贵州大学能源动力工程《流体力学》专业基础实验.docx

专业基础实验（1）指导书电气工程学院能动专业12级6人小组2014年6月实验1雷诺实验1一、实验目的1二、实验装置1三、实验原理1四'实验步骤2五、实验数据记录及计算2实验2测速实验4一、实验目的4二、实验装置4四'实验步骤6五、实验数据记录及计算7实验3沿程阻力与局部阻力测定实验9一、实验目的9二、实验内容9三、实验原理、方法和手段9四、实验组织运行要求10五、实验条件10六、实验步骤11七、思考题11八、实验报告11九、其它说明11实验4喷管特性实验12一、实验目的12二、实验内容12三、实验原理、方法和手段13四'实验组织运行要求17五、实验条件17六、操作步骤17七、思考题17八、实验报告18九、其它说明19实验5伯努利方程验证20一、实验目的20二、实验装置20三、实验原理20四'实验操作21实验1雷诺实验一、实验目的1 .观察流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。2 .观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。3 .测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数Re,.二、实验装置图1.I雷诺实验装置1.水箱及潜水泵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I1.接水箱12.量杯13.回水管14.实验桌三、实验原理流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均速度V,微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动,为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。流体的雷诺数Re=曳V,根据连续方程：Q=Au,y=2°流量。用体积法测出,A即在加时间内流入计量水箱中流体的体积AV。Q=Jt式中A管路的横截面积;d管路直径；V一一流体繁荣流速；V一一水的运动粘度。四、实验步骤1 .准备工作。将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度H不变。2 .缓慢开启阀门7,使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门9,使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。3 .开大出口阀门7,使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出口阀门7,观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量，计算出下临界流速匕。重复做三次，即可算出下临界雷诺数。五、实验数据记录及计算d=mm水温=C实验次数V(ma)Z(三)Q(m3s)Vc(ms)V(m7s)Re,123E临界雷诺数的计算公式为:实验2测速实验一、实验目的一、掌握用毕托管测量某一点流速的技能。了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其测量精度，进一步明确传统流体力学测量仪器的现实作用。二、通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术。验证能量（伯努利）方程的正确性。三、了解孔板流量计的原理及其实验装置。确定孔板流量计的流量系数值。二、实验装置图2.1阻力综合实验装置1.水泵电机2.水泵3.循环储水箱4.计量水箱5.孔板及比托管实验管段进水阀6.阀门阻力实验管段进水阀7.D=Mrnm沿程阻力实验管段进水阀8.D=Mmm沿程阻力实验管段9.阀门阻力实验管段10.孔板流量计11.比托管12.测阻阀门13.测压管及测压管固定板14.D=Mmm沿程阻力实验管段出水阀15阀门阻力实验管段出水阀16.孔板及比托管实验管段出水阀17.文丘里实验管段出水阀18.D=IOrnm沿程阻力实验管段出水阀19.管支架20.D=K）mm沿程阻力实验管段21.文丘里流量计22排水阀门三、实验原理用毕托管测量流速时，u=c,2gz=式中u一一毕托管测点处的流速；c一一毕托管的流速校正系数；M毕托管的全压水头与静水压水头差；k仪器常数，女=C疡。根据伯努利方程和连续性方程，可得不计阻力作用的文丘里管过水能力关系式为:Q'=I?I¼(zi+-)-(z2+=k4hM、41v/式中k=为仪器常数;J(-)4-1A=(z1+-)-(z2+-),为两断面测压管水头差。/孔板流量计原理与文丘里流量计相同，根据能量方程以及等压面原理可得出不计阻力作用时的文丘里流量计(孔板流量计)的流量计算公式：=Kh其中:11P2d24D4-4=(z1+p17)-(z2+p2)对于文丘里流量计：力=hi-h2对于孔板流量计：=3-A4+/?5-6根据实验室设备条件，管道的实测流量Q实由体积法测出。在实际液体中，由于阻力的存在，水流通过文丘里流量计(或孔板流量计)时有能量损失，故实际通过的流量Q攵一般比Q理稍小，因此在实际应用时，上式应予以修正，实测流量与理想液体情况下的流量之比称为流量系数，即="。理沿程水头损失与流速的关系对沿程阻力两测点的断面列伯努利方程因实验管段水平，且为均匀流动，所以Zi=z2,=2,vl=v2,«l=2yhl=hf由此得ZZ=旦马=M即管路两点的沿程水头损失hf等于测压管水头差?o由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速外将所得当和y数据绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与平均流速的关系。2.沿程阻力系数的测定由上面的分析可以得到：。乙一£1=My/由达西公式：用体积法测得流量。，并计算出断面平均流速即可求得沿程阻力系数4：4=空丝四、实验步骤皮托管测速实验：1 .打开水泵和出水阀，读取管嘴的上下游水位和毕托管水头。2 .调节出水阀，再重复步骤1）三次。计入表6.1。文丘里流量计实验：1 .测计各有关常数。2 .打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达到测压计可测量的最大高度。3 .测读压差，同时用体积法测量流量。4 .逐次关小调节阀，改变流量79次，注意调节阀门应缓慢。5 .把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。6 .如测管内液面波动时，应取平均值。五、实验数据记录及计算1 .计算常数。毕托管的校正系数C=,常数&=cm°5s.2 .实验数据记录及计算见下表。表2.1数据表实验次序毕托管水头差(Cm)测点流速U=kyii(Cm/s)H3H4h1234文丘里流量计数据处理：1.记录计算有关数据。实验装置台No4=cm,d2=cm,水温t-,水箱液面标尺值So=,管轴线高程标尺值5=cm。常数A=cm025So2.整理记录计算表如表2.1、表2.2。表2.1记录表次序测压管度数水量(Cm3)测量时间(三)hih2h3h4hshe123456789表2.2计算表次序Q(cm3s)z=(h1-h2+h3-h4)(Cm)Q,=kh(cm3s)123456789实验3沿程阻力与局部阻力测定实验一、实验目的1 .用实验的方法测定：沿程阻力损失与流速V的关系，沿程阻力系数人与雷诺数RN的关系2 .用实验的方法测定：局部阻力损失APj与流速V的关系，局部阻力系数1与雷诺数RCd的关系二、实验内容用lnPfcolnV,InPj曲线表示。用In111R«”Inln曲线表示。四根曲线都用方格纸画出。预习问题：为了求得入=fl(Red),=f2(Red)需要测量哪些量？我们设备条件下如何测量？怎样拟定我们的实验步骤组织进行实验？三、实验原理、方法和手段1.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,它的大小与流过的管道长度成正比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。管道流动中的沿程损失满足Darcy-Weisbach公式：Pf=W=Pf=*(ld)*(PV222)1p½224Pf一一单位体积流体的沿程损失N-mm3由实验测定。沿程阻力系数，由实验确定入=fRwd11a-管长(m)d管径(m)V1管中有效截面上的平均流速VFQ(11d124)Q由实验确定改变流量Q即改变了平均流速V,从而改变了人和APf根据实验结果可绘出aPfsV关系曲线与入=f(RQ关系曲线(/心不变)3.局部阻力在管道系统中通常装有阀门，弯管，变截面等局部装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分布，流体质点与质点及与局部装置之间发生碰撞，产生旋涡，使流体的流动受到阻碍，由于这钟阻碍发生在局部的急变流动区段，所以称为局部阻力。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。管道中局部损失可用下式求得Pj=pV222=Pj(pV/2)Pj单位体积流体的局部损失(Nmm3)局部阻力系数，V2管中有效截面上的平均流速(ms)在某个固定阀门位置，由流体的流量Q可计算出V2=Q(d224)因雷诺数&d2=V2d2,于是由实验结果可绘制APfV的关系曲线和Rw2的关系曲线。四、实验组织运行要求采用集中授课形式五、实验条件流量测定试验台1套沿程阻力：管径：Dl=8mm管长：1.l=100Omm局部阻力：管径：D2=15mm管长：1.2=50mm六、实验步骤1 .确定实验管路，把阀门打开。将其他管路阀门关上。2 .根据管径大小确定总阀门的开度。3 .合上电源，分多个工况点对流量和压差进行测量。七、思考题1. 测压管孔的位置对&有什么影响？2. ZXPf随V的多少次方成正比？3. ZXpj随V的多少次方成正比？八、实验报告记录表3-1序号沿程损失局部损失容积Vl时间t(三)流量Ql/s流速V11s流速V2111sRedlRcd2读数1mrn读数2mm读数差读数111m读数2mm读数差123456九、其它说明实验管道布置与流量计校正装置与图2-1相同。实验时将调节阀关上，测量沿程阻力时关闭配水阀；测量局部阻力时关闭配水阀并将造成局部阻力的阀12固定在某一开度位置。流量和压差的测量与流量计校正实验相同。实验4喷管特性实验一、实验目的1 .目的：巩固和验证有关喷管基本理论，熟悉不同形式喷管的机理，掌握气流在喷管中流速、流量、压力变化的规律及有关测试方法。2 .掌握用常规数据采集仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法。4 .应对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。5 .加深对临界状态基本概念的理解。二、实验内容实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，见图4-1。图4-1喷管实验台组成简图1 .进气管2.空气吸气口3.孔板流量计4.U形管压差计5.喷管6,三轮支架7.测压探压针8 .可移动真空表9.手轮螺杆机构10.背压真空表II.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头进气管（1）为e57X3.5无缝钢管，内径50°.空气吸气口（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。孔板孔径7,采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计（4）读出。喷管（5）用有机玻璃制成。配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图2、3o根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架（6）,更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探压针（7）（外径61.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺（9）实现。由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，也可从装在“可移动真空表”下方的针在“喷管轴向坐标板”（在图中未画出）上所指的位置来确定。喷管的排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径6400,体积0.11811起稳定压的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管（13）连接。在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置X、气流在该截面上的压力P、背压小、流量m,这些量可分别用位移指针的位置、可移动真空表、背压真空表以及U形管压差计的读数来显示,（注意：截面变化流量与压比的关系满足输运公式在气体一维流动时的公式6-30,即流速上升，压力下降）本实验台配套的仪器设备选型如下：真空泵：1401型排气量3200升/分用途和特点本实验台主要用于工程热力学教学中“喷管临界状态的观察”实验。1 .可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。2 .可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。3 .除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。4 .采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。5 .采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。三、实验原理、方法和手段1、喷管中气流的基本规律(1)、由能量方程：dq=dh+；dc2及dq=dh-vdp可得-VdP=CdC(1)可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。(2)、由连续性方程：土也=也乂=A=常数匕V2V.dAdvde有=Avc及过程方程Pd=常数士kdvdp有=IzP根据VdP=cdc马赫数M=£,而.=1kpva得：=(2-1)-Ac显然，当来流速度MVI时，喷管应为渐缩型("4<0)；当来流速度M>时，喷管应为渐扩型(44>0)。2、气流动的临界概念喷管气流的特征是如<0,dc>0,dv>0f三者之间互相制约。当某一截面的流速达到当地音速(亦称临界速度)时，该截面上的压力称为临界压力(P,)。临界压力与喷管初压(PI)之比称为临界压力比，有：片区Plkr2H经推导可得：Y=(3)u+对于空气，/=0.528当渐缩喷管出口处气流速度达到&速，或缩放喷管喉部气流速度达到音速时，通过喷管/Mmax=Anin的气体流量便达到了最大值（ZMmax）,或称为临界流量。可由下式确定:(4)式中:Anin最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流道截面积；对于缩放喷管即为喉部处的流道截面积。本实验台的二种最小截面积为：12.563、气体在喷管中的流动2mui)o（1）渐缩喷管渐缩喷管因受几何条件（dA<0）的限制，由式（2）可知：气体流速只能等于或低于音速（C）;出口截面的压力只能高于或等于临界压力（p2p,）；通过喷管的流量只能等于图二渐缩喷管渐缩喷管可分为三种工况，如图三所或小于最大流量（Wma）.根据不同的背压（P/,示:（图b中平行部分是拥塞现象的体现）图三减缩喷管压力分布曲线及流量曲线A亚临界工况（Pb>Pc），此时水?maxPi=Pb>PcB一临界工况(Pb=PC),此时In二ZmaxPz=Pb=PcC超临界工况（PbVPC），此时m=MmaxP2=Pc>Pb（2）缩放喷管缩放管的喉部”二0,因此气流可以达到音速（C=。）；扩大段（&4>0）,出口截面的流速可超音速（C>）,其压力可大于临界压力（2<Pc），但因喉部几何尺寸的限制，其流量的最大值仍为最大流量（11ma）0气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面出的压力成为设计压力（p,/）。缩放喷管随工作背压不同，亦可分为三种情况：图四缩放喷管A一被压等于设计被压（pb=pd）时，称为设计工况。此时气流在喷管中能完全膨胀,出口截面的压力与被压相等（p2=pb=p.）,见图五中的曲线A。在喷管喉部，压力达到图五减缩喷管压力分布曲线及流量曲线B一被压低于设计被压（ph<pd）时，气流在喷管内仍按曲线A那样膨胀到设计压力。当气流一离开出口截面便与周围介质汇合,其压力立即降至实际被压值,如图五曲线B所示,流量仍为最大流量。C一被压高于设计被压（PbPd）时，气流在喷管内膨胀过渡，其压力低于被压，以至于气流在未达到出口截面处便被压缩，导致压力突然升跃（即产生激波），在出口截面处,其压力达到被压。如图五中的曲线C所示。激波产生的位置随着背压的升高而向喷管入口方向移动，激波在未达到喉部之前，其喉部的压力仍保持临界压力，流量仍为最大流量。当背压升高到某一值时，将脱离临界状态，缩放管便与文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。四、实验组织运行要求采用集中授课形式五、实验条件喷管综合实验台2套（如上图）六、操作步骤1 .装上所需的喷管，调好“位移坐标板”的基准位置。2 .打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。而后启动真空泵。3 .测量轴向压力分布：（1）用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录下该值。（2）启动位移转动开关，使测压探针向出口方向移动。每移动一定距离（一般约2-3mm）便停顿下来，记录该点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外。把各个点描绘到坐标纸上，便得到一条在这一背压下喷管的压力分布曲线。（3）若要做若干条压力分布曲线，只要改变其背压值并重复（1）（2）步骤即可。4 .流量曲线的测绘（1）把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵。（2）用罐前调节阀调节背压，每一次改变200Pa-300Pa,稳定后记录背压值和U型管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U型管差压计的液柱便不再变化（即流量已达到了最大值）,此后尽管不断提高背压，但U型管差压计的液柱仍保持不变，这时测23点。至此,流量测量即可完成。渐缩喷管和缩放喷管的流量曲线参见图2和图3O5.实验结束后的设备操作打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油）。最后关闭冷却水阀门。七、思考题1 .何谓喷管的临界状态？临界压力如何确定？2 .渐缩和缩放喷管出口截面压力与背压之间有何关系？3 .渐缩喷管的能降到临界压力以下吗？4 .渐缩和缩放喷管的临界压力各出现的位置在什么地方？各截面的流量相同吗？八、实验报告1 .压力值的确定（1）、本实验装置采用的是负压系统，表上读数均为真空度，为此须换算成绝对压力值（p）:P=Pa-P（V）式中：Pa一大气压力（Pa）；一用真空度表示的压力。（2）、由于喷管前装有孔板流量计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U型管差压计读数（Ap）的97%。因此，喷管入口压力为：pl=pa-O.97p（6）（3）、由式（5）、（6）可得到临界压力P,=（）.58p,在真空表上的读数（即用真空度表示）为：Pc（y）=°272Pq+0.51Ap（7）计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，PC约为3800Pa）°2 .喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。因此，实际流量必然小于理论值。其实际流量为：m=.373×04yp（kgs）式中：£一流速膨胀系数；£=12.873x10-2叵Pa夕一气态修正系数；6=0.5387一几何修正系数（约等于1.0）；PU型管差压计的读数（Pa）；，一室温CC）；Pa一大气压力（Pa）O实验报告要求1 .以测压探针孔在喷管中的位置（X）为横坐标，以上为纵坐标，绘制不同工况下的压Px力分布曲线。2 .一压力比正为横坐标，流量i为纵坐标，绘制流量曲线。Pi3 .根据条件，计算喷管最大流量的理论值，且与实验值比较。九、其它说明打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油）。最后关闭冷却水阀门。实验过程中真空泵过热时应暂时中止实验或者停止实验，防止被水槽中的水烫伤和机械过热。实验5伯努利方程验证一、实验目的1、观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析，加深对能量方程的理解。2、掌握一种测量流体流速的方法。3、验证静压原理。二、实验装置实验装置如下图所示，在实验桌上方放有稳压水箱、实验管路、毕托管、测压管、压差板、控制阀门和计量水箱。实验桌的侧下方则放置有供水箱及水泵。三、实验原理不停运动着的一切物质，所具有的能量也在不停转化。在转化过程中，能量只能从一种形式转化为另一种形式，即遵守能量守恒定律。流体和其他物质一样，也具有动能和势能两种机械能，流体的动能与势能之间，机械能与其它形式的能量之间，也可互相转化，其转化关系，同样遵守能量转换守恒定律。当理想不可压缩流体在重力场中沿管线作定常流动时，流体的流动遵循伯努力里能量方程。即z+号+差=常数式中：Z位置水头U22g速度水头一压力水头实际流体都是有粘性的，因此在流动过程中由于磨擦而造成能量损失。此时的能量方程变为:Z1÷÷=Z2÷f÷÷hw其中能量损失hw是由沿程磨擦损失hf和局部能量损失hj两部分组成。本实验就是通过观察和测量对流体在静止与流动时上述的能量转化与守恒定律的验证。四、实验操作1、验证静压原理：启动水泵，等水罐满管道后，关闭两端阀门，这时观察能量方程实验管上各个测压管的液柱高度相同，因管内的水不流动没有流动损失，因此静止不可压缩均布重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和保持不变，测点的高度和测点的前后位置无关。2、测速：能量方程实验管上的每一组测压管都相当于一个皮托管，可测得管内任意一点的流体点速度，本实验台已将测压管开口位置设在能量方程实验管的轴心，故所测得动压为轴心处的，即最大速度。皮托管求点速度公式：Vp=h求平均流速公式：V二g根据以上公式计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速添入表格，可验证出连续性方程。对于不可压缩流体稳定的流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。项目液体总量QO(m3)计时时间t(三)单位时间流量压差h(m)计算流量Q2(m3/S)流量系数序号Ql(m3/S)1234563、观察和计算流体、流径，能量方程实验管对能量损失的情况：在能量方程实验管上布置四组测压管，每组能测出全压和静压，全开阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，说明流体的总势能沿着流体的流动方向是减少的，改变给水阀门的开度，同时计量不同阀门开度下的流量及相应的四组测压管液柱高度，进行记录和计算。能量方程实验管工况点实验数据记录：液柱高序号1234流量m3S全压静压全压静压全压静压全压静压二能量方程管中心高mm位置水头mm能量方程管内径mm静水头mm附件:伯努利实验台