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流体力学实验指导书
实验一流动演示实验
(一)雷诺实验
一、实验目的
1、观察流体在管内流动的不同流态。
2、层流和湍流的判别。
二、实验原理
流体流动有两种不同流态,即层流和湍流。
流体作层流流动时,其流体质点作平行于管轴的直线运动,喘流时流体质点在沿管轴流动的同时还做着杂乱无章的随机运动。
雷诺数是判断流动型态的特征数。
若流体在圆管内流动,雷诺数可用下式表示
Re=
式中:
d——管内径,m;
u—— 流速,m∕s,
ρ—— 流体密度,kg∕m³,
μ—— 流体黏度,Pa•s。
一般,Re<2000时,流动型态为层流;Re>4000时,流动为喘流。
在两者之间时,有时为层流,有时为喘流,流动型态与环境有关。
对于一定温度下的流体,在特定的圆管内流动时,雷诺数仅与流速有关。
本实验通过改变水在管内的流速,观察流体在管内流动型态的变化。
三、实验装置
实验装置见图1-1。
图中4为高位槽,实验时水由此高位槽进入玻璃管5。
槽内设有溢流槽3,用以维持平稳、恒定的液面。
实验时打开流量控制阀7,水即由高位槽进入观察用的玻璃管5中,着色水由高位玻璃瓶1经阀9调节流量,通过针形孔进入玻璃管5中心处。
调节阀门7和阀门9,改变流体流速,可以在玻璃管5内观察到不同的流动形态。
流量很小,流体处于层流时,着色水的流动呈一条直线;随着水流量的逐渐加大,着色水由直线开始抖动,继而着色水被扰动成波状前进;随着水流量的继续加大,着色细线变为螺旋前进,再增大流量则出现断裂、旋涡、混合,最后完全与水流主体混在一起,整个水都染上了颜色。
四、实验内容和主要实验步骤
1、打开进水阀,向高位槽4送水,使高位槽内的水成溢流状态,以保持高位槽内液位恒定。
2、关闭水流量控制阀7,打开着色水流量控制阀9,观擦着色此时在玻璃管中的状态。
当着色水流出5cm左右后,缓慢打开水流量控制阀7,使水流量尽可能的小,观察层流时流速分布曲线的性状及层流时着色水的流动情况。
3、待玻璃管内的层流流动稳定后,缓慢调节流量控制阀7,逐渐增大水的流量,观察着色水的流动有何变化,并测定流量,计算不同流动型态时的雷诺数。
图1-1雷诺实验装置流程
1——高位玻璃瓶;2——进水管;3——溢流槽;4——高位水槽;5——玻璃管;6——转子流量计;7——流量调节阀;8——放水阀门;9——着色水流量控制阀。
(二)流线演示实验
一、实验目的及内容
观察流体经过的流道:
突然扩大、突然缩小、绕过物体流动时的边界层分离,形成漩涡的现象。
二、实验步骤
1、打开水泵按钮,使泵工作,调节水箱调节钮,使水流中有小气泡出现。
2、观察水在流动过程中流线的变化形式与漩涡的形成。
3、继续调节水泵的调节旋钮,观察不同流速下的流线的变化形式与漩涡的大小。
(三)柏努利方程实验
一、实验目的
通过实验加深对流体流动中压强水头、速度水头和位置水头的概念及各种能量之间相互转换关系的理解,在此基础上掌握柏努利方程。
二、实验原理
1、流动的流体具有位能、动能、压力能,它们可以相互转换。
黏度为零的理想流体,因为不存在摩擦损失,因此在同一管路的任何截面上,尽管三种机械能彼此不一定相等,但这三种机械能的总和是相等的。
2、实际流体因为存在内摩擦,流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰橦,使部分能量转化为热能。
转化为热能的机械能是不能恢复的。
所以对实际流体来说,两个截面上的机械能的总和是不相等的,两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰橦损失了的机械能。
3、任何两个截面上,压强水头、速度水头和位置水头三者总和的差值即为损失压头,它表示液体流经这两个截面之间时机械能的损失。
三、实验装置
实验装置见图2-1。
实验时水由高位槽2进入玻璃管6,高位槽2内设有溢流槽1,用以维持平稳、恒定的液面,该实验管路分为四段,准确的数值标在设备上。
阀7供调节流量用。
四、实验步骤
1、打开进水阀,向高位槽2送水,使高位槽内的水成溢流状态,以保持高位槽内液位恒定。
2、流动稳定后由测压管4读取各截面的静压头,由测压管5读取各截面的总压头。
3、调节阀门7,改变流量,重复上述实验6-8次。
abcd
图2-1能量转换流程示意图
1——溢流槽;2——高位水槽;3——进水管;4——静压头测量管;5——总压头测量管;6——实验测试管路;7——流量调节阀;8——转子流量计。
五、注意事项
1、流量调节阀须缓慢关小,以免造成流量突然下降,使测压管中的水溢出。
2、必须排出实验导管内的空气泡。
实验一思考题:
1、影响流动形态的因素有哪些?
2、如果管子是不透明的,不能通过直接观察来判断管中的流动型态,应如何来判断管中的流动型态?
3、研究流动型态有何意义?
4、在输送流体时,为何要避免漩涡的形成?
5、为何在传热、传质过程中要形成漩涡?
6、流体在管道内流动时涉及那些能量?
7、对于不可压缩流体在水平不等径管内流动,流速与管径的关系为何?
实验二流量计性能测定实验
一、实验目的
1、了解几种常用流量计的构造、工作原理和主要特点。
2、掌握流量计的标定方法。
3、了解节流式流量计流量系数C随雷诺数Re的变化规律,流量系数C的确定方法。
4、学习合理选择坐标系的方法。
二、实验内容
1、了解孔板、转子、涡轮流量计的构造及工作原理。
2、测定节流式流量计(孔板或文丘利)的流量标定曲线。
3、测定节流式流量计的雷诺数Re和流量系C数的关系。
三、实验原理
流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差,它与流量的关系为:
式中:
被测流体(水)的体积流量,m3/s;
流量系数,无因次;
流量计节流孔截面积,m2;
流量计上、下游两取压口之间的压强差,Pa;
被测流体(水)的密度,kg/m3。
用涡轮流量计或转子流量计作为标准流量计来测量流量VS。
每一个流量在压差计上都有一对应的读数,将压差计读数△P和流量Vs绘制成一条曲线,即流量标定曲线。
同时用上式整理数据可进一步得到C—Re关系曲线。
四、实验装置
实验装置见图4-1。
图4-1流量计标定实验流程图
1-水箱;2-真空表;3-离心泵;4-压力表;5、6-阀;7-孔板流量8-文丘里流量计;9-涡轮流量计;10-转子流量计
五、实验步骤
1、检查流量调节阀5、压力表的开关及真空表的开关是否关闭(应关闭)。
2.启动离心泵,缓慢打开调节阀5至全开。
待系统内流体稳定,即系统内已没有气体,打开压力表和真空表的开关,方可测取数据。
3.测取数据的顺行可从最大流量至0,或反之。
一般测8-10组数据。
4.每次测量同时记录:
流量、压力表、真空表的读数及流体温度。
六、思考题
1、为什么要进行流量计的标定?
2、进行流量计标定时要注意哪些事项?
实验三流体阻力测定实验
一、实验目的
⒈学习长管沿程损失△Pf、沿程阻力损失系数的测定方法。
⒉掌握直管摩擦系数与雷诺数Re之间的关系及其变化规律。
⒊学习压强差的几种测量方法和技巧。
⒌掌握坐标系的选用。
二、实验装置
实验装置见图3-1。
图3-1
1-通风机;2-实验管道;3-整流金属网;4、5、6-压差计。
本次实验的流量用进口集流器测流量的方法得到。
各测压点压强分别由U型管、补偿式微压计或倾斜压力计测量。
三、、实验原理
直管摩擦系数与雷诺数Re的测定:
流体在管道内流动时,由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。
流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关,它们之间存在如下关系:
hf=
=
(3-1)
λ=
(3-2)
Re=
(3-3)
式中:
管径,m;
直管阻力引起的压强降,Pa;
管长,m;
流速,m/s;
流体的密度,kg/m3;
流体的粘度,N·s/m2。
直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系,这个关系一般用曲线来表示。
在实验装置中,直管段管长l和管径d都已固定。
若温度、压力一定,则空气的密度ρ和粘度μ也是定值。
所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△Pf与流速u(流量V)之间的关系。
根据实验数据和式(3-2)可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ,用式(3-3)计算对应的Re,从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系,绘出λ与Re的关系曲线。
流体的流量用下式计算:
(m³/min)(3-4)
式中:
△p—进口处压强,Pa;
ρ—气体密度,kg/m3;
(3-5)
R=288.5J/(Kg‧K)
四、实验方法
1、将补偿式微压计调零。
2、启动通风机。
3、将管道进口处的测压管接到补偿式微压计的相应测压口。
4、用贴片法改变流体流量,每改变一次,侧一次压强,三个压差计要同时读。
测6-8个点。
流量可由大到小也可由小到大测量。
5、关闭通风机。
五、思考题
本实验用空气为工作介质做出的λ与Re`关系曲线,对其他流体能否使用?
为什么?
参考书:
1、陈可城.流体力学实验技术.北京:
机械工业出版社,1983。
2、高学平.高等流体力学.天津:
天津大学出版社,2005。
3、郭荣良,郭清南,祝世兴.流体力学及应用.北京:
机械工业出版社,1996。
4、白扩社.流体力学.北京:
机械工业出版社,2005。
实验四水击现象演示
一、演示目的
1、观察有压管道上水击的发生及水击发生时的现象,加深对水击的理解。
2、了解水击压强的测量、水击现象的利用和水击危害的消除方法。
二、演示设备
自循环水击综合实验仪如下图所示:
1、恒压供水箱;2、水击扬水机出水管;3、气压表;4、扬水机截止阀;5、压力室;
6、调压筒;7、水泵;8、水泵吸水管;9、供水管;10、调压筒截止阀;
11、水击发生阀;12、逆止阀;13、水击室;14、集水箱;15、底座。
三、演示工作原理
水泵7能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中,水箱1设有溢流板和回水管,能使水箱中的水位保持恒定。
工作水流自水箱1经供水管9和水击室13,再通过水击发生阀11的阀孔流出,回到集水箱14。
实验时,先全关阀10和4,触发起动阀11。
当水流通过阀11时,水的冲击力使阀11向上运动而瞬时关闭截止水流,因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压,并使水击室13同时达到这一水击压强。
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,使管9末端和水击室13内发生负的水击压强。
通过阀11和12的操作过程观察到水击波的来回传播变化现象,即阀11关闭,产生水击升压,使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启,水也随即注入压力室内,并可看到气压表3随着产生压力搏动。
然后,在进口传来的负水击作用下,水击室13的压强低于压力室5,使逆止阀12关闭,同时水击阀11在负水击和阀体自重的共同作用下,向下运动而自动开启。
这一动作既观察到水击波的传播变化现象,又能使本实验仪保持往复的自动工作状态,即阀11开启,水自阀孔流出,又回到这一动作的初始状态,这样周而复始,阀11不断地启闭,水击现象也就不断地重复发生。
通过逆止阀12、压力室5和气压表3组成水击压强的定量观察装置,随水击的每次升降压,通过逆止阀12都向压力室5注入一定的水流,而压力室5是密闭的,这样就可从与压力室5相连的气压表3上测量压力室5空腔中的压强,如是逆止阀12不开启时的压强就是产生的最大水击压强值。
水击的利用是由图中1、9、11、12、13、5、4、2等组成的水击扬水机来演示的。
当打开阀4时,由于压力室5内的空腔气压大于大气压,在水击升降压作用下,通过逆止阀12向压力室注水后形成的压力室空腔气压的作用,水流经水击扬水机出水管2流出,这样就可利用水击实现提水。
本扬水机扬水高度为37cm,超过恒压供水箱的液面达1.5倍的作用水头。
通过调压筒(井)的开启可以消除水击的危害,当阀11全开下的恒定流动时,调压筒中维持低于库水位的固定自由水面。
当阀11突然关闭时,供水管9中的水流因惯性作用继续向下流动,流入调压筒,使其水位上升,一直上升到高出库水位的某一高度后才停止上升,这时全管流速等于零,流动处于暂时停止状态,止时调压筒中水位达到最高点,由于调压筒最高水位高于库水位,水体作反向流动,从调压筒流向水箱,调压筒中水位逐渐下降,直到反向流速等于零为止,此时调压筒中水位降到最低点。
此后,供水管中的水流又开始流向调压筒,调压筒中水位回升,这样通过调压筒中水位往返上下波动,由于供水管调压管的阻力作用逐渐衰减,直至最后调压筒水位稳定在库水位,从而消除水击的危害。
四、演示步骤
1、接通电源,打开可调级电源开关(顺时针方向逐渐减小),调节开关,使恒压供水箱内水面平稳。
2、关闭阀10和4,用手触动水击发生阀11,观察水击现象。
3、打开阀4,观察扬水机工作情况。
4、打开阀10,观察调压井消除水击的情况。
5、逆时针方向关闭电源开关。
五、注意事项:
1、注意电源开关的开启、关闭的方向。
2、注意水源的清洁、保护逆止阀。
六、思考题
1、水击波与波浪有何区别?
2、水击发生阀为何能不停的上下跳动?
3、扬水机是怎样扬水的?
4、水击在有压管道中会造成什么样的危害?
在哪些情况下会发生水击?
怎样预防和消除?
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