华科流体力学教学实验指导书(新购入设备XXXX-07)

静水压强实验（ExperimentofStasticHydraulicsPressure）一、实验目的要求、1、掌握用测压管测量流体静压强的技能；2、验证不可压缩流体静力学基本方程；3、通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际问题的能力。4、巩固绝对压强、相对压强、真空度概念。二、实验装置、图1.1静水压强实验装置图1、测压管；2、带标尺测压管；3、连通管；4、真空测压管；5、U型测压管；6、通气阀；7、加压打气球；8、截止阀；9、油柱；10、水柱；11、减压放水阀。说明：1、所有测压管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；2、仪器铭牌所注B、C、D系测点B、C、D标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准点，则B、C、D亦为Bz、Cz、Dz；3、本仪器所有阀门旋柄顺管轴线为开。三、实验原理、1、在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程为：z+p=const或：hpp0（1.1）式中：z——被测点在基准面以上的位置高度；p——被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；0p——水箱中液面的表面压强；——液体容重；h——被测点的液体深度。另对装有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面原理可得油的比重0s有下列关系：0s=0=211hhh（1.2）据此可用仪器直接测得0s四、实验方法与步骤、1、搞清仪器组构及其用法，包括：1）阀门开关；2）加压方法——关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气；3）减压方法——开启筒底阀11放水；4）检查仪器是否密封——加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。2、记录仪器编号及各常数（记入表1.1）。3、量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。1）打开通气阀6（此时p0=0），记录水箱液面标高0和测管2液面标高H（此时0=H）；2）关闭通气阀6及截止阀8，加压使形成p0＞0，测记0及H；3）打开放水阀11，使形成p0＜0（要求其中一次Bp＜0，即H＜B），测记0及H。4、测出4#测压管插入小水杯中的深度(现场)。5、测定油比重0s。1）开启通气阀6，测记0；2）关闭通气阀6，打气加压（p0＞0），微调放气螺母使U型管中水面与油水交界面齐平（图1.2），测记0及H（此过程反复进行三次）；3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（p0＜0），使U型管中的水面与油面齐平（图1.3），测记0及H（此过程亦反复进行三次）。五、实验成果及要求、1、记录有关常数实验台号：No.各测点标尺读数为：B=cmC=cmD=cmw=9.8×10-33/cmN2、分别求出各次测量时A、B、C、D点的压强，并选择一基准面验证——同一静止液体内的任意二点（C、D）的（pz）为常数。3、求出油的容重。0=0.0080N/cm3六、实验分析与思考题、1、实验分析：1）若再备一根直尺，如何采用最简便的方法测定0？最简单的方法是，用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度wh和0h，由式00hhww求得0。2）如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？设被测液体为水，如测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，会造成测量误差，毛细高度由下式计算：dhcos4式中，为表面张力系数；为液体容重；d为测压管内径；h为毛细升高。常温（t=20℃）的水，=7.28mmdyn/，=0.98mmdyn/3。水与玻璃的浸润角很小，可认为cos=1.0。于是有dh7.29（h、d单位均为mm）一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可忽略不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度也较静水小；当采用有机玻璃管作测压管时，浸润角较大，其h较普通玻璃管小。如果用一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。3）过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是否等压面？哪一部分液体是同一等压面？不全是等压面，他仅相对管1、2及水箱中的而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面：①重力液体；②静止；③连通；④连通介质为同一均质液体；⑤同一水平面。上述问题中，管5与水箱之间不符合条件④，因此，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。2、实验思考题：1）同一静止液体内的测管水头线是一根什么线？2）当pB＜0时，试根据记录数据，确定真空度大小及所在区域。文透里流量计实验（DetermineofflowwithVenturiPipe）一、实验目的和要求、1、掌握文透里流量计的原理。2、学习用比压计测压差和用体积法测流量的实验技能。3、利用量测到的收缩前后两断面1-1和2-2的测管水头差h，根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理论流量进行修正，得到流量计的流量系数，即对文透里流量计作出率定。二、实验装置、三、实验原理、1、文透里管是一种常用的量测有压管道流量的装置，属压差式流量计。它包括“收缩段”、“喉道”和“扩散段”三部分，安装在需要测定流量的管道上。在收缩进口断面1-1和喉道断面2-2上设测压孔，连接比压计，通过量测两个断面的测管水头差h，就可计算管道的理论流量Q，再经修正得到实际流量。2、理论流量：水流从1-1断面到达2-2断面，由于过水断面的收缩，流速增大。根据恒定总流能量方程，若不考虑水头损失，速度水头的增加等于测管水头的减小（即比压计液面高差h），这样我们就可以通过量测到的h建立两断面平均流速v1和v2之间的一个关系：gvgvpzpzhhh22)()(211222221121如果我们假设动能修正系数0.121，则gvgvpzpz22()(21222211）另一方面，由恒定总流连续方程有：2211vAvA，即21221)(ddvv所以412222122)(1222ddgvgvgv于是41222)(12ddgvh解得hgddv2)(114122最终得到理论流量为：hKhgddddAvQ244241222122理式中gddddK24424122213、流量系数：①流量计流过实际流体时，由于两断面测管水头差中还包括了因粘性造成的水头损失，流量应修正为：hKQ实式中＜1.0，称为文透里流量计的流量系数。②流量系数除了反映粘性的影响外，还包括了在推导理论流量时将断面动能修正系数21,近似取为1.0带来的误差。③流量系数还体现了渐变流假设是否得到了严格的满足这个因素。对于文透里流量计而言，下游断面设置在喉道，可以说渐变流假设得到了严格的满足。④对于某确定的流量计，流量系数取决于流动的雷诺数：22dvRe，但当雷诺数较大（流速较高）时，流量系数基本不变。四、实验方法与步骤、1、认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项，了解用压差计测压差和用体积法测流量的原理和步骤。2、记录设备编号、水温及有关常数。3、做好准备工作后，启动水泵给水箱充水并保持溢流状态，使水位恒定。4、检查下游阀门全开时，比压计测管水面是否持平，如不平，则需排气调平。5、实验流量调节：从最大流量开始，顺次减小阀门开度。待水流稳定（比压计液面稳定）后，测读比压计读数及测读流量。顺序进行8个测点以上。6、本实验配有计算机自动量测系统，可实现率定过程中压差和流量的数据自采及处理。7、检查数据记录是否缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，进行补正。8、课后整理实验结果，得出流量计在各种流量下的eRQQh，，，实理和值，绘制实Q～h的率定关系曲线及～eR曲线。9、对实验结果进行分析讨论，阅读思考问题，作简要回答。五、实验成果及要求、1、有关常数：仪器编号：有关常数：水温T=C量水箱断面积A=2cm进口直径1d=cm喉道直径2d=cm记录及计算表格K=scm/5.2次数测压管读数h（cm）体积时间eR实Q=V/t（cm3/s）理Q=hK（cm3/s）=实Q/理Q1h（cm）2h（cm）V（cm3）t（s）12345678910六、实验分析及思考题、1、文透里的实际流量与理论流量为什么会有差别？这种差别是由哪些因素造成的？2、文透里流量计的流量系数为什么小于1.0？3、为什么在实验中要反复强调保持水流恒定的重要性？4、影响文透里流量系数的因素有哪些？5、文透里流量计水平或垂直放置对值有无影响？动量方程实验（MomentumPrinciple）一、实验目的、1、验证不可压缩流体恒定总流的动量方程；2、通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研究，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理；3、测定动量修正系数。二、实验装置、图1.1动量方程实验装置图1、自循环供水器；2、实验台；3、可控硅无级调速器；4、水位调节阀；5、恒压水箱；6、管嘴；7、集水箱；8、带活塞的测压管；9、带活塞和翼片的抗冲平板；10、上回水管。三、实验内容与原理、1、计算机CAI实验教学模拟。2、测量活塞中心点的静水压强来计算水流的冲力：利用自动反馈原理，使实验过程中达到需要测量的静水作用力与射流的冲击力自动平衡。射流冲击在平板上的冲力全部作用在活塞体中，当活塞处于稳定位置时，只需测得活塞所受到的静水作用力，便可足够精确地得知射流的冲击力。3、恒定总流动量方程为FQ(1122vv)图1.2图1.3取隔离体如图1.3所示，因滑动摩擦阻力水平分力xf＜0.5%XF，可忽略不计，故x方向的动量方程化为24.DhApFccxQ（xv110）即1Q0.421Dhvcx式中：ch——作用在活塞形心处的水深；D——活塞直径；Q——射流流量；xv1——射流速度；1——动量修正系数。实验中，在平衡状态下，只要测得流量Q和活塞形心水深ch，由给定的管嘴直径d和活塞直径D代入上式，便可率定射流的动量修正系数1值，并验证动量定律。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数即为作用在活塞圆心处的水深。4、测定本实验装置的灵敏度：为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平衡状态下，人为地增、减测压管中的液位高度，可发现即使改变量不足总液柱高度的5‰(约0.5～lmm)，活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移，开大或减小窄槽c，使过高的水位降低或过低的水位提高，恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.5％，亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。四、实验方法与步骤、1、准备——熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。2、开启水泵——打开调速器开关，水泵启动2～3分钟后，关闭2～3秒钟，以利用回水排除离心泵内滞留的空气。3、调整测压管位置——待恒定水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快，然后旋转螺丝固定好。4、测读水位——标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即ch值。5、测量流量——用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于20秒，若用电测仪器测量时，则需在仪器量程范围内。重复测三次再取均值。6、改变水头重复实验——逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按3～5步骤重复进行实验。五、实验成果及要求、1、记录有关常数：实验台号No.管嘴内径d=1.198cm，活塞直径D=1.990cm2、编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数（见表3.1）。3、取某一流量，绘出隔离体图，阐明分析计算的过程（参见图3.2，3.3及表3.1）。表1.1测量记录表及计算表测次体积V时间T管嘴作用水头H0活塞作用水头ch流量Q流速v动量力F动量修正系