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