流体力学综合实验说明书

一、系统组成
流体力学综合测定实验装置由阻力测定实验对象，流体力学综合测定智能仪表控制系统柜、数据分析处理软件几部分组成。

二、装置功能及优势

实验装置是数据采集型，带计算机数据采集、数据分析功能。数据稳定，重现性好，集成了流体流动和流体输送机械两个单元操作内容的实验教学。能全面了解流体流动过程中所涉及的流体阻力、流量计性能、离心泵性能及管路性能概念和实验方法。
熟悉孔板流量计、文丘里流量计的结构和工作原理，测定孔流系数与雷诺数的特性曲线。
管阻力（光滑管、粗糙管）、局部阻力测定实验，喘流区阻力系数与雷诺数的实验关系（包括层流条件下的λ—Re 曲线）。
测量湍流条件下多种不同类型阀门的局部阻力系数。
利用这种实验台可进行下列实验：

1、 雷诺实验；

2、 能量方程实验；

3、 管路阻力实验；沿层阻力实验; 局部阻力实验；

4、 孔板流量计流量系数 和 文丘里流量系数的测定方法；

5、 皮托管测流速和流量的方法。

一、 雷诺实验

一、 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。

二、 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、阀门、伯努力方程实验管道、颜料水（蓝墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀，水泵和流量计，流量传感器，计算机数据采集。设备除去特殊材料外均采用工业用304不锈钢制造，避免了设备的铁锈清理维护工作。所有不锈钢设备均进行不锈钢精细抛光处理，体现了整个装置的工艺完美性。

三、 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）用计算机采集显示水温，和水的流量。

四、 实验方法

（1）、观察状态

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渗混程度逐渐减弱，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，然后在逐渐关闭出水阀门，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，在每一个状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。

实验数据处理举例：

设某一工况下具体积流量Q=3.467×10^-5m³/s，雷诺实验管内径d=0.014m，实验水温T=5℃，查水的运动粘度与水温曲线，可知v=1.519×10^-6m²/s。
流  速

雷诺数

图 2  雷诺数与流量的关系曲线            

    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（图2）。不同温度下，对应的曲线斜率不同。

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，然后缓慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。当关小某一程度时，管内的颜料水开始成为一条线流，即为紊流转变为层流的下临界状态。记录下此时的相应的数据，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的断面。然后，在微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，这是即可观察到水在层流流动时呈抛物状，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，不许开打。随着出水流量减小，应当调小上水阀门，以减少溢流流量引发的振动。

二、  能量方程实验

 

一、实验目的

（1）、观察流体流经能量方程实验管时的能量转化情况，并对实验中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解。

（2）、掌握一种测量流体流速的原理。

 

二、实验装置

流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱、能量方程实验管、上水阀门、出水阀门、水泵、测压管板和流量计，流量传感器，压力传感器，计算机采集压力和流量，并在屏幕上显示。

 

三、实验前准备工作

    开启水泵，全开水阀门使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱水位始终保持不变，并有少量溢出。

 

四、实验方法

   （1）、能量方程实验

  调节出水阀门至一定开度，测定能量方程实验管的四个断面四组测压管的液柱高度，并利用计量水箱和秒表测定流量。改变阀门的开度，重复上面方法进行测试。

根据测试数据的计算结果，绘出某一流量下各种水头线（如图3），并运用能量方程进行分析，解释各测点各种能头的变化规律。                        

可以看出，能量损失沿着流体流动方向增大的；Ⅰ与Ⅲ比 较，两点管径相同，所以动能头基本相同，但Ⅲ点的压力能头比Ⅰ增大了，这是由于位置能转化而得来的；Ⅰ与Ⅱ比较，其位置能头相同，但Ⅱ点比Ⅰ点的压力能头大，这是         

由于管径变粗；速度减慢，动能头转化为压力能头；Ⅲ与Ⅳ比较，位置能头相同，但压力能头小了，可明显看出，是压力能头转化为速度能头了。                                  

    实验结果还清楚的说明了连续方程，对于不可压缩的流体稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。

图3   各种水头线

    2）测速

    能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当与一个皮托管，可测得管内的流体速度。由于本实验台将总测压管置与能量方程实验管的轴线，所以测得的动压水头代表了轴心处的最大速度。

皮托管求点速度的公式为：  

式中       u---毕托管测点处的点速度；         

         c---毕托管的教正系数；

        h---毕托管全压水头与静水压水头差。

                                                   

    联立上两式可得    

    式中    u--- 测点处流速，有毕托管测定；

           ---  测点流速系数；

           --- 管嘴的作用水头；

    在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度。测试结果记入表二中，如果用皮托管求出所在截面的理论平均速度，可根据该截面中心处的最大流速。雷诺数与平均流速的关系，参考有关流体力学求出。

 

 

 

 

 

 

 

  表2-1

 

表 2-2

 

 

 

 

三 沿程水头损失与流速的关系

 

一、 实验目的

1）验证沿程水头损失与平均流速的关系。

2）对照雷诺实验，观察层流和紊流两种流态及其转换过程。

 

二、 实验前准备工作

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。

 

三、 实验原理

   对沿程阻力两测点的断面列能量方程

   

   因实验管段水平，切为均匀流动：

                        

                        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。

 

四、 实验步骤

   1）开启调节阀门，测读计算机上压力；

   2）用计算机读出流量，并计算出平均流速；

   3）将实验的与计算得出的u值标入对数坐标纸内，绘出lgh_r-lgu关系曲线；

   4）调节阀门逐次由大到小，共测定10次；

 

五、 实验数据及曲线绘制

 

               仪器常数：d=        cm, A=        cm²

                               L=        m,  t=         ℃

表 3-1

 

 

四 沿程阻力系数的测定

 

一、 实验原理

  对沿程阻力两点的端面列能量方程得 

  由达西公式：     

  用体积法测得流量， 并计算出断面平均流速，即可求得沿程阻力系数

                           

 

二、 实验步骤及要求

 1）本实验共进行粗细不同管径的两组实验，每组各作出6个实验；

 2）开启进水阀门，使压差达到最大高度，作为第一个实验点；

 3）利用计算机采集到的压力，计算各组压力差；

 4）计算机中直接读出流量，和水温；

 5）用不同符号将粗细管首的实验点绘制成lg$e-lg100对数曲线。绘图：

实验数据记录：

                 d_粗=       cm， L=        m         v       

        d_细=       cm，  t=        c            Kg/cm²

 

表4-1           

类别

No

h1 (cm)

h2 (cm)

h汞 (cm)

h水 (cm)

t (s)

qv (cm3/s)

v (cm/s)

Rc

lgRd

lg(100)

粗   管

1

2

3

4

5

6

 

表4-2

类别	No	h1 (cm)	h2 (cm)	h汞 (cm)	h水 (cm)	t (s)	qv (cm3/s)	v (cm/s)	Rc	lgRd		lg(100)
粗   管	1
	2
	3
	4
	5
	6
细       管	1
	2
	3
	4
	5
	6

 

 

五 局部阻力损失实验

 

一、 实验目的

  1）掌握三点法，四点法测量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解释；

 

二、 实验原理

  写出局部阻力前后两断面的能量方程根据曲线推导条件，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：

                       

                                                     

理论

    

  2）突然缩小

  采用四点法计算，下式中B点为突缩点，h_f4-B由h_f3-4换算得出，h_fB-5由h_f5-6换算得出。

  实测

                 

                                                   

  经

   

 

三、 实验方法与步骤

  1）测记实验有关的常数。

  2）打开水泵，排除实验管道中的滞留气体及测压管气体。

  3）打开出水阀至最大开度，等流量稳定后，在电脑屏幕上读出压力，同时读出流量。

  4）打开出水阀开度3-4次，分别测记压力读数及流量。

 

四、 实验分析与讨论

  1）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那里？ 怎样减小局部阻力损失。

表5-1

 

表5-2

 

六 阀门局部阻力系数的测定

 

一、 实验目的

  1）测定阀门不同开度时：全开，<30^o, <45^o三种的阻力系数。

  2）掌握局部阻力系数的测定方法。

 

二、 实验原理

  对Ⅰ,Ⅳ两断面列能量方程式，可求得阀门的局部水头损失与2(I₁+I₂)长度上沿程水头损失之和，用h_w1表示，则有下式：

                                           

  同理对Ⅱ,Ⅲ两断面列能量方程式，可求得阀门局部水头损失与L+L₂长度上的沿程水头损失之和，用h_w2表示：

                                           

  所以阀们的局部水头损失应为

                                           

                  亦

  所以阀门的局部阻力系数应为：

                                     

  式中：   为管道断面的平均流速。

 

三、 实验步骤及要求

  1）本实验共进行三组实验，阀门全开，<30^o, <45^o每组做三个实验点。

  2）开启进水阀门，压差达到最大。

  3）在计算机上测读压差，并同时读出流量。

  4）每组各个实验点的压差值不要太接近。

  5）变换阀门开启角度重复上述步骤。

  6）绘制曲线。

七 文丘里流量计实验

 

一、 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。

 

二、 实验原理

  根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用的文氏管过水能力关系式

                           

  其中：

  式中： 为两断面测压管水头差

 由于阻力的存在，实际通过流量Q恒小于Q’。引入无量纲系数 (称为文丘里流量修正系数)

 

三、 实验方法与步骤

  1 测计各有关常数

  2 打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使得差压最大。

  3 在计算机上读压差，同时读出流量。

  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。

 

四、 实验结果及要求

  1 记录计算有关数据。                     实验装置台No          

   d1=    cm,   d2=    cm,   水温  t=       ℃   v=        cm²/s

水箱液面标尺值v_o =       ，管轴线高程表尺值 =          cm。

  2 整理记录计算表。

表7.1 记录表

表7.2 计算表

 

八 孔板流量计实验

一 实验目的

   学习并掌握用板孔式流量计测量流量。

 

二 实验原理

  1 孔板流量计的原理。

    流体流过板孔时，板孔前后产生压力差，起差值随流量而变，而两者之间有确定的关系，因此可通过测量来测定流量。

    对Ⅰ，Ⅱ两面列能量方程（水平放置，势能头相等）得：

                      （1）

   式中：为流经薄壁小孔时的能量损失，为出流局部损失系数。

   在有连续性方程                     (2 )

   联立（1）（2）式得：

                                                             (3)

             

本实验一起经实验校准测流量的公式如下：

                                   

  其中：

      ：流量系数   e ：系数

      d ：小孔直径 mm      h：压差  mm

 

三 实验步骤

  （1）测计各有关常数

  （2）打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使计算机上压差达到最大。

  （3）测读压差，同时读出此时的流量。

  （4）逐渐关小进水阀门，读出10个测压点的压力，共测三次。

  （5）实验过程中如测压管压力不稳，应取平均值。

  （6）每次调节流量应缓慢，调节后应稳定一段时间后进行测读。

             

九 毕托管测速实验

一 实验目的

  1 通过对管嘴淹没出流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使用性，并检验其测量精度，进一步流体力学测量仪器的现实作用。

 

二 实验原理

                                            

 

    其中    u——毕托管测点的点流速；

            c——毕托管的校正系数；

            h——毕托管全压水头与静水压水头差。

                   

    联立解上两式得：

                                            

    其中   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。

 

计录计算表   校正系 c=        ,k=        cm^0.5/s

  

 

 

 

 

    表9-1