1、水力學實驗指導書第一部分：實驗裝置一、多功能水力學實驗裝置本實驗裝置由蓄水箱、水泵、恒定水箱、計量水箱以及實驗管道、閥門、測壓管和實驗臺等組成，見圖1所示。圖1 GD- W -14型多功能水力學實驗裝置二、開出實驗1、雷諾實驗；2、沿程阻力實驗；3、局部阻力實驗；4、文丘里流量實驗；5、孔板流量實驗第二部分：實驗部分實驗1雷諾實驗一、實驗目的1 觀察液體的層流、紊流兩種流態，掌握圓管流態轉化的規律。2測定液體在圓管中穩定流動時的上、下臨界雷諾數Rec。二、實驗原理及計算公式1 實驗原理液體在運動時，存在著兩種根本不同的流動狀態。當液體流速較小時，慣性力較小，粘滯力 對質點起控制作用，使各流層的

2、液體質點互不混雜，液流呈層流運動。當液體流速逐漸增大，質 點慣性力也逐漸增大，粘滯力對質點的控制逐漸減弱，當流速達到一定程度時，各流層的液體形 成渦體并能脫離原流層， 液流質點即互相混雜， 液流呈紊流運動。 這種從層流到紊流的運動狀態, 反應了液流內部結構從量變到質變的一個變化過程。液體的流態可用臨界雷諾數 Rec來判別。液流型態開始變化時的雷諾數叫做臨界雷諾數，有 上臨界雷諾數和下臨界雷諾數。上臨界雷諾數表示超過此雷諾數的流動必為紊流，它受實驗條件影響較大，大小很不確定，跨越一個較大的取值范圍，因此不作為液態的判別標準。下臨界雷 諾數表示低于此雷諾數的流動必為層流，有確定的取值，大致是一個常

3、數。通常把下臨界雷諾數 作為液態的判別標準，簡稱臨界雷諾數。在雷諾實驗裝置中，通過有色液體的質點運動，可以將兩種流態的根本區別清晰地反映出來。 在層流中，有色液體與水互不混慘，呈直線運動狀態，在紊流中，有大小不等的渦體振蕩于各流 層之間，有色液體與水混摻。如圖a、b、c所示。2計算公式雷諾數：Re二vd、實驗方法與步驟1 測定實驗有關的常數。2. 觀察兩種流態：打開水泵開關使水箱充水至溢流水位，經穩定后，微微開啟調節閥，并 有顏色水注入管道內，使顏色水流成一條直線。通過顏色水質點的運動觀察管內水流層流流態， 然后逐步開大調節閥，通過顏色水直線的變化觀察水流從流層流到紊流變化的水力特征，待管中

4、出現完全紊流后，再逐步關小調節閥，觀察水流由紊流轉變為層流的水力特征。3 測定下臨界雷諾數(1) 將調節閥打開，使管中呈完全紊流， 再逐步關小調節閥使流量減小。當流量調節到使顏色水在全管剛剛拉成一條直線狀態時,即為下臨界狀態。每調節一次閥門,均須等待穩定幾分鐘。(2) 待管中出現臨界狀態時，用體積法測定流量。(3) 根據所測流量計算下臨界雷諾數。(4) 重新打開調節閥，使其形成完全紊流，按上述步驟重復測量不少于3次。(5) 同時由水箱中的溫度計測記水溫，從而查得水的運動粘滯性系數v。注意：流量不宜開得過大以免引起水箱中的水體紊動，若因水箱中水體紊動而干擾進口水流，須關閉閥門靜止 35分鐘，再按

5、步驟(1)重復進行。4 測定上臨界雷諾數(*)逐步開啟調節閥，使管中水流由層流過渡到紊流，當顏色水線剛剛開始散開時即為上臨界 狀態，測定上臨界雷諾數次12次。四、資料整理與結果分析1 記錄有關計算常數雷諾管內徑d = 14.5mm,水溫=°C，水的粘度v =m2/s表1.1雷諾實驗記錄表實驗 次序水的體積 V(m3)時間T (s )流里3 Q (m /s)臨界流速Vc (m/s)臨界雷諾數Rec五、思考與討論1、雷諾數與哪些因素有關？其意義何在？2、為何認為上臨界雷諾數無實際意義，而采用下臨界雷諾數作為層流與紊流的判斷依據?實驗2:沿程阻力實驗、實驗目的1、加深了解圓管層流和紊流的沿

6、程阻力損失隨斷面平均流速變化的規律。2、掌握管道沿程阻力系數的測量方法。3、 將測得的關系值與莫迪圖對比，分析其合理性，進一步提高實驗結果分析能力。、實驗原理圖1所示實驗裝置中，在被測直管段的兩測量點之間列伯努利方程式，可得:APfL v2hf:gd 2g2d pf V式中:m ；m/s ；d 管徑, L 管長， v 流速，：P. P 直管阻力引起的壓差，Pa;一流體密度，kg/m 3；2-流體運動粘度，m /s;'摩擦阻力系數；Re 雷諾數。三、實驗步驟1 接通電源，檢查蓄水箱，水位是否夠高，否則予以補水。2 對整個實驗管道及測壓管進行充水排氣。3調節流量調節閥進行實驗，可按流量由小

7、到大依次進行：微開閥門，使流量逐次增大，其 增量，用水壓差計水柱差 Ah控制，每次增量可取 h=4-6mm (初次還小些)，記錄兩測壓 點間的液面差以及秒表和計量水箱內水的體積于表2.1中。四、注意事項1)實驗過程中，要始終保持恒定流這個條件。(2) 實驗過程中，每調節一次流量之后，需穩定23min，流量愈小，穩定時間愈長，待流 量和測壓管壓降的數據穩定以后方可記錄數據。(3) 每次測流時段不少于 810s (流量大可短些)(4) 要求變更流量不少于 10次。(5 )若較長時間內不做實驗，放掉系統內及儲水槽內的水。五、實驗數據整理1 基本數據使用的設備編號： 號實驗臺圓管直徑d =cm,測量管

8、長度L =cm,水溫T=C,流體運動粘度 ：=m2/s2 實驗數據記錄與計算，見表2.1。3. 繪圖分析繪制Ighf -Igv曲線，并確定指數關系值 m的大小。在雙對數坐標紙上以lg v為橫坐標，以Ighf為縱坐標，點繪所測的Ighf -Igv曲線，根據具體情況連成一段或幾段直線。求lg如-lg如m -直線的斜率''，將從圖上求得的 m值與已知各流區的 mi值（即層流m=1，光滑管流區m=1.75，粗糙管紊流 m=2.0，紊流過渡區1.75<m<2.0 ）進行比較，確定流區。六、思考與討論1為什么壓差計的水柱差就是沿程水頭損失？如實驗管道安裝成傾斜，是否影響實驗結果

9、？2確定本實驗的流區。3本次實驗結果與莫迪圖吻合與否？試分析其原因。表2.1實驗數據記錄與計算表序 號體積(cm3)時間(s)流里3 (cm /s)流速(cm/s)雷諾數fv.dRe =V壓差讀數AP沿程損失hf(cm)沿程損失系數入(Pa)(emH 20)2345678910實驗3:局部阻力實驗、實驗目的1 掌握測量管路中局部水頭損失和局部阻力系數的方法。2觀察分析，掌握局部障礙物前后管道中液體之壓力變化的規律。二、實驗原理根據推導條件列出沿水流方向發生水頭損失管段的前后兩端面的能量方程(忽略沿程水頭損 失)。(1) 突然擴大段：2 2實測值:1“;g2)，則2理論值:擴大1 = (1?)2

10、或擴大2二A2-1)2，2hr擴大烷或h=2V2擴大2二-2g(2突然縮小段:2實測值：hj七"書)-(乙2 2埠+譽)，咗理論值：縮小 ®(1-A3)j 縮小 2g( 一 "三、實驗步驟1 接通電源，檢查蓄水箱，水位是否夠高，否則予以補水。2 對整個實驗管道及測壓管進行充水排氣。3.調節流量進行實驗， 記錄測壓點間的液面差以及秒表和計量水箱內水的體積于表3.1和表3.2 中。4 .改變流量34次，記錄數據。四、注意事項1)實驗過程中，要始終保持恒定流這個條件。(2) 實驗過程中，每調節一次流量之后，需穩定23min，流量愈小，穩定時間愈長，待流 量和測壓管壓降的

11、數據穩定以后方可記錄數據。(3) 每次測流時段不少于 810s (流量大可短些)。(4) 讀壓差時不要搞錯次序，沿著水流方向，h1為干擾前側點，h2為干擾后測點。(5 )若較長時間內不做實驗，放掉系統內及儲水槽內的水。五、實驗數據整理1 基本數據 使用的設備編號： 號實驗臺突然擴大管： d1 =cm, d2 =cm;突然縮小管：d3 =cm,d4=cm。實驗 次數體積(cm3)時間(s)流量/3、(cm /s)流速(cm/s)壓差 Ah (cmH20)突然擴大突然縮小2實驗數據記錄與計算，見表3.1和表3.2中。表3.1實驗數據記錄表1234指導教師簽名實驗日期表3.2實驗計算表測次2 2A1

12、 =cmA2=cm理論計算值：-擴大1=（1八）=一，-擴大2=（八U =一，AA突然擴大阻力系數計算Q3 (cm /s)前斷面后斷面hj (cm)Z(cm)(cm)(cm)(cm)1234實測平均值：Z擴大=測次2 2A3=cmA4=cm理論計算值：匚縮小=0.5（1 ）A3突然縮小阻力系數計算Q前斷面后斷面hj(cm)Z/3(cm /s)(cm)(cm)(cm)(cm)1234實測平均值：Z縮小=六、思考與討論1 實測和理論計算是否相同?2相同管徑條件下，對于同一流量突然擴大是否一定小于突然縮小值？為什么?實驗4:文丘里及孔板流量計實驗、實驗目的1了解和掌握文丘里流量計、孔板流量計的構造和

13、工作原理;2 掌握應用測壓管測量壓差的方法；3 .理解伯努利方程在實驗中的應用；4. 測定文丘里流量計、孔板流量計的流量系數。、實驗裝置圖1是文丘里管、孔板流量計實驗原理圖,管3、4用于測量孔板流量計的壓差。、實驗原理-文丘里流量計和孔板流量計 強制地改變局部地方的管流速 文丘里流量計由收縮段、喉部、擴散強，測量其壓 段組成（參見塊孔板,即在管流中接入文丘就可以計算管道流量。2）,其收縮角為2025°，折角處應圓差就圖滑，盡量接近流線型，喉部是文丘里流量計的斷面最小的部位，此處的流線曲圖率半徑板流量計流 動可視為緩變流，擴散角一般為5150?？装辶髁坑嬍且粔K外徑與管道內徑相同的孔板（

14、參見圖3）,孔板上開設一個內孔，該內孔迫使過流斷面突然變小，流速變大，壓強降低。文丘里管和孔板都是測量流量的儀器，在使用之前，要預先測量它的流量系數，稱為流量計 的標定。為了計算管道的流量， 在管道中安裝一個文丘里流量計，對于圖1、2所示的斷面，應用伯努利方程（因1-1和2-2斷面相距很近，暫時不計水頭損失），則有2 2Pl 丄 «lVi丄 P2 丄 «2V2Zz2Pg2gPg2g式中：乙、Z2-分別為測壓管1、2的位置水頭，單位：m,本實驗z-1 = Z2;(1)專、碁分別為測壓管2的壓力水頭，其值可用h1、h2的讀數表示，單位：m；：1、：'2-動能修正系數，其

15、值約等于1；v1、v2 -測壓管1、2斷面處液體的速度;利用連續性方程mA =v2A，上式可轉化為2（5 f/PV2 _4.1-（d2/dJ4利用測壓管直接測量壓差，則有 - P2二呵佝- h2），于是_ 12g（n -h2）Vr-（d2/d1）4因此通過文丘里管流量計的流量為Q = A2V2d| 2gg 譏)41 -©/dj4二 d；2g心)4(2)(3)(4)(5)(6)很顯然，當水管直徑 d1及喉管直徑d2確定以后，K為一定值，可以預先算出。由（6）式可 見，只要沒得水管斷面與喉部斷面的測壓管高差 h,很快就可以得出流量 Q值。由于在上面的分析計算中，沒有考慮水頭損失，而水頭損

16、失將會促使流量減小，因而實際流量比按（6）式計算得的小，對于這個誤差一般用一個修正系數J （稱為文丘里管流量系數）來 修正，實際流量為(7)流量系數一般約為0.95-0.98。利用孔板裝置也可以測量管道的流量，如圖3所示，流體受到孔板的節制，在孔板的下游形成一股射流，圖中的斷面 4是射流喉部（收縮斷面），對斷面3和斷面4應用伯努利方程（因 3-3 和4-4斷面相距很近，暫時不計水頭損失）（注：列伯努利方程時，不能取孔口所在的斷面，因為孔口斷面為急變流）由于Z3 = Z4 ；P3CC3V3P4°4V4Z3-L=乙-廠一g2g-g2g3 =4 1, 上式可以簡化為2 2 2 （p3_p4

17、） 2 h34(8)(9)由于射流喉部板的孔直徑do和截面積Ao則是設計確定的；再則，在設備一旦制成后，測壓管的位置是不能在 測量過程中隨意改變的，因此，用孔板孔口處的流速 Vo來代替上式中的V4是切實可行的，但需要加以校正，即用系數 C校正流體流速Vo與V4之間的差別，同時校正實際流體與理想流體之間的 差別，即校正由于實際流體流經孔板所造成的能量損失，因此（9）又可寫為Vo _ V3 C2gih34利用連續性方程V3A5 =voA （ A為管道面積，Ao為孔口面積），可得（收縮斷面）位置因流速而改變，因而難以確定，其截面A4也難于測得，而孔_ AoVo瓦(10)(11)將（12）代入（10）

18、并整理得2VoCo1 ! AC-2J2g.，h34Ao(12)(13)并將兩式開方，則得(14)(15)Vo = Co 2g ：h34Q = v o A - Co Ao 2gh34其數值取決于孔板流量計的構造和雷諾數，需由實驗測定?；蚩装辶髁坑嫷牧髁肯禂?Co的方法是：用體積法測出流量 Q, 7）或式（15）確定值和Co值。根據Vo和Ao即可算出流量:Co稱為孔板流量計的流量系數， 標定文丘里流量計的流量系數 讀取測壓管的液柱高度，利用式（四、實驗步驟1 排除測壓管的氣體啟動水泵，向水箱充水，關閉尾閥，此時管1、2、3、4的液面應該平齊。如果不能平齊，則在測壓管內存在氣泡，應設法將其排除。2 調節尾閥，依次增大流量，記錄各測壓管的液柱高度。 改變流量時，要等待35分鐘, 水流穩定后方可讀數。文丘里和孔板流量的流量系數測定可同時進行，通水后，調節流量，進行測壓和流量的計算，將測試的數據填入表中。五、注意事項（1）注意穩壓；（2 ）避免管內進氣；（3 ）若較長時間內不做實驗，放掉系統內及儲水槽內的水。六、實驗數據整理1記錄有關信息及實驗常數 使用的設備編號： 號實驗臺文丘里管：d1 =mmd2 =mm孔板流量計： d3 = mmdo =mm流量系數：= Qi / Q?2