1、目 录 第一部分 演示实验 一、静压传递自动扬水实验 1 二、水击综合实验 2 三、流谱流线显示实验（一） 5 四、流谱流线显示实验（二） 7 五、能量方程演示实验 10 第二部分 量测实验 一 、 静水压强量测实验 （ 4 台） 13 静水压强量测实验（新）（ 4 台） 15 二、流速量测（毕托管）实验 20 三、沿程水头损失实验 24 四、管道局部水头损失实验 （ 4 台） 28 五、文 丘 里流量计及孔板流量计率定实验 （ 4 台） 31 文 丘 里流量计实验（新）（ 4 台） 34 六、孔口与管嘴流量系数验证实验 （ 4 台） 37 七、动量方程验证实验 （新） （ 8 台） 40 八
2、、 雷诺 实 验 （ 4 台） v 43 雷诺 实 验（新）（ 4 台） 47 九、堰流流量系数的测定实验 51 十、闸下自由出流流量系数的测定实验 54 十一 、水跃实验 57 十二、 圆柱绕流 压强分布测量 实验 （ 2 台） 61 十三、平板边界层实验 （ 2 台） 64 十四、翼型表面压 强分布 测量实验 （ 2 台） 67 十五、 气体紊流射流实验 （ 2 台） 70 十六、 压力传感器的标定实验 73 十七、 热线探头的标定 实验 76 十八 圆柱体尾迹速度分布测量 实验 79 附 录 1：体积法电子流量仪使用方法 82 附 录 2： XSJ 39BI 型流量数字积算仪瞬时流量的测
3、读方法 831 第一部分 演示实验 演示实验一 静压传递自动扬水实验 （一）实验目的 通过演示液体静压传递、能量转换与自动扬水的现象。可了解流体的静压传递特性、“静压奇观”的工作原理及其产生条件以及虹吸原理等，有利于培养学生的实验观察分析能力、提高学习兴趣。 （二）实验装置 本实验的装置如图 I-1-1 所示。 图 I-1-1 静压传递扬水仪实验装置图 1供水管； 2扬水管与喷头； 3上密封压力水箱； 4上集水箱； 5虹吸管； 6逆止阀； 7通气管； 8下水管； 9下密封压力水箱； 10水泵、通气管； 11水泵； 12下集水箱。 本实验装 置配备有： 上、下密封压力水箱、扬水喷管、虹吸管、逆止
4、阀、水泵、可控硅无级调速器、水泵过热保护器及集水箱。 （三）实验原理 集水箱 4 中的具有一定位置势能的水体经下水管 8 流入下密封压力水箱 9，使箱中表面压强增大，并经通气管 7 等压传至上密封压力水箱 3，箱 3 中的水体在表面压强作用下经过扬水管与喷头 2 喷射到高处。本实验中喷射高度可达 30cm 以上。当箱 9 中的水位满顶后，2 水压继续上升，直到虹吸管 5 工作，使箱 9 中的水体排入下集水箱 12。由于箱 9 与箱 3中的表面压强同时降低，逆止阀 6 被自动开启，水自箱 4 流入箱 3。这时箱 4 中的 水位低于管 8 的进口，当箱 9 中的水体排完以后，箱 4 中的水体在水泵
5、 11 的供给下，亦逐渐漫过 8 的进口处，于是第二次扬水循环接着开始。如此周而复始，形成了循环式静压传递自动扬水的“静压奇观”现象。 （四） 实验说明及应用 1、“静压奇观”不是“永动机” 实验中水为什么能自动流向高处？它做功所需的能量来自何处？这是因为部分水体从上集水箱 4 落到下密封水箱 9，它的势能传递给了水箱 3 中的水体，因而获得了能量。经过能量转换，势能变为动能，水才能喷向高处。从总能量来看，在静压传递过程中，只有损耗，没有再生，因而“静压奇观”的现 象，实际上是一个能量传递与转换的过程。 2、喷水高度与落差关系 水箱 4 与水箱 9 的落差越大，则水箱 9 与水箱 3 中的表面
6、压强越大，喷水高度也越高。利用本装置原理，可以设计具有实用性的提水设施，它可把半山腰的水源送到山顶，这种装置的优点是无传动部件，经济、实用。 3、虹吸现象及产生条件 本实验中虹吸管相当于一个带有自动阀门的旁通管。当水箱 9 没有满顶时，由于水流自水箱 4 进入水箱 9 时，部分压能变为动能，并被耗损，虹吸管中水位较低（未满），不可能流动。而当水箱 9 满顶后，动能减少，耗损降低。当水箱 4 中的水位超过虹吸管顶时， 必然导致虹吸管满管出流，虹吸管工作以后，箱 9 中的表面压强很快降到大气压强，这时虹吸管仍能连续出水，直至箱 9 中水体排光，这是因为虹吸管的出口水位低于箱 9 中的水位。 演示实
7、验二 水击综合实验 （一）实验目的 演示水击波传播、水击扬水、调压筒消减水击等工况，以及水击压强的量测。 （二）实验装置 本实验的装置如图 I-2-1 所示 。 3 图 I-2-1 水击综合实验仪装置图 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。 本实验装置配备有： 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。 （三）实验原理 1、水击的产生
8、和传播 水泵 7 能把集水箱 14 中的水送入恒压供水箱 1 中，水箱 1 内设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自水箱 1 经供水管 9 和水击室 13，再通过水击发生阀 11 的阀孔流出，回到集水箱 14。 实验时，先全关阀 10 和 4，触发起动阀 11。当水流通过阀 11 时，水的冲击力使阀11 上移关闭而快速截止水流，因而在供水管 9 的末端首先产生最大的水击升压，并使水击室 13 同时承受这一水击压强。水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管 9 末端和水击室 13 内发生负水击压强。 本实验能通过阀 11 和
9、 12 的动作过程观察到水击波的来回传播变化现象。即阀 11 关闭，产生水击升压，使逆止阀 12 克服压力室 5 的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到压力表 3 随着产生压力波动。然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13 压强低于压力室 5，使逆止阀 12 关闭，同时，负水击又使阀 11 下移而开启。这一动作过程既能观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验保持往复的自动工作状态，即当阀4 11 再次开启后，水流又经阀孔流出，回复到初始工作状态。这样周而复始，阀 11 不断开启、关闭，水击现象也就不断地重复发生。 2、水击压强的定量观测 水击（又称水锤）可在极短的时间内产生很大的压
10、强。由于水击的作用时间短、升压大，通常需用复杂而昂贵的电测系统作为瞬态测量，而本实验中用简便的方法可直接地量测出水击升压值。此法的测压系统是由逆止阀 12、压力室 5 和气压表 3 组成。阀 11 每一开一闭都产生一次水击升压，由于作用水头、管道特性和阀的开度均相同，故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次，都将向压力室 5 内注入一定水量，因而压力室内的压力随着水量的增加而不断累加，一直到其值达到与最大水击压强相等时，逆止阀 12 才打不开，水流也不再注入压力室 5，压力室内的压力也就不再增高。这时，可从连接于压力空腔的压力表 3 测量压力室 5 中的压强，此压强即为阀 11 关闭时产生的最
11、大水击压强。 本实验中工作水头为 25cm 水柱，气压表显示的水击压强值最大可达 300mm 汞柱（ 408cm 水柱）以上，即达到 16 倍 以上的工作水头。这表明水击有可能造成工程破坏。 3、水击的利用 水击扬水原理 水击扬水机由图中的 1、 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 也随之被瞬时开启，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
12、是水击扬水机工作原理，本实验中扬水高度为 37cm，即超过恒压供水箱作用水头的 1.5 倍。 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供水管流量的一部分，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，提供给了扬水机扬水。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少。 4、水击危害的消除 调压筒（井）的工作原理 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
13、性的一面。例如水击有可能使输 水管爆裂、闸阀破坏等。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。本实验仪器设有由阀 10 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5 升压最大值约为 120mm 汞柱，其值仅为阀 10 关闭时的峰值的 1/3。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（下面称库水位），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
14、衰减，直至静止。 调压系统中的非恒定流和水击的消减作用，其原理如下： 设了调压筒，在阀 11 全开下的恒定流时，调压筒中维持于库水位固定自由水面。当阀 11突然关闭时，供水管 9 中的水流因惯性作用继续向下流动，流入调压筒，使其水位上升，一直上升到高出库水位的某一最大高度后才停止。这时管内流速为零，流动处于暂时停止状态，由于调压筒水位高于库水位，故水体作反向流动，从调压筒流向水箱。又由于惯性作用，调压筒中水位逐渐下降，至低于库水位，直到反向流速等于零为止。此后供水管中的水流又开始流向调压筒，调压筒中水位再 次回升。这样，伴随着供水管中水流的往返运动，调压筒中水位也不断上下波动，这种波动由于供水
15、管和调压筒的阻尼作用而逐渐衰减，最后调压筒水位稳定在正常水位。 设置调压筒以后，在管道水流的流量急剧改变时仍会有水击发生，但调压筒的设置在相当大程度上限制或完全制止了水击向上游的传播。同时水击波的传播距离因设置调压筒而大为缩短，这样既能避免直接水击的发生，又加快了减压波返回，因而使水击压强峰值大为降低，这就是利用调压筒消减水击危害的原理。 演示实验三 流谱流线显示实验（一） (一 ) 实验目的要求 演示机翼绕流 ，圆柱绕流和管渠过流的定常流动，运用电化学法显示流场，使同学们对这些基本流动有一个直观了解。 (二 ) 实验装置 本实验的装置如图 I-3-1 所示。 6 图 I-3-1 流谱流线显示
16、仪 1显示盘； 2机翼； 3孔道； 4圆柱； 5孔板； 6闸板； 7文丘里管； 8突扩和突缩； 9侧板； 10泵开关； 11对比度调解开关； 12电源开关； 13. 电极电压测点；14流速调节阀； 15. 放空阀。（ 14、 15 内置于侧板内） 本实验装置配备有： 流线显示盘、前后罩壳、照明灯、小水泵、直流供电装置。 (三 ) 实验原理 现有的三种流谱仪，分别用于演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流。 1、型 单流道，演示机翼绕流的流线分布。由图可见，机翼向天侧（外包线曲率较大）流线较密，由连续方程和能量方程知，流线密，表明流速大，压强低：而在机翼向地侧，流线较疏，压强较高。这表明整个机翼受到一
17、个向上的合力，该力被称为升力。实验中为了显示升力方向，在机翼腰部开有沟通两侧的孔道，孔道中有染色电极。在机翼两侧压力差的作用下，必有分流经孔道从向地侧流至向天侧，这可通过孔道中染色电极释放的色素显现出来，染色液体流动的方向，即为升力方向。 此外， 在流道出口端（上端）还可观察到流线汇集到一处，并无交叉，从而验证流线不会重合的特性。 2、型 单流道，演示圆柱绕流。因为流速很低（约为 0.5 1.0cm/s），这是小雷诺数的无分离流动。因此所显示的流谱上下游几乎完全对称。这与圆柱绕流势流理论流谱基本一致；零流线（沿圆柱表面的流线）在前驻点分为左右两支，经 900 点（ u umax），而后在背滞点
18、处二者又合二为一。 驻点的流线为何可分可合，这与流线的定义是否矛盾呢？这是不矛盾的。因为在驻点上流速为零，方向是不确定的。然而，当适当增大流速， Re 数增大，此时虽 圆柱上游流谱不变，但下游原合二为一的染色线被分开，尾流出现。 3、型 双流道。演示文丘里管、孔板、渐缩和突然扩大、突然缩小、明渠闸板等流段纵7 剖面上的流谱。演示是在小 Re 数下进行，液体在流经这些管段时，有扩有缩。由于边界本身亦是一条流线，通过在边界上特别布设的电极，该流线亦能得以演示。同上，若适当提高流动的雷诺数，经过一定的流动起始时段后，就会在突然扩大拐角处流线脱离边界，形成漩涡，从而显示实际流体的总体流动图谱。 利用该
19、流线仪，还可说明均匀流、渐变流、急变流的流线特征。如直管段流线平行，为均匀流。文丘里管 的喉管段，流线的切线大致平行，为渐变流。突缩、突扩处，流线夹角大或曲率大，为急变流。 特别强调的是，上述实验中，其流道中的流动均为恒定流。因此，所显示的染色线既是流线，又是迹线和脉线（染色线）。因为流线是某一瞬时的曲线，线上任一点的切线方向与该点的流速方向相同；迹线是某一质点在某一时段内的运动轨迹线；脉线是源于同一点的所有质点在同一时刻的连线。固定在流场的起始段上的电极，所释放的颜色流过显示面后，会自动消色。放色 消色对流谱的显示均无任何干扰。另外，在演示中如将泵关闭一下再重新开启的话，还可看到流线上各质
20、点流动方向的变化。 演示实验四 流谱流线显示实验（二） (一 ) 实验目的要求 演示流体在多种不同形状流道中的非定常流动图案，鲜明地显示不同边界流场的迹线、边界层分离、尾流、涡旋等流动图谱，便于学生们直观理解流体非定常流动的基本特征及其产生机理。 (二 ) 实验装置 本实验的装置如图 I-4-1 所示。 8 图 I-4-1 显示面过流道示意图 (三 ) 实验指导 各实验仪演示内容及实验指导提要如下： ZL 1 型（图 I-4-1、 1）用以显示逐渐扩大、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，模拟串联管道纵剖面流谱。 在逐渐扩散段可看到由边界层分离而形成的旋涡，
21、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，亦无漩涡，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漩涡区，而在突然收缩段只在死角处和收缩断面的进口附近出现较小的漩涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部损失，而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。 同时由于本仪器突缩段较短，故流谱亦可视为直角进口管嘴的流动图像。在管嘴进口附近，流线明显收缩，并有涡旋产生 ，致使有效过流断面减小，流速增大，从而在收缩断面上出现真空。 在直角弯道和壁面冲击段，也有多处漩涡区出现。尤其在弯道流中，流线弯曲更剧烈，越靠近弯道内侧，流速越小。
22、近内壁处，出现明显的回流，形成的回流范围较大，将此与ZL 2 型中圆角转弯流动对比，直角弯道涡旋大，回流更加明显。 ZL 2 型（图 I-4-1、 2）显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴流量 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。 由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和漩涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇 集在孔板的孔口处，只在拐角处有小漩涡出现，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的漩涡区。由此可见，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漩涡产生；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，漩涡发生区域较小。 ZL 3 型（图 I-4-1、 3）显示 30o 弯头、直角弯头、 45o 弯头以及非自由射流等 流段纵剖面上的流动图像。 由显示图像可知，在每一转弯的后面，都因边界层分离而产生漩涡。转弯角度不同，漩涡大小、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”。
