工程流体力学实验

本文由【中文word文档库】收集【中文word文档库】-专业海量word文档免费下载：○○四年1绪论一、工程流体力学课程工程流体力学是一门重要的技术基础课，它以水为主要对象研究流体运动的规律以及流体与边界的相互作用，是高等学校众多理工科专业的必修课。在自然界中，与流体运动关联的力学问题是很普遍的，所以流体力学在许多工程领域有着广泛的应用。水利工程、机械工程、环境工程、热能工程、化学工程、港口、船舶与海洋工程等专业都将流体力学或流体力学作为必修课之一。工程流体力学课程的理论性强，同时又有明确的工程应用背景。它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程教学的主要任务是使学生掌握工程流体力学的基本概念、基本理论和解决流体力学问题的基本方法，具备一定的实验技能，为后续课程的学习打好基础，培养分析和解决工程实际中有关流体力学问题的能力。二、工程流体力学实验课程工程流体力学实验在流体力学学科及教学中占有重要位置。从学科发展看，流体力学是一门技术科学，实验方法是促进其发展的重要研究手段。近年来，流体力学与古典流体力学日益兼容渗透，理论分析、实验研究和数值计算相结合成为流体力学和工程流体力学的主要研究方法。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系，实验方法仍是检验与深化研究成果的重要手段，现代实验技术的迅猛进展，更促进了现代流体力学及流体力学的蓬勃发展。工程流体力学实验是流体力学课程中一个不可缺少的重要教学环节。工程流体力学实验的教育目的是：1.在实验中观察水流现象，增强感性认识，巩固理论知识的学习。2.通过量测实验验证所学流体力学原理，提高理论分析的能力。3.学会量测水力要素和使用基本仪器的方法，掌握一定的实验技能，了解现代量测技术。4.培养分析实验数据、整理实验成果和编写实验报告的能力。25.培养严谨踏实的科学作风和融洽合作的共事态度以及爱护国家财产的良好风尚。三、工程流体力学实验总的要求：1.实验课前必须阅读实验指导书，明确实验目的、内容、原理和方法。了解实验设备的基本构造、工作原理和使用方法。2.严格按照约定的时间进行实验，做到不迟到，不早退。3.实验分小组进行，由课代表根据教师的要求分组，并指定组长。实验时要有指挥，有分工，做到有条不紊。4.要遵守实验室的规章制度，爱护实验室的设施，非实验仪器设备不得随意动用，因非实验造成的损坏由当事人赔偿。5.实验过程中，如果仪器设备发生故障，应立即向指导教师报告，以便及时排除故障，保证实验的正常进行。6.实验完毕后，关闭电源，整理好使用后的仪器、设备、工具。将实验原始记录交指导教师审阅。7.要认真做好并及时完成实验报告，按时交给指导教师批阅。不交者，该次实验按零分计。8.因病、事假缺习者可以凭病、事假条找指导教师安排补做。无故缺席者一律不安排补做。9.未完成全部实验报告者按学院的有关规定处理。3实验一静水压强实验一、实验目的1、通过实验加深对流体静力学基本方程hpp0的理解。2、验证静止流体中不同点对于同一基准面的测压管水头为常数，即pz常数3、实测静水压强，掌握静水压强的测量方法。4、巩固绝对压强、相对压强、真空度的概念，加深理解位置水头、压力水头以及测压管水头之间的关系。5、已知一种液体重度测定另一种液体的重度。二、实验原理加减压气缸γh0h3h43γˊΔ3Δ44z3Δ1Δ2z4Δ0OO图1静水压强实验原理图静水压强实验原理如图1所示，相对静止的液体只受重力的作用，处于平衡状态。以p表示液体静压强，表示液体重度，以z表示压强测算点位置高度（即位置水头），流体静力学方程为pz常数上式说明1、在重力场中静止液体的压强p与深度h成线性分布，即404030403hhhhpppp2、同一水平面（水深相同）上的压强相等，即为等压面。因此，水箱液面和测点3、4处的压强（绝对压强）分别为00hppa03ap04ap33hppa33zpa44hppa44zpa与以上各式相对应的相对压力（相对压强）分别为appp000h0304appp333h33zappp444h44z式中ap——大气压力，Pa——液体的重度，3mN0h——液面压力水头，m0——液面位置水头，m3、4——3、4处测压管水头，m3z、4z——3、4处位置水头，m3h、4h——3、4处压力水头，m3、静水中各点测压管水头均相等，即43或4433pzpz5或4433hzhz即测压管3、4的液位在同一平面上。4、由于密封容器顶部与左侧U型管联通，根据联通器原理，得0321aapp即2103'式中——U型管中液体的重度，3mN1、2——U型管中两液面位置高度,m根据上式可知，已知某种液体（如水）的重度，可以通过本实验确定另一种液体的重度。三、实验步骤1、读出液面初始位置高度Δ0,并记入表内。2、顺时针旋转加减压气缸手柄，使水箱液面压力升高，此时0pap,读出1、2、3、4,并记入表内。再继续给水箱加压两次，记下各测压管位置高度。3、逆时针旋转加减压气缸手柄，使水箱内减压，并获得0pap的状态。同样读取三组数据记入表内。6实验二流谱及流线演示实验一、实验目的用带有泡沫的变压器油加在油槽中经过导叶栅后形成许多平行的流线，以观察其绕经不同固体壁面的变化。二、实验原理液体流线仪是研究液流在模型试件出口和入口的流线变化，特别是当试件的突扩、突缩而发生流线的扭曲现象和旋涡、死区等。另外，根据教学的需要可以定作补充各种模型试件，以观察流线在绕经不同固体壁面时的变化。三、实验装置实验装置由油泵、供油箱、回油箱、油盘调整螺栓、支架、供油管等组成（见图2）。油盘的倾斜度可通过前端调整螺栓调整。实验装置带有园柱、机翼、突扩（反放为突缩）模型试件。图1支架回油箱油盘供油箱图2流谱及流线演示实验装置四、实验步骤1、接通电源。2、开始时不同箱中可多放些油，开动油泵后，首先将供油管上的铜阀旋松，放出管路中空气，然后用烧杯在后面不断把油接走，直到流线清晰为止。并通过调整油盘前端的调整螺栓改变油盘的倾斜，以改变油的流速。3、进行实验模型的组合更换。7实验三文丘里管实验一、实验目的1、在文丘里管收缩段和扩张段，观察压力水头、速度水头沿程的变化规律，加深对伯努利方程的理解。2、了解文丘里流量计的工作原理。3、掌握文丘里管流量系数的测定方法。二、实验原理1、理想流体伯努利方程的验证文丘里管是在管路中安装一段断面急速变小，而后又逐渐恢复原来断面的异径管，如图3所示。理想总水头线gv221gv2211Hgv224h11h1h4喉管图3理想流体伯努利方程示意图在收缩段，由于流体流动断面减小，因而流速增加，测压管水头连续下降，喉管处断面最小，流速最大，测压管水头因而最低；相反，在渐扩管中流体流动截面逐渐扩大，流速减小，测压管水头也不断得到恢复。这些现象都是由于流体流径文丘里管时，遵守连续性方程QvA（常数）(1)和伯努利方程8Hhgv22（常数）(2)以上两个方程表明，无论流体流动过程中断面几何参数如何变化，所有断面上的总水头H和流量都保持不变，也就是说流体流动一直遵守着能量守恒和物质守恒这两个基本定律。上述现象和规律将在实验中通过11根测压管的液面变化加以验证。为了便于实验分析，现将公式(2)作如下变换，并以下标i表示测压管序号，例如4i表示第四根测压管即喉管。公式(2)可以写成gvhgvhii222211两边同除以24v,并移项得242212412vvvgvhhii(3)公式(1)可以写成iiAvAvAv4411所以21241441ddAAvv22444iiiddAAvv代入公式(3)得444142412iiddddgvhh(4)公式(3)和公式(4)表明，测压管水头变化的相对值，完全决定于流动断面的几何比例，从而进一步揭示了断面流速与测压管水头之间的关系。我们根据公式(4)画出测压管水头相对变化的理论曲线和实际曲线（分别为上式右项和左项），通过比较，两者应当是一致的（横坐标为测压管序号，纵坐标分别为以上两项）。2、流量系数的测定将公式(1)、(2)应用于1、4两断面，可以得到42141vddv942412122hgvhgv前式代入后式得4144141)(2ddhhgv流量为414412444124ddhhgdvAQ若以流量系数表示阻力损失的影响，上式可以写成41hhcQ（ml/s）(5)式中c——仪器常数，为定值（scm5.2）(6)因此，在实验中，测得流量Q和测压管水头1h、4h，即可求得流量系数，一般在0.92～0.99之间。三、实验步骤1、缓缓打开进水阀和针阀，使测压管1、4的水面差达到最大，并适当调节，观察测压管水头的变化，理解伯努利方程的含义。2、读取各测压管水头刻度，并按测压管编号为序记入表内。3、在读取测压管水头的同时，用体积法测量流量，记入表内。4、调节进水阀和针阀，改变各测压管读数，并记录各读数和流量。5、实验结束后，关闭进水阀门。41424124ddgdc10实验四雷诺实验一、实验目的1、观察圆管内流体恒定流动层流和紊流两种流动状态及其转换的现象。2、测定不同流动状态下流体的雷诺数Re。3、测定圆管内流体恒定流动层流和紊流两种流动状态下的沿程水头损失fh与断面平均流速v之间的关系。二、实验原理雷诺实验装置示意图如图4所示。843251110(a)层流hfH(b)过渡状态(c)紊流976112图4雷诺实验装置示意图1、玻璃管2、注色水细管3、色水阀门4、色水容器5、水箱6、蜂窝板7、溢水隔板8、供水阀门9、放水管10、出水阀门11、测压管12、量水筒1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷诺根据大量实验资料，将影响流体流动状态的因素归纳成一个无因次数，称为雷诺数Re，作为判别流体流动状态的准则11vdvdRe式中v——流体断面平均流速,scmd——圆管直径,cm——流体的运动粘度,scm2在本实验中，流体是水。水的运动粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托克斯提出的经验公式计算2000221.00337.010178.0tt式中——水在tC时的运动粘度，scm2；t——水的温度，C。3、判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速，从紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，对应于上、下临界速度的雷诺数，称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。而且极不稳定，只要稍有干扰，流态即发生变化。上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不同有所不同。因此，上临界雷诺数在工程技术中没有实用意义。有实际意义的是下临界雷诺数，它表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值。通常均以它作为判别流动状态的准则，即Re2320时，层流Re2320时，紊流该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，工程实际中一般取Re=2000。5、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小d，减小v，加