合肥工业大学新流体实验指导书.doc

1、 课程编号： 0230042 课程名称：工程流体力学 流体力学实验指导书 （机械类） Hydrodynamics Experiment Instructor (Enginery) (Belong to Pyrology Staff Room) Hefei University of Technology 2011.8 实验一 静压实验 Experiment 1 Static Pressure Experiment 一、实验目的 1、通过实验理解流体静力学基本方程式的能量意义和几可意义 。 2、验证容器中流体内任意两点 1 和 2 的测压管水头相等，即有 1Z + gPZgP 221 。 3、测

2、量液体的密度（本实验为测量酒精密度） 二、实验原理 1、重力作用下处于静止状态的连续均质不可压缩流体的基本方程式为： tconsgPZ tan 该式的能量意义是：流体中各点处单位重量流体所具有的总势能，即位置势能 Z 和压力势能 (gP) 之和均相等。 该式的几何意义是：流体中各点的 测压管水头，即位置高度 Z 和测压管高度 (gP) 之和均相等。 根据上述流体静力学基本方程式，对本实验的液体（水）中 1、 2 两点有： 1Z + gPZgP 221 2、根据流体静力学基本方程式，可得有自由液面的静止的不可压缩流体中压强的基本 公式为（推导过程见教材）： P=PO+ g h 式中： P液体内任

3、一点的静压力，单位为 N/m2(Pa)； PO容器内液体自由表面的静压力，单位为 N/m2(Pa)； 液体的密度，单位为 kg/m3； h液体内的点到液面的距离，单位为 m； g重力加速度 m/s2。 由此式可求出液体内任意点处的静压力。 3、本实验中还要用到连通器原理，即同一种相连通的流体在同高度上压强相等。 三、实验设备 静压实验器结构如下图所示： 四、实验步骤 1、熟悉实验设备，明确每根玻璃管的用途；熟悉实验方法；熟悉气压计的结构原理和使用方法。 2、打开气阀，待各玻璃管内液面稳定后，关闭气阀。 3、调节侧面小量筒高度，容器内液面上升或下降，压力 P0大于大气压力 Pa 或 小于大气压力

4、 Pa，利用滑动标尺记录各测压管的液面高度，并记录表 1（ 1P ）表 2（ 2P ）的数值。 4、结束实验，打开气阀。 五、思考题 1、测压管“ B”、“ C”中的液面是否在任何情况下都在同一高度上，两者的液面连线叫什么？ 实验二 不可压缩流体定常流能量方程（伯努利方程）实验 Experiment 2 Incompressible Fluid Steady State Flow Energy Equation Experiment 一、实验目的 1、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术； 2、验证流体定常流的能量方程。 3、测定管道沿程损失水头 hf及沿程阻力系数 ，并了解随

5、雷诺数 Re 的变化规律。 4、测定局部损失水头 hj和局部损失系数。 二、实验装置 : 四、实验原理 在实验管路中沿水流方向取 n 个过水截面，可以列出进口截面（ 1）至截面（ i）的能量方程式（ i=2,3 ,n）IwIII hgvgPZgvgPZ 12222111 选好基准面，从已设置的各截面的测压管中读出gPZ 值，测出通过管路的流量， 即可计算出截面平均流速 v 及动压 gv22，从而可得到各截面测管水头和总水头。 1、沿程损失水头 hf和沿程阻力系数 的测定 对实验装置选做材料管上的直管段两测点 1、 2 截面，（见图一）应用实际流体的伯诺里方程，有： fhgPgvZgvgPZ 2

6、2222111 22由于 v1=v2，故 1、 2 截面间沿程损失水头 hf 为： 12211 )()( hgPZgpzh f h1 1、 2两测点上两根测压管的液面差。 1、 2 两测点间沿程损失水头 hf测出后，可根据达西公式算出直管段沿程阻力系数： gdLvhf 2222vL gdhf 达西公式中 v为管道中流体流速， AQv（ Q 为流量，单位 m3/s； A 为管 1的截面积，单位： m2；流速的单位为 m/s）。 为测出与 Re的关系，实验中可用 流量调节阀调节流过管道中的流速，以改变雷诺数，从而测出不同 Re下的值，整理出“ Re”关系曲线。 2、局部损失水 hj和局部阻力系数的

7、测定（以 90弯头为例） 对实验装置选做材料管上的 1、 2 测点截面（见图二）应用实际流体的伯诺里方程，有： jhgPgvZgvgPZ 22222111 22由于 v1=v2，故有 1 1 2 2 Z1 gPZ2 gP h1 V Z1 Z Z2 h2 1 1 2 2 V gPPZZh j 2121 )( 可以证明22121 )( hg ppzz （证明方法略） hj= h2 h2为连接 1、 2 测点差压计左右两根测压管的液面差。 hj测出后 ，根据实验得出的 与 hj的关系式，即gvhj 22就可算出局部阻力系数 （式中 v为弯头中流体流速） 四、实验方法与步骤 1、熟悉实验设备，分清各测

8、压管与各测压点，毕托管测点的对应关系。 2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查流量调节阀关闭时所有测压管水面是否齐平，若不平则进行排气调平（开关几次）。 3、打流量调节阀，观察测压管水头线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系，观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。 4、调节流量调节阀开度，待流量 稳定后，测记各测压管液面读数，同时用体积法测记实验流量（与毕托管相连通的是演示用，不必测记读数）。 5、再调节流量调节阀开度 1 2次，其中一次阀门开度大到使液面降到标尺最低点为限，按第 4步重复测量。 实验三 雷诺实验 Experiment 3 Renault Ex

9、periment 一、实验目的 1、通过层流、湍流的流态观测和临界雷诺数的测量分析，掌握圆管流态转化规律； 2、进一步掌握层流、湍流两种流态的运动学特性与动力学特性； 3、测量沿程损失，计算沿程阻力系数。 二、实验原理 （ 1） KQdvQRe 4TVQ（其中： Q 流量； V 水体积； T 时间； K 系数。） 式中 v可根据用体积法测定的流量算出：AQv（ Q 为流量，单位为 m3/s; A 为管道的截面积，单位为 m2; 流速的单位为 m/s.） 三、实验装置 四、实验方法与步骤 1、观测两种流态： 打开进水阀使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启流量调节阀，并注入颜色水于实验管内，使

10、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，然后逐步开大流量调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到湍流的水力特征，待管中出现完全湍流后，再逐步关小调节阀，观察由湍流转变为层流的水力特征。 2、测定下临界雷诺数： （ 1）将流量调节阀打开，使管中呈完全湍流，再逐步关小流量调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚刚拉成一直线状态时，即为下临界状态。每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。 （ 2）待管中出现临界状态时，用体积法测定流量； （ 3）根据所测流量计算下临界雷诺数； （ 4）同时由水箱中的温度计测记水温，从而 查得水的运动粘度。 注意：流量不可开得过大，以免引起

11、水箱中的水体紊动，若因水箱中水体紊动而干扰进口水流时，需关闭阀门，静止 3 5 分钟，再按步骤（ 1）重复进行。 实验四 恒定总流的动量矩实验 动量方程 流体与边界之间作用力大小 ； 动量矩方程 流体与边界之间作用力位置； 设 r 为某参考点至流体速度矢量 u 的作用点的矢径，则用矢量 r 对动量方程两端进行矢性积运算，可得定常流动的动量矩方程为： Fr = AduurA = 22222 dAuurA - 11111 dAuurA 等式左端项是控制体上合外力对于坐标原点的合力矩 M 。 等式右端项是通过控制体面流出与流入的流体动量矩之 差，或通过控制体面的净动量矩。 现以定转速的离心式水泵或风

12、机为例来推导叶轮中的定常流动的动量矩方程。 如图所示，取叶轮出、入口的园柱面与叶轮侧壁之间的整个叶轮流动区域为控制体。 图：叶轮的速度三角形 确定 确定 假定叶轮叶片无限多，每个叶片的厚度均为无限薄，则流体在叶片间的相对速度必沿叶片型线方向。于是将动量矩方程式用于叶轮机时，需用绝对速度代替上式中质点速度。由于定常运动，故叶轮机中的定常流动的动量矩方程： M = dArdArdArAAA 12 由图所示的速度三角形可以看出： c o s,s i n rrrr 因而上式可以写成： 111222 c o sc o s rrQM 因为叶轮的角速度为： 2211 rururu 故叶轮机的功率： 1112

13、22 c o sc o s uuQMP 或 HuuggQP 111222 c o sc o s1 这就是泵与风机的基本方程式。它首先由欧拉在 1754 年得到，故又称欧拉方程。 对于涡轮机械（如水轮机等），流体从叶轮外缘 2 流 入内缘 1，基本方程为： 222111 c o sc o s1 uugH 无论是 泵类机械 （工作机械）还是 涡轮类机械 （动力机械），均满足 欧拉方程 ，不同的是离心泵是工作机械。它把原动机的机械能通过叶轮传递给流体介质，故 M 0，即轴矩方向与叶轮旋转角速度方向相同；而涡轮机是动力机械，它从流体介质中汲取能量，通过转轴将机械能传输出去，故 M 0，即轴矩方向与叶轮

14、旋转角速度方向相反。 注意：对于泵类机械， H 称为泵产生的扬程； 对于涡轮类机械， H 称为作用在涡轮上的水头。 例题：旋转式洒水器由三个均匀分布在水平平面上的旋转喷嘴组成；总出水量为 Q ，喷嘴出口截面积为 A ，旋臂长为 R ，喷嘴出流速度方向与旋臂的夹角为 。 （ 1） 不计一切摩擦，试求旋臂的旋转 角速度 ； （ 2） 如果使已经具有 角速度 的 旋臂停止，需施加多大的外力矩 M ？ 解：每个喷嘴的出口为 AQw 32 。这一速度的切向分量也就是旋臂的切向圆周速度， 故 Rw sin2 将 AQw 32代入，则 sin3 AQ 由动量矩方程 111222 c o sc o s wrwrQM 可 知， 现在入口处速度与切线方向的夹角 0cos,90 11 。 出口处速度与切线方向的夹角 22，于是 sincos 2 ，又 2rR 所以 力矩 0s in2 RwQM 以 AQw 32 代入，则 sin3 2ARQM 2w 2u 2 2 2r 1r 1 1u 1 1w