《流体力学》实验指导书

一、 实验目的

1、 观察液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度过程 3、 测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数Rec2

二、 实验原理及实验设备

流体在管道中流动，由两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。雷诺数的物理意义，可表征为惯性力与粘滞力之比。

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，这是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微紊流运动。

图1雷诺数实验台示意图

1.水箱及潜水泵 2.接水盒 3. 上水管 4. 接水管5.溢流管 6. 溢流区 7.溢流板8.水位隔板9. 整流栅实验管 10. 墨盒 11. 稳水箱 12. 输墨管 13. 墨针 14.实验管15.流量调节阀

雷诺数表达式Revd，根据连续方程：A=vQ ，vQ A流量Q用体积法测出，即在Δt时间内流入计量水箱中流体的体积ΔV。

Q

V tAd24

式中：A—管路的横截面积；d—实验管内径；V—流速；ν—水的粘度。

三、实验步骤

1、

准备工作：将水箱充满，将墨盒装上墨水。启动水泵，水至经隔板溢流

流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，并保持溢流，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15，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，在逐渐关小出口阀门15，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。重复三次，即可算出下临界雷诺数。

四、实验内容

（1）观察两种流态

启动水泵供水，使水箱充水至溢流状态，经稳定后，微微开启调节阀，并注入颜色水于实验管道内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后，逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，可观察到由紊流转变为层流的水力特征。

（2）测定临界雷诺数，再现当年雷诺实验全过程。 a.测定下临界雷诺数

开启调节阀，使管中完全紊流，再逐步关小调节阀，注意，调节过程中只许关小、不许开大阀门，且每调节一次流量（即关小一次阀门）后，需待稳定一段时间再观察其形态，直至使颜色水流刚好成一直线，即表明由紊流刚好转为层流，此时可测得下临界雷诺数值为2000~2300之间。而雷诺在实验时得出圆管流动的下临界雷诺数为2320，原因是下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关，雷诺进行实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量实验由于受环境干扰因素影响，很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在2000~2300之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍的圆管下临界雷诺数一般是2000。如果测得雷诺数太小，应开阀至紊流后再重新测量。

b. 测定上临界雷诺数

开启水泵，水箱溢流后，微开调节阀使管中出现层流，逐渐开大调节阀，注意，只许开大，不许关小阀门，待颜色水流刚好散开，表明由层流刚好转为紊流，即有上临界雷诺值。根据实验测定，上临界雷诺数实测值在3000~5000范围之内，与操作的快慢，水箱的紊动度，及外界的干扰等密切相关。有关学者做了大量试验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。

（3）层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面的差异如下表： 流态 运动学特性 1、质点有规律地作分层流动。 层流 2、断面流速按抛物线分布。 3、运动要素无脉动现象。 动力学特性 1、流动间无质量传输。 2、流层间无动量交换。 3、单位质量的能量损失与流速的一次方成正比。 1、质点互相混掺作无规则运动。 1、流层间有质量传输。 紊流 2、断面流速按指数规律分布。 3、运动要素发一不规则的脉动现象。 （4）雷诺数的物理意义。

雷诺数可以看作为液流惯性与粘滞力的比值。要理解这一点可以从惯性力与粘滞力的量纲进行分析。惯性力=ma=Vdv，其中体积V为特征长度L的立方，即dtdv[v]所以dt[t]2、流层间存在动量交换。 3、单位质量的能量损失与流速的（1.75~2）次方成正比 [V]=[L]3；加速度惯性力的量纲为

dv的量纲用特征流速与时间的量纲之比来表示，即dt粘滞力TAdu2，其中面积A的量纲为特征长度L的平方，即AL，流速dnduv所以粘dnL梯度

du的量纲可用特征流速和特征长度L的量纲之比来表示，即dn滞力的量纲为

L惯性力和粘滞力量纲的比值为

2L

L惯性力粘滞力Lv2tLLLvL

Ltt3上式的量纲与雷诺数的量纲相同，式中的特征长度L在管流中用直径d表示，在明渠中则用水力半径R表示。

由以上分析可知，雷诺数可表征惯性力和粘滞力之比。

五、记录与计算

次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ΔV（m3） T（s） Q（m3/s） vC（m/s） Rec2 d= mm 水温= ℃

Rec2=

vcd=

由于临界流速有两个，故临界雷诺数也有两个。当流量由零逐渐开大，产生一个上临界雷诺数Rec1，Rec1vc2dvc1d；当流量由大逐渐关小，产生一个临界雷诺数Rec2，

Rec2。

上临界雷数受外界干扰，数值不稳定，而下临界雷诺数Rec1值比较稳定，雷诺反复测试，测得圆管水流下临界雷诺数Rec2值为2320。因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。当ReRec=2320时，管中液流为紊流。

附：水的密度与粘度计算公式：

31、 密度：0.0035285 t20.0872501 t1001.44 [kg/m]

式中：t——水的平均温度

22、 粘度：0.01779/(1+0.03368t+0.0002210t )[ Pas ]󰀀式中：t——水的平均温度

六、实验分析与讨论：

1．流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速?

2．为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与湍流的判据?实测下临界雷诺数为多少?

3．雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在?

4．试结合湍流机理实验的观察，分析由层流过渡到湍流的机理何在? 5．分析层流和湍流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异?

三、流体力学综合实验

流体力学综合实验台为多用途实验装置，利用这种实验台可进行下列实验： 一、沿程阻力实验； 二、局部阻力实验；

三、文丘里流量系数的测定方法； 四、孔板流量计流量系数

五、皮托管测流速和流量的方法。

其结构示意图如图1所示。

62

图1 流体力学综合试验台结构示意图

1.储水箱 2.上水管 3. 溢流水管 4.上水箱 5.孔板整流栅6.恒压水箱7.标尺组8.测压管固定板 9. 流量调节阀10.接水箱 11. 回水管

实验装置采用自循环流程。水箱中的水由潜水泵泵出，流经上水管至上水箱，一部分水通过孔板整流栅进入恒压水箱。另一部分多流出的水通过溢流板、溢流水管回到储水箱。恒压水箱使水位保持恒定，恒压水箱下部有一个出水孔，流出的水通过实验装置，然后通过接水水箱、回水管流回至储水箱，水循环使用。

实验装置流量计量采用体积法。用塑料水杯接水，然后用量杯测量体积，用秒表计量接水的时间，计算出体积流量。

实验装置用尺子测量各个计算断面的测压管水头。 更换需要实验的另一实验管段，做下一内容的实验。

等实验全部结束后，关闭水泵开关，计量水箱的水排完后，关闭总电源开关。

实验三 沿程阻力实验

（一）沿程阻力系数的测定

1、实验目的

1． 掌握沿程阻力系数的测定技能； 2． 了解紊流时沿程阻力的规定。

2、实验设备

实验设备同实验三。

3、实验原理

在实验管段测压管连接的两个断面列1-2断面能量方程

P21av1P2av2Z21g2gZ2g2g+hw

因为实验管段水平设置，管径沿程不变，所以Z1Z2,v1v2,hwhf，hP1fgP2ghhd2g hLv2Lv2 fd2g4、 实验步骤及要求

1）本实验宜进行多工况实验；

2）开启进水阀门，使压差达到最大高度，作为第一个实验点； 3）测读水柱高度，并计算高度差； 4）用体积法测量流量

于是

5、实验数据及成果

实验数据记录：

d = cm， L= cm

实验次数 1 2 3 4 5 6 h1 h2 hhf V t cm Q   cm cm cm cm3 cm3/s cm/s 6、思考题

（1） 分析影响值的因素有哪些？

答：主要有雷诺数和相对粗糙。 （2） 各次实验值不同的原因。

答：各次实验值不同的原因有：①读数时存在误差；②测量流量时存误差误差；③在不同的阻力区，值会有不同的变化。在紊流过渡区，既与相对粗糙有关，又与Re数有关，而在阻力平方区，只与相对粗糙有关。

（二）沿程水头损失与流速的关系

1．实验目的

验证沿程水头损失与平均流速的关系。

2．实验前准备工作

在综合实验台上安装沿程阻力测试管，将实验台个阀门置于关闭状态，开启实验管道阀门，将泵开启，检验系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。

3．实验原理

图3-1 沿程水头损失与平均流速的关系实验管段 对沿程阻力两测点的断面列能量方程

2p11v12p22v2Z1hw Z1g2gg2g 因实验管段水平，且为均匀流动：

Z1Z2;d1d2;v1v2;hwhr

得： hrp1p2h gg 上式中： hw ：测压管水头差即为沿程水头损失。

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V，将所得hw，V数据点绘在对数坐标纸上，就可确定沿程水头损失与流速的关系。 4．实验步骤

1）开启调节阀门，测读测压计水面差； 2）用电测法测量流量，并计算出平均流速；

3）将实验的hw与计算得出的值标入对数坐标纸内，以横座标为流速，纵座标为沿程阻力损失，绘出lghr-lg关系曲线；

4）调节阀门逐次由大到小，共测定10次；使流速经过紊流区、过渡区、和层流区。

5．实验数据及曲线绘制

仪器常数：d= cm, A= cm2

表 3-1

No h1(cm) h2(cm) hf(cm) V(cm3) lghf(cm3) t(s) q(cm3/s) v(cm/s) 1 2 3 4 5 6 7 8

lgv L= m, t= ℃

实验四 局部阻力实验

（一）局部阻力损失实验

1、实验目的

1. 掌握三点法、四点法测量局部阻力系数的技能

2. 通过对圆管突扩、突缩局部阻力的测定，验证突扩局部阻力和突缩局部阻

力系数的经验公式。 3. 加深对局部阻力的认识。

2、实验原理

1. 经验公式

突扩局部阻力系数： A1e'(1A)2 22突缩局部阻力： hv1je'e'2g 突缩局部阻力系数： s'0.5(1A5A) 32突缩局部阻力：hv5js's'2g 3、实验原理：

图1 突扩突缩的局部水头损失测压管段

突扩局部阻力： 列1-2断面能理方程：

ZPav2P11g12gZ22ghf12hje

1）

2） 3）

4） （ （

（ （

变换为:

Pav12P2av221hje[(Z1)][(Z2)hf12]

g2gg2g其中hh1h2(Z1PP1)(Z22) 为1-2断面测压管液面高差。 gghf12hf23h2h3

ehjev21

2g同理：突缩局部阻力：

P3av32P4av42)hf3B][(Z4)hfB4] hjs[(Z3g2gg2gshjsv522g

4、 实验步骤

1. 记录仪器常数

2. 调节仪器,使仪器处于待测状态。

3. 逐次调节调节阀,改变流量,读取各测压管的液面读数,同时用秋表、量筒 测定流量。 4. 分析结果

5、实验数据与结果

d0d1D11.0cm,d2d3D21.9cm,d4d5D31.0cm l1210cm,l2320cm,l3B10cm,lB410cm,l4510cm

实测压管读数cm 验次数 1 2 3 4 5 6 断面10 1 2 3 4 5 断面2断面5V cm3 T Q hje e cm hje'hjs s cm hjs's cm3/s 2av12avav225cm cm cm 2g2g2gcm cm cm cm 6、思考题

（1）结合旋涡演示的水力现象，分析局部阻力损失的产生机理。

答：流体流经突然扩大、缩小等局部阻碍时，因惯性作用，主流与壁面脱离，其间形成旋涡区。局部水头损失同旋涡区的形状有关，这是因为在旋涡区内质点旋涡运动集中耗能。同时旋涡运动的质点不断被主流带到下游，加剧下游一定范围内主流的紊动强度，从而加大能量损失。除此之外，局部阻碍附近、流速分布不断改变也将造成能量损失。

（2）结合实验结论，考察在相同的条件下（A1/A2相同），突扩与突缩的局部损失的大小。

答：一般条件下，局部阻力系数只决定局部阻碍的形状，所以在相同的条件下，突扩的局部阻力系数比突缩的局部阻力系数要大。

（3）结合旋涡仪演示的水力现象，分析如何减小局部阻力损失。

答：减小局部阻力损失的方法有：○1把突扩突缩等改成渐扩渐缩等

2减小流体的速度。 ○

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（二） 阀门局部阻力系数的测定

1、实验目的

1）测定阀门不同开度时：全开，<30o, <45o三种的阻力系数。

2）掌握局部阻力系数的测定方法。

2、阀门阻力实验原理

图2 阀门的局部水头损失测压管段

对1、2两断面列能量方程式，可求得阀门的局部水头损失及（L1+ L2）长度上的沿程水头损失，以hw1表之，则

hw1h1h2

对2、3两断面列能量方程式，可求得阀门的局部水头损失及L3长度上的沿程水头损失，以hw2表之，则

hw2h2h3

又L3=L1+L2

∴阀门的局部水头损失h1应为：

hmhw1hw2h1h32h2

v22亦即 h1h32h 22g∴阀门的局部水头损失系数为：

(h1h32h2)式中v为管道的平均流速

2g 2v2、实验步骤及要求

1）本实验共进行三组实验，阀门全开，<30o, <45o每组做三个实验点。 2）开启进水阀门，是压差达到测压计可测量的最大高度。

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3）测读压差，同时用体积法测量流量。 4）每组各个实验点的压差值不要太接近。 5）变换阀门开启角度重复上述步骤。 6）绘制af()曲线。

3、实验结果

开度 次h1 h2 h3 V cm3 T s Q cm/s 3H cm  数 cm 1 cm cm I 2 3 1 II 2 3 1 III 2 3

4、问题讨论：

（1）同一开启度，不同流量下，ζ值为定值还是变值，何故？

答：ζ为基本不变，其主要取决于阻碍形状。

（2）不同开度时，如把流量调至相等，ζ值是否相等？ 答：ζ不相等，它与局部阻碍的形状有关。

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实验五 文丘里流量计实验

1、 实验目的

1）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。 2）验证能量方程的正确性。

2、实验原理：

图8 文丘里测试简图

在文丘里流量计上取断面1-1，2-2列能量方程，令a1a21 ,不计水头损失，可得

PvPvZ111Z222 （1）

g2gg2g由连续性方程

22v1A1v2A2 （2）

得： v2v1A1dv1(1)2 A2d2代入（1）式，可得流量的计算公式如下：

QPP42g[(Z11)(Z22)]

ggd14()1d2d12式中(Z1P1P)(Z22)为两断面测压管水头差h。 gg令：k42g并定义为仪器常数。 d(1)41d2d12于是QKh

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但在实际测量中，由于水头损失的存在。实际流量Q0略小于计算流量Q。令Q0为流量常数。则实际流量为Q0Q。 Q实验数据：d11.4cm，d20.85cm

3、 实验方法与步骤

（1）测量各有关常数

（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7~9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。

4、 实验结果及要求

（1）记录计算有关数据。 实验装置台No d1=1.4 cm, d2= 0.85 cm, 水温 t= ℃

实验数据记录列表

测压管读数(cm) 实验次数 h102 h102 21（m） 1 2 3 4 5 6 7 (m) 平均

实验结果表明该文丘里流量修正系数为

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V106 t(s) Q0106 Δh=h1-h2 Qkh (m) 3(m/s) 3(10-2m) (10-6m3/s) Q0 Q 5、实验分析回答思考题

（1）文丘里流量计在安装时是否必须保持水平，如不水平，上述计算公式是否仍可应用？

答：文丘里流量计不必保持水平，根据能量方程

PvPv测压管的高差h始终不变，而KZ111Z222 对于同一流量，

g2gg2g仅与流量计几何尺寸有关，不受测量时的安放平否影响，故公式QKh仍可应用。

（2） 能量方程和连续性方程的应用条件是什么？本实验是否满足这些条件？

答：能量方程的应用条件：恒定流动，质量力只有重力，不可压缩流体，所取的过流断面为渐变流断面。连续性方程的应用条件：不可压缩流体。本实验满足上述条件。

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实验七 毕托管测速实验

一、 实验目的

1 通过实际流速的测量，掌握用毕托管测量点流速的技能。

2 了解普朗特型毕托管的构造和使用性，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、实验原理

uc2ghkh

Kc2g

其中 u——毕托管测点的点流速； c——毕托管的校正系数；

h——毕托管全压水头与静水压水头差。 uV FV F 联立解上两式得：kh

kVFh

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其中 V——流量，由体积法测定； F——测点管断面积；

计录计算表 k= cm0.5/s

毕托管水头差 实验次序 H1

(cm) H2 实测流量 V F u 测点流速系数 kVFh h

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