流体力学实验指导书-2011Dec28

目录第一部分演示实验一、静压传递自动扬水实验…………………………………………………1二、水击综合实验……………………………………………………………2三、流谱流线显示实验（一）………………………………………………5四、流谱流线显示实验（二）………………………………………………7五、能量方程演示实验………………………………………………………10第二部分量测实验一、静水压强量测实验（4台）………………………………………………13静水压强量测实验（新）（4台）…………………………………………15二、流速量测（毕托管）实验…………………………………………………20三、沿程水头损失实验…………………………………………………………24四、管道局部水头损失实验（4台）…………………………………………28五、文丘里流量计及孔板流量计率定实验（4台）…………………………31文丘里流量计实验（新）（4台）…………………………………………34六、孔口与管嘴流量系数验证实验（4台）…………………………………37七、动量方程验证实验（新）（8台）…………………………………………40八、雷诺实验（4台）…………………………………………v………………43雷诺实验（新）（4台）……………………………………………………47九、堰流流量系数的测定实验…………………………………………………51十、闸下自由出流流量系数的测定实验………………………………………54十一、水跃实验…………………………………………………………………57十二、圆柱绕流压强分布测量实验（2台）…………………………………61十三、平板边界层实验（2台）………………………………………………64十四、翼型表面压强分布测量实验（2台）…………………………………67十五、气体紊流射流实验（2台）……………………………………………70十六、压力传感器的标定实验…………………………………………………73十七、热线探头的标定实验……………………………………………………76十八圆柱体尾迹速度分布测量实验…………………………………………79附录1：体积法电子流量仪使用方法……………………………………………82附录2：XSJ－39BI型流量数字积算仪瞬时流量的测读方法…………………831第一部分演示实验演示实验一静压传递自动扬水实验（一）实验目的通过演示液体静压传递、能量转换与自动扬水的现象。可了解流体的静压传递特性、“静压奇观”的工作原理及其产生条件以及虹吸原理等，有利于培养学生的实验观察分析能力、提高学习兴趣。（二）实验装置本实验的装置如图I-1-1所示。图I-1-1静压传递扬水仪实验装置图1．供水管；2．扬水管与喷头；3．上密封压力水箱；4．上集水箱；5．虹吸管；6．逆止阀；7．通气管；8．下水管；9．下密封压力水箱；10．水泵、通气管；11．水泵；12．下集水箱。本实验装置配备有：上、下密封压力水箱、扬水喷管、虹吸管、逆止阀、水泵、可控硅无级调速器、水泵过热保护器及集水箱。（三）实验原理集水箱4中的具有一定位置势能的水体经下水管8流入下密封压力水箱9，使箱中表面压强增大，并经通气管7等压传至上密封压力水箱3，箱3中的水体在表面压强作用下经过扬水管与喷头2喷射到高处。本实验中喷射高度可达30cm以上。当箱9中的水位满顶后，2水压继续上升，直到虹吸管5工作，使箱9中的水体排入下集水箱12。由于箱9与箱3中的表面压强同时降低，逆止阀6被自动开启，水自箱4流入箱3。这时箱4中的水位低于管8的进口，当箱9中的水体排完以后，箱4中的水体在水泵11的供给下，亦逐渐漫过8的进口处，于是第二次扬水循环接着开始。如此周而复始，形成了循环式静压传递自动扬水的“静压奇观”现象。（四）实验说明及应用1、“静压奇观”不是“永动机”实验中水为什么能自动流向高处？它做功所需的能量来自何处？这是因为部分水体从上集水箱4落到下密封水箱9，它的势能传递给了水箱3中的水体，因而获得了能量。经过能量转换，势能变为动能，水才能喷向高处。从总能量来看，在静压传递过程中，只有损耗，没有再生，因而“静压奇观”的现象，实际上是一个能量传递与转换的过程。2、喷水高度与落差关系水箱4与水箱9的落差越大，则水箱9与水箱3中的表面压强越大，喷水高度也越高。利用本装置原理，可以设计具有实用性的提水设施，它可把半山腰的水源送到山顶，这种装置的优点是无传动部件，经济、实用。3、虹吸现象及产生条件本实验中虹吸管相当于一个带有自动阀门的旁通管。当水箱9没有满顶时，由于水流自水箱4进入水箱9时，部分压能变为动能，并被耗损，虹吸管中水位较低（未满），不可能流动。而当水箱9满顶后，动能减少，耗损降低。当水箱4中的水位超过虹吸管顶时，必然导致虹吸管满管出流，虹吸管工作以后，箱9中的表面压强很快降到大气压强，这时虹吸管仍能连续出水，直至箱9中水体排光，这是因为虹吸管的出口水位低于箱9中的水位。演示实验二水击综合实验（一）实验目的演示水击波传播、水击扬水、调压筒消减水击等工况，以及水击压强的量测。（二）实验装置本实验的装置如图I-2-1所示。3图I-2-1水击综合实验仪装置图1．恒压水箱；2．水击扬水机出水管；3．气压表；4．扬水机截止阀；5．压力室；6．调压筒；7．水泵；8．水泵吸水管；9．供水管；10．调压筒截止阀；11．水击发生阀；12．逆止阀；13．水击室；14．集水箱；15．底座；16．回水管。本实验装置配备有：恒压水箱、供水管、调压筒、水击室、压力室、气压表、扬水机出水管、水击发生阀、水泵、可控硅无级调速器及集水箱。（三）实验原理1、水击的产生和传播水泵7能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中，水箱1内设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自水箱1经供水管9和水击室13，再通过水击发生阀11的阀孔流出，回到集水箱14。实验时，先全关阀10和4，触发起动阀11。当水流通过阀11时，水的冲击力使阀11上移关闭而快速截止水流，因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压，并使水击室13同时承受这一水击压强。水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管9末端和水击室13内发生负水击压强。本实验能通过阀11和12的动作过程观察到水击波的来回传播变化现象。即阀11关闭，产生水击升压，使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到压力表3随着产生压力波动。然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13压强低于压力室5，使逆止阀12关闭，同时，负水击又使阀11下移而开启。这一动作过程既能观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验保持往复的自动工作状态，即当阀411再次开启后，水流又经阀孔流出，回复到初始工作状态。这样周而复始，阀11不断开启、关闭，水击现象也就不断地重复发生。2、水击压强的定量观测水击（又称水锤）可在极短的时间内产生很大的压强。由于水击的作用时间短、升压大，通常需用复杂而昂贵的电测系统作为瞬态测量，而本实验中用简便的方法可直接地量测出水击升压值。此法的测压系统是由逆止阀12、压力室5和气压表3组成。阀11每一开一闭都产生一次水击升压，由于作用水头、管道特性和阀的开度均相同，故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次，都将向压力室5内注入一定水量，因而压力室内的压力随着水量的增加而不断累加，一直到其值达到与最大水击压强相等时，逆止阀12才打不开，水流也不再注入压力室5，压力室内的压力也就不再增高。这时，可从连接于压力空腔的压力表3测量压力室5中的压强，此压强即为阀11关闭时产生的最大水击压强。本实验中工作水头为25cm水柱，气压表显示的水击压强值最大可达300mm汞柱（408cm水柱）以上，即达到16倍以上的工作水头。这表明水击有可能造成工程破坏。3、水击的利用——水击扬水原理水击扬水机由图中的1、9、11、12、13、5、4、2等部件组成。水击发生阀11每关闭一次，在水击室13内就产生一次水击升压，逆止阀12也随之被瞬时开启，部分高压水被注入压力室5，当阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。由于阀11的不断运作，水击连续多次发生，水流亦一次一次地不断注入压力室，因而便源源不断地把水提升到高处。这正是水击扬水机工作原理，本实验中扬水高度为37cm，即超过恒压供水箱作用水头的1.5倍。水击扬水虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒规律。扬水提升的水量仅仅是供水管流量的一部分，另一部分水量通过阀11的阀孔流出了水击室。正是这后一部分水量把自身具有势能（其值等于供水箱液面到阀11出口处的高差），以动量传输的方式，提供给了扬水机扬水。由于水击的升压可达几十倍的作用水头，因而若提高扬水机的出水管2的高度，水击扬水机的扬程也可相应提高，但出水量会随着高度的增加而减少。4、水击危害的消除——调压筒（井）的工作原理如上所述，水击有可利用的一面，但更多的是它对工程具有危害性的一面。例如水击有可能使输水管爆裂、闸阀破坏等。为了消除水击的危害，常在阀门附近设置减压阀或调压筒（井）、气压室等设施。本实验仪器设有由阀10和调压筒6组成水击消减装置。实验时全关阀4，全开阀10。然后手动控制阀11的开与闭。由气压表3可见，此时水击5升压最大值约为120mm汞柱，其值仅为阀10关闭时的峰值的1/3。同时，该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位（下面称库水位），而当阀11突然关闭时，调压筒中的水位很快涌高且超过库水位，并出现和竖立U形水管中水体摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。调压系统中的非恒定流和水击的消减作用，其原理如下：设了调压筒，在阀11全开下的恒定流时，调压筒中维持于库水位固定自由水面。当阀11突然关闭时，供水管9中的水流因惯性作用继续向下流动，流入调压筒，使其水位上升，一直上升到高出库水位的某一最大高度后才停止。这时管内流速为零，流动处于暂时停止状态，由于调压筒水位高于库水位，故水体作反向流动，从调压筒流向水箱。又由于惯性作用，调压筒中水位逐渐下降，至低于库水位，直到反向流速等于零为止。此后供水管中的水流又开始流向调压筒，调压筒中水位再次回升。这样，伴随着供水管中水流的往返运动，调压筒中水位也不断上下波动，这种波动由于供水管和调压筒的阻尼作用而逐渐衰减，最后调压筒水位稳定在正常水位。设置调压筒以后，在管道水流的流量急剧改变时仍会有水击发生，但调压筒的设置在相当大程度上限制或完全制止了水击向上游的传播。同时水击波的传播距离因设置调压筒而大为缩短，这样既能避免直接水击的发生，又加快了减压波返回，因而使水击压强峰值大为降低，这就是利用调压筒消减水击危害的原理。演示实验三流谱流线显示实验（一）(一)实验目的要求演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流的定常流动，运用电化学法显示流场，使同学们对这些基本流动有一个直观了解。(二)实验装置本实验的装置如图I-3-1所示。6图I-3-1流谱流线显示仪1．显示盘；2．机翼；3．孔道；4．圆柱；5．孔板；6．闸板；7．文丘里管；8．突扩和突缩；9．侧板；10．泵开关；11．对比度调解开关；12．电源开关；13.电极电压测点；14．流速调节阀；15.放空阀。（14、15内置于侧板内）本实验装置配备有：流线显示盘、前后罩壳、照明灯、小水泵、直流供电装置。(三)实验原理现有的三种流谱仪，分别用于演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流。1、Ⅰ型单流道，演示机翼绕流的流线分布。由图可见，机翼向天侧（外包线曲率较大）流线较密，由连续方程和能量方程知，流线密，表明流速大，压强低：而在机翼向地侧，流线较疏，压强较高。这表明整个机翼受到一个向上的合力，该力被称为升力。实验中为了显示升力方向，在机翼腰部开有沟通两侧的孔道，孔道中有染色电极。在机翼两侧压力差的作用下，必有分流经孔道从向地侧流至向天侧，这可通过孔道中染色电极释放的色素显现出来，染色液体流动的方向，即为升力方向。此外，在流道出口端（上端）还可观察到流线汇集到一处