工程流体力学实验指导书.pdf

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1、 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 1 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 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 hf与平均流速 v 的关系以及 随雷诺数 Re和相对粗糙度dks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 值及管壁当量粗糙 ks值，并与莫迪图比较。二、实验原理 图 3-1 沿程阻力损失实验装置 1自循环高压恒定全自动供水器 2实验台 3回水管 4水压差计 5测压计 6实验管道 7

2、电测仪 8滑动测量尺 9测压点 10实验流量调节阀 11供水管与供水阀 12旁通管与旁通阀 13稳压筒 管道沿程阻力由达西公式：gvdlhf22 得：222241212QhKQdlgdhvlgdhfff lgdK852 对于水平等直径圆管可得：)(21pphf fh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。2 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

3、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 34 次，重复上述步骤。其中第一次实验压差h0.50.8cm，逐次增加h0.30.5cm。3、紊流实验（1

4、）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 56 次，重复上述步骤。其中第一次实验压差h50100cm，逐次增加h100150cm，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lgdK852=25scm 2、实验记录及计算表 3 次 序 体积 V cm3 时 间 t s 流量

5、 Q cm3/s 流速 v cm/s 水 温 t C 粘度 cm2/s 雷 诺 数 Re 压差 cm 沿程 阻力 fh cm 沿程 阻力 系数 Re2320 Re64 h1 h2 1 2 3 4 5 6 7 3、绘图分析 根据实验数据成果分别绘制fhlgvlg曲线，并确定指数关系值的大小。在厘米纸 上以vlg为横坐标，以fhlg为纵坐标，点绘所测的fhlgvlg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1212lglglglgvvhhmff。将从图上求得的m值与已知各流区的m值(即层流1m，光滑管流区75.1m，紊流过渡区 1.75m2.0，粗糙管紊流区0.2m)进行比较，

6、确定流区。五、实验分析与讨论 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？4 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

7、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 5 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

8、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

9、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：6 将其代入局部水头损失的表达式，得：取的值均为 1.0，则

10、：或 可见：，7、突扩圆管局部水头损失之所以能够导出上述解析表达式是因为：我们假设 1-1 断面上的测管水头为常数；1-1，2-2 两断面的面积相等。而突缩圆管的 1-1，2-2 两断面必须分别取在粗管和细管中，这是由流动结构决定的，因此突缩圆管的局部水头损失不能解析表达，只有经验公式：这里的对应下游，即细管中的速度水头。8、其它各种弯管、截门、闸阀等的局部水头损失系数可查表或由经验公式获得。三、实验步骤 1、认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。2、查阅用测压管量测压强和用体积法（手工、自动）量测流量的原理和步骤。3、对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动抽水机，

11、打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。4、检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否齐平面。如不平，则需排气调平。5、开启下游阀门，待水流恒定后，观察测管水头的变化，正确选择实验配件前后的量测断面，进行数据的量测，并登录到数据记录表的相应位置。6、将被测阀门开到 300，重复 4、5、6 步骤。7、将被测阀门开到 450，重复 4、5、6 步骤。8、每组实验做三个实验点，且压差值不要太接近。7 四、实验记录 d=_cm 开启度 全开 30 45 NO 1 2 3 1 2 3 1 2 3 h5(cm)h6(cm)h1(cm)h7(cm)h8(cm)h2(cm)2h2-h1(cm)V(

12、cm3)t(s)Q(cm3/s)(cm/s)五、实验分析与讨论 1、同一开启度，不同流量下，值应为定值或变值？2、不同开启度，如把流量调至相等，值是否相等？3、结合实验结果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。4、结合流动仪演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里？怎样减少局部阻力损失？8 实验三 自循环水击综合试验 一、试验目的 1、了解水击现象的产生原因及传物理过程；2、了解水击扬水原理；3、了解减少管路水击危害的方法。二、试验装置（水击试验台 LSJ-30）图 10-1 水击试验台 1恒压水箱；2水击扬水机出水管；3气压表；4扬水

13、机截止阀；5压力室 6调压筒；7水泵；8水泵吸水管；9供水管；10调压截止阀；11水击发生阀；12逆止阀；13水击室；14集水箱；15实验桌 三、试验原理 本实验仪可用以演示水击传播、水击扬水、调压筒消减水击工况，以水击压强的测量。1、水击的产生和传播 水泵能把集水箱中的水送入恒压水箱中，恒压水箱设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自恒定水箱经供水管和水击室，再通过水击发生阀和阀孔流出，回到集水箱。实验时，先全关调压截止阀和扬水机截止阀，触发水击发生阀时，当水流过水击发生阀时，水的冲出力使水击发生阀上移关闭而快速截至水流，因而在供水管的末首先产生最大的水击升压，并使水击室同时

14、承受到这一水击压强。水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使供水管末端和水击室内发生负的水击压强。9 本实验能通过水击发生阀和逆止阀的动作过程观察到水击波的来回传播变化现象。即水击发生阀关闭，产生水击升压，使逆止阀克服压力室的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到压力表随着产生压力波动。然后，在进口传来的负水压作用下，水击室的压强低于压力室，使逆止阀关闭，同时，负水压又使水击发生阀下移而开启。这一动作过程既能观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验装置保持往复的自动工作状态，即当水击发生阀再次开启后，水流又经过阀孔流出，回复到初始工作状

15、态。这样周而复始，水击发生阀不断的启闭，水击现象也就不断的重复发生。2、水击压强的定量观测 水击可在极短的时间内产生很大的压强，犹如重锤锤击管道一般，可造成管道的破坏。由于水击的作用时间短，升压大，通常需用复杂而昂贵的电测系统作瞬态测量，而本仪器用简便的方法可直接地量测出水击升压值。此法的测压系统是由逆止阀，压力室和气压表组成。水击发生阀每一开一闭都产生一次水击升压，由于作用水头、管道特性和阀的开度均相同，故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次都将向压力室内注入一定水量，因而压力室内的压力随着水量的增大而增大，一直到其值达到与最大水击压强相等时，逆止阀才打不开，水流也不再注入压力室，压力室内

16、的压力也就不再增高。这时，可以连接于压力室空腔的压力表测量压力室中的压强，此压强即为水击发生阀关闭时产生的最大水击压强。3、水击的利用水击扬水 水击发生阀每关闭一次，在水击室内就产生一次水击升压，逆止阀随之被瞬时开启，部分高压水被注入压力室，当扬水机截止阀开启时，压力室的水便经水击扬水机出水管流向高处。由于水击发生阀的为断作用，水击连续多次发生，水流亦一次一次地为断注入压力室，因而便源源不断把水提升到高处。这正是水击扬水机工作原理，本仪器扬水高度为 37cm，即超过恒压供水箱的液体达 1.5 倍的作用水头。4、水击危害的消除调压筒（井）本仪器设有调压截止阀和调压筒组成水击消减装置。实验时关闭扬

17、水机截止阀、全开调压截止阀。然后手动控制水击发生阀的开与闭。由气压表可见，此时水击升压最大值约为 100mm 汞柱，其值仅为调压截止阀关闭时值的 1/3。同时，该装置还能演示调压系统的水位波动现象，当水击发生阀开启时，调压筒中水位低于供水箱（以下称库水位），而当水击发生阀突然关闭时，调压筒中的水位很快涌高且超过库水位，并出现和竖立 U 形水管中水体谅摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。四、实验步骤 1、打开供水开关；2、启动水击发生阀：启动阀必须先向下推开，并使过水系统中的空气全部排 1 0 出（打开调压筒截止阀可排出空气）。然后松手，阀 11 就会自动地往复上下运动，时

18、开时闭而发生水击。3、测量水击压强：测量时，应全关闭阀 10 和 4，且应关紧不漏水。4、水击扬水实验：应全开阀 4，全关阀 10。5、调压筒实验：应全关阀 4，全开阀 10。6、流量调节：可通过调控可控硅无级调速器旋钮，改变流量大小。7、其它注意事项：若供水管、压力室或阀 10 下部调压筒中的滞留空气未排净，或水质不洁等而导致逆止阀漏水，或集水箱水位偏低，都有可能使水击压强达不到额定值。此时应按前述过程重新操作，或更换水质增加集水箱水量。五、试验注意事项 1、水击压强的定量观测原理可用一个日常生活例子来加深理解：如一个人用气筒每次以 3kg/cm2的压强向轮胎内打气，显然，只有反复多次打，轮胎内的压强方可达到且只能达到 3kg/cm2。2、水击扬水虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒规律。扬水提升的水量仅仅是流过供水一部分，另一部分水量通过水击发生阀 6 的阀孔流出了水击室 8。