流体力学实验指导

实验一：雷诺实验

实验学时：2 实验类型：验证

实验要求：选修

一、

实验目的：

1、 观察层流、紊流的流态；

2、 测定临界雷诺数，掌握圆管流态的判断标准；

3、 观察紊流形成的过程，理解紊流产生的机理；

4、 观察的流态；

5、观察流体在各种绕流运动中阻力的大小，分析流体流动的两种阻力形式。 二、 实验内容：

1、 观察层流、紊流的流态；

2、 测定临界雷诺数，掌握圆管流态的判断标准；

3、 观察紊流形成的过程，理解紊流产生的机理；

4、 理解流体绕流过程中的摩擦阻力与压差阻力的两种阻力形式。

三、实验原理

1、雷诺数：反映惯性力与粘性力的比值。

v

d

R e υ=

24d

Q πυ=

R e >4000为紊流 R e <2000为层流

2000< R e <4000为层流与紊流过度区

2、绕流阻力：为摩擦阻力与压差阻力之和。

2

2

2

2

ρυρυp

p f

f A C A C D +=

式中：D —绕流阻力；

C f —绕流摩擦阻力系数； A f —绕流摩擦阻力迎流面积； C p —绕流压差阻力系数； A p —绕流压差阻力迎流面积；

υ—来流速度。

四、实验仪器与元件

实验仪器：雷诺实验仪、壁挂式流动显示仪 仪器元件：自循环供水系统、颜色水箱、放水阀等 流体介质：水、颜色水 实验装置如图：

雷 诺 数 实 验 台

1． 箱及潜水泵 2.上水管 3. 溢流管 4. 电源 5.整流栅 6.溢流板 7.墨盒 8. 墨针 9.

实验管 10. 调节阀 11. 接水箱 12. 量杯 13. 回水管 14实验桌 雷诺数γ

d

V R e ⋅=

，根据连续方程：A V=Q ，A

Q V =

五、实验方法与步骤

实验方法与操作步骤如下：

1、熟悉实验装置各部分功能，记录有关常数；

2、观察两种流态。

打开电源开关4使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀10，并打开墨盒上的颜色水调节阀门注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。

3、测定下临界雷诺数。

（1）、将调节阀10打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀10使流理减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；

（2）、待管中出现临界状态时，用体积法测定流量；

（3）、根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2000）比较，偏离过大，需重测； （4）、重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次； （5）、同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。 注意：

（1）、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟； （2）、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；

（3）、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。 4、测定上临界雷诺数.

逐渐开启调节阀10，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1－2次。

有关常数为：管径d ＝1.4cm ，水温t ＝12.5°C 。运动粘性系数可用以下经验公式求得：

s cm t

t /01219.0000221.00337.0101775.02

2

=++=

υ 本实验的管径d ＝2.6cm,水箱底面积S=20cm ×19cm 。

六、实验成果

实验记录计算表

Re c2=

ν

d

V c ⋅

水的密度与粘度计算公式

1、 密度：][kg/m 44.1001 0872501.0 003589285.032+--=t t ρ 式中：t ——水的平均温度

2、 粘度：] s Pa [ 15.27353.1972

Exp 000001198.0⋅⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=t μ

式中：t ——水的平均温度

七、实验分析与讨论

1、流态判断为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？

2、为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数Re 与公认值偏离多少？原因何在？

3、雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？

4、为什么在测定Re 调小流量过程中，不许有反调？

5、 分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？

6、 如何减少摩擦阻力与压差阻力？

7、 绕流阻力在实际工程的应用怎样？

实验二：沿程阻力与局部阻力测定实验

实验学时：2

实验类型：综合

实验要求：必修

一．实验目的：

1.验证沿程水头损失与平均流速的关系；

2.掌握三点法、四点法测量局部阻力系数的技能；

3.通过对圆管突扩、突缩局部阻力的测定，验证突扩局部阻力和突缩局部阻力系数的经验公式

和理论公式；

4.加深对沿程阻力和局部阻力的认识。

二、实验原理

实验设备如图1所示：

图1 流体力学综合试验台结构示意图

1.储水箱

2.上、回水管

3.电源插座(用户安装时确定的位置)

4.恒压水箱

5.标尺滑板

6. 标尺组

7.压差板

8.流量调节阀

9.计量水箱 10.回水管 11.实验桌

（一）沿程阻力

粘性流体在管道中流动时，流体与管壁面以及流体之间存在摩擦力，所以沿着流动路程，流体流动时总是受到摩擦力的阻滞，这种沿流程的摩擦阻力，称为沿程阻力。流体流动克服沿程阻力而损失的能量，就称为沿程损失，沿程损失是发生在缓变流整个流程中的能量损失，造成沿程损失的原因是流体的粘性。因而这种损失的大小与流体的流动状态（层流或紊流）有密切关系。

如图2所示，对沿程阻力两测点的断面列能量方程：