2018流体力学实验指导书

《流体力学》实验指导书
杨英俊
2018.
目录
实验一平面上静水总压力测量实验 (4)
实验二恒定总流动量方程验证实验 (7)
实验三流态演示与临界雷诺数量测实验 (10)
实验四沿程水头损失测量实验 (13)
实验五文透里流量计率定实验 (16)
实验六局部水头损失测量实验 (19)
实验七恒定总流能量方程演示实验 (22)
前言
流体力学是一门重要的技术基础课，它的主要研究内容为流体运动的规律以及流体与边界的相互作用，它涉及到建筑、土木、环境、水利造船、电力、冶金、机械、核工程、航天航空等许多学科。

在自然界中，与流体运动关联的力学问题是很普遍的，所以流体力学在许多工程领域有着广泛的应用。

例如水利工程、机械工程、环境工程、热能工程、化学工程、港口、船舶与海洋工程等，因此流体力学是高等学校众多理工科专业的必修课。

流体力学课程的理论性强，同时又有明确的工程应用背景。

它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。

因此，掌握流体力学的基本概念、基本理论和解决流体力学问题的基本方法，具备一定的实验技能，为后续课程的学习打好基础，培养分析和解决工程实际中有关水力学问题的能力。

流体力学和其它学科一样，大致有三种研究方法。

一是理论方法，分析问题的主次因素，提出适当的假定，抽象出理论模型（如连续介质、理想流体、不可压缩流体等），运用数学工具寻求流体运动的普遍解。

二是实验方法，将实际流动问题概括为相似的实验模型，在实验中观察现象、测定数据，并进而按照一定方法推测实际结果。

第三种方法是数值计算，根据理论分析与实验观测拟订计算方案，通过编制程序输入数据，用计算机算出数值解。

三种方法各有千秋，既是互相补充和验证，但又不能互相取代。

实验方法仍是检验与深化研究成果的重要手段，现代实验技术的突飞猛进也促进了流体力学的蓬勃发展。

因此，流体力学实验在流体力学学科及教学中占有重要位置，也是在学习流体力学课程中一个不可缺少的重要教学环节。

目前，针对我院各专业本科生，流体力学实验包括以下7个实验：
1)平面上静水总压力测量实验
2)恒定总流动量方程验证实验
3)流态演示与临界雷诺数量测实验
4)沿程水头损失测量实验
5)文透里流量计率定实验
6)局部水头损失测量实验
7)恒定总流能量方程演示实验
实验教学目的：
1. 在实验中观察水流现象，增强感性认识，巩固理论知识的学习。

2. 通过实验验证所学流体力学的部分原理、定律和规律，提高理论分析能力。

3. 学习测量原理，学会使用基本测试仪器，掌握一定的实验技能，了解现代测量技术。

4. 培养分析实验数据、整理实验成果和编写实验报告的能力。

5. 培养严谨踏实的科学作风和融洽合作的共事态度以及爱护国家财产的良好风尚。

实验要求：
1. 严肃认真对待课程要求选做的每一个实验。

2. 实验前预习讲义，了解实验目的要求、实验原理、实验设备、实验方法步骤、记录数据等。

3. 开始实验前，要先对照实物了解仪器设备的使用方法，弄清实验步骤，做好实验前的准备工作，然后再进行实验。

4. 同组成员应互相配合、细心操作，仔细观察水流现象，认真进行数据测量、记录和整理，及时发现明显不合理的数据，保证测量精度。

5. 爱护仪器设备，实验完毕后，关闭水泵和电源开关，将仪器设备恢复原状。

6. 实验报告应书写工整、图表清晰，成果正确。

不合要求应予重新补做。

实验一平面上静水总压力测量实验
一、实验目的
1．测定矩形平面上的静水总压力。

2. 验证静水压力理论的正确性。

二、实验设备
实验设备及各部分名称见图1-1和1-2。

一个扇形体连接在杠杆上，再以支点连接的方式放置在容器顶部，杠杆上还装有平衡锤和天平盘，用于调节杠杆的平衡和测量。

容器中放水后，扇形体浸没在水中，由于支点位于扇形体圆弧面的中心线上，除了矩形端面上的静水压力之外，其它各侧面上的静水压力对支点的力矩都为零。

利用天平测出力矩，可推算矩形面上的静水总压力。

图1-1 图1-2 三、实验原理
在已知静止液体中的压强分布之后，通过求解物体表面上的矢量积分即可得到总压力。

完整的总压力求解包括其大小、方向、作用点。

图1-3
1．静止液体作用在平面上的总压力（图1-3）
（1）这是一种比较简单的情况，是平行力系的合成，即
（2）总压力大小等于作用面形心C处的压强Pc乘上作用面的面积，即
（3）总压力作用点位于作用面形心以下。

（1）单位厚度作用面上总压力的大小等
于压强分布图的面积，总压力的作用线过压强
分布图的形心。

（2）如压强为梯形分布，则总压力大小
为：
合力作用点距底的距离为：。

其中，分别为梯形压强分布图上下底的压强水头，，是作用面的长度和宽度。

（3）又若作用面是铅垂放置的（如图1-5），
则。

总压力大小为：
，
合力作用点距底的距离为：。

图1-5
四、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．熟悉仪器，记录有关常数。

3．用底脚螺丝调平，使水准泡居中。

4．调平衡锤使杠杆处于水平状态，此时扇形体的矩形端面处于铅垂位置。

5．打开进水阀门K1，放水进入水箱，待水流上升到一定的高度，关闭K1。

6．加砝码到水平盘上，使杠杆恢复到水平状态。

如不行，则再加水或放水直至平衡为止。

7．测记砝码重量G ，记录水位的刻度数。

8．根据公式计算受力面积和静水总压力作用点至底部距离及作用点至支点的垂直距离L1。

9．根据力矩平衡公式，求出静水总压力P。

10．重复步骤4-8，水位读数在100mm以下（三角形压强分布）做四次，以上（梯形压强分布）做四次，共做八次。

五、注意事项
1.测读砝码时，仔细观察砝码所注克数。

2.加水或放水，要仔细观察杠杆所处的状态。

3.砝码要每套专用，不要混用。

实验二恒定总流动量方程验证实验
一、实验目的
1．实测射流对平板或曲面板施加的作用力，并与用理论公式计算的作用力相比较，以验证恒定总流的动量方程。

2．学习用天平测力和用体积法测流量的实验技能。

二、实验设备
实验设备与仪器见图2-1。

由存水箱、水泵、调压阀和稳压箱组成系统提供一股恒定的水射流由喷嘴射出冲击平板或曲面板，射流对实验板的冲击力用天平测量，射流的流量用自动测量仪测量。

图2-1
1.天平；
2.实验板；
3.水泵；
4.实验箱；
5.喷嘴；
6.定位杆；
7.调节阀；
8.挡水板；
9.分流器10.量水箱；11.泄水槽；12.泄水阀；13.稳压箱；14.压力表；15.调压阀；16.存水箱；
三、实验原理
1．对恒定总流运用动量守恒原理，可以得到动量
方程
，
它表明总流中上游1-1断面和下游2-2断面之
间控制体内流体所受外力之矢量和等于单位时间
经两断面流出控制体的动量。

利用动量方程我们往
往可以求出所需的作用力，包括边界对流体的作用
力或者其反作用力（图2-2）。

图2-2
2．水流从圆形喷嘴射出，垂直冲击在距离很近的一块平板上，随即在平板上向四周散开，流速方向转了90°，取射流转向前的断面1-1和水流完全转向以后的断面2-2（是一个圆筒面，它应截取全部散射的水流）之间的水流区域为控制体，运用动量方程可求出平板对水流
的作用力。

3．控制面中除了水流和平板的交界面外压强都为零（图2-3）。

不考虑水流扩散、板面和空气阻力，由能量方程可得。

若射流方向水平，重力沿射流方向无分量,沿射流方向的动量
方程投影式为：
，图2-3
取动量修正系数，则。

4．若射流冲击的是一块凹面板（如图2-4），则沿
射流方向的动量方程投影式为：
，
取动量修正系数，仍满足，所以
- 图2-4
5．本实验装置设计的射流方向是铅垂向上的，
因此重力沿射流方向有分量（图2-5），考虑到重
力的减速作用，射流冲击到实验板上的速度小于
喷嘴出口流速，为
，
故将实验板受力公式改为
，图2-5
其中z为射流喷射高程（喷嘴出口到实验板的距离）。

四、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．调天平，将微调砝码拨到零位，配重放到A盘，使天平处于平衡状态。

调节天平位置，使喷嘴中心与实验板中心在同一轴线上，然后用定位件将天平固定。

在天平B盘放入砝码，实验板为平板时放60g砝码，曲板时放100g砝码。

3．将分流器泄水口拨向泄水槽，开大稳压箱调压阀，关闭进水调节阀，将量水箱存水放空后，关闭量水箱泄水阀。

启动水泵，待稳压箱内的气体全部排除后关小调压阀（不要关死，须留有调节量），慢慢开启进水调节阀，由喷嘴喷出射流冲击实验板，当实验板受到的冲击力与砝码的重量相等时，天平重新处于平衡状态，停止调节阀门。

也可以用微调砝码调天平。

此时压力表读数在1.5格（0.15MPa）左右。

4．拨动分流器，使泄水口朝向量水箱，当量水箱测压管水位达到一定高度时拨分流器，使泄水口朝向泄水槽，并记录量水时间和高度。

5．打开量水箱泄水阀，排净量水箱内存水，关闭泄水阀。

在天平B盘再加入10g砝码，
拨微调砝码到零位，慢慢开启进水调节阀，使天平再次平衡，观察压力表读数，若有改变则用调节阀调节使其保持恒定。

6．重复步骤3、4、5，记录8组数据，每次均增加10g砝码。

射流冲击力的测量值与计算值的偏差小于5%为合格，实验结果至少应有5组数据合格。

五、注意事项
1. 泄水阀门一定要关严，喷嘴与实验板中心定位要准确。

2. 开启阀门时一定要慢，不能使水冲到实验板上面。

3. 实验完毕关水泵及进水调节阀。

实验三流态演示与临界雷诺数量测实验
一、实验目的
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与平均流速的关系，测
定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则。

二、实验设备
实验装置如图3-1所示。

在自循环恒定圆管流上1，2两个测孔接上比压计，可测量水头损失。

将有颜色水注入装置，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测量。

图3-1
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。

（见图3-2）
2．圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数
d 是圆管直径，v 是断面平均流速，v 是流体的运动粘性系数。

图3-2
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v 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
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
是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，
有确定的取值，圆管定常流动的下临界雷诺数取为：。

图3-3
5．由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十
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。

（见图3-3）
6．对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分
布作一比较，可以看出层流流速分布呈旋转抛物
面，而紊流流速分布则比较均匀，壁面流速梯度图3-4
和切应力都比层流时大。

（见图3-4）
1. 预习实验指导书，认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2. 查阅用测压管测量压强和用体积法测量流量的原理和步骤。

3. 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。

4. 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。

5. 用尾阀调节流量，通过注入的颜色水，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。

6. 打开尾阀至最大，用体积法测量管道出流流量，同时记录压差计的读数。

逐渐减小尾阀开度，记录不同流量情况下的数据。

7. 整理所测数据，绘制的关系曲线，确定上、下临界雷诺数。

8. 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、注意事项
1.注意保持实验环境的安定，实验时一定要待水流恒定后，才能测量数据。

2.两个以上同学参加测量实验，读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。

3.注意爱护秒表等仪器设备。

4.实验结束后，将上游阀门关闭。

实验四 沿程水头损失测量实验
一、实验目的
1．学会测定管道沿程水头损失系数的方法。

2．分析圆管恒定流动的水头损失规律，验证在各种情况下沿程水头损失h f 与平均流速
的关系以及随雷诺数R e 和相对粗糙度d
k s 的变化规律。

3．根据紊流粗糙区的实验结果，计算实验管壁的粗糙系数 n 值及管壁当量粗糙k s 值，并与莫迪图比较。

二、实验设备
本实验与实验3使用同一装置。

实验装置如图4-1所示。

在自循环恒定圆管流上1，2
两个测孔接上比压计，可测量水头损失。

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测量。

图4-1
三、实验原理
1．对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为：
，
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：
称为沿程水头损失系数， 为上下游测量断面之间的管段长度，为管道直径，为断面平均流速。

若在实验中测得 和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失
系数：
2．不同流动型态及流区的水流，其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。

层流流
动中的沿程水头损失与断面平均流
速的1次方成正比；紊流流动中的沿程水头损失与断面平均流速的
次成正比。

3．沿程水头损失系数是相对粗糙度与雷诺数R e 的函数，k s 为管壁当量粗糙，
v vd R e （其中为水的运动粘滞系数）。

4．圆管层流流动
5．光滑圆管紊流流动可取 可见在层流流动和紊流光滑区，沿程水头损失系数
只取决于雷诺数。

6．粗糙圆管紊流流动，
沿程水头损失系数完全由粗糙度决定，与雷诺数无关，此时沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙区通常也叫做“阻力平方区”。

7．在紊流光滑区和紊流粗糙区之间存在过渡区，此时沿程水头损失系数 与雷诺数和粗糙度
都有关。

8．粗糙系数可按下列公式进行计算：
，
式中为管道的水力半径，圆管的水力半径，该式适用于紊流粗糙区。

四、实验步骤
1. 预习实验指示书，认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2. 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。

3. 核对设备编号，记录所用设备的断面管径、测量段长度等数据。

4. 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。

5. 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。

6. 检查数据记录表是否有缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，进行补正。

为了提高实验精度，便于分析整理，实验点尽可能多一些。

要求改变流量不少于10次。

7. 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、注意事项
1. 实验时一定要待水流恒定后，才能测量数据。

2. 两个以上同学参加测量实验，读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。

3. 注意爱护秒表等仪器设备。

4. 实验结束后，将上游阀门关闭。

实验五文透里流量计率定实验
一、实验目的
1．掌握文透里流量计的原理。

2．学习用比压计测压差和用体积法测流量的实验技能。

3．利用测量到的收缩前后两断面1-1和2-2的测管水头差，根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理论流量作出修正，得到流量计的流量系数，即对流量计作出率定。

二、实验设备
实验装置如图5-1所示，在自循环恒定管道流上串联文透里流量计和孔板流量计。

分别在文透里流量计的收缩段进口断面和喉道断面以及孔板流量计的上游断面和下游断面上设测压孔，并接上比压计，用于测量断面的测管水头差。

设置专用量水箱进行流量的测量。

图5-1
三、实验原理
1．文透里管是一种常用的测量有压管道流量的装置，属压差式流量计，见图5-2。

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1-1和喉道断面2-2上设测压孔，并接上比压计，通过测量两个断面的测管水头差，就可计算管道的理论流量Q ，再经修正得到实际流量。

图5-2
2．理论流量：
水流从1-1断面到达2-2断面，由于过水断面的收缩，流速增大，根据恒定总流能量方程，若不考虑水头损失，速度水头的增加等于测管水头的减小（即比压计液面高差），这样我们就通过测量到的建立了两断面平均流速v1和v2之间的一个关系：
如果我们假设动能修正系数
0.1
=
=α
α
，则。

解得
最终得到理论流量为：
式中
4．流量系数：
1. 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：其中，称为流量计的流量系数。

2. 流量系数除了反映粘性的影响外，还包括了在推导理论流量时将断面动能修正系数
近似取为1.0带来的误差。

3. 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。

对于文透里流量计，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。

4. 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。

四、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．查阅用压差计测量压差和用体积法测量流量的原理和步骤。

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平面上。

如不平，则需排气调平。

5．核对设备编号，测量水温，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，再进行测量，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。

8．检查数据记录表是否有缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，进行补正。

9．整理实验结果，得出流量计在各种流量下的，Q理，Q实，R e和。

绘出Q实～
的率定关系曲线及～R e曲线。

10．对实验结果进行分析讨论，阅读思考问题，作简要回答。

五、注意事项
1. 每次改变流量，测量必须在水流恒定后方可进行。

2. 若有两个以上同学参加测量实验，读压差计、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。

3. 注意爱护秒表等仪器设备。

4. 实验结束后，关闭电源开关、拔掉电源插头。

实验六局部水头损失测量实验
一、实验目的
1．观察突扩管旋涡区测管水头线，以及其它各种边界突变情况下的测管水头变化情况，加深对局部水头损失的感性认识。

2．掌握测定管道局部水头损失系数的方法，并将突扩管的实测值与理论值比较，将突缩管的实测值与经验值比较。

3．学习用测压管测量压强和用体积法测流量的实验技能。

二、实验设备
实验装置如图6-1所示，在自循环恒定管道流上串联突扩管、突缩管、90°缓弯管、180°缓弯管、90°急弯管和阀门，沿程接上许多测压管。

管中流速可用尾阀来调节，设置专用水箱进行流量的测量。

图6-1
三、实验原理
1. 有压管道恒定流遇到管道边界的局部突变→ 流动分离形成剪切层→ 剪切层流动不稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡→ 平均流动能量转化成脉动能量，造成不可逆的能量耗散。

与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部分损失可以看成是集中损失在管道边界的突变处，每单位重量流体承担的这部分能量损失称为局部水头损失。

（见图6-2）
图6-2
2. 根据能量方程，局部水头损失
，
这里我们认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1，2-2两断面之间，不再考虑沿程损失。

上游断面1-1
应取在由于边界的突变，水流结构开始发生变化的渐变流段中， 图6-3 下游2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐变流段的地方。

（见图6-3）总之，两断面应尽可能接近，又要保证局部水头损失全部产生在两断面之间。

经过测量两断面的测管水头差和流经管道的流量，进而推算两断面的速度水头差，就可测得局部水头损失。

3．局部水头损失系数是局部水头损失折合成速度水头的比例系数，即
当上下游断面平均流速不同时，应明确它对应的是哪个速度水头？例如，对于突扩圆管就有
之分。

其它情况的局部损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。

通常情况下对应下游的速度水头。

4.局部水头损失局部水头损失系数随流动的雷诺数而变，即 但当雷诺数大到一定程度后，ζ 值成为常数。

在工程中使
公式中列出的ζ就是指这个范围的数值。

5.局部水头损失的机理复杂，除了突扩圆管的情况以外，一般难于用解析方法确定，而要通过实测来得到各种边界突变情况下的局部水头损失系数。