2005 向文英、江岸编写 实验五 (1) 雷诺实验与紊流机理、流动阻力演示实验 知识点： 层流与紊流；层流与紊流的判断标准；紊流形成机理；绕流阻力。 一、实验目的与意义 1、观察层流、紊流的流态； 2、测定临界雷诺数，掌握圆管流态的判断标准； 3、观察紊流形成的过程，理解紊流产生的机理； 4、观察的流态； 5、观察流体在各种绕流运动中阻力的大小，分析流体流动的两种阻力形式。 二、实验要求测试内容 1、观察层流、紊流的流态； 2、测定临界雷诺数，掌握圆管流态的判断标准； 3、观察紊流形成的过程，理解紊流产生的机理； 4、理解流体绕流过程中的摩擦阻力与压差阻力的两种阻力形式。 三、实验原理 1、雷诺数：反映惯性力与粘性力的比值。 2 4 d Q d R e π υ ν υ = = 为紊流4000> e R 为层流〈 2000 e R 为层流与紊流过度区〈〈 40002000 e R 2、绕流阻力：为摩擦阻力与压差阻力之和。 2005 向文英、江岸编写 22 2 2 ρυ ρυ ppff ACACD += 式中：D ——绕流阻力； C f ——绕流摩擦阻力系数； A f ——绕流摩擦阻力迎流面积； C p ——绕流压差阻力系数； A p ——绕流压差阻力迎流面积； υ——来流速度。 四、实验仪器与元件 实验仪器： 雷诺实验仪、壁挂式流动显示仪 仪器元件：自循环供水系统、颜色水箱、放水阀等 流体介质：水、颜色水 实验装置如图： 循环水泵 放水阀 水箱 颜色水箱 图 1 雷诺实验仪 五、实验方法与步骤 实验方法与操作步骤如下： 1、熟悉实验装置各部分功能，记录有关常数； 2、观察两种流态。 打开开关 3 使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀 9，并注入颜色水于实验 管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开 大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后， 2005 向文英、江岸编写 再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。 3、测定下临界雷诺数。 (1)、将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到 使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态； (2)、待管中出现临界状态时，用体积法测定流量； (3)、根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2000)比较，偏离过大，需重测； (4)、重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次； (5)、同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。 注意： (1)、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟； (2)、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大； (3)、随出水流量减小，应适当调小开关(右旋)，以减小溢流量引发的扰动。 4、测定上临界雷诺数。 逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状 态，测定上临界雷诺数 1—2 次。 有关常数为：管径d=1.4cm ，水温t=12.5 o C。运动粘性系数可用以下经验公式求得： 六、实验成果 实验记录计算表 实验次 数 水温 t o c 粘性系数 μ （cm 2 /s） 实际流量 Q （cm 3 /s） 流速 υ （cm/s ） 雷诺数 Re 备注 1 2 3 4 七、实验分析与讨论 1、流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速? 2、为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据 ?实测 下临界雷诺数 Re 与公认值偏离多少? 原因何在? 2005 向文英、江岸编写 3、雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为 2320，面目前有些教科书中介绍采用的下临 界留诺数是 2000，原因何在? 4、为什么在测定 Re 调小流量过程中，不许有反调? 5、分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异? 6、如何减少摩擦阻力与压差阻力？ 7、绕流阻力在实际工程的应用怎样？ 实验五 (2) 堰流与水面曲线实验 知识点： 非均匀渐变流的十二种水面曲线；宽顶堰；实用堰；薄壁堰。 一、实验目的与意义 1、观察棱柱体渠道中非均匀渐变流的十二种水面曲线。 2、掌握十二种水面曲线的生成条件。 3、观察不同 δ /H 的有坎、无坎宽顶堰或实用堰的水流现象，以及下游水位变化对宽顶 堰过流能影响。 4、掌握测量薄壁堰与实用堰流量 Q 与流量系数 m 和淹没系数 s σ 的实验技能，并测定 无侧收缩宽顶堰的 m 及 s σ 值。 二、实验要求与实验内容 1、在棱柱体渠道中演示非均匀渐变流的十二种水面曲线。 2、分析十二种水面曲线的生成条件。 3、观察不同 δ /H 的有坎、无坎宽顶堰或实用堰的水流现象，以及下游水位变化对宽顶 2005 向文英、江岸编写 堰过流能影响。 4、进行薄壁堰、实用堰流量与流量系数 m 的测定。 5、测定无侧收缩宽顶堰流量与流量系数 m 及淹没系数 s σ 。 三、实验原理 1、水面曲线实验 改变明槽底坡可演示十二种水面曲线，本实验装置配有新型高比速直齿电机躯动的升降 机构 14。按下 14 的升降开关，明槽 6 即绕轴承 9 摆动，从而改变水槽的底坡。坡度值由升 降杆 13 的标尺值( △z) 和轴承 9 与升降机上支点水平间距(Lo) 算得；平坡可依底坡水准泡 8 判定。实验流量由可控硅无级调速器 3 调控，并用重量法( 或体积法) 测定。槽身设有两道闸 板，用于调控上下游水位，以形成不同水面线型。闸板锁紧轮 11 用以夹紧闸板，使其定位。 水深由滑尺 12 量测。 图 1 中，十二种水面线分别产生于五种不同底坡。因而实验时，必须先确定底坡性质， 其中需测定的，也是最关键的是平坡和临界坡。平坡可依水准泡或升降标尺值判定。临界底 坡应满足下列关系： kk k k BC gx i 2 α = 2005 向文英、江岸编写 图 1 图 2 水面曲线实验装置 1．自循环供水器； 2．实验台； 3．可控硅无级调速器；4．溢流板；5.稳水孔板； 6．变坡水槽； 2005 向文英、江岸编写 7．闸板； 8．底坡水准泡； 9.变坡轴承； 10．长度标尺； 11．闸板锁紧轮；12．垂向滑尺；13．带 标尺的升降杆；14.小升降机构 2、堰流实验 实验采用自循环供水，回水储存在蓄水箱 15 中。实验时，由水泵 14 向实验水槽 1 供水, 水流经三角堰量水槽 5，流回到蓄水箱 15 中；水槽首部有稳水、消波装置，末端有多孔尾 门及尾门升降机构。槽中可换装各种堰、闸模型。堰闸上下游与三角堰量水槽水位分别用测 针 3 与 6 量测。为量测三角堰堰顶高程配有专用校验器。 堰流流量公式： 自由出流： 5.1 0 2 HgmbQ = 淹没出流： 5.1 0 2 HgmbQ s σ= 堰流流量系数的经验公式如下： 2005 向文英、江岸编写 四、实验仪器与元件 实验仪器： 水面曲线实验装置、堰流实验装置 仪器元件：测针、变坡水槽、三角堰量水槽 流体介质：水 实验装置如图 2、3 ： 图 3 堰流实验装置 2005 向文英、江岸编写 1、有机玻璃实验水槽；2、稳水孔板；3、测针；4、实验堰；5、三角堰量水槽； 6 、三角堰水位测针筒； 7、多孔尾门； 8、尾门升降轮； 9、支架； 10、旁通管微调阀门； 11、旁通管； 12、供水管； 13、供水流量 调节阀门；14、水泵；15、蓄水箱。 五、实验方法与步骤 实验方法与步骤( 以宽顶堰为例) 1、把设备各常数测记于实验表格中。 2、根据实验要求流量，调节阀门 13 和下游尾门开度，使之形成堰下自由出流，同时满 足 2.5<H<10 的条件。待水流稳定后，观察宽顶堰自由出流的流动情况，定性绘出其水面线 图。 3、用测针测量堰的上、下游水位。在实验过程中，不允许旋动测针针头( 包括明渠所有 实验均是如此) 。 4、待三角堰和测针筒中的水位完全稳定后( 需待 5 分钟左右) ，测记测针筒中水位。 5、改变进水阀门开度，测量 4—6 个不同流量下的实验参数。 6、调节尾门，抬高下游水位，使宽顶堰成淹没出流( 满足 hs/H。≥ 0.8)。测记流量 Q 及 上、下游位。改变流量重复 2 次。 7、测算淹没系数 通过变换不同堰体，演示各种堰流现象，及其下游水面衔接型式。包括有侧收缩无坎 及其它各种常见宽顶堰流、底流、挑流、面流和戽流等现象及平板闸下出流、薄壁堰流。同 学们在完成规定的实验项目外，可任选其中一种或几种作实验观察，以拓宽感性知识面。 六、实验成果 表 1 堰流流量系数计算表 次数 堰顶面高程 0 ? 堰上水面高程 H ? 堰上作用水头 H ? - 0 ? 流量 流量系数 备注 1 2 3 4 七、实验分析与讨论 1、判别临界流除了采用临界底坡方法外，还有其他什么方法? 2005 向文英、江岸编写 2、分析计算水面线时，急流和缓流的控制断面应如何选择? 为什么? 3、在进行缓坡或陡坡实验时，为什么在接近临界底坡情况下，不容易同时出现三种水 面线的流型式？ 4、请利用本实验装置，独立构思测量活动水槽糙率的实验方案 ( 假定水槽中流动为阻 力平方区) 。 5、量测堰上水头 H 值时，堰上游水位测针读数为何要在堰壁上游（3 — 4） H 附近处测 读? 6、为什么宽顶堰要在 2.5< δ /H<10 的范围内进行实验? 7、有哪些因素影响实测流量系数的精度 ?如果行近流速水头略去不计，对实验结果会产 生多大。