实验一流体力学综合实验 流体力学综合实验台为多功能实验装置,其结构示意图如图1所示 沿程阻力 现门阻力 = 图1流体力学综合实验台结构示意图 1.储水箱2恒压水箱溢流管3.上水管4恒压水箱5墨盒 6实验管段组7支架8计量水箱9回水管10实验桌 利用上述流体力学综合实验台可进行下列实验 L.雷诺实验; Il.能量方程实验; Ⅲ.阻力损失实验:1.沿程阻力2.局部阻力(含阀门、突扩和突缩); IV.孔板流量计流量系数和文丘里流量计流量系数的测定
1 ·· 实验一 流体力学综合实验 流体力学综合实验台为多功能实验装置，其结构示意图如图 1 所示。 图1 流体力学综合实验台结构示意图 1.储水箱 2.恒压水箱溢流管 3.上水管 4.恒压水箱 5.墨盒 6.实验管段组 7.支架 8.计量水箱 9.回水管 10.实验桌 利用上述流体力学综合实验台可进行下列实验： I. 雷诺实验； II. 能量方程实验； III. 阻力损失实验：1．沿程阻力 2．局部阻力（含阀门、突扩和突缩）； IV. 孔板流量计流量系数和文丘里流量计流量系数的测定
I雷诺实验 实验目的 1.观察流体在管道中的流动状态及层流状态下的速度分布。 2.测定不同流态下的雷诺数,了解流态与雷诺数的关系。 3.测定下临界雷诺数。 实验原理 众所周知,流体在管道中具有不同的流态。在图2所示的实验装置中,可以看到两种 流态的征状。容器A内装有清水,水从管G送入容器,从侧壁上的玻璃管B及靠近容器顶 部的溢流管H流出。送入的水量应使总有一部分水经过溢流管流出,这样可使容器的液面 维持一定。玻璃管的排水量可用阀C调节。容器上方有小瓶D,瓶内装入有色液体,有色 液体可经过细管E注入玻璃管B内 图2雷诺实验装置示意 当玻璃管内的流速较低时,从细管注入的有色液体能成为单独的一股细流前进,同玻 璃管内的水不相混杂(见图la)。当玻璃管内的流速较高时,从细管注入的那股有色的细流 马上消失在水中,同水混杂起来(见图lc)。前一种情况说明流体流动时,流体的质点成为 互不干扰的细流前进,各股细流互相平行,层次分明,流体的这种状态叫层流,或叫滞流。 后一种情况说明流体流动时,出现一种紊乱状态。流体各质点作不规则的运动,流体内各 股细流互相更换位置,流体质点有轴向和横向运动,互相撞击,产生湍动和旋涡,这种流 态叫湍流,或称紊流。这个实验称为雷诺实验
2 ·· I 雷 诺 实 验 实验目的 1. 观察流体在管道中的流动状态及层流状态下的速度分布。 2. 测定不同流态下的雷诺数，了解流态与雷诺数的关系。 3. 测定下临界雷诺数。 实验原理 众所周知，流体在管道中具有不同的流态。在图 2 所示的实验装置中，可以看到两种 流态的征状。容器 A 内装有清水，水从管 G 送入容器，从侧壁上的玻璃管 B 及靠近容器顶 部的溢流管 H 流出。送入的水量应使总有一部分水经过溢流管流出，这样可使容器的液面 维持一定。玻璃管的排水量可用阀 C 调节。容器上方有小瓶 D，瓶内装入有色液体，有色 液体可经过细管 E 注入玻璃管 B 内。 图 2 雷诺实验装置示意图 当玻璃管内的流速较低时，从细管注入的有色液体能成为单独的一股细流前进，同玻 璃管内的水不相混杂（见图 1a）。当玻璃管内的流速较高时，从细管注入的那股有色的细流 马上消失在水中，同水混杂起来（见图 1c）。前一种情况说明流体流动时，流体的质点成为 互不干扰的细流前进，各股细流互相平行，层次分明，流体的这种状态叫层流，或叫滞流。 后一种情况说明流体流动时，出现一种紊乱状态。流体各质点作不规则的运动，流体内各 股细流互相更换位置，流体质点有轴向和横向运动，互相撞击，产生湍动和旋涡，这种流 态叫湍流，或称紊流。这个实验称为雷诺实验
实验证明,除了流速u对流态有影响外,管道直径d、流体密度ρ和粘度μ对流态也产 生影响。若流体处于层流状态时,d、ρ愈大,μ愈小,流态就愈容易从层流转为紊流;相 反,d、p愈小,μ愈大,流态就愈不易从层流转为紊流。总之,无因次数群dp的数 值大小决定着流体的流态,是判断流态的准数,叫雷诺准数,用符号Re表示,即Re=dyp/u, 它表示惯性力与粘性摩擦力之比,说明粘性摩擦力对流动的影响。 流态转变时的雷诺准数称为临界雷诺数,由紊流转变为层流的临界雷诺数比由层流转 变为紊流的临界雷诺数小,故前者称为下临界雷诺数,后者称为上临界雷诺数 大量的实验测定表明:对于在平直的圆管中流动的流体,当Re≤2300时,流态属层流。 当Re≥4000时,流态属紊流。而在2300<Re<4000这一范围内,流态是不稳定的,可能是 层流,也可能是紊流,而且极易从一种流态转变为另一种流态,属过渡流 实验设备与仪器 流体力学综合实验装置一套,如图1所示。本实验涉及的部分有储水箱1、恒压水 箱溢流管2、上水管3、恒压水箱4、雷诺实验管及其阀门、计量水箱8及回水管9。 2.秒表一块 3.温度计一 实验步骤 1.关闭所有管道的进水阀和出水阀,开启水泵电源和上水阀,给恒压水箱4中注满水 (即恒压水箱中有水溢出),在墨盒5中注入红墨水 2.依次打开雷诺实验管的出水阀、进水阀及墨盒开关。调节进水阀的大小,观察雷诺 实验管内颜料水的流动型态 3.调节雷诺实验管进水阀开度使雷诺实验管内的流体呈层流状态时,快速挤下几滴红 墨水,观察管道内水流速度的分布情况。 4.改变雷诺实验管进水阀开度,用计量水箱8(或量杯)和秒表测量不同流态时水的 流量 5.调节雷诺实验管进水阀,通过观察颜料水的流动情况,使流态从紊流转变为层流 测量此时下临界流动状态时的水流量。 6.用温度计测量实验时水温。 7.关闭水泵电源及实验用所有阀门,结束实验
3 ·· 实验证明，除了流速 u 对流态有影响外，管道直径 d、流体密度ρ 和粘度μ 对流态也产 生影响。若流体处于层流状态时，d、ρ 愈大，μ 愈小，流态就愈容易从层流转为紊流；相 反，d、ρ 愈小，μ 愈大，流态就愈不易从层流转为紊流。总之，无因次数群 duρ /μ 的数 值大小决定着流体的流态，是判断流态的准数，叫雷诺准数，用符号 Re 表示，即 Re=duρ /μ， 它表示惯性力与粘性摩擦力之比，说明粘性摩擦力对流动的影响。 流态转变时的雷诺准数称为临界雷诺数，由紊流转变为层流的临界雷诺数比由层流转 变为紊流的临界雷诺数小，故前者称为下临界雷诺数，后者称为上临界雷诺数。 大量的实验测定表明：对于在平直的圆管中流动的流体，当 Re≤2300 时，流态属层流。 当 Re≥4000 时，流态属紊流。而在 2300<Re<4000 这一范围内，流态是不稳定的，可能是 层流，也可能是紊流，而且极易从一种流态转变为另一种流态，属过渡流。 实验设备与仪器 1．流体力学综合实验装置一套，如图 1 所示。本实验涉及的部分有储水箱 1、恒压水 箱溢流管 2、上水管 3、恒压水箱 4、雷诺实验管及其阀门、计量水箱 8 及回水管 9。 2．秒表一块。 3．温度计一支。 实验步骤 1. 关闭所有管道的进水阀和出水阀，开启水泵电源和上水阀，给恒压水箱 4 中注满水 （即恒压水箱中有水溢出），在墨盒 5 中注入红墨水。 2. 依次打开雷诺实验管的出水阀、进水阀及墨盒开关。调节进水阀的大小，观察雷诺 实验管内颜料水的流动型态。 3. 调节雷诺实验管进水阀开度使雷诺实验管内的流体呈层流状态时，快速挤下几滴红 墨水，观察管道内水流速度的分布情况。 4. 改变雷诺实验管进水阀开度，用计量水箱 8（或量杯）和秒表测量不同流态时水的 流量。 5. 调节雷诺实验管进水阀，通过观察颜料水的流动情况，使流态从紊流转变为层流， 测量此时下临界流动状态时的水流量。 6. 用温度计测量实验时水温。 7. 关闭水泵电源及实验用所有阀门，结束实验
实验数据记录与处理 1.实验数据记录与处理参考格式 雷诺管径d 实验日期 实验者 序号总水量()时间流量Q平均流速aR 流态 备注 s (m/s) 5678 2.数据处理 (1)简述实验所观察的层流与紊流现象 (2)査取实验水温下的ρ、μ值,计算不同流量时雷诺实验管的平均流速u及雷诺数Re, 并判断其流态。 (3)根据实验数据的计算结果,绘制实验流体温度下的Re-u曲线。 (4)计算实验条件下的下临界雷诺数 实验注意事项 1.开关阀门时要缓慢,以免综合实验装置中测压管中的水因压差值过高而溢出 2.观察流态时,可停止水泵上水,以消除水泵上水的振动对流型观察的影响 3.开启雷诺实验管阀门的顺序只能先开出水后开进水,关时则相反,否则水将从测压 管中溢出。 思考题 判断所有流体在不同流动装置内流动状态是否为层流的依据为其雷诺数Re≤2300, 对吗?为什么? 2.采用毕托管对准管道轴心所测的速度,算出的雷诺数可否用于判断流态,为什么?
4 ·· 实验数据记录与处理 1. 实验数据记录与处理参考格式 雷诺管径 d 水 温 t 实验日期 实验者 mm ℃ 序号 总水量(L) 时间 (s) 流量 Q (m3 /s) 平均流速 u (m/s) Re 流态 备 注 1 2 3 4 5 6 7 8 2. 数据处理 (1) 简述实验所观察的层流与紊流现象。 (2) 查取实验水温下的 ρ、μ值，计算不同流量时雷诺实验管的平均流速 u 及雷诺数 Re， 并判断其流态。 (3) 根据实验数据的计算结果，绘制实验流体温度下的 Re—u 曲线。 (4) 计算实验条件下的下临界雷诺数。 实验注意事项 1. 开关阀门时要缓慢，以免综合实验装置中测压管中的水因压差值过高而溢出。 2. 观察流态时，可停止水泵上水，以消除水泵上水的振动对流型观察的影响。 3. 开启雷诺实验管阀门的顺序只能先开出水后开进水，关时则相反，否则水将从测压 管中溢出。 思考题 1. 判断所有流体在不同流动装置内流动状态是否为层流的依据为其雷诺数 Re≤2300， 对吗？为什么？ 2. 采用毕托管对准管道轴心所测的速度，算出的雷诺数可否用于判断流态，为什么？
II能量方程实验 实验目的 了解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。 实验原理 根据运动微分方程式和功能原理均可推导出理想流体微细流作恒定流动时的单位能量 方程或伯努利方程式为: P ZI Z (1) 或 Z+ P+Ⅱ=常数 式中第一项Z是断面对于选定基准面的高度,表示单位重量流体的位置势能,简称位 能,水力学中称位置水头;式中第二项一是断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度 表示压力做功所能提供给单位重量流体的能量,简称压能,水力学中称压强水头;式中第 三项是以断面流速u为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度,表示单位重量流体的 动能,简称动能,水力学中称流速水头。前两项之和Z+一表示单位重量流体具有的势能, 水力学中称测压管水头。三项之和2+2+表示单位重量流体的总能量之和,水力学中称 总水头。 实际上所遇到的流体都具有粘性,使流体流动时需消耗一部分机械能或压头,以克服 由于粘性而产生的切向阻力。因此实际上不可压缩的粘性流体的微细流,作恒定流动时的 伯努利方程式为 式(3)中的h是因克服截面1-1与2-2间的单位重量流体的阻力所消耗的能量(或压头),称 为压头损失。这项损失的能量变为势能,部分为流体所吸收,提高流体的温度,部分则散 失到周围的介质中。 使用毕托管测出实验管道各个断面的压强水头和速度水头,再测出各个相应断面的位 置水头,即得到各断面的总水头,它们的连线即为总水头线,总水头线减去流速水头即得
5 ·· II 能量方程实验 实验目的 了解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。 实验原理 根据运动微分方程式和功能原理均可推导出理想流体微细流作恒定流动时的单位能量 方程或伯努利方程式为： g u γ P Z g u γ P Z 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 + + = + + (1) 或 Z+ γ Ρ + g u 2 2 =常数 (2) 式中第一项 Z 是断面对于选定基准面的高度，表示单位重量流体的位置势能，简称位 能，水力学中称位置水头；式中第二项 γ P 是断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度， 表示压力做功所能提供给单位重量流体的能量，简称压能，水力学中称压强水头；式中第 三项 g u 2 2 是以断面流速 u 为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度，表示单位重量流体的 动能，简称动能，水力学中称流速水头。前两项之和 Z＋ γ P 表示单位重量流体具有的势能， 水力学中称测压管水头。三项之和 Z+ γ Ρ + g u 2 2 表示单位重量流体的总能量之和，水力学中称 总水头。 实际上所遇到的流体都具有粘性，使流体流动时需消耗一部分机械能或压头，以克服 由于粘性而产生的切向阻力。因此实际上不可压缩的粘性流体的微细流，作恒定流动时的 伯努利方程式为： w 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 h g u γ P Z g u γ P Z + + = + + + (3) 式(3)中的 hw 是因克服截面 1-1 与 2-2 间的单位重量流体的阻力所消耗的能量（或压头），称 为压头损失。这项损失的能量变为势能，部分为流体所吸收，提高流体的温度，部分则散 失到周围的介质中。 使用毕托管测出实验管道各个断面的压强水头和速度水头，再测出各个相应断面的位 置水头，即得到各断面的总水头，它们的连线即为总水头线，总水头线减去流速水头即得