流体力学实验指导书（二）

流体力学综合实验台为多用途实验装置，利用这种实验台可进行下列实验：

一、 雷诺数实验（必做）；

二、沿程水头损失与流速的关系（必做）

三、能量方程验证实验（必做）；

四文丘里流量计校正实验

其结构示意图如图0-1所示。

图0-1  流体力学综合试验台结构示意图

1. 储水箱 2.上水流量调节阀 3. 回水管 4.恒压水箱 5.颜料供给系统6.标尺组及滑板7.测压管固定板  8. 雷诺实验流量调节9.综合流量调节、切断阀10. 接水箱

该实验装置流量计量采用体积法。

每次测定一定定容积和接水时间，从而计算实验过程中的流量或标准流量。

实验一、 雷诺实验(必做)

1、实验目的

   （1）观察流体在管道中的流动状态；

   （2）测定几种状态下的雷诺数；

   （3）了解流态与雷诺数的关系。

2、实验装置

在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺数实验管、调节尾部阀门、颜料水（可由甲基兰配制或蓝墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀，水泵和计量水箱等，温度计自备。

能量方程实验管道上的阀门始终处于关闭状态。

3、实验前准备

   （1）、将实验台的各个阀门置于关闭状态。开启水泵，全开水箱下的上水阀门，把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不变。

   （2）、用温度计测量水温。

             

图1-1  流体力学综合试验台雷诺实验示意图

1.储水箱  2.上水流量调节阀  3.恒压水箱  4.颜料流量调节阀 5.墨盒   6.实验管段  7.流量调节阀  8.计量水箱  9.回水管  10.实验桌 

4、实验方法

   （1）、观察状态

      检查系统正常后，接通电源，打开水泵开关上水。关闭能量方程实验管道上的阀门。调节上水流量调节阀2使恒压水箱中的溢流板有少量溢流。调节流量调节阀7，排除实验管内的气泡，然后把流量调小，约管内水为层流状态。

打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，此时雷诺实验管中的流动状态为紊流；随着出水阀门的不断的关小，颜料水与雷诺实验管中的水掺混程度逐渐减弱，直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流，此时雷诺实验管中的流动为层流。

  （2）测定几种状态下的雷诺系数

    全开出水阀门7，然后在逐渐关闭出水阀门7，直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一个状态下用电测法测量体积流量，用温度计测量水温，并求出相应的雷诺数。

根据实验数据和计算结果，可绘制出雷诺数与流量的关系曲线。

（3）测定下临界雷诺数

调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后缓缓地逐渐关小出水阀门，观察管内颜料水流的变动情况。当关小到某一程度时，管内的颜料水开始成为一条直线的线流，即为紊流转变为层流的下临界状态。记下此时的相应数据，求出下临界雷诺数。

4)观察层流状态下的速度分布

关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管二到三下，使颜料水在一小段管内扩散到整个断面。然后，再微微打开出水阀门，管内呈层流流动状态，这时即可观察到水的层流流动时呈抛物线状，演示出管内水流流速分布。

注：每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。关小阀门过程中，只许渐小，不许开大。随着出水流量减少，应调小上水阀门，以减少溢流水量引发的振动。

5、实验数据处理：

水温：t=    ℃，查表插值得， d=    mm。

流速：   

雷诺数：  

实验记录表

图1-2实验曲线

临界雷诺数：

不同温度下水的粘度

实验二、 沿程水头损失与流速的关系（必做）

1．实验目的

    验证沿程水头损失与平均流速的关系。  

2．实验前准备工作

    在综合实验台上安装沿程阻力测试管，将实验台个阀门置于关闭状态，开启实验管道阀门，将泵开启，检验系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。

3．实验原理

                图3-1 沿程水头损失与平均流速的关系实验管段

   对沿程阻力两测点的断面列能量方程

                             

   因实验管段水平，且为均匀流动：

                  

           得：

   上式中：  ：测压管水头差即为沿程水头损失。

   由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速V，将所得，V数据点绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与流速的关系。

4．实验步骤

   1）开启调节阀门，测读测压计水面差；

   2）用电测法测量流量，并计算出平均流速；

   3）将实验的与计算得出的值标入对数坐标纸内，以横座标为流速，纵座标为沿程阻力损失，绘出lgh_f-lg关系曲线；

   4）调节阀门逐次由大到小，共测定10次；使流速经过紊流区、过渡区、和层流区。

5．实验数据及曲线绘制

               仪器常数：d= 1.4   cm, A=        cm²

                         L= 0.5    m,  t=         ℃

表 3-1

三伯努利方程实验（必做）

一、       实验目的

1．        观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析，加深对能量方程的理解；

2．        掌握一种测量流体流速的原理：

3．        验证静压原理。

二、       实验设备

本实验台由压差板、实验管道、水泵、实验桌和计量水箱等组成。

图一  能量方程实验台示意图

实验台由储水箱及潜水泵，不锈钢恒压，位置不同高度、突然扩大突然缩小的带调节尾门的实验管段，全压、静压测压管，标尺、测压板，不锈钢会水箱，实验桌等组成。

三、       实验前的准备工作：

1．将回水管放于计量水箱的回水侧  2．接上各导压胶管 3．检验．测压板是否与水平线垂直  4．启动电泵使水工作循环5 ．检查各处是否有漏水的现象。6．用手堵住出水口突然放水，重复几次，直至使实验管中的气泡排除 7．关闭尾阀，检查各个测压管水位高度是否在同一水平线上，如果不在同一水平线上，说明有气泡存在，必须把其排除，直至达到同一水平线。

四、       几种实验方法和要求：

1．        验证静压原理：

启动电泵，关闭给水阀，此时能量方程试验管上各个测压管的液柱高度相同，因管内的水不流动没有流动损失，因此静水头的连线为一平行基准线的水平线，即在静止不可压缩均匀重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和（总势能）保持不变，测点的高度和测点位置的前后无关，记下四组数据于表二的最下方格中。

2．        测速：

能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流

表二 实验数据表

体点速度，本试验已将测压管开口位置在能量方程试验管的轴心，故所测得的动压为轴心处的，即最大速度。

毕托管求点速度公式：     

利用这一公式和求平均流速公式（）计算某一工况（如表中工况2平均速度栏）各测点处的轴心速度和平均流速得到表一

表一

表一还很清楚的说明了连续性方程，对于不可压缩流体稳定地流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。

3．      观察和计算流体、管径，能量方程试验管（伯努利管）对能量损失的情况：

在能量方程试验管上布置八对测压管，测量1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8截面上的总压和静压，全开给水阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，这说明流体的总势能沿着流体的流动方向是减少的，改变给水阀门的开度，同时用计量水箱和秒表测定不同阀门开度下的流量及相应的八组测压管液柱高度，记到数据表中。

根据以上数据和计算结果，绘出流量下的各种水头线，并解释图中现象。

思考题:自行设计一个表格，用所取得的数据，计算突然扩大断面和突然缩小断面的局部水头损失及局部阻力系数。

实验四、 文丘里流量计实验（必做）

1、 实验目的

  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）验证能量方程的正确性。

2、实验原理：

                      图8   文丘里测试简图

在文丘里流量计上取断面1-1，2-2列能量方程，令 ,不计水头损失，可得

                           （1）

由连续性方程

                                         （2）  

得：                                       

代入（1）式，可得流量的计算公式如下：

式中为两断面测压管水头差。

令：并定义为仪器常数。

于是

但在实际测量中，由于水头损失的存在。实际流量略小于计算流量Q。令为流量常数。则实际流量为。

实验数据：，

3、实验方法与步骤

  1 测量各有关常数

  2 打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达到测压计可测量的最大高度。

  3测读压差，同时用体积法测量流量。

  4逐次关小调节阀，改变流量7~9次，注意调节阀门应缓慢。

  5 把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。

  6 如测管内液面波动时，应取平均值。

4、 实验结果及要求

  1 记录计算有关数据。 

   d1=        cm,   d2=         cm,   水温  t=           ℃  

实验数据记录列表

实验结果表明该文丘里流量修正系数为           

5、 实验分析回答思考题

1.  文丘里流量计在安装时是否必须保持水平，如不水平，上述计算公式是否仍可应用？

2、文丘里流量计的实际流量与理论流量为什么会有差别，这种差别是由哪些因素造成的?

3、文丘里流量计的流量系数为什么小于1.0?

4、文丘里流量计的流量系数是否与雷诺数有关?通常给出一个固定的流量计流量系数应该怎么理解?

第二篇：水力学实验学生指导书

目    录

实验须知……………………………………………………………………1

实验一  自循环流动演示实验……………………………………………5

实验二  水击综合实验……………………………………………………2

实验三  流体静力学实验…………………………………………………16

实验四  雷诺实验…………………………………………………………36

实验五  不可压缩流体恒定流能量方程(伯努利方程)实验……………31

实验六  不可压缩流体恒定流动量定律实验……………………………39

实 验 须 知

一、实验基本要求

1．认真预习实验讲义、教材的有关原理部分，弄懂实验的大致步骤、主要设备、实验方法，熟悉实验中要接触的化学物质的物理、化学性质及操作时应注意的事项，完成预习报告。

2．实验过程中，认真操作，细心观察，深入思考，以科学的态度填写实验原始数据记录。
3．实验结束后，认真处理数据，完成思考题，并编写项目齐全、整洁、清楚的实验报告。

二、实验注意事项

1．遵守实验室的各项制度，听从指导教师的安排。
2．准时进入实验室，不准吸烟、吃零食，不准大声喧哗。
3．爱护各种仪器设备（电动搅拌器、循环水真空泵、电炉、各类玻璃仪器），轻拿轻放，未经指导教师同意不得动用与本实验无关的仪器。
4．对实验中损坏的仪器应及时登记，并报告指导教师，等待处理。
5．格外注意水、电的使用，防止触电及热灼伤发生，电炉严禁直接放在实验台上加热。

6．在实验过程中，保持实验室整洁卫生，实验台面无杂物、无积水，实验完毕，一切动用过的物品应恢复原样，立即清洗用过得玻璃仪器，搞好台面和地面卫生，关好水电阀门。

7．实验数据（实验现象及产量）记录经指导教师签字后方可离开实验室。
三、实验报告

    实验报告是实验的总结，整理实验结果也是一种基本训练。因此，要求各自独立完成实验报告。
　　实验报告文句应力求简明，书写清楚，正确使用标点。实验报告封面上中应正确填写出课程名称、专业、班级、姓名等信息。应在规定时间内交给指导教师批阅。

实验报告应包括下列内容：

1．实验目的及要求
2．实验原理
3．实验步骤（包括主要仪器、药品和实验方法及步骤）
4．数据记录及处理（含实验现象及产量）
5．实验结果讨论与思考题

实验一   自循环流动演示仪

一、实验目的

1、显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道等平面上的流动图像。

 2、显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管咀流量计以及壁面冲击、圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。

3、显示30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头、45°弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。

4、显示30°弯头、分流、合流、45°弯头，YF一溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。其中YF一溢流阀固定，为全开状态，蝶阀活动可调。

5、显示明渠逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。

6、显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正反流线体绕流等流段上的流动图谱。

7、显示“双稳放大射流阀”流动原理。

二、实验原理

1、在逐渐扩散段可看到由边界层分离而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，涡旋尺度越小，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，无分离，流线均匀收缩，亦无旋涡，由此可知，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。

在突然扩大段出现较大的旋涡区，而突然收缩只在死角处和收缩断面的进口附近出现较小的旋涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失(缩扩的直径比大于O.7时例外)，而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。

 由于本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管咀的流动图像。在管咀进口附近，流线明显收缩，并有旋涡产生，致使有效过流断面减小，流速增大。从而在收缩断面出现真空。

 在直角弯道和壁面冲击段，也有多处旋涡区出现。尤其在弯道流中，流线弯曲更剧，越靠近弯道内侧，流速越小。且近内壁处，出现明显的回流，所形成的回流范围较大，将此与ZL一2型中圆角转弯流动对比，直角弯道旋涡大，回流更加明显。

2、文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和旋涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的孔口处，只在拐角处有小旋涡出现，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。由此可知，孔板流量计的过流阻力较大；圆弧进口管嘴流量计入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产生：在圆形弯道段，边界层分离的现象及分离点明显可见，与直角弯道比较，流线较顺畅，旋涡发生区域较小。

3、在每一转弯的后面，都因边界层分离而产生旋涡。转弯角度不同，旋涡大小、形状各异。在圆弧转弯段，流线较顺畅，该串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的图谱。在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。

在此流段上还可看到射流的“附壁效应”现象。

4、在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的旋涡出现。合流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称之为“水塞”现象。为避免“水塞”，给排水技术要求合流时用45°三通连接。闸阀半开，尾部旋涡区较大，水头损失也大。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。蝶阀通常检修用，故只允许全开或全关。

5、单圆柱绕流时的边界层分离状况，分离点位置、卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱。（1）边界层分离将引起较大的能量损失。（2）卡门涡街圆柱的轴与来流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离后，不断交替在两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游，形成冯·卡门(Von Karman)“涡街”。

多圆柱绕流，被广泛用于热工中的传热系统的。“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等，流体流经圆柱时，边界层内的流体和柱体发生热交换，柱体后的旋涡则起混掺作用，然后流经下一柱体，再交换再混掺。换热效果较佳。

6、流线形柱体绕流，这是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。又从正、反流线体的对比流动可见，当流线体倒置时，也现出卡门涡街。因此，为使过流平稳，应采用顺流而放的圆头尖尾形柱体。

7、经喷嘴喷射出的射流(大信号)可附于任一侧面，若先附于左壁，射流经左通道后，向右出口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道与圆盘气孔相通时(通大气)，因射流获得左侧的控制流(小信号)，射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时若再转动控制圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。如要使射流再切换回来，只要再转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。

三、实验仪器

四、实验步骤

 1、起动打开旋钮，关闭掺气阀，在最大流速下便显不回网侧下水道充满水。

2、掺气量调节旋动调节阀5，可改变掺气量(ZL--7型除外)。注意有滞后性，调节应缓慢，逐次进行，使之达到最佳显示效果。掺气量不宜太大，否则会阻断水流或产生振动(仪器产生剧烈噪声)。

五、实验现象分析与讨论

1、旋涡的大小和紊动强度与流速有何关系？

2、突扩段比突缩段的局部水头损失大小比较？

3、合流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称之为‘‘水塞”现象。为避免“水塞”应采取什么措施？

4、流线形柱体绕流，这是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。又从正、反流线体的对比流动比较，为使过流平稳，应采用哪种流线体？

实验二  水击综合实验

一、实验目的

1．观察管道水击现象的发生、传播与消失过程，增强对水击现象的感性认识。

2．量测水击引起的压强增量，加深对水击影响的定量认识。

3．了解水击的利用—水击扬水原理。

4．通过调压室水位振荡现象的演示，以及使用调压室前、后水击压强增量的变化情况，了解调压室消减水击压强的作用。

二、实验原理

1、水击的产生：在有压管道中，由于某种原因（如迅速关闭或开启阀门、水泵机突然停电等）使得水流速度发生突然的变化，从而引起管内压强急剧升高和降低的交替变化以及水体、管壁压缩与膨胀的交替变化，并以波的形式在管中往返传播的现象称为水击（或水锤）。

2、水击的危害：强烈震动、噪声和声穴，有时甚至引起管道的变形、爆裂或阀门的损坏（工程安全问题）。

3、水击的利用——水击扬水原理（可利用水击产生的压强将水提升到高处）。

水击扬水机由图中的l、9、11、12、13、5、4、2等部件组成。

水击发生阀11每关闭一次，在水击室13内就产生一次水击升压，逆止阀12随之被瞬时开启，部分高压水被注入压力室5，当阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。由于阀11的不断运作水击连续多次发生，水流亦一次一次地不断注入压力室，因而便源源不断地把水提升到高处。这正是水击扬水机工作原理，本仪器扬水高度为37cm，即超过恒压供水箱的液面达1.5倍的作用水头。

水击扬水虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒规律。扬水提升的水量仅仅是流过供水管的一部分，另一部分水量通过阀11的阀孔流出了水击室。正是这后一部分水量把自身具有势能(其值等于供水箱液面到阀11出口处的高差)，以动量传输的方式，提供了扬水机扬水。由于水击的升压可达几十倍的作用水头，因而若提高扬水机的出水管2的高度，水击扬水机的扬程也可相应提高，但出水量会随着高度的增加而减小。

4、水击危害的消除——调压筒(井)工作原理

如上所述，水击有可利用的一面，但更多的是它对工程具有危害性的一面。例水击有可能使输水管爆裂。为了消除水击的危害，常在阀门附近设置减压阀或调压筒(井)、气压室等设施。本仪器设有由阀l0和调压筒6组成水击消减装置。

实验时全关阀4、全开阀10。然后手动控制阀11的开与闭。由气压表3可见，此时，水击升压最大值约为120m汞柱，其值仅为阀10关闭时的峰值的l／3。同时，该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位(以下称库水位)，而当阀11突然关闭时，调压筒中的水位很快涌高且超过库水位，并出现和竖立U形水管中水体摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。

三、仪器简介

1、仪器装置简图

    本实验仪由恒压水箱、供水管、调压筒、水击室、压力室、气压表、扬水机出水管、水击发生阀、水泵、可控硅无级调速器及集水箱等组成其装置如下图所示。

1、恒压水箱 2、水击扬水机出水管  3、气压表 4、扬水机截止阀

5、压力室   6、调压筒   7、水泵  8、水泵吸水管

9、供水管   10、调压筒截止阀   11、水击发生阀  12、逆止阀

13、水击室  14、集水箱    15、底座   16、回水管

四、实验步骤：

1、通电试验

放水前插上市电220V电源，顺时针旋转调速器旋钮，水泵启动。

2、启动水击发生阀11

启动阀11，必须先向下推开，并使过水系统中的空气全部排出，然后松手，阀11就会自动地往复上下运动，时开时闭而发生水击。

3、量测水击压强

量测时，应全关阀10和4。

4、水击扬水实验

应全开阀4，全关阀10。

   5、调压井实验

应全关阀4，全开阀10。

五、实验数据记录及实验现象记录

1、无调压井时水击压强达到的最大值,有调压井时水击压强达到的最大值，并分别与位置水头比较

2、扬水机演示现象

六、实验结果分析及讨论

1、水击产生的压强值与工作水头值比较有何结论？

2、水击预防措施有哪些？

3、若改变扬水机出水管的高度，水击扬水机扬程是否会提高，且出水管水量有何变化？

4、直接水击和间接水击的区别？

实验三   流体静力学实验

一、实验目的要求

1．掌握用测压管测量流体静压强的技能；

2．验证不可压缩流体静力学基本方程；

3．通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际问题的能力。

二、实验装置

本实验的装置如图1.1所示。

图l.1  流体静力学买验装置图

1．测压管； 2．带标尺测压管； 3．连通管； 4．真空测压管； 5．U型测压管； 6．通气阀； 7.加压打气球； 8．截止阀； 9．油柱； 10．水柱； 11．减压放水阀。

  说明：

  1、所有测管液面标高均以标尺(测压管2)零读数为基准；

  2、仪器铭牌所注▽B、▽C、▽D系测点B、C、D标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则▽B、▽C、▽D亦为Z_B、Z_C、Z_D；

  3、本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。

三、实验原理

1、在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程

                     （1.1）

或 

式中z一一被测点在基准面以上的位置高度；

       p一一被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；

       p₀一一水箱中液面的表面压强；

       一一液体容重；

       h一一被测点的液体深度。

另对装有水油(图1．2及图1．3)U型测管，应用等压面可得油的比重S₀有下列关系：

                             （1.2）

据此可用仪器(不用另外尺)直接测得S₀

四、实验方法与步骤

1、搞清仪器组成及其用法。包括：

（1）各阀门的开关；

（2）加压方法  关闭所有阀门(包括截止阀)，然后用打气球充气；

（3）减压方法  开启筒底阀11放水；

（4）检查仪器是否密封  加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。

2、记录仪器号No．及各常数(记入表1.1)。

3、量测点静压强(各点压强用厘米水柱高表示)。

（1）打开通气阀6(此时p₀=0)，记录水箱液面标高▽o和测管2液面标高▽H(此时▽0=▽H)；

（2）关闭通气阀6及截止阀8，加压使之形成Po>0，测记▽o及▽H；

（3）打开放水阀11，使之形成P₀<0(要求其中一次<0，即▽H<▽B)，测记▽0及▽H。

4、测出 4＃测压管插人小水杯中的深度。

5、测定油比重 S₀。

（1）开启通气阀 6 ，测记▽o

（2）关闭通气阀 6 ，打气加压（ p₀＞ 0 ) ，微调放气螺母使U形管中水面与油水交界面齐平（图 1.2 ) ，测记▽o及▽H(此过程反复进行 3 次）;

（3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（ p₀＜0 ) ，使 U 形管中的水面与油面齐平（图 1. 3 ) ，测记▽o及▽H(此过程亦反复进行3次）。

五、实验成果及要求                

1、记录有关常数。                                  

各测点的标尺读数为：

▽B =     cm ，▽C =      cm ，▽D =      cm ，γ_w＝      N / 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。γ₀＝       N/cm³  

4、测出4#测压管插入小水杯中的深度。 △h₄=       cm

六、实验分析与讨论

1、同一静止液体内的测管水头线是根什么线?

2、当P_B<0时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。

3、若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ_o。

 4、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?哪一部分液体是同一等压面?

实验四  雷诺实验

一、实验目的

1．观察层流、紊流的流态及其转换特征；

2．测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；

3．学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。

二、实验装置

本实验的装置如图2-1所示．

 

图2-1  自循环雷诺实验装置图

1．自循环供水器； 2．实验台； 3．可控硅无级调速器； 4．恒压水箱；5．有色水水管； 6．稳水孔板； 7．溢流板； 8。实验管道； 9．实验流量调节阀。

    供水流量由无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3—5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。

三、实验原理

 

四、实验步骤

1．测记本实验的有关常数。

2．观察两种流态。

    打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。

   3．测定下临界雷诺数。

(1)将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；

    (2)待管中出现临界状态时，用体积法或电测法测定流量；

    (3)根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大，需重测；

    (4)重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；

    (5)同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。

    注意： a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；

           b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；

           c、随出水流量减小，应适当调小开关(右旋)，以减小溢流量引发的扰动。

    4．测定上临界雷诺数。

    逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数l～2次。

五、实验数据记录及处理

1．记录、计算有关常数：                                     实验装置台号No_______

管径d=          水温t=                     ℃

运动黏度

计算常数K=         s/cm³

2．整理记录计算表

注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲．直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。

六、思考题与讨论

1．流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速?

2．为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据?实测下临界雷诺数为多少?

3．雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在?

4．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在?

5．分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异?

实验五  不可压缩流体恒定流能量方程

(伯努利方程)实验

一、实验目的

1．验证流体恒定总流的能量方程；

2．通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性；

3．掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。

二、实验装置

本实验的装置如图1-1所示。

图1-1  自循环伯努利方程实验装置图

1．自循环供水器； 2．实验台； 3．可控硅无级调速器； 4．溢流板；5．稳水孔板；

6．恒压水箱； 7．测压计； 8．滑动测量尺； 9．测压管；10．实验管道；

11．测压点； 12．毕托管； 13．实验流量调节阀。

    说明:

    本仪器测压管有两种：

    1．毕托管测压管(表1-1中标*的测压管)，用以测读毕托管探头对准点的总水头，须注意一般情况下H’与断面总水头，不同（因一般u≠v），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；

    2．普通测压管(表1-1未标*者)，用以定量量测测压管水头。

   实验流量用阀13调节，流量由体积时间法(量筒、秒表另备)、重量时间法(电子称另备)或电测法测量(以下实验类同)。

三、实验原理

在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的能量方程式(i=2，3，……，n)

  

取a₁ = a₂ = …a_n = 1,选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出     值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速u及，从而即可得到各断面测管水头和总水头。

四、实验步骤

    1．熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。

    2．打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因(例连通管受阻、漏气或夹气泡等)并加以排除，直至调平。

3．打开阀13，观察思考

1)测压管水头线和总水头线的变化趋势；

2)位置水头、压强水头之间的相互关系；

3)测点(2)、(3)测管水头同否?为什么?

4)测点(12)、(13)测管水头是否不同?为什么?

5)当流量增加或减少时测管水头如何变化?

    4．调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量(毕托管供演示用，不必测记读数)。

    5．改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。

五、实验数据记录及处理

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

2．量测，并记人表1-2。

 3．计算流速水头和总水头。

（1）流速水头       

表1-3（1）流速水头表

(2)总水头

表1-3（2）总水头表

4．绘制上述成果中最大流量下的总水头线E－E和测压管水头线P－P(轴向尺寸参见图2-2，总水头线和测压管水头线可以绘在图2-2上)。

    提示：  1．P－P线依表1-2资料绘制，其中测点l0、11、13资料不用；

             2．E－E线依表1-3(2)资料绘制，其中测点10、11资料不用；

3．在等直径管段E-E与P—P线平行

 

六、思考题及讨论

1．测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同?为什么?

2．流量增加，测压管水头线有何变化?为什么?

3．测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题?

4．试问避免喉管(测点7)处形成真空有哪几种技术措施?分析改变作用水头(如抬高或降低水箱的水位)对喉管压强的影响情况。

5．毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。

实验六  不可压缩流体恒定流动量定律实验

  一、实验目的

    1．验证不可压缩流体恒定流的动量方程；

    2．通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研讨，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理；

    3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，进一步启发与培养创造性思维的能力。

    二、实验装置

本实验的装置如图3-1所示。

图3-1  动量定律实验装置图

    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．集水箱； 8．带活塞的测压管； 9．带活塞和翼片的抗冲平板； 10．上回水管。

    自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控制。水流经供水管供给恒压水箱5，溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴6的水流形成射流。冲击带活塞和翼片的抗冲平板9，并以与入射角成90°的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管8中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深h。可由测压管8测得，由此可求得射流的冲力，即动量力F冲击后的弃水经集水箱7汇集后，再经上回水管10流出，最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。

为了自动调节测压管内的水位，以使带活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影响，本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术，其构造如下：

带活塞和翼片的抗冲平板9和带活塞套的测压管8如图3．2所示，该图是活塞退出活塞套时的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a，进口端位于平板中心，出口端伸出活塞头部，出口方向与轴向垂直。在乎板上设有翼片b，活塞套上设有窄槽c。

    工作时，在射流冲击力作用下，水流经导水管。向测压管内加水。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽c关小，水流外溢减少，使测压管内水位升高，水压力增大。反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测管内水位降低，水压力减小。在恒定射流冲击下，经短时段的自动调整，即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上，过a流进测压管的水量和过c外溢的水量相等。由于平板上设有翼片b，在水流冲击下，平板带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。

    为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平衡状态下，人为地增减测压管中的液位高度，可发现即使改变量不足总液柱高度的±5‰(约0.5～1mm)，活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移，开大或减小窄槽c，使过高的水位降低或过低的水位提高，恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.5％，亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。

  三、实验原理

    恒定总流动量方程为

      

取脱离体如图3.3所示，因滑动摩擦阻力水平分力f_x < 0.5％F_x，可忽略不计，故方向的动量方程化为

式中： h_c一一作用在活塞形心处的水深；

       D一一活塞的直径；

       Q一一射流流量；

       v_1x一一射流的速度；

       β₁一一动量修正系数。

    实验中，在平衡状态下，只要测得流量Q和活塞形心水深h_c，由给定的管嘴直径d和活塞直径D，代人上式，便可率定射流的动量修正系数β₁值，并验证动量定律。其中，测压管的标尺零点已定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞圆心处的水深。

    四、实验方法与步骤

    1．准备  熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。

    2．开启水泵  打开调速器开关，水泵启动2～3分钟后，关闭2～3秒钟，以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气。

    3．调整测压管位置  待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快，然后旋转螺丝固定好。

    4．测读水位  标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即h_c值。

    5．测量流量  用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于20秒，若用电测仪测流量时，则需在仪器量程范围内。均需重复测三次再取均值。

6．改变水头重复实验  逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按3～5步骤重复进行实验。

    7．验证u_2x≠0对F_x的影响 取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位置，使反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深h_c’和管嘴作用水头H₀。

五、实验成果及要求

1．记录有关常数。          实验装置台号No_______

  管嘴内径d =    cm，    活塞直径D =         cm

2．设计实验参数记录、计算表，并填入实测数据。

表3-1测量记录及计算表

3．取某一流量，绘出脱离体图，阐明分析计算的过程。

  六、实验分析与讨论

1．实测（平均动量修正系数）与公认值（β：1.02~1.05)符合与否?如不符合，试分析原因。

2．带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响?为什么？

3．若通过细导水管的分流，其出流角度与v₂相同，对以上受力分析有无影响?

    4．滑动摩擦力人为什么可以忽略不计?试用实验来分析验证人的大小，记录观察结果。（提

示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水量，观察活塞及液位的变化）。

    5．v_2x若不为零，会对实验结果带来什么影响?试结合实验步骤7的结果予以说