1、工 程 流 體 力 學實驗指導書河北理工大學給排水實驗室編者：楊永2014 . 5 . 12適用專業：給排水工程專業、建筑環境與設備工程專業實驗目錄：實驗一：雷諾實驗 實驗二：伯努利方程實驗 實驗三：阻力及阻力系數測定實驗 實驗四：孔口管嘴實驗 實驗操作及實驗報告書寫要求： 一、 實驗課前認真預習實驗要求有預習報告。二、 做實驗以前把與本次實驗相關的課本理論內容復習一下。三、 實驗要求原始數據必須記錄在原始數據實驗紙上。四、 實驗報告一律用標準實驗報告紙。五、 實驗報告內容包括：1. 實驗目的；2. 實驗儀器；3. 實驗原理；4. 實驗過程；5. 實驗數據的整理與處理。 六、 實驗指導書只是學

2、生的指導性教材，學生在寫實驗報告時指導書制作為參考，具體寫作內容由學生根據實際操作去寫。 七、 根據專業不同以及實驗學時，由任課教師以及實驗老師選定實驗內容。 建筑工程學院給排水實驗室編者：楊永 2014.5實驗一 雷諾實驗指導書一、實驗目的： （一）觀察實驗中實驗線的現象。 （二）掌握體積法測流量的方法。 （三）觀察層流、臨界流、紊流的現象。 （四）掌握臨界雷諾數測量的方法。二、實驗儀器： 實驗中用到的主要儀器有：雷諾實驗儀、1000mL量筒、秒表、10L水桶等三、實驗原理： 有壓管路流體在流動過程中，由于條件的改變（例如，管徑改變、溫度的改變、管壁的粗糙度改變、流速的改變）會造成流體流態的

3、變化，會出現層流、臨界流、紊流等現象。英國科學家雷諾（Reynolds）在1883年通過系統的實驗研究，首先證實了流體的流動結構有層流和紊流兩種形態。層流的特點是流體的質點在流動過程中互不摻混呈線狀運動，運動要素不呈現脈動現象。在紊流中流體的質點互相摻混，其運動軌跡是曲折混亂的，運動要素發生脈動現象。 雷諾等人經過大量的實驗發現臨界流速與過流斷面的特征幾何尺寸管徑d、流體的動力粘度和密度有關，即。由以上四個量組成一個無量綱數，稱為雷諾數,即其中：u為流速，為流體的密度，為流體的動力粘度，為運動粘度。雷諾數可以作為判別流態的準則。雷諾數公式右邊的分母、分子分別反映了流動流體的慣性力和粘滯力的比值

4、。小，反映了粘滯力作用大，對流體質點運動起約束作用，到一定程度，質點互不摻混，呈層流；反之，則呈現紊流狀態。四、實驗步驟： 打開開關使水箱充水至水位溢流，經穩定后，微開啟調節閥，并注顏色水人玻璃管內，便顏色水流成一直線，通過顏色水質點的運動觀察管內水流的層流流態;然后逐步開大調節閥，通過顏色水直線的變化觀察層流轉變到紊流的水力特征;待管中出現完全紊流后，再逐步關小調節閥，觀察由紊流轉變為層流的水力特征。 打開出水閥門讓水流經實驗管路，在此過程中有小到大逐漸開打閥門。在閥門開起比較小的情況下，水流在管路中成一條線性流動，水流在橫向斷面上沒有摻混的現象，這種狀態下就是層流狀態。然后隨著閥門的不斷開

5、大，水流開始產生一定的波動現象，出現比較穩定的脈動現象，這時水流達到臨界狀態，此時的臨界雷諾數值達到200020000，數值變化范圍比較大，沒有實際應用價值。 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少 (不許增大)，當流量調到使顏色水在全管中剛剛呈現為一穩定直線時，即為下臨界狀態。注意:每調節閥門一次，均需等待穩定幾分鐘，并且流量不可開得太大，以免水箱中的水體引起紊動。若因水箱中的水體紊動而干擾進口水流時需關閉閥門，靜置35min，再按步驟重復進行實驗。 a. 待管中出現臨界狀態時，用體積法測定流量，此操作重復兩次。 b. 根據所測流量計算下臨界雷諾數。 c. 重新打開調節閥

6、，使其形成完全紊流，按照上述步驟測量下臨界雷諾數3次。 d. 同時由水箱中的溫度計測量水溫，根據公式求得水的運動黏度。e. 記錄實驗管路的管徑，量測水溫。 重復以上操作3-5次（要求每位同學最少調試一次），然后關閉進水閥、出水閥、墨水的閥門。五、實驗數據整理及數據處理： 實驗數據需要記錄當時做實驗的水溫，管路管徑，出水體積以及時間。根據公式計算臨界值雷諾數。運動粘度可以根據水溫通過以下公式進行計算。表1-1 管路管徑： mm 水溫： 次數體積V（ml）時間t（s）流量Qml/s流速m/s平均流速m/s雷諾數12345總平均雷諾數六、實驗問題： 1. 實驗中常常會出現臨界水流不穩定的現象 2.

7、實驗流量的計量用體積法記錄，量桶刻度觀察時，要放在比較平的地方。七、實驗中應當注意的事項： 1. 實驗中因為臨界狀態的不穩定，因此要求在實驗過程中，不能碰實驗儀器。 2. 在實驗過程中可以打開實驗管路下面燈箱的管燈，但是應當注意不要使水流進燈箱。八、實驗報告要求： 1. 實驗報告必須按照實驗要求寫全所有的項目 2. 實驗報告必須用標準的實驗報紙 3. 實驗的原始數據寫在實驗報告原始數據記錄紙上，注意實驗原始數據是沒有經過處理的原始記錄數據。 4. 實驗數據的處理要求有根據，注意和實驗原始數據區分開。9、 實驗原始數據記錄表格：表1-1 管路管徑： mm 水溫： 組數次數體積V（ml）時間t（s

8、）流量Qml/s（一）12（二）12（三）12（四）12（五）12實驗二 伯努利方程綜合實驗一、實驗目的：1. 加深對伯努利方程的理解。2. 觀察流體流經能量方程實驗管的能量轉化情況。3. 對實驗中出現的能量轉化的現象進行分析。4. 掌握一種測量液體流速的原理。5. 驗證靜壓原理。 6. 掌握數據的記錄、整理、處理的方法。7.了解伯努利方程實驗的實驗原理。8.掌握浮子法測流量的方法。二、實驗內容：1. 驗證靜壓原理同時進行壓力管的校正。2. 掌握畢托管測定流速的原理和方法。3. 掌握運用體積法測定平均流量的方法。4. 驗證伯努力方程。三、實驗原理：在實驗管路中沿管內水流方向取i個過水斷面，可以

9、列出進口斷面l至另一斷面i的能量方程式： 3.1取，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出管路的流量，即可算出斷面平均流速v及 從而即可得到各測壓管水頭和總水頭 (為各斷面動能修正系數)。四、實驗裝置：伯努力方程實驗裝置圖五、實驗方法與步驟：熟悉實驗設備，了解各測壓管與各測點的對應關系，以及普通測壓管與畢托管測壓管的區別。打開開關供水，使水箱充水，待水箱溢流后，檢查泄水閥關閉時所有測壓管水面是否齊平；若不平則需查明原因，并加以排除直至調平。打開出水閥觀察測壓管線和總水頭線的變化趨勢及位置水頭、壓強水頭之間的相互關系，觀察當流量增加或減少時測壓管水頭的變化情況。調節出水閥的開度，待流量穩定后

10、，測記各測壓管液面讀數，同時測記實驗流量。調節出水閥的開度12次，按步驟重復測量，并使其中一次為閥門的最大開度。六、實驗數據記錄及處理： 1. 驗證靜壓原理： 打開進水閥門，是水箱內的溢流堰口出水，以保證水箱內水位穩定，保持一個定水頭。關閉出水閥門以及進水閥門，此時能量方程測壓管上各個測柱的高度應該相等。因為水在管路中沒有流動，沒有能量損失，因此根據靜壓壓力傳遞原理各個液柱的高度應該相等。即在靜止不可壓縮、均勻分布重力流體中，任意點單位重量的總能量保持不變。但實際中，由于各種實際條件的不同，使得液柱高度不同，因此需要對液柱進行校正。關閉和打開出水端水口時觀察測壓管液柱的升降速度，即觀察測壓管內

11、液柱哪個先上升，哪個先下降。表2-1靜壓強液柱校正數據液柱號12345678910左右左右左右左右左右左右左右左右左右左右液柱高度校正值2. 畢托管測速原理： 畢托管是廣泛應用于測量水流和氣流中流速的一種儀器，管段前段開一小孔正對水流方向。內部通過一條管路連接到測壓管上。管的側壁開若干小孔，小孔通過管壁的環路連另一個測壓管。當測定水流時兩管連接的測壓管的水面差反映了開口處的壓力差。 液體流進正對水流的開口段，水流開始由于壓強的存在水柱液面上升，直到液柱高度停止上升，讀取此時的壓力值。 畢托管測速是根據伯努力方程推導得出。 3.2式中： 本實驗中認為開口在一個水平面上，因此式子兩端的Z值認為相等

12、。 ， 通過測壓管的制讀出來。 正對水流的進口處由于管路的作用，此處的動能轉化為勢能體現在測壓管上；側避開孔所連接的測壓管，由于對水流沒有阻擋作用因此此處的總能量有水流的動能以及此處的靜壓。 在實驗中水頭損失不考慮因此通過上述分析，2.2式可以化簡為： 3.3 3.4因此可以運用畢托管測量流速： 3.5因此可以運用2.5公式進行速度的求解。要求有計算過程和計算數值（見表2-2中平均流速）3.流量測定原理：浮子法測定流量原理：畢托管測量流速測得的為管路中點的流速，由于有壓管路中阻力的存在，根據層流狀態知道，水流在有壓管路中流態呈拋物線。根據數學微分方程求積分知道平均流速為最大點流速的2倍。本實驗

13、中流量的測量運用浮子法求流量，然后根據連續流原理，求解管路的平均流速。當水的液面增長到下面的小浮子的時候，由于小浮子的感壓會傳輸信號給記錄裝置，當上面小浮子感受壓力以后，產生傳輸信號給記錄裝置停止記錄數據。記錄裝置回在一定的體積下記錄實驗時間，從而計算出流量。 3.6 3.7文丘里管測定流量的原理：在文丘里管流量計入口取1-1斷面，在其喉部收縮斷面處取2-2斷面，由于流量計水平放置，因此z1=z2，則可以列能量方程（不計水頭損失，因為喉部為光滑曲面，局部水頭損失較小，同時由于文丘里管較短，沿程水頭損失可忽略） 3.8式根據連續性方程得到： 3.9式解（6）式（7）式，可以得出計算流量的公式 或

14、 式中： 兩斷面間測壓管水頭差，也就是測壓管內的液面高度差h。令，因此，測出測壓管水位高度差h以后，就可以求出流量Q。要求有計算過程和計算數值（見表2-2中點流速）表2-2 平均流速、點流速實驗數據記錄次數12345次數123454. 伯努力方程實驗原理： 3.10伯努力方程應該滿足一下條件：流體運動是恒定流；流體運動符合連續原理；作用于流體上的質量力只有重力；所取過水斷面1-1，2-2在漸變流或均勻流區域，但是兩個斷面間不必都是漸變流或均勻流；所取過水斷面間沒有流量流入或流出，也沒有能量的輸入與輸出。驗證伯努力方程時，首先要分析現象，建立運動的流線幾何圖形。選好計算點和基準面。壓強的表示法，

15、一般都以相對壓強計，也可以用絕對壓強，但是同一個方程中必須一致；所取單位要一致。全面考慮和分析所選取兩個過水斷面間的能量損失。一類是沿程損失，一類是局部損失。繪制水頭線時，一般先繪制總水頭線，因為在沒有能量輸入輸出時，他一定是沿流程下降的。然后繪制壓管水頭線。已經測得的過水斷面上的總水頭端點和測壓管水頭端點可以作為水頭線的控制點 。實驗不同流量下的總水頭線： 表2-3 水頭線數據記錄次數h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h2h1h212345原始數據記錄表：表2-1靜壓強液柱校正數據液柱號12345678910左右左右左右左右左右左右左右左右左右左右液柱高度(mm)校正值(mm)原始數據記錄表：表2-4 液柱高度記錄水箱體積：V= L；水溫：T