大庆石油学院石油工程专业实验指导01工程流体力学实验.docx

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1、石油工程专业实验指导书实验目的和要求一、实验目的实验的主要目的：一是使学生掌握实验基本方法和技能，从而能够根据所学原理设计实验，正确选择和使用仪器；二是锻炼学生观察现象、正确记录数据和处理数据、分析实验结果的能力，培养严肃认真、实事求是的科学态度和作风；三是验证所学的原理，巩固、加深对相关理论原理的理解，提高学生对知识灵活运用的能力O二、实验要求为了达到上述目的，必须对学生进行正确的、严格的基本操作训练，并提出明确的要求。实验过程的基本要求如下：1 .实验前的准备(1)实验前必须充分预习，了解所要做的实验的目的、实验装置，掌握实验所依据的基本理论，明确要求进行测量、记录的数据，了解所用仪器设备

2、的构造和操作规程，认真对待所做的每一个实验。(2)各班可以根据实际情况进行分组。实验时，组员之间应相互协作，默契配合，B用角分工，1叱操作，及时量测、记录、整理、2 .实验过程中的要求(1)按要求到指定的实验台，按仪器使用登记本检查核对仪器0(2)不了解仪器、设备、装置等的使用方法时，不得乱试；不得擅自拆卸仪器；仪器装置安装好后，必须经过指导教师检直无误后方能进行实验。(3)爱惜仪器，不得无故损坏实验室内的任何物品。遇有仪器损坏，应立即报告，检查原因，并登记损坏情况。(4)严格按照实验操作规程进行实验，不得随意改动。若确有改动的必要，应事先取得实验指导教师的同意。(5)记录数据要求完全、准确、

3、整齐、清楚。所有数据均应记录，不要只记录认为合理的数据；尽量采用表格形式记录数据，注意养成良好的记录习惯。(6)充分利用实验时间，观察现象，记录数据，分析和思考问题，提高实验效率。(7)在未经允许的情况下，不应进行其他实验。(8)实验完毕，将实验原始记录数据交指导教师审查，合格后方能结束实验；如果不合格，则应分析原因，补做或重做。(9)实验完毕后，切断电源，关闭仪器设备，将仪器复位，将实验室打扫干净，最后在仪器使用登记本上写明仪器使用情况并签名，经实验技术人员检直后方可离开实验室。3.实验数据的处理和实验报告(1)弄清数据处理的原理、方法、步骤及数据应用的单位，仔细地进行计算，正确表达数据结果

4、。处理实验数据应各人独立进行。(2)认真撰写实验报告，内容可包括：实验目的、实验原理、仪器装置示意图、实验数据、结果处理及分析思考题(讨论)等项O实验数据尽可能采用表格形式，数据处理和作图应按相关规定进行。讨论内容包括：对实验过程中特殊现象的分析和解释、对实验结果的误差分析、对实验进一步改进的意见和想法，以及实验后的心得和体会等。实验报告是整个实验非常重要的一项工作，要及时完成。写报告的过程中要善于思考、钻研问题，耐心计算，工整书写，图表清晰，结果正确，鼓励用计算机独立处理数据并生成实验报告。反对粗枝大叶、错误百出、字迹潦草、敷衍了事等。第一部分工程流体力学实验一静水压强量测实验一、实验目的(

5、1)验证水静力学基本方程十:一(，加深对水静力学基本方程、位置水头-、压强水头上、测压管水头之十-物理意义的理解。(2)掌握U形管和连通管测压原理。(3)实测静水压强，掌握静水中任意一点压强的测量方法。(4)观察真空现象，加深对真空压强(真空度)的理解。(5)能够运用等压面概念分析问题。(6)能测求水箱液面压强A)(包括N/a和PoPa实验时，测压管，的液面高度h，%分别为：%-二A+1.(1-1-1)Yh一TB十J(1-1-2)式中PA,/8-分别为A,B点处的压强，即测压管，液面分别到A,B点的垂直水柱高度与水的重度的乘积O若h-S,则有5十蚀-汨十趣-常数。7Y(3)位置水头和压强水头j

6、,-之间的互相转换，决定了液柱高和压差的对应关y系：Ap-YAZ在压差相同的情况下，不同的液体对应不同的液柱高。根据此原理可以测定未知液体的密度O在做A)Aa实验时，测压管，中水的压差A%与测压管，中未知液体的压差Apx相等，即：.i,wwQhwrgwQ(%h)Q住g(h一%)(1-1-3)加-M-二(1-14)一?%-凡-二十(1-1-5)F1W-,式中Px-待测液体的密度；5Pw一水的密度；分别为测压管，的液面高度；X-待测液体的相对密度。(4)实验中测液面压强及。当I1OPa时，2-JWAhW-fxghx-vvg（%一h）。0,g（h一h）。当JfoPao观察测压管，011中的液面变化，

7、并测记测压管，011的液面高度h,h,h,hjzh转动升降机构上的手柄3,将调压筒5继续提高，再做两次实验，并测记测压管，Oll的液面骸j,h,h,%,h。(5)关闭左、右水箱进水管上的阀门V1,V5(用夹子夹紧进水乳胶管)，打开中水箱进水管上的阀门V3,使水不能进入左、右水箱而能进入中水箱中。转动升降机构上的手柄3,将调压筒5放置适当高度，用U形卡4固定升降装置。打开中水箱上的排气阀V4,使中水箱内的液面与大气相通，待水面稳定后(中水箱上的液面与调压筒5的液面平齐)，观察测压管，中的液面位置，以验证等压面原理。(6)关闭中水箱上的排气阀V4,转动升降机构上的手柄3,使调压筒5缓慢下降到一定的

8、高度(首次高度要高些)，用U形卡4固定升降装置。待水面稳定后，此时水箱内液面压强,ao观察测压管，(压差计)中的液面变化，并测记测压管，的液面高度,h。(7)将调压筒5继续降氐，再做两次实验，并测记测压管，的液面高度h，h。(8)关闭左、中水箱进水管上的阀门V1,V3(用夹子夹紧进水乳胶管)，打开右水箱进水管上的阀门Vs,使水不能进入左、中水箱而能进入右水箱中。转动升降机构上的手柄3,将调压筒5放置适当高度，用U形卡4固定升降装置o打开右水箱上的6排气阀V6f使中水箱内的液面与大气相通，待水面稳定后(右水箱上的液面与调压筒5的液面平齐，此时液面压强Po-Pa),观察并测记测压管，中的液面高度h

9、，h，以验证等压面原理。(9)将调压筒5升高或降低，观察测压菅，中的液面高度%,h是否会发生变化并进行测记。五、注意事项(1)首先检查密封箱是否漏气(检查方法自己考虑)。(2)升降调压筒5后，要用U形卡4卡住升降装置0(3)在读取测压管读数时，一定要等液面稳定后再读，并注意使视线与凹液面处于同一水平面上O(4)读数时，测压管标号和记录表中的高度要相互对应O六、实验数据记录及结果1.有关固定数据实验装置台号：.有关常数：水的密度加一1.OXlO3kgm3,点高度上一cm,点高度I._o是痛上的管嘴In中心点高度,h是以过副测压排架上标尺零点水平面作为基准面用直尺测量所得的数据2.测压管液面高度记

10、录表格实验记录数据填于表1.l-I中。表I-I-I测压管液面高度记录数据工况测次l/cm/cm,/cm/cm1/cmcm%/cm3/cmhn/cm4123uAa12312311一.m23-4m3以3一1kg-m-34COa十r1一Pa+wfc3Pa52一匕一Km6.Aj-wv2Pa7.一次g(3一)Pa8?.Wg(AR)Pa一七、思考题(1)在重力作用下，静止液体压强分布的基本规律是什么？试从实验结果举例说明。(2)如何利用测压管量测静止液体中任意一点的压强(包括液面压强)？(3)相对压强与绝对压强、真空度有什么关系？(4)液面压强ft的改变和基准面I1.f)线位置的改变对J两点的位置水头与压

11、强水头有什么影响？(5)如何选取等压面？U形管比压计-(装油)与U形管比压计-(装水)位于同一水平面上的液体测点的压强是否相同？(6)U形管比压计-和U形管比压计-在量测静水压管时的作用是否相同？能否省略其中一个？(7)如果水箱和调压筒液面也有标尺显示，能否将U形管比压计-和U形管比压计-都省略？(8)试分析产生量测误差的原因，并指出在实验中应该采取哪些措施尽可能地减小误差？实验二能量方程实验一、实验目的(1)观察恒定流量条件下，通过管道水流的位置势能、压强势能和动能的沿程转化规律，加深对能量方程物理意义及几何意义的理解0(2)考察均匀流、渐变流与急变流在水流特征及断面压强分布规律方面的差别,

12、明确恒定总流能量方程的运用条件.(3)掌握流速、流量及用测压管、总压管测水头实验的测量技能。(4)掌握绘制测压管水头线和总水头线的方法。二、实验原理(1)理想流体在恒定、质量力有势(重力)、流体匀质不可压缩条件下沿流线或元流的伯努利方程为：十7十一一C(1-2-1)其物理意义是：对于不可压缩理想流体的恒定流动，总水头(位置水头、压强水头和速度水头之和)或单位重量液体的总机械能(位置势能、压强势能和动能之和)或单位机械能沿流线保持不变。故在元流1-1和2-2两断面上有：十：十一一W+十一(1-22)(2)理想、不可压缩流体恒定总流的能量方程为：+1+V-8三+V+(23)其中，1-1,2-2两过

13、水断面应处于渐变流段中；1,-2.002 .实验记录及计算数据实验记录数据及计算数据填于表1-2-3中。表1-2-3实验记录数据及计算数据Y液面高度(即测压管的读数)。(2三7K头一K-K?11*11.-X*(3)总水头一流速水头十测压管水头o(4)计算时注意单位制，若长度采用cm,M1.981cms3 .实验数据处理(1)计算实验管上6,8,12,14,16点处所在断面的平均流速和毕托管测点流速。(2)绘制测压管水头线和总水头线。七、思考题(1)为什么测压管开口方向应与流速方向垂直，而总压管(测速管)开口方向则14应迎着流速方向？(2)均匀流(渐变流)和急变流断面上的压强分布规律有何不同？为

14、什么急变流断面上的测压管水头不等于常数？(3)使用能量方程时，为什么上下流断面都必须选在渐变流段中？(4)本实验中所测得的总水头是断面总水头吗？(5)总水头线沿程是否下降，为什么？(6)为什么在实验中要反复强调保持水流恒定的重要性？实验三文丘里流量计实验一、实验目的(1)掌握文丘里流量计的原理。(2)掌握用气-水多级U形管测压差和用体积法或质量法测流量的实验技能。(3)利用测算出的收缩前后两断面1-1和2-2的测压管水头差h,根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理论流量做出修正，得到流量计的流量系数。(4)绘制Q实-Ah和Re曲线。二、实验原理1.文丘里管文丘里管是一种常用的

15、量测有压管道流量的装置，如图1-3-1所示，为压差式流量计。它包括收缩段、喉道和扩散段3部分，安装在需要测定流量的管道上。在收缩段进口断面1-1和喉道断面2-2上设测压孔，并接上测压计，通过量测两个断面的测压管水头差h,就可算出管道理论流量Q,再经修正可得到实际流量。2 .理论流量水流从1-1断面到达2-2断面，由于过水断面的收缩，流速增大，根据恒定总流根唇C(l-34),式(1-3-2)等号右边可写成：(1-3-4)(1-3-5)(1-3-6)(1-3-7)(1-3-8)(1-3-9)能量方程，若不考虑水头损失，则速度水头的增加等于测压管水头的减小(即测压计液面高差Ah).这样，通过量测Ah

16、,即可建立两断面平均流速V1和V2之间的关系：h-hl-h2-1+?2+.-I-(1-3-1)若动能修正系数1-2-1.0,则式(1-3-1)变为：h-h1-h2卜+;!一2+J1-(1-3-2)据恒定总流连续性方程有：11-,、22*ft1亍，32(1-3-3)即：就(1-3-5XtS;(l-3-2)W:h11-1-_力J11.aI.J2故两断面的流速1,2的表达式分别为：IJb故理论流量为：Q-ViA1-V2A2=2必1.-K2.式中：K-W公4vc-3 .流量系数(1)流量计流过实际液体时，由于两断面的测压管水头差中还包括了因液体粘16性而造成的水头损失，故流量应修正为：Q买一，Q实一：

17、，K2gh(l310)其中，1.0,称为流量计的流量系数。(2)流量系数除了反映粘性的影响外，还包括在推导理论流量时将断面动能修正系数5,a2近似取1.0所带来的误差。(3)流量计的流量系数取决于雷诺数R3,但当雷诺数较大(流速较高)时,.流量系数基本不变O水的运动粘度t可通过式(1-3-11)求得：尸775(1311)1+0.0337T十0.000221T2-式中T-温度，用温度计测得，节；运动粘度,cm2s,三、实验装置实验装置如图1-3-2所示。自循环恒定流管上装有文丘里流量计。分别在文丘里流量计的收缩段进口断面和喉道断面上设测压孔，并接上多管测压计，用于测算收缩前后断面的测压管水头差。

18、图1-3-2文丘里流量计实验装置结构示意图1一水泵(抽水机),2-自循环供水箱；3实验台；4一恒压水箱;5一溢流挡板；6一稳水孔板；7测压计；8多管比压计；9一测压计排气阀；10滑动测尺；11一文丘里实验管段；12流量调节阀(尾阀);13一回水漏头；14一回水管；15可控硅无级调速器四、实验步骤17(1)认真阅读实验目的和要求、实验原理及注意事项。(2)查阅用比压计量测压差和用体积法或质量法量测流量的原理和步骤o(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。(4)旋开排气阀9,观察多管比压计8管中的液面是否在25cm左右的位置上。若不在，则用注射器或吸筒通过排气阀9向多管比压计

19、8中注入水或抽出其中的水。(5)接通电源，启动水泵(抽水机),打开调速器15给恒压水箱4充水，并保持溢流状态，使水位恒定。(6)检查下游流量调节阀12全关时，比压计各个测压管液面是否处于同一水平面上。若不平，则需排气调平。(7)核对设备编号，量测水温，记录断面管径等数据o(8)实验要求改变几次流量，为便于调节，可先从大流量开始做。先开启下游流量调节阀，使多管比压计8上出现最大的压差，待水流恒定后，再进行量测，并将数据记录到实验数据记录表中相应的位置o(9)依次减小流量，待水流恒定后，重复上述步骤8次以上，并按序记录数据.(10)检查数据记录表是否有缺漏，是否有明显不合理数据。若有，应进行补正。

20、(11)整理实验结果，测算出流量计在各种流量下的A1.Qa,Cfe,R,和入(12)对实验结果进行分析讨论，阅读思考问题，并作简要回答。五、注意事项(1)每次改变流量时，量测必须在水流恒定后方可进行。(2)若有两个以上同学参加量测实验，读比压计、调节阀门、测量流量的同学要相互配合。(3)注意爰护秒表等仪器设备O(4)实验结束后，关闭电源开关，拔掉电源插头o六、实验数据记录及结果1.有关固定数据实验装置台号：。有关常数：水温一节，水箱断面面积A-cm?,Ji文一cm,/2文一Ono2 .记录表格实验记录数据填于表1-3-1中。表1-3-1测量记录数据测次测压管液面高度/cm水的体积I/m1.测量

21、时间s1M12续表测次测压管液面高度/cm水的体积17m1.测量时间s一12心1434567893 .实验结果实验计算数据填于表1-3-2中。表1-3-2实验结果测次V/(.S-1)一M人2十3M/cmReOa-KI/(an3.ST)Q三一QJC123456789注：KI214.2945K.4 .实验结果数据处理绘出。实-A1.曲线及I1.曲线。七、思考题(1)文丘里流量计的流量系数为什么小于1.O?(2)文丘里流量计的流量系数是否与雷诺数有关？通常给出一个固定的流量计的流量系数应该怎么理解？(3)文丘里流量计的测量结果与其安放的位置是否有关，为什么？(4)影响文丘里管流量系数精度的因素有哪些

22、？哪个因素最敏感？如何提高该流量计流量系数的准确度？(5)采用多级U形管测压计的目的是什么？(6)图1-3-3所示为n级气一水U形管测压计，试证明：(7)根据实验成果，文丘里流量计喉道产生的最大真空度为多少？实验四毕托管测速实验一、实验目的(1)了解毕托管的结构、工作原理及使用方法。(2)通过对管嘴淹没出流点流速及流速系数的测量，掌握用毕托管测量点流速的技能。20二、实验原理毕托管是由两根同心圆的小管所组成的，如图1-4-1所示。其中，A管与头部顶端小孔相通，B管与头部顶端附近的环形孔相通。环形孔与毕托管的圆柱表面垂直，因此，其测得的是流体的势能十-：；而A管却正对流向，它所测得的是包括水动能

23、在内的全部机械能十十，则在测压计上所反映的水面差Ah-I+-+2J+-o即为测点的流速水头。测点的实际流速大小为：(1Y)I/gU=C2gh(141)令卜一人,代式(141)有：u=h(1-42)式中U毕托管测点处的点流速；c毕托管的校正系数；h-毕托管总压水头与静水压头差.根据管嘴淹没出流的水力计算公式知：u=92gH(1-4-3)曲C(141)、式(143)有：u=乌0-=.笑(1-4-4)V2gHAH式中S-测点流速系数；AH一管嘴的作用水头。三、实验装置(1)实验装置如图1-4-2所示。(2)实验装置工作原理简要说明：经淹没管嘴8,将高低水箱水位差的位能转换成动能，并用毕托管测出其点流

24、速值。测压计14的测压管，用来测量高、低水箱位置水头，测压管，用来测量毕托管的总水头和静压水头，水位调节阀6用来改变测点的流速大小。四、实验步骤(1)检查毕托管头部离管嘴出口处是否约有23cm的距离，若有，则上紧螺丝将其固定，否则将其调整到位。图1-4-2毕托管实验装置图I-水泵(抽水机)；2一自循环供水箱；3实晚台；4一恒压水箱；5一溢流挡板；6水位调节阀；7一稳水孑版;8管嘴；9一毕托管；IQ-尾水箱与导轨;11一修水便；12测压管；13一滑动测量尺(滑尺)；14测压计；15一上回水管；16一回水漏头；17下回水管；18可控硅无级调速器(2)接通电源，全开调速器开关，开启水泵向恒压水箱4注

25、水。(3)待上、下游溢流后，用静水匣11罩住毕托管9,可检查测压计14液面是否齐平。若液面不齐平，可能是因为空气没有排尽，应用吸气球(如医用洗耳球)放在测压管口抽吸，排除毕托管及各连通管中的气体，直至毕托管的两测压管液面平齐。然后取出静水匣开始实验，从测压管上读记上、下游水箱的液面高H1,H2和毕托管的测压管液面高,h4(4)移动水位调节阀6并相应调节调速器18,使溢流量适中，重复步骤(3),共做3次。(5)实验结束时，用静水匣罩住毕托管，检查毕托管的两测压管液面是否齐平，若液面不齐平，则需重做实验。(6)实验结束时，关闭调速器开关，切断电源。五、实验数据记录及结果1.记录有关常数实验装置台号

26、：有关常数：校正系数。2.实验记录及计算表格实验记录数据及计算结果填于表1-4-1中oJCmo6/松。表1-4-1实验记录数据及计算结果测次上下游水位差/cm毕托管水头差/cm测点流函(cm.S-I)测点流速系数”2H-4一r-JAi123注：JTIl12r1.31.六、思考题(1)毕托管测速原理是什么？用毕托管测得的速度与管内的平均速度有何差异？(2)用毕托管测得圆管同一过水断面上不同点的点流速是否相同，为什么？(3)若管中的流动为层流，能否用毕托管测得过水断面上的平均流速？实验五动量方程实验一、实验目的(1)熟悉动量方程实验装置各部分的名称、结构、工作原理及使用方法。(2)求出动量修正系数

27、？并与其认可值进行比较(层流J-7,紊流1-l.005-105)。(3)学习用体积法或质量法测流量的实验技能二、实验装置实验装置如图1-5-1所示。三、实验装置工作原理自循环供水装置由离心式水泵1和自循环供水箱2组合而成。水泵的开启、流量大小的调节由可控硅无级调速器16控制。流经管嘴8的水流形成射流，冲击带活塞和翼片的抗冲击平板9,并以垂直射流方向离开抗冲击平板。抗冲击平板在射流冲击力和测压管11中的静水压力作用下处于平衡状态。活塞形心对应的水深1.C可由测压管11测得，由此可求得射流的冲力，即动量力Fo冲击后的弃水经集水箱12汇集后，再经上回水管13流出，最后经回水漏头14和下回水管15流回

28、自循环供水箱2.1一水泵（抽水机）,2-自循环供水箱；3实蛇台；4一恒压水箱;5溢流挡板;6水位调节阀；7一稳水孔板；8管舔;9一带活塞和翼片的抗冲击平板；10标尺；11一带活塞的测压管；12一集水箱;13一上回水管；14一回水漏头；15一下回水管；16可控硅无级调速器为了自动调节测压管内的水位，以使带活塞和翼片的抗冲击平板9受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影响，本实验装置应用了自动控制的反债原理和动摩擦减阻技术其结构如下：带活塞和翼片的抗冲击平板9和带活塞套的测压管11如图1-5-2所示,该图是活塞退出活塞套时的示意图；活塞中心设有一细导水管a,进口端位于平板中心，出口端伸出活塞右端部，出口方

29、向与轴向垂直；在平板上设有翼片b,活塞套上设有窄槽c。图1-5-2活塞退出活塞套示意图工作时，在射流冲击力的作用下，水流经细导水管a向测压管内加水当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽C关小，水流外流减少，使测压管内水位升高，水压力增大；反之，活塞外移，窄槽开大，水流外流增多，测压管内水位降低，水压力减小。在恒定射流冲击下，经短时段自动调整，即可达到射流冲击力和静水压力平衡的状态.这时活塞部分进入活塞套，窄槽部分开启，经细导水管a流进测压管11的水量和过窄槽C流出的水量相等。由于平板上设有翼片b,在水流冲第一部分工程流体力学必必必必必必必必必必必必必必必必必必必必必必必必必

30、必必必必必必必必必必必必必必击下，平板带动活塞旋转，故克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。四、实验原理(1)根据动量定理，可得恒定总流的动量方程：XF-PQ(22-v,)(1-5-1)式(1-5-1)表明，总流中上游1-1断面和下游2-2断面之间控制体内流体所受外力的矢量和等于单位时间经两断面流出、流入控制体的动量差。利用动量方程可以求出所需的作用力，包括边界对流体的作用力或者流体对边界的作用力。(2)平板受力分析如图1-5-3所示，水流从圆形喷嘴以速度v1水平射出，垂直冲击在距离很近的一块平板上，且在平板上向四周散开，速度为V2,流速方向改变了90。取射流转向前的断面1-1和水流完全转向后的断面2-2之间的水流区域作为O控制体，控制面中除了水流和平板的交界面外，其余面压强都为零o因活塞沿轴向滑动时的摩擦力由活塞旋转的力所克服，其水平分力可忽略不计，不考虑水流扩散、板面和空气阻力，故沿射流方向(，方向)的动量方程为：F-clQ(0-Vt)(1-5-2)式中卜_一平板对射流水平方向的作用力；I一管嘴出口流速在轴向上的分速度，即管嘴出口流速，故I。Q一射流流量；一动量修正系数。y2-*2一图1-5-3平板受力分析示意图根据作用力与反作用力的关系，射流对平板的作用力I.为