流体力学实验指导书.doc

流体力学实验指导书与报告（第二集）动量定律实验毕托管测速实验文丘里流量计实验局部阻力实验孔口与管嘴实验 静压传递自动扬水演示实验中国矿业大学能源与动力实验中心学生实验守则一、学生进入实验室必须遵守实验室规章制度，遵守课堂纪律，衣着整洁，保持安静，不得迟到早退，严禁喧哗、吸烟、吃零食和随地吐痰。如有违犯，指导教师有权停止基实验。二、实验课前，要认真阅读教材，作好实验预习，根据不同科目要求写出预习报告，明确实验目的、要求和注意事项。三、实验课上必须专心听讲，服从指导教师的安排和指导，遵守操作规程，认真操作，正确读数，不得草率敷衍，拼凑数据。四、预习报告和实验报告必须独自完成，不得互相抄袭。五、因故缺课的学生，可向指导教师申请一次补做机会，不补做的，该试验以零分计算，作为总成绩的一部分，累计三次者，该课实验以不及格论处，不能参加该门课程的考试。六、在使用大型精密仪器设备前，必须接受技术培训，经考核合格后方可使用，使用中要严格遵守操作规程，并详细填写使用记录。七、爱护仪器设备，不准动用与本实验无关的仪器设备。要节约水、电、试剂药品、元器件、材料等。如发生仪器、设备损坏要及时向指导教师报告，属责任事故的，应按有关文件规定赔偿。八、注意实验安全，遵守安全规定，防止人身和仪器设备事故发生。一旦发生事故，要立即向指导教师报告，采取正确的应急措施，防止事故扩大，保护人身安全和财产安全。重大事故要同时保护好现场，迅速向有关部门报告，事故后尽快写出书面报告交上级有关部门，不得隐瞒事实真相。九、试验完毕要做好整理工作，将试剂、药品、工具、材料及公用仪器等放回原处。洗刷器皿，清扫试验场地，切断电源、气源、水源，经指导教师检查合格后方可离开。十、各类实验室可根据自身特点，制定出切实可行的实验守则，报经系(院)主管领导同意后执行，并送实验室管理科备案。1984年5月制定2014年4月再修订中国矿业大学能源与动力实验中心动量定律实验一、实验目的要求1. 验证不可压缩流体定常流的动量方程；2. 通过对流速、流量、出射角度、动量与动量矩等因素相关性的分析研讨，进一步掌握流体力学的动量守恒定理；3. 了解活塞式动量实验仪原理、构造，进一步启发与培养创造性思维的能力。二、实验装置本实验装置如图1.1所示。图1.1 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，冲击带活塞的翼片的抗冲平板9，并以与入射角成90°的方向离开搞冲平板。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hc可由测压管8测得，由此可求得射流的冲力，即动量力F0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力技术，其构造如下：图1.2 转动式动摩擦阻器 图1.3 自反馈平衡原理带活塞的翼片的抗冲平板9和带活塞套的测压管8(参见图1.2和图1.3)，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。在平板上设有翼片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a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减小，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，测压管水位下降，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。这时活塞处于半进半出、窄槽部分开启的位置上，过a流进测压管的水量和过c处溢出的水量相等。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动时的静摩擦力。为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的定常流受力平衡状态下，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0.51mm)，活塞在旋转下亦能有效克服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、实验原理定常流动量方程为取脱离体如图1.3所示，因滑动摩擦阻力水平分力，可忽略不计，故x方向的动量方程化为式中： 作用在活塞形心处的水深； D活塞的直径； Q射流流量； 射流的速度，d为喷嘴直径； 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hc，由给定的管嘴直径d和活塞直径D，代入上式，便可验证动量方程，并率定射流的动量修正系数值。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的园心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞园心处的水深。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23分钟后，关闭23分钟，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园心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即hc值。5. 测量流量 利用体积时间法，在上回水管的出口处测量射流的流量，流量时间要求在1520秒以上。可用塑料桶等容器，通过活动漏斗接水，再用量筒测量其体积(亦可用重量法测量)。6. 改变水头重复实验 逐次打开不同高度上的溢流孔盖，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35步骤重复进行实验。7. 验证对Fx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一致，记录回射角的目估值、测压管水深和管嘴作用水头H0。五、实验成果及要求1. 记录有关常数。 实验装置台号 表1.1 记录计算表 管嘴直径d= cm， 活塞直径D= cm次序体积V时间t管嘴作用水头H0活塞作用水头hc流量Q流速v动量力F动量修正系数2.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. 实测动量修正系数与公认值(=1.021.05)符合与否？如不符合，分析原因。2. 带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这时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fx为什么可以忽略不计？试用实验来分析验证fx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. v2x若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。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，掌握用毕托管测量点流速的技能；2. 掌握普郎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2.1所示。图2.1 毕托管实验装置图1. 自循环供水箱 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11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 (2.1)式中： 毕托管测点处的点流速； 毕托管的校正系数； 毕托管全压水头与静压水头差。 (2.2)联解上两式可得 (2.3)式中： 测点处流速，由毕托管测定； 测点流速系数； 管嘴作用水头。四、实验方法与步骤1. 准备 (1) 熟悉实验装置各部分名称、作用性能，分解毕托管，搞清构造特征、实验原理。(2) 用医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压管1、2相连通。(3) 将毕托管对准管嘴，距离管嘴出口处约23cm，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) 分别沿垂向和纵向改变测点的位置，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610倍以内时，误差在25%以上，不宜使用。试将毕托管头部伸入管嘴中，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1. 记录有关常数。 实验装置台号 表2.1 记录计算表 校正系数c= ， k= cm0.5/s实验次序上、下游水位差(cm)毕托管水头差(cm)测点流速(cm/s)测点流速系数h1h2Hh3h4h123六、实验分析与讨论1. 利用测压管测量点压力时，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23cm轴心处，其点流速系数为0.966，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. 普郎特毕托管的测速范围为0.22m/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？文丘里流量计实验一、实验目的要求1. 通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测管道流量的技能；2. 掌握气水多管压差计量测压差的技能；3. 通过实验与量纲分析，了解应用量纲分析与实验结合研究水力学问题的途径，进而掌握文丘里流量计的工作原理和水力特性。二、实验装置本实验的装置如图3.1所示。图3.1 文丘里流量计实验装置图1. 自循环供水箱； 2. 实验台； 3. 可控硅无级调速器； 4. 恒压水箱 5. 溢流板； 6. 稳水孔板； 7. 文皇里实验管8. 测压计气阀； 9. 测压计； 10 滑尺； 11. 多管差压计； 12. 实验流量调节阀。说明：在文丘里流量计7的两个测量断面上，分别有4个测压孔与相应的均压环连通，经均压环均压后的断面压力由气水多管压差计9测量(亦可用电测仪量测，详参沿程水头损失实验)。三、实验原理根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文氏管过水能力关系式式中：h为两断面测压管水头差。由于阻力的存在，实际通过的流量Q恒小于，今引入一无量纲系数(称为流量系数)，对计算所得的流量值进行修正。即 另，由水静力学基本方程可得气水多管压差计的h为四、实验方法与步骤1. 测记各有关常数。2. 打开电源开关，全关阀12，检核测压管液面读数h1-h2+h3-h4是否为0，不为0时，需查出原因并予以排除。3. 全开调节阀12，检查各测管液面是否都处在滑尺读数范围内？否则，按下列步序调节；拧开气阀8，将清水注入测管2、3，待h2=h324cm，打开电源开关充水，待连通管无气泡时，渐关阀12，并调节开关3，至h1=h428.5cm，即迅速拧紧气阀8.4. 全开调节阀门，待水流稳定后，读取各测管的液面读数h1，h2，h3，h4，并用秒表、量筒测定流量。5. 逐次关小调节阀，改变流量1012次，重复步骤4，注意调节阀门应缓慢。6. 把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。7. 如测管内液面波动时，应取时均值。8. 实验结束，需按步骤2校核压差计是否加零。五、实验成果及要求1. 记录计算有关常数 实验装置台号 d1= cm， d2= cm， 水温t= ， = cm2/s水箱液面标尺0 cm， 管轴线高程标尺 cm。2. 整理记录计算表(见表3.1和表3.2) .3. 用方格纸绘制Qh与Re曲线图。分别取h、为纵坐标(绘法参附录7.1)。表3.1 记录表次序测压管读数(cm)水量(cm3)测量时间(s)h1h2h3h41234567891011表3.2 计算表 K= cm2.5/s次序Q(cm3/s)(cm)Re1(cm3/s)1234567891011六、成果分析及讨论1. 本实验中，影响文丘里流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验的管道而言，若因加工精度影响，误将(d2-0.01)cm值取代上述d2时，本实验在最大流量下的值将变为多少？2. 为什么与Q为相等？3. 试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。4. 文氏管叫喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为67mH2O。工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？局部阻力实验一、实验目的要求1. 掌握三点法、四点法测定局部阻力系数的方法和技能；2. 通过对园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、实验装置本实验的装置如图4.1所示。图4.1 局部阻力实验装置图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. 溢流板； 6. 稳水孔板； 7. 突然扩大实验管段8. 测压管； 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经管径的管道组成，共设有六个测压孔，测孔1-3和3-6分别用以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. 测记实验的有关常数。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，同时用体积法测记流量。4. 改变泄水阀开度34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 d1=D1= cm， d2=d3=d4=D2= cm d5=d6=D3= cm， l1-2=12cm， l2-3=24cm l3-4=12cm， l4-B=6cm， lB-5=6cm， l5-6=6cm ， 2. 整理记录、计算表3. 将实测值与理论值(突缩)比较。表4.1 记录表次序流量cm3/s测 压 管 读 数 cm体积时间流量12345612345表4.2 计算表阻力形式次序流量cm3/s前断面后断面hjcmEcmcmEcm突然扩大123456突然缩小123456六、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：1) 不同Re的突扩是否相同？2) 在管径比变化相同的条件下，其突扩是否一定大于突缩？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. 现备一段长度及联接方式与调节阀(图4.1)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(Re>105)如下：序号12345d2/d10.20.40.60.81.00.480.420.320.180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。孔口与管嘴实验一、实验目的要求1. 掌握孔口与管嘴出流的流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数的量测技能；2. 通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析，了解进口形状以及相关水力要素对孔口流能力的影响。二、实验装置本实验的装置如图5.1所示。图5.1 孔口与管嘴实验装置图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. 溢流板； 6. 稳水孔板； 7. 孔口管嘴 图内小字标号1#为喇叭进口管嘴，2#为直角进口管嘴，3#为锥形管嘴，4#为孔口； 8. 防溅旋板 9. 测量孔口射流收缩直径的移动触头； 10. 上回水槽； 11. 测压管； 12. 标尺。测压管11和标尺12用于测量水箱水位，孔口管嘴的位置高程及直角进口管嘴2#的真空度。防溅板8用于管嘴转换操作。当某一管嘴实验结束时，将旋板旋至进口截断水流，再用橡皮塞封口；当需要开启时，先用旋板档水，再打开橡皮塞，这样可防止水花四溅。移动触头9位于射流收缩断面上，可水平方向伸缩，当两个触块分别调节至射流两侧外缘时，将螺丝固定，再用游标卡尺测量两块触块的间距，即为射流直径。为使本设备能演示明槽水跃，在上回水槽末端设有闸板，孔口管嘴实验不用。三、实验原理流量系数 收缩系数 流速系数 阻力系数 四、实验方法与步骤1. 记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。2. 打开调速器开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开1#园角管嘴，待水面稳定后，测记水箱水面高程标尺读数H1，用体积法(或重量法)测定流量Q(要求重复测量三次，时间尽量长些，例在15秒以上，以求准确)，测量完毕，先旋转水箱内旋板，将1#管嘴进口盖好，再塞紧橡皮塞。3. 依照上法，打开2#管嘴，测记水箱水面高程标尺读数H1及流量Q，观察和量测直角管嘴出游时的真空情况。4. 依次打开3#园锥形管嘴，测定H1和Q。5. 打开4#孔口，观察孔口出流现象，测定H1和Q，并按下述7(2)方法测记孔口收缩断面的直径(重复测量三次)。然后改变孔口出流的作用水头(可减少进口流量)，观察孔口收缩断面直径随水头变化的情况。6. 关闭开关3，清理实验桌面及场地。7. 注意事项：(1) 实验次序先管嘴后孔口，每次塞橡皮塞前，先用旋板将进口盖掉，以免水花溅开；(2) 量测收缩断面直径，可用孔口两边的移动触头。首先松动螺丝，先移动一边触头将其与水股切向接触，并旋紧螺丝，再移动另一边触头，使之切向接触，并旋紧螺丝，再将旋板开关顺时针方向关上孔口，用卡尺测量触头间距，即为射流直径。实验时将旋板置于不工作的孔口(或管嘴)上，尽量减少旋板对工作孔口、管嘴的干扰。(3) 进行以上实验时，注意观察各出流的流股形态，并做好记录五、实验成果及要求1. 有关常数。 实验装置台号 出口高程读数z1=z2= cm； 出口高程读数z3=z4= cm直角管嘴d2= cm， 园锥管嘴d3= cm。园角管嘴d1= cm， 孔 口d4= cm。整理记录及计算表格(表5.1)。表5.1 测试记录及计算结果 分类项目园角管嘴直角管嘴园锥管嘴孔口水面读数 H1 (cm)体积 (cm3)时间 (s)流量 (cm3./s)平均流量 (cm3/s)水头 (cm)面积A (cm2)流量系数测管读数H2 (cm)真空度Hc (cm)收缩直径dc (cm)收缩断面Ac (cm2)收缩系数流速系数阻力系数流股形态注：流股形态代号为光滑园柱；紊散；园柱形麻花状扭变；具有侧收缩的光滑园柱；其他形状。六、实验分析与讨论1. 结合观测不同类型管嘴与孔口出流的流股特征，分析流量系数不同的原因及增大过流能力的途径。2. 观察时，孔口出流的侧收缩率较时有何不同？3. 试分析完善收缩的锐缘薄壁孔口出流的流量系数有下列关系其中We为韦伯数。根据这一关系，并结合其他因素分析本实验的流量系数偏离理论值(=0.611)人原因。