水力學(xué)試驗指導(dǎo)書

1、流體力學(xué)實驗指導(dǎo)書淮海工學(xué)院土木系實驗室實驗一水靜壓強儀實驗指導(dǎo)書一、演示目的1、加深理解靜力學(xué)根本方程式及等壓面的概念。2、觀察封閉容器內(nèi)靜止液體外表壓力及其液體內(nèi)部某空間點上的壓力。3、觀察壓力傳遞現(xiàn)象。二、演示原理對密封容器的液體外表加壓時，設(shè)其壓力為P0,即Po> Pa。從U形管可以看到有壓差計產(chǎn)生，U形管與密封容器上部連通的一面，液面下降，而與大氣相通的一面， 液面上升。由此可知液面下降的外表壓力即是密閉容器內(nèi)液體外表壓力p0,即p0=Pa+gh, h是U形管液面上升的高度。當(dāng)密閉容器內(nèi)P0壓力下降時U形管內(nèi)的液面呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象，即Po< Pa這時密閉容器內(nèi)液面壓力 Po

2、= Pa - ：gh，h為液面下降的高度。如果對密閉容的液體外表加壓時，其容器內(nèi)部的壓力向各個方向傳遞測壓管中，可以看到由于 A、B兩點在容器內(nèi)的淹沒深度 h不同，在壓力向各點傳遞時，先到A點后到B點。在測壓管中反響出的是 A管的液柱先上升而 B管的液柱滯后一點也在上 升，當(dāng)停止加壓時， A、B兩點在同一水平面上。三、演示步驟如圖主容器u 加壓球u4 Z管5 一放水閥6 形管1加壓器2 密封容器3 B管1、 關(guān)閉排氣閥，用加壓器緩慢加壓，U形管出現(xiàn)壓差 h,在加壓的同時，觀察 右側(cè) A、 B 管的液柱上升情況。2、翻開排氣閥,使液面恢復(fù)到同一水平面上,關(guān)閉排氣閥,翻開密閉容器底部 的水門,放出

3、一局部水,造成容器內(nèi)壓力下降。四、討論1 、為什么 P0 為表壓,真空值？ 2、用該設(shè)備是否可以測出其它液體的重度？為什么？實驗二伯努利方程儀實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康?、 觀察流體流經(jīng)能量方程試驗管的能量轉(zhuǎn)化情況，對實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析， 加深對能量方程的理解。2、掌握一種測量流體流速的方法。3、驗證靜壓原理。二、實驗裝置實驗裝置如圖1所示，在實驗桌上方放有穩(wěn)壓水箱、實驗管路、畢托管、測壓管、 壓差板、控制閥門和計量水箱。實驗桌的側(cè)下方那么放置有供水箱及水泵。供水箱三、實驗原理不停運動著的一切物質(zhì)，所具有的能量也在不停轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化過程中，能量只能 從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，即遵守能量守恒定

4、律。流體和其他物質(zhì)一樣，也具有 動能和勢能兩種機械能，流體的動能與勢能之間，機械能與其它形式的能量之間，也 可互相轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化關(guān)系，同樣遵守能量轉(zhuǎn)換守恒定律。當(dāng)理想不可壓縮流體在重力場中沿管線作定常流動時，流體的流動遵循伯努利能 量方程。即2p uzC:?g 2g式中：z 位置水頭位置高度；p / p g 壓強水頭測壓管高度； u2 / 2g 流速水頭流速高度;Hp = Z + p / p g 測壓管水頭；2H = Z + p / p g + u / 2g 總水頭。實際流體都是有粘性的，因此在流動過程中由于磨擦而造成能量損失。此時的能量方程變?yōu)?2.pi Zl-Z2g 2g其中能量損失hw是由

5、沿程磨擦損失2P2 U2.hwg 2ghf和局部能量損失hj兩局部組成。本實驗就是通過觀察和測量對流體在靜止與流動時上述的能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 的驗證。四、實驗操作1、驗證靜壓原理：啟動水泵，等水罐滿管道后，關(guān)閉兩端閥門，這時觀察能量方 程實驗管上各個測壓管的液柱高度相同，因管內(nèi)的水不流動沒有流動損失，因此靜止 不可壓縮均布重力流體中，任意點單位重量的位勢能和壓力勢能之和保持不變，測點 的高度和測點的前后位置無關(guān)。2、測速：能量方程實驗管上的每一組測壓管都相當(dāng)于一個皮托管，可測得管內(nèi)任意一點的流體點速度，本實驗臺已將測壓管開口位置設(shè)在能量方程實驗管的軸心，故u = J2g P 卩= <2g

6、Ah所測得動壓為軸心處的，即最大速度。g平均流速 V = Q/A可驗證出根據(jù)以上公式計算某一工況各測點處的軸心速度和平均流速添入表格, 連續(xù)性方程。對于不可壓縮流體穩(wěn)定的流動，當(dāng)流量一定時，管徑粗的地方流速小, 細(xì)的地方流速大。工程序號液體總量Q0 m3計時時間ts單位時間流量Q m3/S壓差h(m)計算流量Q m3/S流量系數(shù)Z123456能量方程實驗管工況點實驗數(shù)據(jù)記錄:液柱高序號1234流量m/s全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓-一-二二能量方程管中心高mm位置水頭能量方程管內(nèi)徑m靜水 頭m3、觀察和計算流體、流徑，能量方程實驗管對能量損失的情況：在能量方程實驗 管上布置四組測壓管，每組

7、能測出全壓和靜壓，全開閥門，觀察總壓沿著水流方向的 下降情況，說明流體的總勢能沿著流體的流動方向是減少的，改變給水閥門的開度， 同時計量不同閥門開度下的流量及相應(yīng)的四組測壓管液柱高度，進(jìn)行記錄和計算。實驗三動量定律實驗儀實驗指導(dǎo)書、實驗?zāi)康?、測定射流對水箱的反作用力；2、測定射流對平板的作用力，以次驗證恒定流動量方程。、實驗裝置本實驗裝置分兩種類型，其中I型為測定射流對平板的沖擊作用力。n型那么增加 了射流對水箱的反作用力。水準(zhǔn)泡噴嘴三、實驗原理水箱：1、以水箱水面1 1、出口斷面22及箱壁為控制面，對 X軸列動量方程:、Fx 二 Rx 二'Q2V2x 一 亠你式中：Rx水箱對水流的

8、作用力。其反作用力即水流對水箱的作用力，二者大小相等，方向相反；P 水的密度；Q流量；用重量法測算。3 1、3 2動量修正系數(shù)；取 3 1= 3 2= 1Vix水箱水面的平均流速在 X軸的投影；V2x 出口斷面的平均流速在 X軸的投影；求得Rx后，對轉(zhuǎn)軸取矩得計算的力距 MM=Rx- L= p - Q V L式中：L出口中心至轉(zhuǎn)軸的距離d 出口直徑V 出口流速 移動平衡砝碼得實測力矩 M0：式中：G平衡砝碼重量N S=S-S0So未出流時靜態(tài)平衡砝碼至轉(zhuǎn)軸O的距離S出流時動態(tài)平衡砝碼至轉(zhuǎn)軸O的距離2、實驗步驟 開啟進(jìn)水閥門，封閉出水管嘴，將水箱充滿水。 旋出定位銷，移動并仔細(xì)調(diào)整平衡砝碼，使水

9、箱上部水準(zhǔn)泡居中，記下靜態(tài)時 砝碼位置 S0； 旋下噴嘴蓋，觀察射流對水箱的作用效果，然后移動砝碼，使水準(zhǔn)泡居中，記 下動態(tài)時砝碼位置 S； 將數(shù)據(jù)代入公式，進(jìn)行計算。3 、考前須知 每次調(diào)節(jié)前，必須將定位銷固定住水箱，并用手托扶水箱，以免擺動過大損壞 儀器； 注意單位換算。 平板1、取噴嘴出口斷面 11，射流外表、以及沿平板出流的截面22為控制面，對X軸列動量方程:' Fx 二 RxQ( jV2x - iVix)式中：Rx平板對水流的作用力。其反作用力即水流對平板的作用力。二者大小相等， 方向相反；Vix 噴嘴出口平均流速在 X軸的投影V 控制面的平均流速在 X軸的投影；V2x =

10、0 求得Rx,對轉(zhuǎn)軸取矩。得計算力矩 MM=Rx Li= p - Q- V - Li式中：Li水流沖擊點至轉(zhuǎn)軸的距離；d噴嘴的內(nèi)徑V噴嘴出口的平均流速添加砝碼得實驗測力矩 M); M)=GX L2式中：G砝碼重量L2砝碼作用點到轉(zhuǎn)軸的距離2、實驗步驟將拉繩端部加一 50克砝碼，然后開啟并調(diào)節(jié)閥門，使平板保持原始鉛垂位置,記下砝碼重量G,并用重量法實測流量； 改變砝碼重量，重復(fù)步驟(1)；3、考前須知應(yīng)緩慢開啟和調(diào)節(jié)閥門。四、成果分析分析用動量定律所求得的力和實測之間產(chǎn)生誤差的原因。動量方程實驗報告一、水箱d=cmL 1= m S0= m G0= g W 0= gNOG gM=Gbkgm W=W

11、-WkgQkg /sV m/sRx=p QVkM=Rx- L1kgm123二、平板d=cmL1= m L2= m W0= gScm ScmM=G SkgmWk W=W-WkV TsQcm3 3sV m/sRx= p QVkM=Rx- L1kgmM-MM%123實驗四雷諾實驗儀實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康?、實際觀察流體的兩種型態(tài)，加深對層流和紊流的認(rèn)識。2、測定液體水在園管中流動的臨界雷諾數(shù)一即下臨界雷諾數(shù)，學(xué)會其測定 的方法。二、實驗裝置實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。恒水位水箱靠溢流來維持不變的水位。在水箱的下部裝有水平放置的雷諾試驗管，實驗管與水箱相通，恒水位水箱中的水可以經(jīng) 過實驗管恒定出

12、流，實驗管的另一端裝有出水閥門，可用以調(diào)節(jié)出水的流量。閥門的 下面裝有回水水箱，計量水箱里裝有電測流量裝置n型實驗臺。可以在電測流量儀上直接顯示出實驗時的流體流量。數(shù)字顯示出流體出流體積 W立升和相應(yīng)的出流時 間秒。在恒水位水的上部裝有色液罐，其中的顏色液體可經(jīng)細(xì)管引流到實驗管的進(jìn) 口處。色液罐的下部裝有調(diào)節(jié)小閥門，可以用來控制和調(diào)節(jié)色液液流。雷諾儀還設(shè)有 儲水箱，有水泵向?qū)嶒炏到y(tǒng)供水，而實驗的回流液體可經(jīng)集水箱回流到儲水箱中。三、實驗操作1、實驗前的準(zhǔn)備 翻開進(jìn)水閥門后，按下電測流量儀上的水泵開關(guān)，啟動水泵，向恒水位水箱加 水。 在水箱接近放滿時，調(diào)節(jié)閥門，使水箱的水位到達(dá)溢流水平，并保持有

13、一定的 溢流。 適度翻開出水閥門，使實驗管出流，此時，恒水位水箱仍要求保持恒水位，否 那么，可再調(diào)節(jié)閥門，使其到達(dá)恒水位，應(yīng)一直保持有一定的溢流。 注意：整個實驗過 程中都應(yīng)滿足這個要求 。 檢查并調(diào)整電測流量裝置，使其能夠正常工作。 測量水溫。2、進(jìn)行實驗，觀察流態(tài)具體操作如下： 微開出水閥門，使實驗管中水流有穩(wěn)定而較小的流速。 微開色液罐下的小閥門，使色液從細(xì)管中不斷流出，此時，可能看到管中的色 液液流與管中的水流同步在直管中沿軸線向前流動，色液呈現(xiàn)一條細(xì)直流線，這說明 在此流態(tài)下，流體的質(zhì)點沒有垂直于主流的橫向運動，有色直線沒有與周圍的液體混 雜，而是層次清楚的向前流動。此時的流體即為層

14、流。 假設(shè)看不到這種現(xiàn)象，可再逐漸 關(guān)小閥門，直到看到有色直線為止 。 逐漸緩慢開大閥門至一定開度時，可以觀察到有色直線開始出現(xiàn)脈動， 但流體 質(zhì)點還沒有到達(dá)相互交換的程度，此時，即象征為流體流動狀態(tài)開始轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài) 上臨界點，當(dāng)時的流速即為臨界流速。 繼續(xù)開大閥門，即會出現(xiàn)流體質(zhì)點的橫向脈動， 繼而色線會被全部擴散與水混 合，此時的流態(tài)即為紊流。 此后，如果把閥門逐漸關(guān)小，關(guān)小到一定開度時，有可以觀察到流體的流態(tài)從 紊流轉(zhuǎn)變到層流的臨界狀態(tài)下臨界點 。繼續(xù)關(guān)小閥門，試驗管中會再次出現(xiàn)細(xì)直色 線，流體流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳌?、測定臨界雷諾數(shù) Rec具體操作如下： 開大水閥門，并保持細(xì)管中有色液流出

15、，使實驗管中的水流處開紊流狀態(tài)，看不到色液的流線。 緩慢地逐漸關(guān)小出水閥門，仔細(xì)觀察試驗管中的色液流動變化情況，當(dāng)閥門關(guān)小到一定開度時，可看到試驗管中色液出口處開始有有色脈動流線出現(xiàn)，但還沒有達(dá) 到轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯臓顟B(tài)，此時，即象征為穩(wěn)流裝變?yōu)閷恿鞯呐R界狀態(tài)。在此臨界狀態(tài)下測量出水流的流量，具體步驟如下： 關(guān)閉計量水箱的出水閥門； 扳動出水閥門下面的出水水咀，使出流的水流入計量水箱中； 待水流入計量水箱中的水已使電測流量計的俘子浮起一定高度時，即可開始計量。I按下電測流量儀上的復(fù)位按鈕，流量顯示器即開始計量顯示，顯示出此時的出流總體積和相應(yīng)的出流時間。n計量到適當(dāng)時間后，按下電測流量儀上的鎖定按扭

16、，即停止計量，并顯示出計量時出流流體的總體積 Wml和相應(yīng)的出流時間ts。川 翻開放水閥門，把計量水箱中的水放回儲水箱，再關(guān)閉閥門。IV按、步驟重復(fù)測量 3次。V將測試結(jié)果記入實驗記錄表中。注：本實驗臺n型加裝電測流量裝置。四、實驗數(shù)據(jù)計算和處理1、實驗記錄表次數(shù)WtQ臨界流速臨界雷諾數(shù)附注1(ml)(s)(m3/s)Vk(m/s)Rek實驗管內(nèi)徑d=伽水溫：C232、實驗數(shù)據(jù)計算RecVcdQ = W / tU 水運動粘度根據(jù)實驗水溫，從水的粘溫曲線上查得實驗五沿程阻力系數(shù)測定實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康?、 測定流體在等直圓中流動不同雷諾數(shù)Re時的沿程阻力系數(shù)，并確定它們之 間的關(guān)系。2、了解流

17、體在道中流動時能量損失的測量和計算方法。二、實驗原理流體在管道中流動時，由于流體的粘性作用產(chǎn)生阻力，阻力表現(xiàn)為流體的能量損失。當(dāng)對L長度兩斷面列能量方程式時，可以求得L長度上的沿程水頭損失：hf-2 A - h2 二 h mPgPgl2根據(jù)達(dá)西公式h md 2g實驗測得厶h =hf,再測量出流體的流量 Q,并計算出管道斷面的平均流速V，即可求得沿程阻力系數(shù):d 2g2 h l v2式中：d 試驗管內(nèi)徑mg重力加速度2,m/s 三、實驗裝置見圖 1實驗臺主要由二根不同的實驗管路組成。每根管子中間L長度的兩斷面上設(shè)有測壓孔，可用壓差板測出管路實驗長度L上的沿程損失；管路的流量測量采用體積法測量。利

18、用水泵將儲水箱中的水打入試驗管路，經(jīng)穩(wěn)流箱穩(wěn)定水流，再通過出水閥門控 制出水流量。通過計量水箱返回儲水箱。四、實驗操作1、實驗前的準(zhǔn)備1熟悉實驗裝置的結(jié)構(gòu)及其流程。2啟動水泵，調(diào)整上水閥，使穩(wěn)壓水箱有適量溢流，并排除壓差板上測壓玻璃 管中的空氣，移動滑尺，即可讀取數(shù)據(jù)。(3) 測試水溫。2、測錄數(shù)據(jù)(1) 調(diào)節(jié)出水閥門，使壓差計的壓差指示厶h約為20 mm左右，以這個壓差為第一個試驗點，并記錄相應(yīng)的水流流量Q。(2) 逐次開大出水閥門的開度，測讀相應(yīng)的壓差值h?和流量Q。建議做610個 測試點直到壓差到達(dá)接近最高高度為止。(3) 本實驗臺可以進(jìn)行不同粗細(xì)管道二組實驗的測試，試驗方法同上。恒壓水

19、箱供水箱實驗管壓差板測點測點4'回水管TITTI I- »III計量水箱五、實驗數(shù)據(jù)處理實驗測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果可填入下表：d=伽 L=伽水溫=°Cd 2ghfRVl次序hi(mmHg)h2(mmHg) h(mmHg)W(m3)T(s)Q(m3/s )V(m/s )扎Re12345678910式中： h應(yīng)換算成水柱高mmHOV 可查表或從水的粘溫曲線上求得最后，可根據(jù)測算的Re和，值在雙對數(shù)座標(biāo)紙上標(biāo)繪出兩者的關(guān)系點及其關(guān)系曲 線；并可與教材上的圖線相比擬。實驗六 局部阻力系數(shù)測定實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康?、用實驗方法測定三種局部管件突擴、突縮和閥門在流體流經(jīng)管路時的局

20、 部阻力系數(shù)。2、學(xué)會局部水頭損失的測定方法。二、實驗原理及實驗裝置1、實驗原理局部阻力系數(shù)測定的主要部件為局部阻力實驗管路，它由細(xì)管和粗管組成一個突擴和一個突縮組件，并在等直細(xì)管的中間段接入一個閥門組件。每個阻力組件的兩側(cè) 一定間距的斷面上都設(shè)有測壓孔，并用測壓管與測壓板上相應(yīng)的測壓管相聯(lián)接。當(dāng)流 體流經(jīng)實驗管路時，可以測出各測壓孔截面上測壓管的水柱高度及前后截面的水柱高 度差 h。實驗時還需要測定實驗管路中的流體流量。由此可以測算出水流流經(jīng)各局部 阻力組件的水頭損失 hZ ,從而最后得出各局部組件的局部阻力系數(shù)Z。通過用計算公式為：vj -V；hj 5 也122g尸hj2g式中：hi、h2

21、阻力組件前、后的水柱高度mV V2阻力組件前、后的水流流速m/sg重力加速度計m/s2【注】局部阻力系數(shù) Z計算時的流速經(jīng)突然擴大斷面時可用流經(jīng)該局部組件前的流速Vi外，一般不加說明的都是指流經(jīng)局部組件后的流速V2。這點在計算時要特別注意。 上述計算中都略去了管路的沿程阻力損失。2、實驗裝置實驗裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主要由電流量裝置及其計量水箱、流量顯示儀、出水閥門、局部阻力實驗管路、測壓管、實驗臺桌、進(jìn)水閥門、儲水箱、水泵等組成。禾U用水泵將儲水箱中的水打入實驗管路，然后利用進(jìn)水閥門和出水閥門，可以控制和調(diào)節(jié)出水流量。閥門的下面裝有回水箱和計量水箱，計量水箱中裝有流量測量裝置，可以由此在流量顯示儀上直接顯示出實驗