流体力学与水力学实验指导书(少学时)

目录

§1-1 流体静力学实验 ??????????????????????? ( ) §1-3 动量方程实验 ???????????????????????? ( ) §1-5 局部水头损失实验 ?????????????????????? ( ) §1-6 文丘里流量计、孔板流量计的标定实验 ????????????? ( ) §1-8 雷诺实验 ?????????????????????????? ( ) §2-1 圆柱表面压强分布的测量 ??????????????????? ( )

第一章 流体力学基础实验

本章介绍流体力学的基础实验。基础实验是指用传统的测试手段测量流体运动的压强、速度、流量等基本参数。这些实验都是教学大纲要求的必做实验。

§1-1 流体静力学实验

1.1.1 实验目的

1．观察测点的测压管水头(位置水头与压强水头之和)，加深对静压强公式的理解。

2．求未知液体的密度 1.1.2 实验装置

图

静压强实验仪

图1.1.1是一种静水压强实验仪。管1为开口测压管，管2和管3，管4和管5，管6和管7各组成一个U形管。管1、2、3均与水箱接通，构成一个连通器。其中，管1与密封水箱中部某点接通。管2、3与水箱底部某点接通。管4和管6与水箱上方的气体压强接通。管4、5和管6、7分别盛有两

种液体，其密度为?1和?2。水箱上方有密封阀，水箱液面上的气体与大气不相通，其压强为p0。调压箱通过软管与水箱接通。上、下移动调压管就可以改变水箱中的水位，也改变水箱中密封气体的压强p0。

如果调压筒水面高于水箱的水面，水将从调压筒流入水箱，此时，水箱中的密封气体的体积将减小，压强增大。密封气体压强高于当地大气压，p0>pa。反之，则p0

流体静力学的基本方程是

z?p?常数 (1.1.1)

1.1.1

?g管1、管3、调压筒、水箱互相连通，液面与大气相通。虽然管1，管3与水箱的接点高低不同，但他们的液面高程相同，这就是说明静止液体内任意一点的位置水头与压强水头之和（称为测压管水头）是相同的。管2的液体与水箱的液体相通，液面气体的压强同为p0。因此管2的液面与水箱的液面高程相同。

盛有两种未知密度液体的U形管，其液柱高差是由于压差p0-pa引起的，故有

p0?pa??g(z3?z2)??1g(z5?z4)??2g(z7?z6) (1.1.2)

?1???2??z3?z2z5?z4z3?z2z7?z6 (1.1.3) 水的密度?是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度?1和?2。

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1.1.4 实验步骤

1．关闭密封阀，并检查密封效果。其方法是，移动调压筒至某一高程位置，这时各管的液面也随之移动。如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越来越慢，并最终停止

图1.1.2 静水压强实验数据表

在某一高程位置，不再变化。如果密封效果不好，各管的液面总是不停升降，直至各管液面与调压筒以及水箱的液面平齐。这就说明水箱漏气。

2．将调压筒形移至某高度，并用螺丝固定。待各管的液面稳定后，读取各管的液面高度读数，并填入数据表。 本实验测量4组数据，其中，p0>pa（调压筒液面高于水箱液面）和p0

测量内容：各测压管的液柱高度。 1.1.6 思考题

1．在什么情况下，管1，2，3的液面平齐？

2．当管2，3的液面平齐时，管4，5以及管6，7的液面是否全分别平齐？为什么？ 3．管1和管5都与大气相通，其液面是否处在同一个等压面上？ 4．如果 (z7-z6)>(z5-z4)，则?1和?2哪个较大？

1.1.5 数据整理及误差分析

流体力学实验的数据整理是件复杂的工作，为此，可编制数据处理系统供实验课使用。图1.1.2是编者研制的数据处理系统的静水压强实验数据表界面。

实验装置中的未知液体的密度值分别为?1?800kg/m，?2?1000kg/m。由数据表看出，测量误差小于7%，引起误差的主要原因是仪器的水柱高度读数的精度不够。水柱高度的刻度为mm，小数点后面的值是目估的，从而引起误差。

331.3 动量方程实验

1.3.1 实验目的

用杠杆法测量水流对档板的冲击力，并用动量方程计算水流对档板的作用力，两者进行比较，加深对动量方程的

2

理解。

1.3.2 实验装置及实验原理

图1.3.1 动量方程实验仪

图1.3.1是本实验使用的实验装置示图。水箱为实验提供稳压水源，水箱的溢流板上开设若干泄流孔。开、闭这些泄流孔可以控制水位的高低。

水流从设在水箱下部的管嘴射出，冲击一个轴对称曲面档板，档板将射流冲击力传递给杠杆。移动砝码到某一位置，可使杠杆保持平

衡。

本实验用杠杆平衡原理测量射流的冲击力。另外，再用流体力学的动量方程计算射流对档板的作用力，并比较这两个冲击力的大小，以便进行误差分析。

设砝码的重量为G，作用力臂为L1，射流的作用力为F，作用力臂为L。当杠杆平衡时，有

F?GL1L

（1.3.1）

图1.3.2 动量方程用图

射流的冲击力也可以由动量方程算出，图1.3.2是计算用图，设射流的偏转角度为?（即入射速度矢量转到出流速度矢量所旋转的角度），射流的流量为Q，入射速度为V，则有

F??QV(1?cos?)

（1.3.2）

本实验的射流偏角有90°，135°，180°等3种。 1.3.3 实验步骤

1．实验前，调节平衡锤的位置，使杠杆处于水平状态。

2．开启水泵，向水箱充水。调节溢流档板泄孔的开启程度，使水箱的水位保持在某一高度位置。 3．打开出流孔口，使水流冲击挡板。

4．移动砝码至适宜位置，使杠杆保持水平，记录数据。

5．改变水位，重复以上测量。另外，也可以更换另一种偏转角的挡板，并进行相应的测量。 6．实验结束后，关闭水泵，取下砝码，排空水箱。 测量内容：流量、砝码力臂。 1.3.4 数据处理及误差分析

图1.3.3 是数据表的界面。冲击力的实测值与计算值存在一定误差。引起误差的原因有两个，一是杠杆支座存在摩擦力，另一个原因是动量方程没有考虑重力对水流的影响，认为射流的反射速度为轴对称分布。其实，在重力作用下，挡板下部的反射水流速度大于上部的反射水流速度。 1.1.5 思考题

1. 请自己推导方程（1.3.2）

2. 实验中如何确定砝码的作用力臂？ 3. 本实验的流量是用什么方法调节的？

3

图1.3.3 动量方程实验数据表

1.5 局部水头损失实验

1.5.1 实验目的

测量管流中的5种局部水头损失，并确定局部损失系数。 1.5.2 实验装置

图1.5.1 所示的局部水头损失实验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段，局部损失（截面实扩，截面突缩，90°弯管，180°弯管，90°折管）管件、21支测压管、回水箱组成。此外，本实验用手工体积法和电子流量计两种方法测量管流的流量。

21支测压管中，有些是用于测量局部水头损失，有些则用于演示管流中水流静压的变化情况。

这里着重介绍电子流量计。这种流量计由量水筒，水位传感器，单板机，显示表组成。图1.5.2a表示电子流量计的工作原理。量筒左侧有玻璃水位指示管，右侧有虹吸管。水位传感器A、B用于记录水位信息。当水面上升到B时，单板机开始计时，当水面上升到A

时，单板机结束计时，两个时间之差为充水时间，A、B之间的量筒体积（887cm）为充水体积。体积与时间之比为流量。当水面继续上升，淹没虹吸管之后，水流在虹吸作用下自动出流，直至放空，同时还发出一种排空声响。这样，每隔一段时间，量筒中的水就会自动排空，无需人为操作。测量流量时，将出水通过漏斗引入量筒。水面到达A、B的时间由单板

机自动纪录并显示在流量计的面板上。

流量仪表的板面上设有电源开关，控制电源的接通与断开。参见图1.5.3。板面上有“时间”、“体积”、“流量”、“测量”等四个命令按钮。当按下“测量”按钮时，仪器开始测量。如果按下“时间”、“体积”、“流量”，则仪表上显示时间、体积、流量的数值。板面上还有三个指示灯，显示仪器的工作状态。测量的指示灯点亮，表示正在测量。

3

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图1.5.1 局部损失实验仪

图1.5.2 电子流量计的量筒

图1.5.3 电子流量计的面板

测量之前，先按下板面上的“测量”按钮，这时候仪表就开始工作，量筒充水时，仪表连续显示充水时间（秒）。充水结束后，仪表立刻显示出流量值（单位：ml/s ）。如果要显示充水时间和充水体积，可以分别按下“时间”、“体积”按钮。

电子流量计有时会发生故障。最常见的故障是虹吸管能够排水，但没有虹吸的抽水作用，

参见图1.5.2b。这种情况下，量筒以及水位器水位稳定在某些方面某一高度，充水不能自动排空。排除故障的方法，是加大出水量，使虹吸管满顶，充水就能排空。 1.5.3 实验原理

对局部损失管件的上、下游某断面应用伯努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。 突扩管：使用测压管3，9测量突扩管上、下游的压差，相应的伯努利方程为

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