环境工程原理实验

实验一 柏努利实验

一、实验目的

1、通过实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和柏努利方程。

2、通过实测流速的变化和与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。

二、基本原理

流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以互相转换。在没有摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能总和是相等的。在有摩擦而没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。

流体静压能可用测压管中液柱的高度来表示，取流动系统中的任意两测试点，列柏努利方程式：

∑+++=++f h p u g Z P u g Z ρ

ρ22

221

21122

对于水平管，Z 1=Z 2，则 ∑++=+f h p u p u ρ

ρ22

212122

若u 1=u 2, 则P 2

u 2 , p 1

三、实验装置及仪器

图2－2 伯努利实验装置图

装置由一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管路上取有不同的测压点由玻璃管连接。水的流量由出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。

四、实验步骤及思考题

1、关闭出口阀7，打开阀门3、5，排出系统中空气；然后关闭阀7、3、5，观察

并记录各测压管中的液压高度。思考：所有测压管中的液柱高度是否在同一标

高上？应否在同一标高上？为什么？

2、将阀7、3半开，观察并记录各个测压管的高度，并思考：

（1）A、E两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？

（2）B、D两管中，C、D两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？

3、将阀全开，观察并记录各测压管的高度，并思考：各测压管内液位高度是否变

化？为什么变化？这一现象说明了什么？

五、实验数据记录

.

液柱高度 A B C D E

阀门

关闭

半开

全开

实验二 流体流型的观察与测定

一、实验目的

1、 观察流体在管内流动的两种不同型态，加强层流和湍流两种流动类型的感性认识；

2、掌握雷诺准数Re 的测定与计算；

3、测定临界雷诺数。

二、基本原理

雷诺（Reynolds ）用实验方法研究流体流动时，发现影响流动类型的因素除流速u 外，还有管径（或当量管径）d ，流体的密度ρ及粘度μ，由此四个物理量组成的无因次数群Re 的值是判定流体流动类型的一个标准。

μ

ρ

du R e =

（1－1）

Re<2000~2300时为层流，Re>4000时为湍流，2000

从雷诺数的定义式来看对同一个仪器d 为定值，故u 仅为流量的函数。对于流体水来说,ρ、μ几乎仅为温度的函数。因此确定了水的温度及流量，即可计算雷诺数。

注意：

雷诺实验要求减少外界干扰，严格要求时应在有避免震动设施的房间内进行。如果条件不具备，演示实验也可以在一般房间内进行。因为外界干扰及管子粗细不均匀等原因，层流的雷诺数上界达不到2000，只能达到1600左右。

层流时红墨水成一线流下，不与水相混。 湍流时红墨水与水混旋，分不出界限。

三、实验装置及仪器

试验装置如图1－1所示，液面保持一定高度的水箱与玻璃测试管相连，水箱上放有颜色水瓶，测试管上安有带针头的胶塞，用出口阀调节流量，用转子流量计测定流量。试验时水由高位水箱进入玻璃管，槽内水由进水管供应，槽内设有进水稳流装置及溢流箱用以维持平稳而又稳定的液面，多余之水由溢流管排入水沟。

图1－1 雷诺实验装置

四、实验步骤

1、检查针头是否堵塞，颜色水是否沉淀。

2、向水箱内注水。

3、打开出口阀，排除实验管中的气体。

进水

4、开启上水阀，使高位槽充水至产生溢流时关闭（若条件许可，此步骤可在实验前数小时进行，以使高位槽中的水经过静置，消除旋流，提高实验的准确度）。

5、开颜色水阀，使颜色水由针头注入玻璃试验管。

6、逐步开大排水阀，观察不同雷诺数时的流动状况，并把现象记入表中。

7、做两种情况下的对比实验：

（1）关闭高位槽的进水阀，保持液面平静，从观察的玻璃管中，测取管中水流从层流转变为湍流时的Re临界值。注意，此时液面虽平静，但液面的高度是在缓慢下降的。

（2）开启高位槽的进水阀以保持槽中液面高度不变，但此时液面是不平而有波动的，测取此时的Re临界值，并分析和比较两种情况下的实验结果。

8、观察层流时流体质点的速度分布。层流时，由于流体与管壁间的摩擦力及流体内摩擦力的作用，管中心处流体质点速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，静止时处于同一横截面的流体质点，开始层流流动后，由于速度不同，组成了旋转抛物面（即由抛物线绕其对称轴旋转形成的曲面）。先打开红墨水阀门，使红墨水扩散为团状。再稍稍开启排水阀，使红墨水缓慢随水运动，则可观察到红墨水团前端的界限，形成了旋转抛物面。

五、思考题

1、影响流动形态的因素有哪些？

2、如果管子是不透明的，不能直接观察管中的流动形态，你可以用什么办法来判断流

体在管中的流动形态？

3、有人说可以只用流速来判断管子中的流动形态，流速低于某一个具体数时是层流，

否则是湍流，这种看法对吗？在什么条件下可以只由流速来判断流动形态？

4、研究流动形态有何意义？