1、目錄§1-1 流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn) ( )§1-3 動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn) ( )§1-5 局部水頭損失實(shí)驗(yàn) ( )§1-6 文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn) ( )§1-8 雷諾實(shí)驗(yàn) ( )§2-1 圓柱表面壓強(qiáng)分布的測(cè)量 ( )第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)本章介紹流體力學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是指用傳統(tǒng)的測(cè)試手段測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)的壓強(qiáng)、速度、流量等基本參數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)都是教學(xué)大綱要求的必做實(shí)驗(yàn)。§1-1 流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)1.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1觀察測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭(位置水頭與壓強(qiáng)水頭之和)，加深對(duì)靜壓強(qiáng)公式的理解。2求未知液體的密度1.1.2 實(shí)驗(yàn)

2、裝置圖1.1.1 靜壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)儀圖1.1.1是一種靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)儀。管1為開口測(cè)壓管，管2和管3，管4和管5，管6和管7各組成一個(gè)U形管。管1、2、3均與水箱接通，構(gòu)成一個(gè)連通器。其中，管1與密封水箱中部某點(diǎn)接通。管2、3與水箱底部某點(diǎn)接通。管4和管6與水箱上方的氣體壓強(qiáng)接通。管4、5和管6、7分別盛有兩種液體，其密度為和。水箱上方有密封閥，水箱液面上的氣體與大氣不相通，其壓強(qiáng)為p0。調(diào)壓箱通過(guò)軟管與水箱接通。上、下移動(dòng)調(diào)壓管就可以改變水箱中的水位，也改變水箱中密封氣體的壓強(qiáng)p0。如果調(diào)壓筒水面高于水箱的水面，水將從調(diào)壓筒流入水箱，此時(shí)，水箱中的密封氣體的體積將減小，壓強(qiáng)增大。密封氣體壓強(qiáng)高于當(dāng)?shù)?/p>

3、大氣壓，p0>pa。反之，則p0<pa。1.1.3 實(shí)驗(yàn)原理流體靜力學(xué)的基本方程是常數(shù) (1.1.1)管1、管3、調(diào)壓筒、水箱互相連通，液面與大氣相通。雖然管1，管3與水箱的接點(diǎn)高低不同，但他們的液面高程相同，這就是說(shuō)明靜止液體內(nèi)任意一點(diǎn)的位置水頭與壓強(qiáng)水頭之和（稱為測(cè)壓管水頭）是相同的。管2的液體與水箱的液體相通，液面氣體的壓強(qiáng)同為p0。因此管2的液面與水箱的液面高程相同。盛有兩種未知密度液體的U形管，其液柱高差是由于壓差p0-pa引起的，故有 (1.1.2) (1.1.3)水的密度是已知的，只要讀取各管液面的高程讀數(shù)，就可以求出未知密度和。1.1.4 實(shí)驗(yàn)步驟 1關(guān)閉密封閥，并

4、檢查密封效果。其方法是，移動(dòng)調(diào)壓筒至某一高程位置，這時(shí)各管的液面也隨之移動(dòng)。如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越來(lái)越慢，并最終停止 圖1.1.2 靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表在某一高程位置，不再變化。如果密封效果不好，各管的液面總是不停升降，直至各管液面與調(diào)壓筒以及水箱的液面平齊。這就說(shuō)明水箱漏氣。 2將調(diào)壓筒形移至某高度，并用螺絲固定。待各管的液面穩(wěn)定后，讀取各管的液面高度讀數(shù)，并填入數(shù)據(jù)表。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量4組數(shù)據(jù)，其中，p0>pa（調(diào)壓筒液面高于水箱液面）和p0<pa（調(diào)壓筒液面低于水箱液面）的情況分別測(cè)量2組數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)?nèi)容：各測(cè)壓管的液柱高度。1.1.6 思考題 1在什么情況下，管1，

5、2，3的液面平齊？ 2當(dāng)管2，3的液面平齊時(shí)，管4，5以及管6，7的液面是否全分別平齊？為什么？ 3管1和管5都與大氣相通，其液面是否處在同一個(gè)等壓面上？4如果 (z7-z6)>(z5-z4)，則和哪個(gè)較大？1.1.5 數(shù)據(jù)整理及誤差分析流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理是件復(fù)雜的工作，為此，可編制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)供實(shí)驗(yàn)課使用。圖1.1.2是編者研制的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表界面。實(shí)驗(yàn)裝置中的未知液體的密度值分別為，。由數(shù)據(jù)表看出，測(cè)量誤差小于7%，引起誤差的主要原因是儀器的水柱高度讀數(shù)的精度不夠。水柱高度的刻度為mm，小數(shù)點(diǎn)后面的值是目估的，從而引起誤差。1.3 動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)1.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

6、的 用杠桿法測(cè)量水流對(duì)檔板的沖擊力，并用動(dòng)量方程計(jì)算水流對(duì)檔板的作用力，兩者進(jìn)行比較，加深對(duì)動(dòng)量方程的理解。1.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理 圖1.3.1 動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)儀圖1.3.1是本實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)裝置示圖。水箱為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)壓水源，水箱的溢流板上開設(shè)若干泄流孔。開、閉這些泄流孔可以控制水位的高低。水流從設(shè)在水箱下部的管嘴射出，沖擊一個(gè)軸對(duì)稱曲面檔板，檔板將射流沖擊力傳遞給杠桿。移動(dòng)砝碼到某一位置，可使杠桿保持平衡。本實(shí)驗(yàn)用杠桿平衡原理測(cè)量射流的沖擊力。另外，再用流體力學(xué)的動(dòng)量方程計(jì)算射流對(duì)檔板的作用力，并比較這兩個(gè)沖擊力的大小，以便進(jìn)行誤差分析。設(shè)砝碼的重量為G，作用力臂為L(zhǎng)1，射流的作用力為

7、F，作用力臂為L(zhǎng)。當(dāng)杠桿平衡時(shí)，有 （1.3.1）圖1.3.2 動(dòng)量方程用圖射流的沖擊力也可以由動(dòng)量方程算出，圖1.3.2是計(jì)算用圖，設(shè)射流的偏轉(zhuǎn)角度為（即入射速度矢量轉(zhuǎn)到出流速度矢量所旋轉(zhuǎn)的角度），射流的流量為Q，入射速度為V，則有 （1.3.2）本實(shí)驗(yàn)的射流偏角有90°，135°，180°等3種。1.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟 1實(shí)驗(yàn)前，調(diào)節(jié)平衡錘的位置，使杠桿處于水平狀態(tài)。2開啟水泵，向水箱充水。調(diào)節(jié)溢流檔板泄孔的開啟程度，使水箱的水位保持在某一高度位置。3打開出流孔口，使水流沖擊擋板。4移動(dòng)砝碼至適宜位置，使杠桿保持水平，記錄數(shù)據(jù)。5改變水位，重復(fù)以上測(cè)量。另外，也

8、可以更換另一種偏轉(zhuǎn)角的擋板，并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉水泵，取下砝碼，排空水箱。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量、砝碼力臂。1.3.4 數(shù)據(jù)處理及誤差分析圖1.3.3 是數(shù)據(jù)表的界面。沖擊力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在一定誤差。引起誤差的原因有兩個(gè)，一是杠桿支座存在摩擦力，另一個(gè)原因是動(dòng)量方程沒有考慮重力對(duì)水流的影響，認(rèn)為射流的反射速度為軸對(duì)稱分布。其實(shí)，在重力作用下，擋板下部的反射水流速度大于上部的反射水流速度。1.1.5 思考題1. 請(qǐng)自己推導(dǎo)方程（1.3.2）2. 實(shí)驗(yàn)中如何確定砝碼的作用力臂？3. 本實(shí)驗(yàn)的流量是用什么方法調(diào)節(jié)的？ 圖1.3.3 動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1.5 局部水頭損失實(shí)驗(yàn)1.5.1 實(shí)

9、驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量管流中的5種局部水頭損失，并確定局部損失系數(shù)。1.5.2 實(shí)驗(yàn)裝置 圖1.5.1 所示的局部水頭損失實(shí)驗(yàn)儀，由水泵、穩(wěn)壓水箱、實(shí)驗(yàn)管段，局部損失（截面實(shí)擴(kuò)，截面突縮，90°彎管，180°彎管，90°折管）管件、21支測(cè)壓管、回水箱組成。此外，本實(shí)驗(yàn)用手工體積法和電子流量計(jì)兩種方法測(cè)量管流的流量。21支測(cè)壓管中，有些是用于測(cè)量局部水頭損失，有些則用于演示管流中水流靜壓的變化情況。這里著重介紹電子流量計(jì)。這種流量計(jì)由量水筒，水位傳感器，單板機(jī)，顯示表組成。圖1.5.2a表示電子流量計(jì)的工作原理。量筒左側(cè)有玻璃水位指示管，右側(cè)有虹吸管。水位傳感器A、B用于記錄

10、水位信息。當(dāng)水面上升到B時(shí)，單板機(jī)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)水面上升到A 時(shí)，單板機(jī)結(jié)束計(jì)時(shí)，兩個(gè)時(shí)間之差為充水時(shí)間，A、B之間的量筒體積（887cm3）為充水體積。體積與時(shí)間之比為流量。當(dāng)水面繼續(xù)上升，淹沒虹吸管之后，水流在虹吸作用下自動(dòng)出流，直至放空，同時(shí)還發(fā)出一種排空聲響。這樣，每隔一段時(shí)間，量筒中的水就會(huì)自動(dòng)排空，無(wú)需人為操作。測(cè)量流量時(shí)，將出水通過(guò)漏斗引入量筒。水面到達(dá)A、B的時(shí)間由單板機(jī)自動(dòng)紀(jì)錄并顯示在流量計(jì)的面板上。流量?jī)x表的板面上設(shè)有電源開關(guān)，控制電源的接通與斷開。參見圖1.5.3。板面上有“時(shí)間”、“體積”、“流量”、“測(cè)量”等四個(gè)命令按鈕。當(dāng)按下“測(cè)量”按鈕時(shí)，儀器開始測(cè)量。如果按下“時(shí)

11、間”、“體積”、“流量”，則儀表上顯示時(shí)間、體積、流量的數(shù)值。板面上還有三個(gè)指示燈，顯示儀器的工作狀態(tài)。測(cè)量的指示燈點(diǎn)亮，表示正在測(cè)量。 圖1.5.1 局部損失實(shí)驗(yàn)儀 圖1.5.2 電子流量計(jì)的量筒 圖1.5.3 電子流量計(jì)的面板測(cè)量之前，先按下板面上的“測(cè)量”按鈕，這時(shí)候儀表就開始工作，量筒充水時(shí)，儀表連續(xù)顯示充水時(shí)間（秒）。充水結(jié)束后，儀表立刻顯示出流量值（單位：ml/s ）。如果要顯示充水時(shí)間和充水體積，可以分別按下“時(shí)間”、“體積”按鈕。電子流量計(jì)有時(shí)會(huì)發(fā)生故障。最常見的故障是虹吸管能夠排水，但沒有虹吸的抽水作用， 參見圖1.5.2b。這種情況下，量筒以及水位器水位穩(wěn)定在某些方面某一高

12、度，充水不能自動(dòng)排空。排除故障的方法，是加大出水量，使虹吸管滿頂，充水就能排空。1.5.3 實(shí)驗(yàn)原理對(duì)局部損失管件的上、下游某斷面應(yīng)用伯努利方程，就可以求得局部水頭損失，現(xiàn)分別予以說(shuō)明。突擴(kuò)管：使用測(cè)壓管3，9測(cè)量突擴(kuò)管上、下游的壓差，相應(yīng)的伯努利方程為 (1.5.1)速度等于流量除以管道截面積，水柱高度可直接讀取，這樣，由上式很容易求出局部損失系數(shù)。由流體力學(xué)，的理論值為： （1.5.2）將理論值和實(shí)測(cè)值相比較，就可以確定測(cè)量誤差。突縮管：使用測(cè)壓管11,12測(cè)量突縮管上、下游的壓差，相應(yīng)的伯努利方程是 （1.5.3）管流速度，可由流量算出，液柱高度可直接讀出，因而突縮管的局部損失系數(shù)不難算

13、出。在流體力學(xué)中，實(shí)縮管的局部損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為 （1.5.4）比較實(shí)測(cè)值和經(jīng)驗(yàn)值，就可以計(jì)算測(cè)量誤差。90°彎管：計(jì)算90°彎管的局部水頭損失所用的伯努利方程為 (1.5.5) 由此得到90°彎管的局部損失系數(shù) （1.5.6） 查閱有關(guān)手冊(cè)， 90°彎管的局部損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為。 180°彎管：與90°彎管的情況相似，180°彎管的局部損失系數(shù)可由下式計(jì)算： （1.5.7）很少有文獻(xiàn)提供180°彎管的經(jīng)驗(yàn)公式。編者對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行數(shù)次量測(cè)，得到局部損失系數(shù)的平均值為。90°折管：列出截面18、19的伯

14、努利方程： （1.5.8）可見 （1.5.9）有關(guān)手冊(cè)給出的90°折管的經(jīng)驗(yàn)值為。 1.5.4 實(shí)驗(yàn)步驟 1啟動(dòng)水泵，向水箱充水，同時(shí)稍微打開尾閥，讓水在管流中緩慢流動(dòng)。2觀察管道中，測(cè)壓管內(nèi)是否出現(xiàn)氣泡，若有氣泡，應(yīng)設(shè)法排除。3調(diào)節(jié)尾閥，待水流穩(wěn)定后，記錄各測(cè)壓管的讀數(shù)，管流的流量值。圖1.5.4 局部損失數(shù)據(jù)表注意：對(duì)于實(shí)擴(kuò)管，讀取測(cè)壓管3、9的水柱高度。對(duì)于突縮管，讀取測(cè)壓管11、12的水柱高度，管道流量則用手工體積法和使用電子流量計(jì)分別測(cè)量，取其平均值作為流量值。4實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立刻切斷電源，關(guān)閉水泵。測(cè)量?jī)?nèi)容：用手工和流量計(jì)分別測(cè)量流量，取平均值填入表格，記錄各種局部損失部件

15、的上、下游的水柱高度。1.5.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算各種數(shù)據(jù)。只要將流量，測(cè)壓管水柱高度填入表格，系統(tǒng)自動(dòng)算出各種局部損失系數(shù)，并給出誤差，詳見圖1.5.4。1.5.6 思考題1數(shù)據(jù)表中為什么沒有計(jì)算雷諾數(shù)？2當(dāng)測(cè)壓管、實(shí)驗(yàn)管段出現(xiàn)氣泡時(shí)，你如何將其排除？3如果用測(cè)壓管3、4計(jì)算實(shí)擴(kuò)管的局部水頭損失，將會(huì)出現(xiàn)什么樣的誤差？1.6 文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)1.6.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量文丘里流量計(jì)，孔板流量計(jì)的流量系數(shù)1.6.2 實(shí)驗(yàn)裝置 圖1.6.1 文丘里、孔板實(shí)驗(yàn)儀圖1.6.1是文丘里管、孔板流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)儀。圖中，測(cè)壓管1,2用于測(cè)量文丘里流量計(jì)的壓差，孔板流量計(jì)的壓差

16、比較大，因而使用由4支測(cè)壓管組成的復(fù)合式測(cè)壓計(jì)。 圖1.6.2 文丘里流量計(jì) 圖1.6.3 孔板流量計(jì)文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì)都屬于節(jié)流式流量計(jì)。即在管流中接入文丘里管或安裝一塊孔板，強(qiáng)制地改變局部地方的管流速度和壓強(qiáng)，測(cè)量其壓差就可以計(jì)算管道流量。文丘里流量計(jì)由收縮段、喉部、擴(kuò)散段組成（參見圖1.6.2）。收縮角為20°25°，折角處應(yīng)圓滑，盡量接近流線型。喉部是文丘里流量計(jì)的斷面最小的部位，此處的流線曲率半徑相當(dāng)大，流動(dòng)可視為緩變流，擴(kuò)散角一般為5°15°。孔板流量計(jì)是一塊外徑與管道內(nèi)徑相同的不銹鋼板，參見圖1.6.3。孔板上開設(shè)一個(gè)內(nèi)孔，這個(gè)內(nèi)孔迫

17、使過(guò)流斷面突然變小，流速變大，壓強(qiáng)降低。文丘里管和孔板都是測(cè)量流量的儀器，在使用之前，要預(yù)先測(cè)量它們的流量系數(shù)，稱為流量計(jì)的標(biāo)定。1.6.3 實(shí)驗(yàn)原理為了計(jì)算管道的流量，在管道中安裝一個(gè)文丘里流量計(jì)。對(duì)于圖1.6.2所示的斷面1.2應(yīng)用的努利方程，則有 （1.6.1）利用連續(xù)性方程，上式可化為 （1.6.2）利用測(cè)壓管直接測(cè)量壓差，則有，于是 （1.6.3）速度與截面積相乘就可以計(jì)算流量，上面的計(jì)算中沒有考慮粘性的影響，因此，流量的表達(dá)式可修正為 （1.6.4）式中，稱為文丘里管的流量系數(shù)，工藝精良的文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)達(dá)0.99以上。利用孔板裝置也可以測(cè)量管道的流量。如圖1.6.3所示，流

18、體受到孔板的節(jié)制，在孔板的下游形成一股射流，圖中的斷面C是射流喉部，對(duì)斷面3和斷面C應(yīng)用伯努利方程。 （1.6.5）利用連續(xù)性方程3，（A3為管道面積A），則得到射流喉部的流速 (1.6.6)用A0表示孔板的孔口截面積，顯然，射流喉部面積AC小于孔口面積A0。即 （1.6.7）稱為射流喉部的截面收縮系數(shù)。喉部的壓強(qiáng)不能直接測(cè)出，一般用管壁上的靜壓p6代替。壓差p3 -p6很大，因而本實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合式測(cè)壓計(jì)測(cè)定壓差p3-p6。顯然。 （1.6.8）射流喉部的速度為 （1.6.9）流量，式中A0是孔的面積 （1.6.10）引入流量系數(shù)，則 （1.6.11）顯示，流量系數(shù)的取值除了受到粘性的影響之外，

19、也還取決于孔口面積與管道面積的比值。標(biāo)定文丘里流量計(jì)或孔板流量計(jì)的流量系數(shù)的方法是：用體積法測(cè)出流量Q，讀取測(cè)壓管的液柱高度。利用式(1.6.4)或式(1.6.11)確定的值。1.6.4 實(shí)驗(yàn)步驟1排除測(cè)壓管的氣體啟動(dòng)水泵，向水箱充水，關(guān)閉尾閥。此時(shí)，管1，2的液面應(yīng)該平齊。管3，4以及管5，6分別用膠管將其上部連接，拔開這些連接膠管，管3，6和管4，5的液面應(yīng)該平齊。如果不能平齊，則在測(cè)壓管內(nèi)存在氣泡，應(yīng)設(shè)法將其排除。2調(diào)節(jié)尾閥，依次增大流量，記錄各測(cè)壓管的液柱高度。用體積法以及用電子流量計(jì)分別測(cè)量管流的流量，取其平均值作為計(jì)算用。流量要求改變8次。改變流量時(shí)，要等待35分鐘，水流穩(wěn)定后方可

20、讀數(shù)。 圖1.6.4 文丘里、孔板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表測(cè)量?jī)?nèi)容：流量(分別用手工和流量計(jì)測(cè)量，取平均值)，各測(cè)壓管讀數(shù)。1.6.5 數(shù)據(jù)處理圖1.6.4是數(shù)據(jù)表的界面。由表中看出，文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)，=0.94460.995，實(shí)驗(yàn)值變化較大。另外，孔板的流量系數(shù)可以進(jìn)行估算。在式（1.6.10）中，取0.62，而，因而式(1.6.11)中的=0.6603。此外，還應(yīng)考慮粘性的影響，用p6取代pC 也影響的值。因此，再乘一個(gè)系數(shù)0.95，則=0.6273。可以看出，孔板的流量系數(shù)與實(shí)測(cè)值也有較大誤差。產(chǎn)生誤差的原因，主要是測(cè)壓管讀數(shù)不夠精確。一方面，高度讀數(shù)刻度只精確到mm，而且用人工判讀也產(chǎn)生誤差。

21、此外，水柱液面常發(fā)生波動(dòng)，其高度不易確定。1.6.6 思考題 1的值可能大于1嗎？ 2影響取值的因素有哪些？ 3請(qǐng)推導(dǎo)式(1.6.8) 4請(qǐng)仔細(xì)觀察孔板流量計(jì)。在射流喉部處是否裝有測(cè)壓管？測(cè)壓管裝在喉部的上游還是下游？這樣做會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生哪些影響？1.8 雷諾實(shí)驗(yàn)1.8.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量管流的沿程水頭損失，繪制沿程水頭損失與管流速度的對(duì)數(shù)曲線，并確定管流臨界雷諾數(shù)。1.8.2 實(shí)驗(yàn)裝置 圖1.8.1 雷諾儀圖1.8.1的實(shí)驗(yàn)裝置由穩(wěn)壓水箱，試驗(yàn)管段，傾斜式比壓計(jì)組成。水箱向管道提供穩(wěn)壓水流。管段的壓強(qiáng)差用比壓計(jì)測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)用手工體積法測(cè)流量。1.8.3 實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于圖1.8.1的管段的首、尾

22、兩個(gè)斷面應(yīng)用伯努利方程，則有 （1.8.1）管段水平放置，流速處相同，因而 （1.8.2）用比壓計(jì)測(cè)量壓差p1-p2。設(shè)比壓計(jì)兩支測(cè)壓管的液柱長(zhǎng)度之差為l，則有 （1.8.3） （1.8.4）式中，是比壓計(jì)的水平傾角。只要測(cè)出比壓計(jì)兩支液柱長(zhǎng)度的差值，由式（1.8.4）便可以計(jì)算管段水流的沿程水頭損失。管流速度等于流量除以截面積。流量用量筒、秒表測(cè)量。小流量的測(cè)量比較費(fèi)時(shí)。充水時(shí)間往往超過(guò)1分鐘。計(jì)算管流雷諾數(shù)時(shí)，需用到水的運(yùn)動(dòng)粘度。運(yùn)動(dòng)粘度與水溫有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)用溫度計(jì)測(cè)量水溫，水的運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為 （1.8.5）式中，大量水溫單位是，的單位是m2/s。程水頭損失與速度V的函數(shù)關(guān)

23、系與流態(tài)有關(guān)，層流時(shí)，與V的一次方成正比，紊 流時(shí)，與V的1.752.0次方成正比，將實(shí)測(cè)值標(biāo)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上。如果實(shí)驗(yàn)曲線斜率為45°，則說(shuō)明流態(tài)為層流，否則為紊流。值得注意的是，流量從小變大的曲線與流量從大變小的曲線是不重合的。1.8.4 實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)水泵，向水箱注水，待水位穩(wěn)定后才全開尾閥，以便沖洗管道，排除管內(nèi)氣體。2關(guān)閉尾閥，松開傾斜比壓計(jì)上端的止水夾，以使測(cè)壓管內(nèi)的殘留氣泡排出，氣泡全部排出后，用氣囊球向比壓計(jì)的測(cè)壓管打氣，壓迫測(cè)壓管水面下降至中部，再夾緊止水夾，防止液面上升。試驗(yàn)管段的水不流動(dòng)時(shí)，比壓計(jì)的兩支測(cè)壓管的液面應(yīng)該平齊。若不平，說(shuō)明測(cè)壓管內(nèi)殘留有氣泡，應(yīng)該設(shè)法

24、排除。3微微打開尾閥，讓水流速度從小變大，流態(tài)從層流變?yōu)槲闪鳌．?dāng)流量達(dá)到最大值之后，慢慢關(guān)小尾閥，使流速?gòu)拇笞冃。鲬B(tài)從紊流變?yōu)閷恿鳌８淖兞髁繒r(shí)，待水流穩(wěn)定后，測(cè)量流量，記錄比壓計(jì)液柱讀數(shù)。層流時(shí)，水流達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所用的時(shí)間往往比較長(zhǎng)，要耐心等待。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)裝置，可根據(jù)比壓計(jì)讀數(shù)大概地判斷流態(tài)。當(dāng)流態(tài)為層流時(shí)，管段的沿程水頭損失0.006m。如果比壓計(jì)的水平傾角，則比壓計(jì)液柱長(zhǎng)度之差。一般來(lái)說(shuō)，層流的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)布置3-4個(gè)。總的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)可自行控制，本實(shí)驗(yàn)的目的之一是繪制形如圖1.8.3所示的對(duì)數(shù)曲線，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)在10個(gè)以上，并且盡量均勻地分布。4測(cè)量結(jié)束后，關(guān)閉水泵，繪制曲線圖。測(cè)量?jī)?nèi)容：流量（流量

25、有小變大，大最大值后再有大變小）、比壓力計(jì)液面讀數(shù)。1.8.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析圖1.8.2是本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表，圖1.8.3是曲線圖。由圖看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不 圖1.8.2 雷諾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表夠理想，層流區(qū)的曲線斜率近似等于1，但并非直線，有略微彎曲。上臨界雷諾數(shù)不足4000。下臨界雷諾數(shù)2000左右。與權(quán)威實(shí)驗(yàn)比較，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。主要原因是實(shí)驗(yàn)裝置不夠精細(xì)，尤其是實(shí)驗(yàn)管段長(zhǎng)段不滿足要求。例如，為了避開管流入口、出口的影響，實(shí)驗(yàn)段的兩端應(yīng)遠(yuǎn)離入口或出口的距離為管徑的120倍。本實(shí)驗(yàn)的管徑d=8mm，與進(jìn)口段、出口段落的長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)1m。而本裝置的進(jìn)口段，出口段長(zhǎng)度不足0.5m。此外，小流量時(shí)，

26、比壓計(jì)液柱長(zhǎng)度差很少，讀數(shù)誤差很大，要想提高實(shí)驗(yàn)精度，就要提高流量測(cè)量、壓差測(cè)量的精度。1.8.6 思考題 1層流時(shí)，本實(shí)驗(yàn)的沿程水頭損失的值的變化范圍是多少？2比壓計(jì)的刻度2:1表示什么含義？3如何判斷比壓計(jì)的刻度（例如2:1）與實(shí)際情況是否相符？4實(shí)驗(yàn)要求流量首先從小變大，再?gòu)拇笞冃。绻沽髁繒r(shí)而變大，時(shí)而變小，實(shí)驗(yàn) 圖1.8.3 曲線點(diǎn)能連成一條光滑曲線嗎？5小流量時(shí)，水流達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間為什么很長(zhǎng)？6大流量時(shí)，比壓計(jì)液面波動(dòng)比較明顯，這種情況下應(yīng)如何讀取液面讀數(shù)？2.2 圓柱表面壓強(qiáng)分布的測(cè)量2.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠脡毫鞲衅鳌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量繞流圓柱表面的壓強(qiáng)分布，繪制壓強(qiáng)分布圖，

27、并計(jì)算圖柱體的阻力系數(shù)。2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理圖2.2.1 圓柱表面壓強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)使用種實(shí)驗(yàn)裝置。圖2.2.1a是空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)段。氣流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓箱，收縮段，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。圓柱體安裝在實(shí)驗(yàn)段的中部。穩(wěn)壓箱的氣流速度近似為零，其壓強(qiáng)可認(rèn)為是駐點(diǎn)壓強(qiáng)p0。當(dāng)氣流經(jīng)收縮段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后，氣流速度分布比較均勻，速度為V，壓強(qiáng)為p。氣流繞圓柱體流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)變得復(fù)雜起來(lái)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量圓柱體表面各點(diǎn)的壓強(qiáng)分布。為了測(cè)量壓強(qiáng)，在圓柱體表面開設(shè)一個(gè)測(cè)壓孔，然后用導(dǎo)管將此壓強(qiáng)引出。導(dǎo)管的出口在圓柱體的軸線上，再用軟管將測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)引至壓力傳感器。圓柱體可以繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，借此就能夠測(cè)出圓柱體表面各點(diǎn)的壓

28、強(qiáng)分布。圖2.2.1b是風(fēng)洞試驗(yàn)段，為了使氣流速度分布盡量均勻，也為了降低氣流的湍流度，氣流首先流經(jīng)的網(wǎng)格柵，然后才經(jīng)收縮段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)段的氣流速度V可認(rèn)為均勻分布，其壓強(qiáng)為p。 在實(shí)驗(yàn)段安裝一個(gè)L型的總壓管，用以測(cè)量氣流的總壓p0。圓柱體安裝在實(shí)驗(yàn)段的中部，它可繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。圓柱體表面開設(shè)一個(gè)測(cè)壓孔，用導(dǎo)管將測(cè)孔的壓強(qiáng)引出。導(dǎo)管的出口位于圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上。在流體力學(xué)中，一般將壓強(qiáng)用無(wú)量綱的參數(shù)壓強(qiáng)系數(shù)CP來(lái)表示。 （2.2.1）式中，分別是測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)，來(lái)流壓強(qiáng)，駐點(diǎn)壓強(qiáng)（總壓）。式(2.2.1)使用了伯努利方程。本實(shí)驗(yàn)將測(cè)量圓柱表面壓強(qiáng)系數(shù)的分布。在圖柱表面上圓周角的范圍內(nèi)布置若干測(cè)點(diǎn)，

29、分別測(cè)，按式(2.2.1)計(jì)算壓強(qiáng)系數(shù)。利用壓強(qiáng)系數(shù)，可以求出圓柱體的阻力系數(shù)CD.物體的阻力包括粘性阻力和壓差阻力，粘性阻力很小，可以忽略不計(jì)，因此阻力FD和阻力系數(shù)CD可以表示為 （2.2.2） （2.2.3）式中，是測(cè)點(diǎn)位置的圓周角度，從前駐點(diǎn)起算。本實(shí)驗(yàn)在的范圍內(nèi)布置N個(gè)測(cè)點(diǎn)，于是 （2.2.4）通常，N=37，但也可以不受此限制，實(shí)驗(yàn)者可以自己選定N和。 本實(shí)驗(yàn)用壓力傳感器測(cè)量壓差。圖2.2.2a是本實(shí)驗(yàn)使用的壓力傳感器的外形圖。此壓力傳感器屬于壓阻型。承壓元件是一塊單晶硅膜片。膜片上臺(tái)階有4個(gè)應(yīng)變電阻絲（是用集成電路工藝的擴(kuò)散法制成的）。膜片受壓面發(fā)生變形時(shí)，電阻絲也也隨之變形，電

30、阻值發(fā)生改變。電阻的變化用電橋測(cè)量，電橋的輸出電壓E與膜片上、下表面的壓強(qiáng)差成線性關(guān)系。2.1已經(jīng)測(cè)出這種線性關(guān)系，已知電壓E就容易求得壓差。 圖2.2.2 cy2000壓力傳感器壓力傳感器的輸出電壓E由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)讀取。本實(shí)驗(yàn)使用PCI7422型12位32路A/D轉(zhuǎn)換板卡。A/D轉(zhuǎn)換器采用高性能轉(zhuǎn)換芯片AD1674，地址譯碼電路采用GAL芯片，板卡工作時(shí)，能按PCI協(xié)議自動(dòng)分配基地址。A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為10µs。（100kHz）。壓力傳感器有兩個(gè)接口，一個(gè)接高壓（H），另一個(gè)接低壓（L）。在本實(shí)驗(yàn)中，總壓p0最高，因此將其引至高壓接口，壓力傳感器的低壓接口上連接一個(gè)三通（見圖2.2.2b），開關(guān)，可以輪流切換至或P的接口。圖2.2.2c表示切換的方法，當(dāng)閥門把手與氣管軸線同向時(shí)，閥門