工程流体力学实验指导书概要重点讲解

工程流体力学

实验指导书

过控教研室

目录

实验一沿程阻力损失实验 (1)

实验二局部阻力系数实验 (4)

实验三自循环水击综合试验 (8)

实验一 沿程阻力损失实验

一、实验目的

1、学会测定管道沿程水头损失系数λ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v 的关系以及λ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

管道沿程阻力由达西公式 ：

g

v d l h f 22

⋅=λ

得： 2

2

2241212Q h K Q d l gdh v l

gdh f f f

=⎪⎭

⎫

⎝⎛=⋅=

πλ l gd

K 85

2π=

对于水平等直径圆管可得：

γ)(21p p h f -=

f h 由压差计和电测仪量测，低压差用水压差计量测；高压差用电子量测仪(电测仪)量测。

三、实验步骤 1、实验准备

（1）检查实验装置，连接好实验设备。

（2）开启所有阀门，包括进水阀、旁通阀、流量调节阀。 （3）打开水泵防尘罩，接通电源。 （4）排气。

测压架端软管排气：连续开关旁通阀数次，待水从测压架中经过即可。排气完毕，打开旁通阀。若测压管内水柱过高，可打开测压架顶部放气阀，（所有阀门都打开，）水柱自动降落至正常水位，拧紧放气阀。

传感器端软管排气：关闭流量调节阀，打开传感器端排气阀，传感器内连续出水，关

闭排气阀，排气完成。

关闭流量调节阀，观察测压架内两水柱是否齐平，如果不平，找出原因并排除；如

果齐平，实验准备完成，开始实验。 2、层流实验

（1）全开进水阀、旁通阀、微开流量调节阀，当实验管道两点压差小于2cm(夏天)～3cm （冬天）时，管道内呈层流状态，待压力稳定，用体积法测定流量，同时测量水温、测压管内压差。

（2）改变流量3～4次，重复上述步骤。其中第一次实验压差h ∆＝0.5～0.8cm ，逐次增加h ∆＝0.3～0.5cm 。 3、紊流实验

（1）关闭流量调节阀，将电测仪读数（即管道两测点压差）调零。 （2）夹紧测压架两端夹子，防止水流经测压架。

（3）全开流量调节阀、进水阀，适当关小旁通阀开度，增大实验管道内流量，待流量稳定之后，用重量法测定流量，同时测量水温、记录电测仪读数（即两测点压差）。

（4）改变流量5～6次，重复上述步骤。其中第一次实验压差h ∆＝50～100cm ，逐次增加h ∆＝100～150cm ，直至流量最大。 4、实验完成，打开所有阀门，关闭电源。 四、实验记录

1、有关常数 实验台号No. ______ _

圆管直径=d _______cm 测量段长度=l cm

常数l gd K 852π== 2

5s cm

2、实验记录及计算表

3、绘图分析

根据实验数据成果分别绘制f h lg ～v lg 曲线，并确定指数关系值的大小。在厘米纸

上以v lg 为横坐标，以f h lg 为纵坐标，点绘所测的f h lg ～v lg 关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线，求厘米纸上直线的斜率1

212lg lg lg lg v v h h m f f --=

。

将从图上求得的m 值与已知各流区的m 值(即层流1=m ，光滑管流区75.1=m ，

紊流过渡区1.75

1．本实验中，沿程阻力损失就是压差计的压差，如果管道有一定的倾角，压差计的压差是否还是沿程阻力损失？为什么？ 2．根据实测m 值判断本实验的流区。 3．管道的当量粗糙度如何测得？

4、若同一流体经两个管径相同、管长相同、而粗糙系数不同的管路，当流速相同时，其损失是否相同？

实验二局部阻力系数实验

一、实验目的

1、掌握三点法、四点法量测局部阻力损失系数的技能；

2、通过对圆管突扩局部阻力系数的表达式和突缩局部阻力系数的经验公式的实验验证

与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径。

3、加深对局部阻力损失机理的理解

二、实验原理

图6-1 局部阻力系数实验装置图

1—自循环供水器；2—实验台；3—泵；4—恒压水箱；5—溢流板；6—稳水孔板；7—突然扩大实验管段；8—测压计；9—滑动测量尺；10—测压管；11—突然收缩实验管段；12—实

验流量调节阀

1、有压管道恒定流遇到管道边界的局部突变的尾部时，流动会分离形成剪切层，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。

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，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。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：

和

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、局部水头损失系数随流动的雷诺数而变，即

但当雷诺数大到一定程度后，值成为常数。在工程中使用的表格或经验公式中列出的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。

6、对于突扩圆管的情况，局部水头损失系数有理论结果，推导如下：流动经过突扩圆管的局部水头损失

取1-1，2-2两断面如图，这里要特别注意1-1断面取为突扩开始的断面，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。两断面面积都为，而和则分别为细管和粗管中的平均流速。根据动量方程可知：

所以有：

将其代入局部水头损失的表达式，得：