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流体力学实验指导书电子版
实验一 文丘里流量计校正实验
一、实验目的和要求
1． 掌握文丘里流量计的原理
2． 2学习用比压计和体积法测量流量的技能
3． 利用测量后的水头差，根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理
论流量做出修正，得到流量计的流量系数。

二、原理简介
1·文丘里管是一种常用的量测有压管道流量的装置，见图1，属压差式流量计，它包括"收缩段"、"喉道"和"扩散段"三部分，安装在需要测定流量的管道上。

在收缩段进口断面3-3和喉道断面4-4上设测压孔，并接上比压计，通过量测两个断面的测管水头差Δh ，就可计算管道的理论流量Q ，再经修正得到实际流量。

3 理论流量：水流从3-3断面到4-4断面，由于断面的收缩，流速增大，根据恒定总能量方程，若不考虑水
头损失，速度水头的增加等于测管水头的减少，这样我们通过测量得到的h ∆建立了2断面平均流速v 1和v 2的关系
g
v g v g p z g p z h h h 22)()(2
4
4233443343ααρρ-
=+-+=-=∆
如果我们假设动能修正系数0.121==αα则
g
v g v g p z g p z 22)()(2
4
2
3
4433-
=+-+ρρ 另一方面，由恒定总流连续方程
4433v A v A =， 即
4
3
443)(d d v v = 所以 ：
])(1[22243
42
42324d d g v g v g v -=-
图一 文丘里管示意图
图1 文丘里管示意图
于是：
])(1[24
3
424d d g v h -=∆
解：
h g d d v ∆-=2)(114
3
44
最终求得理论流量
h K h g d
d d d A v Q ∆=∆-=
=24
44
4324
2344l π
式中
g
d
d d d K 24
44
4324
23-=
π
4 流量系数
流量计流过实际液体时由于两断面测管水头差中还包括了因粘性造成的水头损失，流量应修正为：
h K Q s ∆=μ
其中0.1<μ
称为流量计流量系数。

流量系数还体现了渐变流假设是否得到了严格的满足
这个因素。

对于文丘里流量计，下游断面设置在喉道，可以说渐变流假设得到了严格的满 足。

对于某确定的流量计，流量系数取决于流动的雷诺数，但当雷诺数较大(流速较高)时，流量系数基本不变。

实 验 设 备
在自循环水压力恒定管道上串联文丘里流量计，分别在文丘里流量计的收缩段进口断面和喉道断面设测压孔，并接上比压计，用于量测断面的测管水头差。

设置专用量水箱进行流量的量测。

三实 验 步 骤
1、认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2、查阅用压差计量测压差和用体积法量测流量的原理和步骤。

3、对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动抽水机，打开进水开关，给水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。

4、检查下游截门全关时，比压计各个测压管水面是否处于同一水面上。

如不平，则需排气调平。

5、核对设备编号，量测水温，记录断面管径等数据。

6、实验要求改变几次流量，为便于调节，可先从大流量开始做。

先开启下游截门，使比
压计上出现最大的压差，待水流恒定后，再进行量测，并将数据记录到表中相应位置。

7、依次减小流量，待水流恒定后，重复上述步骤8次以上，并按序记录数据。

四、实验数据记录
Q S =量水体积/时间
8、整理实验结果，得出流量计在各种流量下的Re ,,,s l Q Q h ∆ 和μ。

9、对实验结果进行分析讨论，阅读思考问题，作简要回答。

五、思考题
1、文丘里流量计的实际流量与理论流量为什么会有差别，这种差别是由哪些因素造成
的?
2、文丘里流量计的流量系数为什么小于1.0?
3、文丘里流量计的流量系数是否与雷诺数有关?通常给出一个固定的流量计流量系数应该怎么理解?
实验二 能量方程
能量方程(伯诺里方程)是水力学三大基本方程之一 ，反映了水流在流动时，位能、压能、动能之间的关系。

一、实验目的和要求
通过实验了解水流在不同管径、不同高程的管路中流动时上述三种能量之间的复杂变化关系。

生在作本实验时应着重掌握：
(1)总水头线和测压管水头线在局部阻力和沿程阻力处的变化规律; (2)总水头线在不同管径段的下降梯度即水力梯度的变化规律; (3)用实测流量计算流速水头去核对测压板上两线的正确性; (4)不同管径流速水头的变化规律。

二 实验设备
本实验台由恒压水箱，水泵，测压板及多变径经有机玻璃管道组成。

（见图二）
三实验原理
过水断面的能量由位能、压能、动能三部分组成。

水流在不同管径、不同高程的管路中流动时，三种能量不断地相互转化，在实验管道各断面设置测压管及测速管即可演示出三种能量沿程变化的实际情况测压管中申水位显示的是位能和压能之和，即能量方程中之前两项：g
p z
ρ+
，测速管中水位显示的是位能·压能、动能之和。

即能量方程中三项之和
g
v g p z 22
+
+ρ。

将测压管中的水位连成一线，称为测压管水头线，反映势能沿程的变化;将测速管中
的水位连成一线，称为总水头线，反映总能量沿程的变化，2线的距离为流速水头
g
v 22
本实
验台在有机玻璃实验管道勺关键部位处，设置测压管及测速管，适当的调节流量，就可把总水头线和测压管水头线绘制于测压板上。

四、实验步骤
开动水泵，使水箱开始溢流后，调节阀门，测量不同流量下的测压管和测速管中液面高度，用体积法测出管内流量。

图二：能量方程实验管示意图
五、数据处理
1选管中任意截面，通过测压管和测速管之差计算该截面的流量，并与用体积法算出的流量比较。

分析差别的原因。

2画出总水头线和测压管水头线。

3、总结并回答，总水头线在不同管径段的下降梯度即水力梯度的变化规律; 不同管径流速水头的变化规律。

数据记录
实验三 流态演示与临界雷诺数量测实验
一、实验目的和要求
1、观察圆管恒定流动层流和紊流两种流态及其转换现象。

观察层流和紊流两种流态下的断面流速分布情况。

2、测定圆管恒定流动在层流和紊流两种流态下的沿程水头损失h f 与平均流速v 的关系，测定临界雷诺数。

二、原 理 简 介
1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态:层流和紊流，它们的区别在于:流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。

在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没
有。

2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数υ
vd
=
Re ，d 是圆管直径，v 是断面平均
流速υ是流体的运动粘性系数。

3、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。

针对圆管中定常流动的情况，容易理解:减小d ，减小v ，加大υ三种途径都是有利于流动稳定的。

综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，
容易发生紊流现象。

4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。

上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。

有实际意义的是下临界雷数
5、圆管中恒定流动的流态为层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的1·75~2·0次方成正比。

三、实 验 设 备
在自循环水压力恒定圆管上1，2两个测孔接上比压计，可量测水头损失。

设有颜色水注入装置，以便显示流态和圆管断面流速分布。

管中流速可用尾阀来调节，设置专用水箱进行流量的量测。

四、实 验 步 骤
1、接通电源使水泵正常工作，水箱充水并保持溢流状态，使水位恒定。

2、打开尾阀至最大，排出实验管道中气泡。

关闭尾阀，排出压差计中气泡。

3、用尾阀调节流量，通过注人的颜色水，观察管中分别为层流和紊流时的流动形态和断面流速分布。

4、打开尾阀至最大，用体积法量测管道出流流量，同时记录压差计的读数h ∆。

逐渐减小尾阀开度，记录不同流量情况下的数据。

5整理所测数据，绘制v h f lg lg →的关系曲线，确定上、下临界雷诺数。

6、在实验开始和结束时分别量测水温，加以平均作为实验水温。

五、实验数据记录
实验四沿程水头损失量测实验
一、实验目的和要求
1、学会测定管道沿程水头损失系数人的方法。

2、分析圆管恒定流动的水头损失规律，验证光管沿程水头损失 平均流速v 的关系以及λ随雷诺数Re 变化规律。

二、 原 理 简 介
1、对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为:
h g
p
z g p z h f ∆=+-+
=)()(2211ρρ 即上下游测量断面的比压计读数差。

沿程水头损失也常表达为：
g
v d l h f 22
λ
= 其中λ为沿程水头损失系数，l 为上下游量测断面之间的管段长度，d 为管道直径;v 为断面平均流速。

若在实验中测得Δh 和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失系数
g
v d l h
22∆=
λ 三、实 验 设 备
本实验在直径40mm 的光滑有机玻璃管中进行。

在相距1300mm 的2个测压孔用比压计测量水头损失，流量的测量用体积法进行。

四、实 验 步 骤
1、开启上下游阀门排气，检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否处于同一水平面上。

如不平，则需排气调平。

2、开启下游阀门，流量应先放到最大，待水流恒定后，观察测管水头的变化。

测量流量及相应的水头损失，登录到数据表格上。

3、减小阀门开度，重复上述步骤，并按序登录数据。

流量的调整逐步由大到小，每改变一次流量需要等待1~2分钟，待水流恒定后再进行测量。

水流的紊动使比压计的水面有波动，应记录水面的时均值。

4、在实验开始和结束时分别测量水温，加以平均作为实验水温。

五实验数据记录与整理
水箱体积 20×48×18厘米 水温 开始 结束
六、实验成果要求
绘制v h f lg lg →的关系曲线，和Re lg lg →λ的关系曲线。

分析λ的变化规律。

七、分析思考问题
1、如将实验管安装成倾斜的，比压计中的读数差是不是沿程水头损失值?
2、如果用气流代替水流进行实验，是否能得出同样的结果?为什么?实验的量测方法相应要有哪些改变?。