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1、市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 流体力学流体力学 BB实验指实验指 导书及实验报告导书及实验报告 专专 业：业： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 吉林建筑大学城建学院吉林建筑大学城建学院 市政与环境工程系市政与环境工程系 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 1 目 录 一、能量方程实验 2 二、雷诺实验 6 三、孔口、管嘴各项系数的测定 10 四、文
2、丘里流量计实验 16 五、毕托管测速实验 18 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 2 实验实验 一一 能量方程实验能量方程实验 实验台编号实验时间 一、实验目的一、实验目的 （1） 、观察流体流经能量方程实验管时的能量转化情况，并对实验中 出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解。 （2） 、掌握一种测量流体流速的原理。 二、实验装置二、实验装置 实验装置（如下图所示） 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL E
3、NGINEERING DEPARTMENT 3 实验桌 供水箱、水泵 伯努利压差板 雷诺实验管 压差板 沿程实验管 局部实验管 文丘里实验管 伯努利实验管 计量水箱 回水管 恒压水箱 颜色罐 孔板实验管 毕托管 层流测针 流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱、能量方 程实验管、上水阀门、出水阀门、水泵、测压管板（图中未给出）和计量 水箱等。 三、实验前准备工作三、实验前准备工作 开启水泵，全开水阀门使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱水位 始终保持不变，并有少量溢出。 四、实验原理四、实验原理 在实验管路中沿管内水流方向取 n 个过水断面。可以列出进口断面 （1）至另一断面（i
4、）的能量方程式（I=2,3,n） Z1+ P1 gg + V2 = Z+ g iP + 2 V g i i +hw 取1=2=n=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 4 出 Z+（P/g）值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速 V 及 V/2g，从而即可得到各断面测压管水头和总水头 五、实验方法五、实验方法 （1） 、能量方程实验 调节出水阀门至一定开度，测定能量方程实验管的四个断面四组测压 管的液柱高度，并利用计量水箱和秒表测
5、定流量。改变阀门的开度，重复 上面方法进行测试。 根据测试数据的计算结果，绘出某一流量下各种水头线（如图 3） ， 并运用能量方程进行分析，解释各测点各种能头的变化规律。 可以看出，能量损失沿着流体流动方向增大的；与比 较，两点 管径相同，所以动能头基本相同， 但点的压力能头比增大了，这 是由于位置能转化而得来的；与 比较，其位置能头相同，但点 比点的压力能头大，如右图各种 水头线。 由于管径变粗；速度减慢，动能头 转化为压力能头；与比较，位 置能头相同，但压力能头小了，可 明显看出，是压力能头转化为速度 能头了。 实验结果还清楚的说明了连续方程，对于不可压缩的流体稳定流动， 当流量一定时，管
6、径粗的地方流速小，细的地方流速大。 2）测速 能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当与一个皮托管，可测 得管内的流体速度。由于本实验台将总测压管置与能量方程实验管的轴线， 所以测得的动压水头代表了轴心处的最大速度。 皮托管求点速度的公式为： hkhgcu2gck2 式中 u-毕托管测点处的点速度； c-毕托管的教正系数； h-毕托管全压水头与静水压水头差。 Hgu2 联立上两式可得 Hhc/ 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 5 式中 u- 测点处流速，有毕托管测定； - 测
7、点流速系数； - 管嘴的作用水头；H 在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速 度。测试结果记入表二中，如果用皮托管求出所在截面的理论平均速度， 可根据该截面中心处的最大流速。雷诺数与平均流速的关系，参考有关流 体力学求出。 表 1 流量 左右左右左右左右 m3/s 总水头 压力水头 速度水头 能量水头 总水头 压力水头 速度水头 能量水头 能量方程管断面的中心 线距基准线高(mm) 能量方程管内径 d(mm) 六、分析与思考六、分析与思考 1、测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？ 2、流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 测 点 编 号 液 住 高 或
8、差 工 况 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 6 实验二实验二 雷诺实验雷诺实验 实验台编号实验时间 一、实验目的和要求一、实验目的和要求 观察层流、湍流的流态及其转换过程。 测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别方法。 学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，确定非圆管流的流态判别准数。 二、实验装置二、实验装置 1、实验装置简图、实验装置简图 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTM
9、ENT 7 实验装置及各部分名称如图 2 所示。 图图 2 雷诺实验装置图雷诺实验装置图 l 自循环供水器;2.实验台;3.可控硅无级调速器;4 恒压水箱; 5 有色水水管;6.稳水孔板;7.溢流板;8 实验管道;9.实验流量调节阀 2、装置说明与操作方法、装置说明与操作方法 供水流量由无级调速器 3 调控，使恒压水箱 4 始终保持微溢流的程度，以提高 进口前水体稳定度。本恒压水箱设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到 。有色水 经有色水水管 5 注入实验管道 8，可据有色水散开与否判别流古止自循环水污染， 有色指示水采用自行消色的专用色水。实验流量由调节阀 9 调节。 三、实验原理三、实验原理
10、 1883 年，雷诺(Osbore Reynolds)采用类似于图 2 所示的实验装置，观察到液流 中存在着层流和湍流两种流态:流速较小时，水流有条不紊地呈层状有序的直线运动， 流层间没有质点混掺，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点作杂乱无章的 无序的直线运动，流层间质点混掺，这种流态称为湍流。雷诺实验还发现存在着湍 流转变为层流的临界流速与流体的粘性 V、圆管的直径 d 有关。若要判别流态， cc vv , 就要确定各种情况下的值，需要对这些相关因素的不 同量值作出排列组合再分别 c v 进行实验研究， 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENV
11、IRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 8 雷诺实验完成了管流的流态从湍流过渡到层流时的临界值值的测定，以及是 c k 否为常数的验证，结果表明值为常数。于是，量纲为一的数便成了适合于任 c k v vd 何管径，任何牛顿流体的流态由湍流转变为层流的判据。由于雷诺的贡献，定名 v vd 为雷诺数 Re。于是有 V V Kq vd q v vd 4 Re 式中: v 一一流体流速; v 一一流体运动粘度; d 一一圆管直径; qy-一圆管内过流流量; K 一计算常数，。 vd K 4 当流量由大逐渐变小，流态从湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数 当流量,ecR 由零逐
12、渐增大，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数。上临界雷诺数 c Re 受外界干扰，数值不稳定，而下临雷诺数值比较稳定，因此一般以下临界雷诺 c Re 数作为判别流态的标准。雷诺经反复测试，得出圆管流动的下临界雷诺数值为 c Re 2 300。工程上，一般取= 2 000。当 Re 0.1 (大孔口)时与在 d/H 0.1 时 d;较大，并接近于孔径 d，此时由实验测知， 也随 d/H 增大而增大， =0.64 -0.9 2、定量分析实验、定量分析实验 根据基本操作方法，测量孔口与管嘴出流的流速因数、流量因数、侧收缩因数、 局部阻力因数及直角管嘴的局部真空度，实验数据处理与分析参见 5 小节
13、。 五、数处理及成果要求五、数处理及成果要求 1 记录有关信息及实验常数记录有关信息及实验常数 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 14 孔口管嘴直径及高程: 圆角管嘴_ 直角管嘴_ 出口高程 1 dm 2- 10 2 dm 2- 10 _ 21 zzm 2- 10 锥形管嘴=_ 孔口_ 出口高程_ 3 dm 2- 10 4 dm 2 10 43 zz m 2- 10 (基准面选在标尺的零点上) 2.实验数据记录及计算结果实验数据记录及计算结果(表表 3 ) 表表 3 孔口管嘴实验
14、记录计算表孔口管嘴实验记录计算表 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 15 3. 成果要求成果要求 回答定性分析实验中的有关问题，提交实验结果。 项目 分类 圆角管嘴 直角管嘴 圆锥管嘴 孔口 水箱液位/ 0 Zm 2- 10 体积 36 10/mV 时间 t/s 流量smqv/10/ 36 平均流量smqv/10/ 36 作用水头mH 2 0 10/ 面积 A/ 24 10 m 流量因数 测压管液位 Z/m 2 10 真空度mhv 2 10/ 收缩直径mdc 2 10/ 收缩断面
15、 24 10/mAC 收缩因数 流速因数 阻力因数 市市 政政 与与 环环 境境 工工 程程 系系 MUNICIPAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING DEPARTMENT 16 测量计算孔口与各管嘴出流的流速因数、流量因数、侧收缩因数、局在三力 因数及直角进口管嘴的局部真空度，分别与经验值比较，并分析引起差别在原因。 六、分析思考题六、分析思考题 薄壁小孔口与大孔口有何异同？ 为什么等作用水头、等直径条件下，流量因数值直角进口管嘴的比孔口的 大、锥形管嘴的比直角进口管嘴的大？ 7、注意事项注意事项 实验次序先管嘴后孔口，管嘴在每次橡皮塞前，先用旋板将进口盖好，以免 水花溅开；关闭孔口时旋板的旋转方向为顺时针，否则水易溅出。 实验时将旋板置于不工作的管嘴上，避免旋
