工程流体力学实验指导书

工程流体力学实验指导书

谢振华编

北京科技大学

土木与环境工程学院

2003 年9 月

前言

工程流体力学实验是?工程流体力学?课程教学的重要环节。通过实验，可以对课堂讲授的理论知识加以稳固和进一步的验证，加强理论和实践的结合，同时可以培养学生实际动手能力和分析问题、解决问题的能力，为今后的科学研究打下根底。

本实验指导书是根据教学大纲的要求，并结合实验室的具体设备编写的。实验内容包括水静压强实验，不可压缩流体定常流动动量方程实验，雷诺实验，管路沿程阻力实验，管路局部阻力实验，毕托管测速实验，文丘里流量计实验。这些实验可以使学生掌握流体力学的实验技术和测量技巧，为进行科学实验研究做准备。

由于编者水平有限和实验设备的限制，书中缺乏之处在所难免，敬请读者批评指正。

编者

2003年7月

目录

实验1 水静压强实验 (1)

实验2 不可压缩流体定常流动动量方程实验 (3)

实验3 雷诺实验 (6)

实验4 管路沿程阻力实验 (8)

实验5 管路局部阻力实验 (12)

实验6 毕托管测速实验 (15)

实验7 文丘里流量计实验 (17)

图1.1 水静压强实验装置图

实验1 水静压强实验

一、实验目的

1．加深理解流体静力学根本方程及等压面的概念。

2．理解封闭容器内静止液体外表压强及其液体内部某空间点的压强。 3．观察压强传递现象。 二、实验装置

实验装置如图1.1所示。

三、实验原理

对密封容器〔即水箱〕的液体外表加压时，设液体外表压强为P 0，那么P 0>P a ，a p 为大气压强。从U 形管中可以看到有压差产生，U 形管与密封水箱上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。密闭水箱内液体外表压强0p 为：

h p p a γ+=0

式中 γ——液体的重度；

h ——U 形管中液面上升的高度。

当密闭水箱内压强P 0下降时，U 形管内的液面呈现相反的现象，即P 0＜P a ，这时密闭水箱内液面压强0p 为：

h p p a γ-=0

式中 h ——U 形管中液面下降的高度。 四、实验步骤

1．关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U 形管出现压差h ∆。在加压的同时，观察左侧A 、B 管的液柱上升情况。由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A 、B 两点在水箱内的淹没深度h 不同，在压强向各点传递时，先到A 点后到B 点。在测压管中反响出的是A 管的液柱先上升，而B 管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A 、B 两点在同一水平面上。

2．翻开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。关闭排气阀，翻开密闭容器底部的水门，放出一局部水，造成容器内压力下降，观察U 形管中液柱的变化情况。 五、分析和讨论

1．液体外表压强0p 与表压强、真空度有什么关系？

2．用该实验装置是否可以测出其他液体的重度？为什么？

实验2 不可压缩流体定常流动动量方程实验

一、实验目的

1. 通过射流对水箱的反作用力和射流对平板的作用力验证不可压缩流体定常流动的动量方程。

2. 通过对动量与流量、流速、射流角度等因素的相关性分析，进一步掌握流体的动量守恒定理。 二、实验装置

实验装置如图2.1所示。

图2.1 动量方程实验装置简图

1.实验水箱

2.控制阀门

3.高位水孔

4.低位水孔

5.砝码

6.转动轴承

7.挡板

8.固定插销

9.水平仪 10.喷嘴 11.水泵 12.水箱 13.挡水板 14.实验台支架

三、实验原理

1．射流对水箱的反作用力原理

以水箱水面Ⅰ—Ⅰ，出口断面Ⅱ—Ⅱ及箱壁为控制面，对水平x 轴列动量方程：

)(101202x x x x

v v Q R F

ααρ-==∑

式中 x R ——水箱对射流的反作用；

ρ——水的密度； Q ——射流流量；

01α，02α——动量修正系数，取1；

x v 1——水箱水面的平均流速在x 轴的投影，取0； x v 2——出口断面的平均流速在x 轴的投影。 由对转轴计算力矩M 求得x R 。

L Qv L R M x ⋅=⋅=ρ

式中 L ——出口中心至转轴的距离； v ——出口流速。

移动平衡砝码得到实测力矩0M ：

S G M ∆⋅=0

式中 G ——平衡砝码重量； S ∆——0S S S -=∆；

S ——出流时〔动态〕砝码至转轴的距离；

0S ——未出流时〔静态〕平衡砝码至转轴的距离。

2．射流对平面的作用力原理

取喷嘴出口断面Ⅰ—Ⅰ，射流外表，以及平板出流的截面Ⅱ—Ⅱ为控制面，对水平x 轴列动量方程：

)(101202x x x x

v v Q R F

ααρ-==∑

式中 x R ——平板对射流的反作用力；

x v 1——喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速； x v 2——Ⅱ—Ⅱ断面平均流速在x 轴的投影，取0。 由对转轴计算力矩M 求得x R 。

11L Qv L R M x ⋅=⋅=ρ

式中 1L ——水流冲击点至转轴的距离； v ——喷嘴出口的平均流速。 添加砝码得到实测力矩0M ：

20L G M ⋅=

式中 G ——砝码重量；

2L ——砝码作用点到转轴的距离。

四、实验步骤及考前须知

1．射流对水箱的反作用力实验

1〕实验步骤

① 开启进水阀门，将水箱充满水，关小阀门，使之保持较小溢流。

② 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时〔静态〕砝码位置0S 。 ③ 插上插销，将出口转至高孔位置。调节阀门，使之仍保持较小溢流。

④ 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时〔动态〕砝码的位置S 。 ⑤ 用体积法测量流量，计算流速。

⑥ 将出口转至低孔位置，重复步骤③~⑤。 2〕考前须知

① 调节前，必须将插销插上。

② 拔出插销后，应用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器。

2．射流对平面的作用力实验