流体力学实验指导书

流体力学实验指导书
上海海洋大学工程学院
二零零七年一月
实验须知
进行一个流体力学实验，必须经过实验预习、实验操作、实验总结等几个主要环节。

一、实验前的准备
（1）在实验课开始之前，应分好实验小组。

（2）每次实验课前，要求学生阅读实验指导书，明确本次实验的目的、实验原理、实验步骤以及注意事项；复习教材中有关内容，搞清楚实验原理和有关理论知识；对某些实验，还应该进行必要的设计、计算，同时回答书中提出的思考题。

二、实验操作
（1）实验课开始应认真听取指导教师对实验的介绍。

（2）分组后先检查仪器设备是否齐全和是否完好，如发现问题应及时报告指导教师。

（3）实验过程中，必须爱护仪器设备，遵守操作规程，严禁乱动、乱拆。

如有损坏丢失，必须立即报告指导教师，由实验室酌情处理。

因违反规章制度、不遵守操作规程而造成仪器损坏者，需按规定进行赔偿。

（4）实验室内严禁吸烟、吐痰、吃东西和乱扔纸屑。

除实验必须的讲义、记录纸及文具以外，个人的书包及衣物等一概不要放在实验台上。

实验室不得大声喧哗，注意保持肃静。

（5）实验做完后，需先经指导教师审查数据并签字，然后在将仪器设备按原样整理完毕，搞好实验室卫生，经教师允许后方可离去。

三、实验总结
学生必须在实验的基础上，对实验现象及数据进行整理计算和总结分析，然后认真写好实验报告。

编写报告的过程是一个从感性认识到理论认识的提高过程，也是一个加深理解和巩固理论知识的过程。

因此必须重视并写好实验总结报告，在规定的时间内交给教师批阅。

批阅后的实验报告由学生妥善保管，以备考核。

实验一雷诺实验指导书
一、实验目的
（1）观察流体在管道中的两种流动状态；
（2）测定几种流速状态下的雷诺数，并学会用质量测流量Q方法；
（3）了解流态与雷诺数的关系，并验证下临界雷诺数Re c=2000。

二、实验设备
如图所示，在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺实验管、阀门、颜料水（红墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀、水泵和计量水箱等，此外，还有秒表、水杯、电子称及温度计。

图1-1
三、实验原理
层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的各流层间的滑动摩擦力；紊流时则有大小不等的涡体动荡于各流层间。

当流速较小时，会出现分层有规则的流动状态即层流。

当流速增大到一定程度时，液体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流体互相剧烈掺混，就是紊流。

反之，实验时的流速由大变小，则上述观察到的流动现象以相反程序重演，但由紊流转变为层流的临界流速νc小于由层流转变为紊流的临界流速νc´。

称νc´为上临界流速，νc为下临界流速。

雷诺用实验说明流动状态不仅和流速ν有关，还和管径d、流体的动力粘滞系数µ、和密度ρ有关。

以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用Re表示。

Re ＝ρνd/µ＝νd／υ (1-1)
对应于临界流速的雷诺数称临界雷诺数，用Re c表示。

Re c＝ρνc d/µ＝2000 (1-2)
工程上，假设流速时，流动处于紊流状态，这样，流态的判别条件是
层流：Re ＝ρνd/µ < 2000
紊流： Re ＝ρνd/µ > 2000
四、实验步骤
（1）实验前准备
首先，实验台的各个阀门置于关闭状态。

开启水泵，全开上水阀门，使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水位保持不变，并有少量流体溢流。

m，记录下表1-1中。

其次，用温度计测量水温，并用电子称测量空杯的质量
k
（2）观察流态
全开出水阀门，待水流稳定后，打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，这时雷诺实验管中的流动状态为紊流。

随着出水阀门的不断关小，颜料水和雷诺实验管中的水掺混程度逐渐减弱，直至颜料水在雷诺实验管中形成一条清晰的直线流，这时雷诺实验管中的流动状态为层流。

（3）测定几种状态下的雷诺数
全开出水阀门，再逐渐关小出水阀门，直至能看见颜料水在雷诺实验管中形成一条清晰的直线
m（水杯和流体的质流（为层流状态）。

这时，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量
t
量和），并测出接流体所用的时间T。

然后，按照从小流量到大流量，大流量到小流量的顺序反复进行实验。

在每个状态时，都要测出总质量及接流体所用的时间，填入表1-1中。

表1-1
（4）测定下临界雷诺数
调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后慢慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。

当流量关小到某一程度时，管内的颜料水开始成为一条直线流，即紊流转变为层流的下临界状态。

由表1-1中的相应数据，用公式求出下临界雷诺数Re c ， 由理论可知Re c 是稳定的，一般Re c 约为2000。

（5）观察层流状态下的流速分布
关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管两到三下，使颜色水在一小时段内扩散到整个断面。

然后，再微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，这是即可观察到水在层流流动是呈抛物线状，演示出管内水流流速分布。

五、实验数据处理
设某工况下流体重量为G ，雷诺实验管内径为d ，流体重量为γ，秒表所测的时间为t ，根据所测的水温查水的运动粘度与温度曲线可知 流速ν=
2
4***G
t d γπ （1-3）
雷诺数Re=
4 d
G
v t πγ**** （1-4）
应用Ｍathematica4.0软件，把以上公式输入，然后根据实验所测量数据就可得到雷诺数Re 。

F[G]=4G/(π*γ*υ*t*d)；
接着用plot[f[G],{G,0,10}]就可以画出雷诺数和流量的关系曲线。

不同温度下，对应的曲线斜率不同。

六、注意事项
（1）每调节阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）一次，均需等待流动速度稳定几分钟。

（2）在关小阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）过程中，只允许逐渐关小，不许开大。

随着出水量的不断减少，应调小上水阀门，以减少溢流量引起的振动。

七、思考题
（1）液体的粘性主要来自于液体间的什么作用？
（2）在算流速时，为什么选用下临界流速νc 来计算临界雷诺数，而不是采用上临界流速νc ´？ 八、实验报告要求
（1）内容包括实验目的，实验原理，实验步骤，实验数据记录，实验数据处理及实验结果分析。

（2）回答思考题。

实验二能量方程实验指导书
一、实验目的
（1）观察流体经能量方程（又称伯努利方程）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。

（2）掌握量杯测平均流速和用毕托管测流速的方法。

（3）验证伯努利方程。

二、实验设备
流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱，能量方程实验管，上水阀门，出水阀门，水泵、测压板和计量水箱等。

三、实验原理
（1）能量方程实验
对于总流的任意截面有能量方程 Z+p
γ
+
2
v
2g
=常数 (2-1)
式中，各项值都是截面值，它的物理意义、水头名称和能量解释分述如下：
1）Z是断面对于选定基准面的高度，水力学中称为位置水头，表示单位重量的位置势能，称单位位能。

2）P/γ是断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度，水力学中称压强水头，表示单位重量的压强势能，称单位压能。

3）v²/2g是以断面平均流速v为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度，水力学中称为流速水头，表示单位重量的动能，称为单位动能。

（2）毕托管测速实验
能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当一个毕托管，可测得管内的流体速度。

由于本实验台将总测压管置于能量方程实验管的轴线，所以，测得的动压头代表了轴心处的最大流速。

毕托管求点速度公式为：
= (2-2)式中 u---毕托管测点处的流速；
c---毕托管的校正系数；
Δh---毕托管全压水头与静水压头差。

u=φ (2-3)
联解上两式可得φ〞
式中 u—测点处流速，由毕托管测定；
φ〞--测点流速系数；
∆H—管嘴的作用水头。

在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度，测试结果记入表2中。

如果用皮托管求出所在截面的理论平均流速，可根据该截面中心处的最大速度，雷诺数与平均流速的关系验证如下结果。

即计算Re＝vd/υ，若Re < 2300，则为层流，平均流速为最大流速的0.5倍，
即v=0.5 u
max ；若Re > 2300,则平均流速为最大流速的0.8倍，即v=0.8u
max。

四、实验步骤
（1）实验前准备工作
首先，开启水泵，全开上水阀门使水箱注满水，在调节上水阀门，使水箱水位始终保持不变，并有少溢流。

其次，用温度计测量水温t，并用电子称测量空杯的质量
k
m，记入下表2-1中。

（2）能量方程实验
首先，关闭阀门，测定能量方程实验四组测压管的液体高度，记下各测压管的读数，填入表2-1中。

其次，调节出水阀门至小开开度，测定能量方程实验管的四组截面测压管的液体高度。

按照从小开、中开、大开的顺序改变阀门的开度，重复上述实验，并分别记下各测压管的读数，填入表2-1中。

（3）测流体平均速度
1）量杯法测定平均速度
调节出水阀门至小开开度，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量
t
m（水杯和流体的质量和），并用秒表测出接流体所用的时间T。

然后，按照从小开、中开、大开的顺序改变阀门的
开度，重复上述实验，并分别记下总质量
t
m和时间T，填入下表2-2。

根据质流量Q=m/T公式及流速ν=4Q/ρπd2公式算出流量大小及流速，填入下表2-2。

2）毕托管方法计算流速
根据步骤（2）中的测量数据，管轴中心处流速u
max
其中∆H=H双–H单（同一截面两
测压管之差），平均流速v=0.8 u
max
，算出∆H、u max及平均流速v，填入下表2-3中。

（4）验证伯努利方程
根据表2-1、表2-2，及总水头 H i =i Z +i P γ+2
i v 2g
(i=1,3,5,7)v i ⎡⎤⎣⎦是质量流量计算值，计算数据，并填入表2-4。

五、实验数据处理
根据所测得的流体重量G ，时间t ，液柱高度等进行计算把数据填入表格。

压力水头=p / γ 速度水头=(
)
2
2
4G/π*d *γ*t
/2g
总水头=Z+p / γ+(
)
2
2
4G/π*d *γ*t /2g
平均速度=()
24G/π*d *γ*t
轴心处速度=φ
利用Ｍathematica.0软件输入函数关系即可直接得到计算结果：
[]f p_=p / γ；
[]f G_,t_=()2
24G/π*d *γ*t /2g ；
[]f p_,z_,G_,t_= Z+p / γ+()2
2
4G/π*d *γ*t /2g ；
[]f G_,t_=()24G/π*d *γ*t ； []
f _,H_φ∆=φ
六、注意事项
测压管读数据时，视线与液面保持水平，读凹液面最低点对应的数据。

七、思考题
运用沿总流的伯努利方程时所选取的两个断面之间是否可以有急变流？ 八、实验报告要求
（1）内容包括实验目的，实验原理，实验步骤，实验数据记录，实验数据处理及实验结果分析。

（2）回答思考题。

九、附表
表2-1 各测压管读数记录（Z+
p γ
）
表2-2
空杯质量k m = kg ， 水温 t= ℃ ， 水密度 ρ= kg/m ³ 截面Ⅰ测压管（1—2，5—6，7—8）的直径 d 1= mm 截面Ⅱ测压管（3—4）的直径 d 3= mm
表2-3
表2-4
1 雷诺实验报告书
一、实验目的
（1）观察流体在管道中的两种流动状态；
（2）测定几种流速状态下的雷诺数，并学会用质量测流量Q方法；
（3）了解流态与雷诺数的关系，并验证下临界雷诺数Re c= 2000。

二、实验设备
如图所示，在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺实验管、阀门、颜料水（红墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀、水泵和计量水箱等，此外，还有秒表、水杯、电子称及温度计。

图1-1
三、实验原理
层流和紊流的根本区别在于层流各流层间互不掺混，只存在粘性引起的各流层间的滑动摩擦力；紊流时则有大小不等的涡体动荡于各流层间。

当流速较小时，会出现分层有规则的流动状态即层流。

当流速增大到一定程度时，液体质点的运动轨迹是极不规则的，各部分流体互相剧烈掺混，就是紊流。

反之，实验时的流速由大变小，则上述观察到的流动现象以相反程序重演，但由紊流转变为层流的临界流速νc小于由层流转变为紊流的临界流速νc´。

称νc´为上临界流速，νc为下临界流速。

雷诺用实验说明流动状态不仅和流速ν有关，还和管径d、流体的动力粘滞系数µ、和密度ρ有关。

以上四个参数可组合成一个无因次数，叫做雷诺数，用Re表示。

Re ＝ρνd/µ＝νd／υ（1-1）
对应于临界流速的雷诺数称临界雷诺数，用Re c表示。

Re c＝ρνc d/µ＝2000 （1-2）
工程上，假设流速时，流动处于紊流状态，这样，流态的判别条件是
层流： Re ＝ρνd/µ < 2000
紊流： Re ＝ρνd/µ > 2000
四、实验步骤
（1）实验前准备
首先，实验台的各个阀门置于关闭状态。

开启水泵，全开上水阀门，使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水位保持不变，并有少量流体溢流。

m，记入下表1-1中。

其次，用温度计测量水温，并用电子称测量空杯的质量
k
（2）观察流态
全开出水阀门，待水流稳定后，打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，这时雷诺实验管中的流动状态为紊流。

随着出水阀门的不断关小，颜料水和雷诺实验管中的水掺混程度逐渐减弱，直至颜料水在雷诺实验管中形成一条清晰的直线流，这时雷诺实验管中的流动状态为层流。

（3）测定几种状态下的雷诺数
全开出水阀门，再逐渐关小出水阀门，直至能看见颜料水在雷诺实验管中形成一条清晰的直线
m（水杯和流体的质流（为层流状态）。

这时，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量
t
量和），并测出接流体所用的时间T。

然后，按照从小流量到大流量，大流量到小流量的顺序反复进行实验。

在每个状态时，都要测出总质量及接流体所用的时间，填入表1-1中。

根据质流量Q=m/T公式算出流量大小，根据流速ν=4Q/ρπd2公式算出流速，最后根据Re＝νd／υRe k公式求出相应的雷诺数。

m= kg ，水温t= ℃， d= mm
空杯质量
k
查饱和水的热物理性质表υ水= m2/s
表1-1
（4）测定下临界雷诺数
调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后慢慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。

当流量关小到某一程度时，管内的颜料水开始成为一条直线流，即紊流转变为层流的下临界状态。

由表1-1中的相应数据，用公式求出下临界雷诺数Re c，由理论可知Re c 是稳定的，一般约为2000。

（5）观察层流状态下的流速分布
关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管两到三下，使颜色水在一小段时内扩散到整个断面。

然后，再微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，这是即可观察到水在层流流动是呈抛物线状，演示出管内水流流速分布。

五、注意事项
（1）每调节阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）一次，均需等待流动速度稳定几分钟。

（2）在关小阀门（上水阀门与下水阀门之间的阀门）过程中，只允许逐渐关小，不许开大。

随着出水量的不断减少，应调小上水阀门，以减少溢流量引起的振动。

六、思考题
（1）液体的粘性主要来自于液体间的什么作用？
（2）在算流速时，为什么选用下临界流速νc来计算临界雷诺数，而不是采用上临界流速
νc´？
七、实验报告要求
（1）内容包括实验目的，实验原理，实验步骤，实验数据记录，实验数据处理及实验结果分析。

（2）回答思考题。

2 能量方程实验报告书
一、实验目的
（1）观察流体经能量方程（又称伯努利方程）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。

（2）掌握量杯测平均流速和毕托管测流速的方法。

（3）验证伯努利方程。

二、实验设备
流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱，能量方程实验管，上水阀门，出水阀门，水泵、测压板和计量水箱等。

三、实验原理
（1）能量方程实验
对于总流的任意截面有能量方程 Z+p
γ
+
2
v
2g
=常数 (2-1)
式中，各项值都是截面值，它的物理意义、水头名称和能量解释分述如下：
1）Z是断面对于选定基准面的高度，水力学中称为位置水头，表示单位重量的位置势能，称单位位能。

2）P/γ是断面压强作用使流体沿测压管所能上升的高度，水力学中称压强水头，表示单位重量的压强势能，称单位压能。

3）v²/2g是以断面平均流速v为初速的铅直上升射流所能达到的理论高度，水力学中称为流速水头，表示单位重量的动能，称为单位动能。

（2）毕托管测速实验
能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当一个毕托管，可测得管内的流体速度。

由于本实验台将总测压管置于能量方程实验管的轴线，所以，测得的动压头代表了轴心处的最大流速。

毕托管求点速度公式为：
(2-2) 式中 u---毕托管测点处的流速；
c---毕托管的校正系数；
ΔH---毕托管全压水头与静水压头差。

在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度，平均流速v=0.8u
max。

四、实验步骤 （1）实验前准备工作
首先，开启水泵，全开上水阀门使水箱注满水，在调节上水阀门，使水箱水位始终保持不变，并有少溢流。

其次，用温度计测量水温t ，并用电子称测量空杯的质量k m ，记入下表2-2中。

（2）能量方程实验
首先，关闭阀门，测定能量方程实验四组测压管的液体高度，记下各测压管的读数，填入表2-1。

其次，调节出水阀门至小开开度，测定能量方程实验管的四组截面测压管的液体高度。

按照从小开、中开、大开的顺序改变阀门的开度，重复上述实验，并分别记下各测压管的读数，填入表2-1。

（3）测流体平均速度 1）量杯法测定平均速度
调节出水阀门至小开开度，用水杯从出水阀门接下一定量的流体，测出总质量t m （水杯和流体的质量和），并用秒表测出接流体所用的时间T 。

然后，按照从小开、中开、大开的顺序改变阀门的开度，重复上述实验，并分别记下总质量t m 和时间T ，填入下表2-2。

根据质流量Q=m/T 公式及流速ν=4Q/ρπd 2
公式算出流量大小及流速，填入下表2-2。

2）毕托管方法计算流速
根据步骤（2）中的测量数据，管轴中心处流速u max 其中∆H=H 双–H 单（同一截面两测压管之差），平均流速v=0.8u max ，算出∆H 、u max 及平均流速v ，填入下表2-3中。

（4）验证伯努利方程
根据表2-1、表2-2及总水头 H i =i Z +i P γ+2i v 2g
(i=1,3,5,7) v i ⎡⎤⎣⎦是质量流量计算值，计算数据填入表2-4。

五、注意事项
测压管读数据时，视线与液面保持水平，读凹液面最低点对应的数据。

六、思考题
运用沿总流的伯努利方程时所选取的两个断面之间是否可以有急变流？ 七、实验报告要求
（1）内容包括实验目的，实验原理，实验步骤，实验数据记录，实验数据处理及实验结果分析。

（2）回答思考题。

表2-1 各测压管读数记录（Z+
p γ
）
表2-2
空杯质量 k m = kg ， 水温 t= ℃ ， 水密度 ρ= kg/m ³ 截面Ⅰ测压管（1—2，5—6，7—8）的直径 d 1= mm 截面Ⅱ测压管（3—4）的直径 d 3= mm
表2-3。