福州大学土木工程学院本科实验教学示范中心

学生实验报告

工程流体力学实验

题目：

实验项目1：毕托管测速实验

实验项目2：管路沿程阻力系数测定实验

实验项目3：管路局部阻力系数测定实验

实验项目4：流体静力学实验

姓名：李威 学号：051001509组别：________

实验指导教师姓名：__________________________

  同组成员：____________________________________

20##年月日

实验一  毕托管测速实验

一、实验目的要求：

1．通过对管嘴淹没出流点流速及点流速系数的测量，掌握用测压管测量点流速的技术和使用方法。 
2．通过对毕托管的构造和适用性的了解及其测量精度的检验，进一步明确水力学量测仪器的现实作用。

二、实验成果及要求

                                       实验装置台号No     

表1       记录计算表         校正系数c=        ，k=        cm0.5/s

   

三、实验分析与讨论

1．利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验排净与否？

答：若测压管内存有气体，在测量压强时，水柱因含气泡而虚高，使压强测得不准确。排气后的测压管一端通静止的小水箱中（此小水箱可用有透明的机玻璃制作，以便看到箱内的水面），装有玻璃管的另一端抬高到与水箱水面略高些，静止后看液面是否与水箱中的水面齐平，齐平则表示排气已干净。

2．毕托管的压头差Δh和管嘴上、下游水位差ΔH之间的大小关系怎样？为什么？

答：这两个差值分别和动能及势能有关。在势能转换为动能的过程中，由于粘性的存在而有能量损失，所以压头差较小。

3．所测的流速系数说明了什么？

实验二  管路沿程阻力系数测定实验

一、实验目的要求：

1． 掌握沿程阻力的测定方法；

2. 测定流体流过直管时的摩擦阻力，确定摩擦系数λ与的关系；

3测定流体流过直管时的局部阻力，并求出阻力系数ξ；

4学会压差计和流量计的使用。

二、实验成果及要求

1．有关常数。                                   实验装置台号         

圆管直径d=        cm，    量测段长度L=85cm。及计算（见表1）。

2．绘图分析*    绘制lgυ～lgh_f曲线，并确定指数关系值m的大小。在厘米纸上以lgυ为横坐标，以lgh_f为纵坐标，点绘所测的lgυ～lgh_f关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。求厘米纸上直线的斜率

将从图上求得的m值与已知各流区的m值（即层流m=1，光滑管流区m=1.75，粗糙管紊流区m=2.0，紊流过渡区1.75<m<2.0）进行比较，确定流区。

表1    记录及计算表

常数K=π²gd⁵/8          L=     cm⁵/s²

三、实验分析与讨论

1.为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？如实验管道安装成倾斜，是否影响实验成果？

答：在管道中的，水头损失直接反应于水头压力。测力水头两端压差就等于水头损失。

如果管道倾斜安装，不影响实验结果。

但压差计应垂直，如果在特殊情况下无法垂直，可乘以倾斜角度转化值。

2．据实测m值判别本实验的流动型态和流区。

答：～曲线的斜率m=1.0～1.8，即与成正比，表明流动为层流（m=1.0）、紊流光滑区和紊流过渡区（未达阻力平方区）。

3．本次实验结果与莫迪图吻合与否？试分析其原因。

答：钢管的当量粗糙度一般为0.2mm，常温下，，经济流速，若实用管径D=（20～100）cm，其～，相应的=0.0002～0.001，由莫迪图可知，流动均处在过渡区。

若需达到阻力平方区，那么相应的～，流速应达到(5～9)m/s。这样高速的有压管流在实际工程中非常少见。

而泄洪洞的当量粗糙度可达(1～9)mm，洞径一般为（2～3）m，过流速往往在(5～10)m/s以上，其大于，故一般均处于阻力平方区。

实验三  管路局部阻力系数测定实验

一、实验目的要求：

二、实验成果及要求

1．记录计算有关常数。                          实验装置台号No         

d₁=D₁=          cm，        d₂=d₃= d₄= D₂=        cm，

d₅=d₆=D₃=          cm，        l_1—2=12cm，      l_2—3=24cm，

l_3—4=12cm，     l_4—B=6cm，      l_B—5=6cm，       l_5—6=6cm，

=                        ，

=                        。

2．整理记录、计算表。

3．将实测值与理论值（突扩）或公认值（突缩）比较。

表1  记录表

表2计算表

三、实验分析与讨论

1．结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系：

1）不同R_e的突扩ξ_e是否相同？

2）在管径比变化相同的条件下，其突扩ξ_e是否一定大于突缩ξ_s？

答：由式

及

表明影响局部阻力损失的因素是和。由于有

突扩：

突缩：

则有

当                   

或

                     

时，突然扩大的水头损失比相应的突然收缩的要大。在本实验最大流量Q下，突然扩大损失较突然缩小损失约大一倍，即。

     接近于1时，突然扩大的水流形态接近于逐渐扩大管的流动，因而阻力损失显著减小。

2．结合流动仪演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里？怎样减小局部阻力损失？

答：流动演示仪1-7型可显示突扩、突缩、渐扩、渐缩、分流、合流、阀道、绕流等三十多种内、外流的流动图谱。据此对于局部阻力损失的机理分析如下：

从显示的图谱可见，凡流道边界突变处，形成大小不一的漩涡区。漩涡是产生损失的主要根源。由于水质点的无规则运动和激烈的紊动，相互磨擦，便消耗了部分水体的自储能量。另外，当这部分低能流体被主流的高能流体带走时，还须克服剪切流的速度梯度，经质点间的动能交换，达到流速的重新组合，这也损耗了部分能量。这样就造成了局部阻力损失。

从流动仪可见，突扩段的漩涡主要发生在突扩断面以后，而且与扩大系数有关，扩大系数越大，漩涡区也越大，损失也越大，所以产生突扩局部阻力损失的主要部位在突扩断面的后部。而突缩段的漩涡在收缩断面均有。突缩前仅在死角区有小漩涡，且强度较小，而突缩的后部产生了紊动度较大的漩涡环区。可见产生突缩水头损失的主要部位是在突缩断面后。

从以上分析可知，为了减小局部阻力损失，在设计变断面管道几何边界形状时应流线型化或昼接近流线形，以避免漩涡的形成，或使漩涡区尽可能小。如欲减小管道的局部阻力，就应减小管径比以降低突扩段的漩涡区域；或把突缩进口的直角改为圆角，以消除突缩断面后的漩涡环带，可使突缩局部阻力系数减小到原来的～。突然收缩实验管道使用年份长以后，实测阻力系数减小，主要原因也在这里。

实验四  流体静力学实验

一、实验目的要求：．

1.通过本实验加强对静力学概念的理解
2．应用U形压力计测定容器A内液面上的气体压强（即表压和真空度的测定）。
3．测定不同指示液时U形压力计的读数。

二、实验成果及要求

1．记录有关常数。                             实验装置台号No          

各测点的标尺读数为：

▽_B = 1.10cm，▽_C= -3.50cm，▽_D= -6.50cm， = 9800N/cm³。

2．分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，并选择一基准检验同一静止液体内的任意二点C、D的是否为常数。

3．求出油的容重。

4．测出4^#测压重管插入小水杯水中深度。

三、实验分析与讨论

1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？

答：测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。实验直接观察可知，同一静止液面内的测压管水头线是一根水平线。

2．当p_B<0时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。

答：，相应容器的真空区域包括以下三个部分：

（1）过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占区域，均为真空区域。

（2）同理，过箱顶小不杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。

（3）在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区域。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。

3．若再箅一根直尺，试采用另外最简便的方法测定。

答：最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度和，由式 ，从而求得

4．如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？

答：设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算

式中，为表面张力系数；为液体容量；为测压管的内径；为毛细升高。常温的水，，。水与玻璃的浸润角很小，可以认为。于是有

                           （、均以计）

一般来说，当玻璃测压管的内径大于10时，毛细影响可略而不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机下班玻璃作测压管时，浸润角较大，其较普通玻璃管小。

如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。

5．过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部液体是同一等压面？       答：不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具有下列5个条件的平面才是等压面：（1）重力液体；（2）静止；（3）连通；（4）连通介质为同一均质液体；（5）同一水平面。而管5与水箱之间不符合条件（4），相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是水平面。

6．用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？

答：关闭各通气阀门，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由C进入水箱。这时阀门的出流就是变液位下的恒定水流。因为由观察可知，测压管1的液面始终与C点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒定流动。这是由于液位的降低与空气补充使箱体表面真空度的减小处于平衡状态。医学上的点滴注射就是此原理应用的一例，医学上称这为马利奥特容器的变液位下恒定流。

7．该仪器在加气增压后，水箱液面将下降δ而测压管液面半升高H,实验时,若以p₀=0时的水箱液面作为测量基准,试分析加气增压后,实际压强(H+δ)与视压强H的相对误差值.本仪器测压管内径为0.8cm,箱体内径为20cm.

表1   流体静压强测量记录及计算表         单位：cm

注：表中基准面选在 测压管零刻度线   Z_C=  -3.50 cm Z_D=  -6.50cm

表2  油容重测量记录及计算表     单位：cm

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* 附录1    实验曲线绘法建议

1．图纸    绘图纸可用普通厘米纸或对数纸，面积不小于12×12cm；

2．坐标确定    若采用厘米纸，取lgh_f为纵坐标（绘制实验曲线一般以因变量为纵坐标），lgv为横坐标；采用对数纸，纵坐标写h_f，横坐标用v，即不写成对数；

3．标注    在坐标轴上，分别标明变量名称、符号、单位以及分度值；

4．绘点    据实验数据绘出实验点；

5．绘曲线    据实验点分布绘制曲线，应使位于曲线两侧的实验点数大致相等，且各点相对曲线的垂直距离总和也不致相等。

第二篇：工程流体力学实验报告

工程流体力学

实验报告

(三)毕托管测速实验

一、实验目的和要求

  1．通过对管嘴淹没出流点流速及点流速系数的测量，掌握用毕托管测量点流速的技能；

  2. 了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其量测精度，进一步明确传统流体力学量测仪器的现实作用。

 

二、实验装置

  本实验的装置如图4．1所示。

图4．1  毕托管买验装置图

    1．自循环供水器；  2．实验台；  3．可控硅无级调速器；  4．水位调节阀；  5．恒压水箱；  6．管嘴；  7．毕托管；  8．尾水箱与导轨；  9．测压管；    10．测压计；    11．滑动测量尺(滑尺)；    12．上回水管。

  说明

  经淹没管嘴6，将高低水箱水位差的位能转换成动能，并用毕托管测出其点流速值。测压计10的测压管1、2用以测量高、低水箱位置水头，测压管3、4用以测量毕托管的全压水头和静压水头。水位调节阀4用以改变测点的流速大小。

三、实验原理

                                (4.1)

式中  u——毕托管测点处的点流速；

      c——毕托管的校正系数；

      ——毕托管全压水头与静水压头差。

                                    (4.2)

联立求解上两式可得                                          (4.3)

式中  u——测点处流速，由毕托管测定；

      ——测点流速系数；

      △H——管嘴的作用水头。

   

四、实验方法与步骤

    1．准备    (a)熟悉实验装置各部分名称、作用性能，搞清构造特征、实验原理。(b)用医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管1、2相连通。(c)将毕托管对准管嘴，距离管嘴出口处约2～3cm，上紧固定螺丝。

    2．开启水泵    顺时针打开调速器开关3，将流量调节到最大。

    3．排气    待上、下游溢流后，用吸气球(如医用洗耳球)放在测压管口部抽吸，排除毕托管及各连通管中的气体，用静水匣罩住毕托管，可检查测压计液面是否齐平，液面不齐平可能是空气没有排尽，必须重新排气。

    4．测记各有关常数和实验参数，填入实验表格。

    5．改变流速     操作调节阀4并相应调节调速器3，使溢流量适中，共可获得三个不同恒定水位与相应的不同流速。改变流速后，按上述方法重复测量。

    6．完成下述实验项目：

      (1)分别沿垂向和沿流向改变测点的位置，观察管嘴淹没射流的流速分布；

      (2)在有压管道测量中，管道直径相对毕托管的直径在6～10倍以内时，误差在2～5％以上，不宜使用。试将毕托管头部伸入到管嘴中，予以验证。

    7．实验结束时，按上述3的方法检查毕托管比压计是否齐平。

   

五、实验成果及要求

实验装置台号No_____________

表4.1 记录计算表       校正系数c=  0.999  k= 4.423 cm^0.5/s

六、实验分析与讨论

1．利用测压管测量点压强时，为什么要排气?怎样检验排净与否？

2．毕托管的压头差△h和管嘴上、下游水位差△H之间的大小关系怎样?为什么？

3．所测的流速系数说明了什么？

4．据激光测速仪检测，距孔口2～3cm轴心处，其点流速系数为0．996，试问本实验的毕托管精度如何？如何率定毕托管的校正系数c？

5．普朗特毕托管的测速范围为0.2～2m/s，流速过小过大都不宜采用，为什么？另，测速时要求探头对正水流方向(轴向安装偏差不大于10度)，试说明其原因(低流速可用倾斜压差计)。

6．为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器？

（五）局部阻力损失实验

一、实验目的要求

  1．掌握三点法、四点法量测局部阻力系数的技能；

  2．通过对圆管突扩局部阻力系数的包达公式和突缩局部阻力系数的经验公式的实验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径；

  3．加深对局部阻力损失机理的理解。

二、实验装置

  本实验装置如图8．1所示

图8．1  局部阻力系数实验装置图

1．自循环供水器；  2．实验台；  3．可控硅无级凋速器；  4．恒压水箱；   5．溢流板；  6．稳水孔板；  7．突然扩大实验管段；  8．测压计；   9．滑动测量尺；   10．测压管；    11．突然收缩实验管段；    12．实验流量调节阀

实验管道由小→大→小三种已知管径的管道组成，共设有六个测压孔，测孔1—3和3—6分别测量突扩和突缩的局部阻力系数。其中测孔1位于突扩界面处，用以测量小管出口端压强值。

三、实验原理

  写出局部阻力前后两断面的能量方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得：

1．  突然扩大  

  采用三点法计算，下式中由按流长比例换算得出。

实测

理论                   

                        

2．突然缩小

采用四点法计算，下式中B点为突缩点，由换算得出，由换算得出。

实测    

经验    

四、实验方法与步骤

  1．测记实验有关常数。

  2．打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中的滞留气体。待水箱溢流后，检查泄水阀全关时，各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。

  3．打开泄水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法或用电测法测记流量。

  4．改变泄水阀开度3～4次，分别测记测压管读数及流量。

  5．实验完成后关闭泄水阀，检查测压管液面是否齐平?否则，需重做。

五、实验成果及要求

1．记录、计算有关常数：                                 实验装置台号 No＿＿

d₁ =D₁ = 1.08cm    d₂=d₃=d₄=D₂=  2.0cm

d₅= d₆ =D₃ = 1.13cm ，         l_1-2=12cm，   ，

，     ，      ，   ，

，

。

2．整理记录、计算表。

3．将实测ζ值与理论值(突扩)或公认值(突缩)比较。

表8．1  记录表

表8．2  计算表

六、实验分析与讨论

1．结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。

2．结合流动仪演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在?产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里?怎样减小局部阻力损失?

3．现备有一段长度及联接方式与调节阀(图8．1)相同，内径与实验管道相同的直管段，如何用两点法测量阀门的局部阻力系数?

☆4．实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数()如下：

试用最小二乘法建立局部阻力系数的经验公式。

☆5．试说明用理论分析法和经验法建立相关物理量间函数关系式的途径。