流体力学实验指导书

《流体力学》实验指导书

目录

实验装置简介及实验安排…………………………………………………… 1-2 实验一：伯努利方程验证实验………………………………………………… 3-8 实验二：雷诺实验…………………………………………………………… 9-12

实验装置简介及实验安排

实验装置：

流体力学综合实验台是一个多功能实验装置，用此实验台可进行伯努利方程（能量方程）验证实验、雷诺实验、沿程阻力测定实验、局部阻力测定实验、毕托管测速实验和文丘里流量计实验等多个流体力学实验。实验装置如图1-1所示。

1—供水箱，水泵；2—实验桌；3—层流测针；4—恒压水箱；5—彩色墨水罐；6—差压板；

7—沿程阻力实验管；8—局部阻力实验管；9—伯努利实验管；10—雷诺实验管；

11—伯努利差压板；12—毕托管；13—计量水箱；14—回水管。

图1-1 多功能流体力学综合实验台

针对轮机工程专业36学时或32学时的流体力学课程，我们开设两个实验，

即伯努利方程验证实验和雷诺实验。在雷诺实验中，学生可以借助该实验装置观察层流和湍流（紊流）特征以及它们之间的转换特征，掌握测定临界雷诺数Re 的方法。

在伯努利方程实验中，学生可以借助该实验装置验证总流的伯努利方程，观察流体流动过程中的能量守恒关系，同时可以掌握流速、流量和压强等要素的实验量测技能。

实验学时分配：

实验一：伯努利方程验证实验 2学时

实验二：雷诺实验 2学时

实验分组：

每个实验7-8人一组，每个自然班分成四组。

实验一：伯努利方程验证实验

一、实验目的

1．掌握伯努利方程式中各项的物理意义及它们之间的转换关系； 2．验证流体总流的能量方程；

3．掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术； 4．学习使用测压管、总压管测水头的实验技能及绘制水头线的方法。

二、实验原理

1．伯努利方程（能量方程）

在伯努利实验管路中沿水流方向取n 个过流断面。在动能修正系数α近似取为1的情况下，可以列出进口断面（1）至任一断面（i ）的能量方程式（i = 2，3，……，n )

i ,i i i h g

v p z g v p z -+++=++1f 2

211

122γγ （1）

式中，z 、γp 和g

v 22

分别为位置水头（位头）、压力水头（压头）和速度水头（动

头），单位为m （水柱）；i ,h -1f 为从过流断面1到断面n 的水头损失，单位也是m （水柱）。

需要注意的是，式（1）中各项均为水头，其单位均为m ，等同于液柱高度，其物理意义是指该项能量可将重量为1N 的该流体克服其重力而提升的高度。如果流体为理想流体，01f =-n ,h ，则伯努利方程表示流体流经的任一过流断面上的机械能之和相等。 对于实际流体01f >-n ,h ，则各断面的机械能之和必随流过距离的增加而减小，其差值即为阻力损失，即水头损失。

2. 选取基准面

在实验开始前，首先要选好测量基准面。选择基准面的原则是方便测量和计算，一般可以桌面为基准，也可以测压管零刻度所在平面或其他任一水平面为基准。

3. 毕托管测速原理

图1-1为毕托管测速原理图。如图1-1所示，毕托管由测压管和测速管组成，测压管测的是静压（γ/p A ），测速管测的是全压（γ/p B ）。因p A 和p B 之间存在下面的关系

g

v p p A

B

22

+

=γγ 而 h /p /p A B ∆γγ=-

故 h g v ∆2= （2）

也就是说，毕托管利用测压管和测速管测得的测速管水头和测压管水头之差（∆h ）即为速度水头（g /v 22），就可以利用式（2）计算出流场中某点的流速。

图1-1 毕托管测速原理示意图

在图1-1中，计算的零势能面（基准面）实际上是选在了实验管的中心线上，此时，测压管测得的静压水头（γ/p A ）在数值上等于测压管自由液面到管中心线的高度，测速管测得的全压水头（γ/p B ）在数值上等于测速管自由液面到管中心线的高度。但在实验过程中，为了现场测量和后期整理数据方便，一般都要选取一个基准面作为零势能面。相对于基准面，测压管水头为γ/p z A +，测速管水头为γ/p z B +，此时的液面高度是相对于基准面的液柱高度。

4. 伯努利实验测点布置及相关参数

过流断面的能量由位能、压力能、动能三部分组成。如图1-2所示，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，在实验中要

注意细心观察。测压管中的水位显示的是位能和压力能之和，即能量方程中的前两项：γ/p z +，测速管中的水位显示的是位能、压力能和动能之和，即能量方程中的三项之和：g /v /p z 22++γ。

图1-2 伯努利实验组件的相关参数

将测压管中的水位连成一线，称为测压管水头线，反映了位能和压力能的沿程变化；将测速管中的水位连成一线，称为总水头线，反映了总能量沿程的变化。两线的距离为流速水头（g /v 22）。本实验台在伯努利实验管的关键部位处设置了4组测压管及测速管（图2-2中A 、B 、C 、D 四个测点），调节流量，就可把总水头线和测压管水头线绘制出来。

在本实验装置中，A 、B 、C 、D 断面的管内径分别为：d 1=d 3=d 4=14mm ，d 2 =25mm 。各个测点相对于基准面的位置高度z 由学生自己动手量测。

5. 流量测量

在本实验中，流量测量采用体积时间法，即通过记录计量水箱收集的水量除以秒表测得的接水时间间接获得，而流速则可根据连续性方程，通过流量除以过流断面面积间接获得。

三、实验方法和步骤

1．熟悉实验设备，对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，分清各测压管与各测压点的对应关系。

2．打开进水开关，启动水泵给水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。