流水位（整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程水箱始終控制于溢流狀

態(tài)），經(jīng)穩(wěn)定后，微微開(kāi)啟調(diào)節(jié)閥9,再打開(kāi)有色水水管上的止水夾，這時(shí)顏色

水便注入實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)，顏色水流慢慢的會(huì)形成一穩(wěn)定直線，通過(guò)顏色水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)

動(dòng)觀察管內(nèi)水流的層流流態(tài)，然后逐步開(kāi)大調(diào)節(jié)閥，通過(guò)顏色水直線的彎曲抖動(dòng)

觀察層流轉(zhuǎn)變到紊流的臨界特征（注：當(dāng)有色水線條剛開(kāi)始波動(dòng)變彎時(shí)，即為上

臨界狀態(tài)只觀察不測(cè)量數(shù)據(jù)）。

隨著閥門9的繼續(xù)開(kāi)大管中出現(xiàn)完全素流，爾后再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，觀察由

紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯乃μ卣鳌?/p>

（3）測(cè)定下臨界雷諾數(shù)。

①將調(diào)節(jié)閥打開(kāi)，使管中呈完全紊流，再逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥9使流量減小，

當(dāng)流量調(diào)節(jié)到使顏色水在全管剛呈現(xiàn)出一穩(wěn)定直線時(shí)，即為下臨界狀態(tài)。

②待管中出現(xiàn)下臨界狀態(tài)時(shí)，讀出流量計(jì)所顯示的流量記入表3.1。

③根據(jù)所測(cè)得的流量計(jì)算下臨界雷諾數(shù),并與公認(rèn)值(2000或2320)比較,

偏離過(guò)大，需重測(cè)；

④同時(shí)用水箱中的溫度計(jì)測(cè)記水溫，從而求得水的運(yùn)動(dòng)粘度。

注意：

a.每調(diào)節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定3到5分鐘；

b.關(guān)小閥門過(guò)程中，只許減小，不許開(kāi)大；

c.隨出水流量減小，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小開(kāi)關(guān)(右旋)，以減小溢流引發(fā)的擾動(dòng)。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

(1)記錄、計(jì)算有關(guān)常數(shù)：

管徑d=1.37cm,水溫T=℃

運(yùn)動(dòng)粘度----■一二二cnr/s

計(jì)算常數(shù)K=—=s/cm3

兀dv

(2)整理、記錄計(jì)算表。

表3.1