安徽电气工程职业技术学院：流体力学泵与风机：syjc

工 程 流 体 力 学 实 验 指 导 书 与 报 告 专业_________________ 班级_________________ 学号_________________ 姓名_________________ 安徽电气工程职业技术学院 目 录 （一） 流体静力学实验…………………………………………………………(1) （二） 不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验…………………(6) （三） 不可压缩流体恒定流动量定律实验………………………………… (10) （四） 毕托管测速实验……………………………………………………… (13) （五） 雷诺实验……………………………………………………………… (16) （六） 文丘里流量计实验…………………………………………………… (19) （七） 沿程水头损失实验…………………………………………………… (23) （八） 局部水头损失实验…………………………………………………… (29) （九） 孔口与管嘴出流实验………………………………………………… (33) 1 (一)流体静力学实验 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。 二、实验装置 本实验的装置如图1.1所示。 图1.1 流体静力学实验装置图 1.测压管 2.带标尺的侧压管 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，则▽B、▽C、▽D亦为ZB、ZC、ZD； 3．本仪器中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 constpz =+ g 2 或 hpp g+= 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； p0——水箱中液面的表面压强； γ——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，应用等压面可得油的比重S0有下列关系： 21 10 0 hh hS w + ==gg * （1.2） 据此可用仪器（不用另外尺）直接测得S0。 四、实验方法与步骤 1．搞清仪器组成及其用法。包括： 1）各阀门的开关； 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； *该式推导如下： 当U型管中水面与油水界面齐平（图1.2），取其顶面为等压面，有 Hhp w 0101 gg == （1.a） 另当U型管中水面和油面齐平（图1.3），取其油水界面为等压面，则有 HHp w 002 gg =+ 又 HHhp ww ggg ?=?= 0202 （1.b） 由（1.a）、（1.b）两式联解可得： 21 hhH += 代入式（1.a）得 21 10 hh h w + =gg （1.c） 3 表1.1 流体静压强测量记录及计算表 单位：cm 压强水头 测压管水头 实验条件 次序 水箱液面▽0 测压管液面▽H 0???= H Ap g BH Bp ???= g CH Ap ???= g 0???= H Dp g g C C pZ + g D D pZ + P0=0 1 1 2 P0>0 3 1 2 P0<0 (其中一 次PB<0) 3 注：表中基准面选在______________________ZC=__________________cm ZD=_______________________cm 4 表1. 2 油容重测量纪录及计算表 单位：cm 条件 次序 水箱液面标尺读 数▽0 测压管液面读数▽ H 01 ???= Hh 1h Hh ???= 02 2h 21 10 0 hh hS w + == gg 1 2 P0>0 且U型管 中水面与 油水交界 面齐平 3 1 2 P0<0 且U型管 中水面与 油面齐平 3 S0= γ0= N/cm3 5 4)检查仪器是否密封 加压后检查测管l、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．记录仪器号No．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 00 =p )，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，加压使之形成 00 >p ，测记▽0及▽H； 3)打开放水阀11，使之形成 00 <p (要求其中一次 0<gBp ，即 BH ?<? )，测记▽0及 ▽H。 4．测出4#测压管插入小水杯中的深度。 5．测定油比重S。 1)开启通气阀6，测记▽0； 2)关闭通气阀6，打气加压( 00 >p )，微调放气螺母使U形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3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( 00 <p )，使U形管 中的水面与油面齐平(图1．3)，测记 00 <p (此过程亦反复进行3次)。 五、实验成果及要求 1．记录有关常数。 实验装置台号No. 各测点的标尺读数为： ▽B＝ cm，▽C＝ cm，▽D = cm，γw = N/cm3。 2．分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，并选择一基准检验同一静止液体内的任意 二点C、D的( gpz + )是否为常数。 3．求出油的容重。 γ0 = N/cm3 4．测出4#测压管插入小水杯水中深度。 Δh4= cm 六、实验分析与讨论 1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线? 2．当 0<Bp 时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。 3．若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ0 4．如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响? 5．过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面?哪一部分 液体是同一等压面? 6．用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗? 7．该仪器在加气增压后，水箱液面将下降δ而测压管液面将升高H，实验时，若以 00 =p 时 的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后．实际压强(H+δ)与视在压强H的相对误差值。本仪器 测压管内径为0.8cm，箱体内径为20cm。 6 (二)不可压缩流体恒定流能量方程 （伯诺里方程）实验 一、 实验目的要求 1． 验证流体恒定总流的能量方程； 2． 通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性； 3． 掌握流速、流量、压强等动水力学要素的实验量测技能 二、 实验装置 本实验的装置如图2.1所示。 图2.1 自循环伯诺里方程实验装置图 1.自循环供水器； 2.实验台； 3.可控硅无级调速器； 4.溢流板； 5.稳水孔板； 6.恒压水箱； 7.测压计； 8. 滑动测量尺； 9.测压管； 10.实验管道 11.测压管； 12.毕托管； 13.实验流量调节阀 说明 本仪器测压管有两种： 1．毕托管测压管（表 2.1 中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头 'H ( g upz 2 2 ++= g )，须注意一般情况下 'H 与断面总水头H ( gvpz 2 2 ++= g )不同（因一般 vu≠ ），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势； 2．普通测压管（表2.1未标*者），用以定量量测测压管水头。 7 实验流量用阀13调节，流量由体积时间法（量筒、秒表另备）、重量时间法（电子称另备） 或点测法测量（以下实验类同）。 三、 实验原理 在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面（1）至另—断面（i）的能 量方程式（i=2,3,……,n） iw iii i hg vpz g vpz ?+++=++ 1 22 111 1 22 a g a g 取 121 === naaa Λ ，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出 gpz + 值，测出通过管路的流量， 即可计算出断面平均流速v及 gv2 2 ，从而即可得到各断面测管水头和总水头。 四、实验方法与步骤 1.熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的 区别。 2.打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐 平。如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。 3.打开阀13，观察思考1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位置水头、压强水头 之间的相互关系；3）测点（2）、（3）测管水头筒否？为什么？4）测点（12）、（13）测管 水头是否不同？为什么？5）当流量增加或减少时测管水头如何变化？ 4.调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（毕托管供 演示用，不必测记读数）。 5.改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。 五、实验成果及要求 1．记录有关常数 均匀段D1= cm 缩管段D2= cm 扩管段D3= cm 水箱液面高程▽0 = cm 上管道轴线高程▽z = cm 表2．1 管径记录表 注：(1)．测点6、7所在断面内径为D2，测点16、17为D3，余均为D1。 (2)．标“*”者为毕托管测点(测点编号见图2.2)． (3)．测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面 上的两个测点 2．量 测 （ gpz + ）并 记 入 表 2 .2 。 测点编号 1* 2 3 4 5 6* 7 8* 9 10 11 12* 13 14* 15 16* 17 18* 19 管径cm 两点间距cm 4 4 6 6 4 13.5 6 10 29 16 16 8 表2.2 测记（ gpz + ）数值表 （基准面选在标尺的零点上） 单位： cm 测点 编号 2 3 4 5 7 9 10 11 13 15 17 19 Q cm3/s 1 2 实 验 次 序 3 3. 计算流速水头和总水头 4. 绘制上述成果中最大流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P（轴向尺寸参见图2.2，总水头线和测 压管水头线可以绘在图2.2上）。 提示： 1．P-P线依据2.2数据绘制，其中测点10、11、13数据不用 2．E-E线依表2.3（2）数据绘制，其中测点10、11数据不用 3．在等直径管段E-E与P-P线平行。 图2.2 六、成果分析及讨论 1． 测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同?为什么？ 2． 流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 3． 测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？ 4． 试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高或降低水箱水 位）对喉管压强的影响情况。 5． 毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。 9 表2.3 计算数值表 （1） 流速水头 管径d(cm) Q= (cm3/s) Q= (cm3/s) Q= (cm3/s) A(cm2) v(cm/s) v2/2g(cm) A(cm2) v(cm/s) v2/2g(cm) A(cm2) v(cm/s) v2/2g(cm) （2） 总水头（ gvpz 2 2a g ++ ） 单位： cm 测点 编号 Q (cm3/s) 1 2 实 验 次 序 3 10 （三）不可压缩流体恒定流动量定律实验 一、实验目的要求 1．验证不可压缩流体恒定流的动量方程； 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讨，进一步掌握流体动 力学的动量守恒定理； 3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，进一步启发与培养创造性思维的能力。 二、实验装置 本实验的装置如图3. 1所示。 自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控 制。水流经供水管给恒压水箱 5，溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴6 的水流形成射流，冲击带活 塞和翼片的抗冲平板 9，并以与入射角成 90o的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管 8 中 的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深hc可由测压管8测得，由此可求得射流的冲力，即动力量 F。冲击后的弃水经集水箱7汇集后，再经上回水管10流出，最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。 11 为了自动调节测压管内的水位，以使带活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影响，本实 验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术，其构造如下： 带活塞和翼片的抗冲击平板9和带活塞套的测压管8如图3.2 所示，该图是活塞退出活塞套时的 分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a，进口端位于平板中心，出口端伸出活塞头部，出口方向与 轴向垂直。在平板上设有翼片b，活塞套上设有窄槽c。 图3.2 图3.3 工作时，在射流冲击力作用下，水流经导水管 a 向测压管内加水。当射流冲击力大于测压管内水 柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽 c 关小，水流外溢减少，使测压管内水位升高，水压力增大。反 之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测管内水位降低，水压力减小。在恒定射流冲击下，经短 时段的自动调整，即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处于半进半出、窄槽部分开启 的位置上，过 a 流进测压管的水量和过 c 外溢的水量相等。由于平板上设有翼片 b，在水流冲击下， 平板带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。 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0.5~1mm），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‰ 。 三、 实验原理 恒定总流动量方程为 )( 1122 vvQF bbr ?= 取脱离体如图3.3所示，因滑动摩擦阻力水平分力 xx Ff %5.0< ，可忽略不计，故x方向的动量方 程为 )0(4 112 xccx vQDhApF brpg ?=?=?= 12 即 04 211 =? DhQv cx gprb 式中： hC——作用在活塞形心处的水深； D——活塞的直径； Q——射流流量； V1x——射流的速度； β1——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hC，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β1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园心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞园心处的水深。 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 除离心式水泵内滞留的空气。 3．调整测压管位置 待恒压水箱满顶溢流后，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园心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下 测压管内液面的标尺读数，即hC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，若用电测仪测流 量时，则须在仪器量程范围内。均需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。 7．验证 02 ≠xv 对 xF 的影响 取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位置， 使反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深hC’和管嘴作用水头 Ho。 五、实验成果及要求 1．记录有关常数。 实验装置台号No 管嘴内径d= cm，活塞直径D= cm。 2．设计实验参数记录、计算表，并填入实测数据。 3．取某一流量，绘出脱离体图，阐明分析计算的过程。 六、实验分析与讨论 1．实测b (平均动量修正系数)与公认值( b＝1．02～1．05)符合与否?如不符合，试分 析原因。 2．带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的 动量方程有无影响?为什么? 3．若通过细导水管的分流，其出流角度与v2相同，对以上受力分析有无影响? 4．滑动摩擦力fx为什么可以忽略不计?试用实验来分析验证的fx大小，记录观察结果。(提 示：平衡时，向测压管内加入或取出lmm左右深的水量，观察活塞及液位的变化)。 5．V2x若不为零，会对实验结果带来什么影响?试结合实验步骤7的结果予以说明。 表3.1 测量记录及计算表（单位：cm，s，dny制） 测次 体积V 时间T 管嘴作用水 头H0 活塞作用 水头hC 流量Q 流速v 动量力F 动量修 正系数 β1 1 2 3 13 （四）毕托管测速实验 一、 实验目的和要求 1． 通过对管嘴淹没出流点流速及流速系数的测量，掌握用毕托管测量点流速的技能； 2． 了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其测量精度，进一步明确传统流体力学量测仪 器的现实作用。 二、 实验装置 本实验的装置如图4.1所示。 图4.1 毕托管实验装置图 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.毕托管； 8.尾水箱与导轨； 9.测压管； 10.测压计 11.滑动测量尺（滑尺）； 12.上回水管。 说明 经淹没管嘴 6，将高低水箱水位差的位能转换成动能，并用毕托管测出其点流速值，测压计 10 的测压管1、2用以测量高、低水箱位置水头，测压管3、4用以测量毕托管的全压水头和静压水头， 水位调节阀4用以改变测点流速大小。 三、 实验原理 14 hkhgcu ?=?= 2 gck 2= （4.1） 式中 u——毕托管测点处的点流速； v——毕托管的校正系数； Δh——毕托管全压水头与静水压头差。 Hgu ?= 2'j （4.2） 联解上两式可得 Hhc ??= /'j （4.3） 式中 u——测点处流速，由毕托管测定； 'j ——测点流速系数； H? ——管嘴的作用水头。 四、实验方法与步骤 1．准备 (a)热悉实验装置各部分名称、作用性能，搞清构造特征、实验原理。(b)用 医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管1、2相连通。(c)将毕托管对准管嘴， 距离管嘴出口处约2～3cm，上紧固定螺丝。 2．开启水泵 顺时针打开调速器开关3，将流量调节到最大。 3．排气 待上、下游溢流后，用吸气球(如医用洗耳球)放在测压管口部抽吸，排除毕 托管及各连通管中的气体，用静水匣罩住毕托管，可检查测压计液面是否齐平，液面不齐平 可能是空气没有排尽，必须重新排气。 4．测记各有关常数和实验参数，填入实验表格。 5．改变流速 操作调节阀4并相应调节调速器3，使溢流量适中，共可获得三个不同恒定 水位与相应的不同流速。改变流速后，按上述方法重复测量。 6．完成下述实验项目： (1)分别沿垂向和沿流向改变测点的位置，观察管嘴淹没射流的流速分布； (2)在有压管道测量中，管道直径相对毕托管的直径在6～10倍以内时，误差在2～5%以上， 不宜使用。试将毕托管头部伸入到管嘴中，予以验证。 7.实验结束时，按上述3的方法检查毕托管比压计是否齐平。 五、实验成果及要求 实验装置台号No 表4.1 记录计算表 校正系数c= ，k= cm0。5／s 上、下游水位差(cm) 毕托管水头差(cm) 测点流速 hku ?= 测点流速系数 Hhc ??='j 实验 次序 h1 h2 ΔH h3 h4 Δh (cm／s) 15 六、实验分析与讨论 1．利用测压管测量点压强时，为什么要排气?怎样检验排净与否? 2．毕托管的压头差Δh和管嘴上、下游水位差ΔH之间的大小关系怎样?为什么? 3．所测的流速系数 'j 说明了什么? 4．据激光测速仪检测，距孔口2～3cm轴心处，其点流速系数 'j 为0.996，试问本实验的毕托管 精度如何?如何率定毕托管的校正系数c? 5．普朗特毕托管的测速范围为0.2～2m/s，流速过小过大都不宜采用，为什么?另，测速时要求探 头对正水流方向(轴向安装偏差不大于10度)，试说明其原因(低流速可用倾斜压差计)。 6．为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器? 16 （五）雷诺实验 一、 实验目的要求 1． 观察层流、紊流的流态及其转换特性； 2． 测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则 3． 学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，了解其实用意义。 二、 实验装置 本实验的装置如图5.1所示。 图5.1 自循环雷诺实验装置图 1.自循环供水器； 2.实验台； 3.可控硅无级调速器； 4.恒压水箱； 5.有色水水管； 6.稳水孔板； 7.溢流 板； 8.实验管道； 9.实验流量调节阀 供水流量由无级调速器调控使恒压水箱4始终保持溢流的程度，以提高进口前有色水体稳定度。 本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3-5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管 道8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用水。 三、 实验原理 KQdQvd === npn 4Re ； npdK 4= 四、实验方法与步骤 1．测记本实验的有关常数。 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 17 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，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，用体积法或电测法测定流量； (3)根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)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： a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟； b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大； c、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。 五、实验成果及要求 1．记录、计算有关常数： 实验装置台号No 管径 d= cm，水温 t= ℃ 运动粘度 =++= 2000221.00337.01 01775.0 ttn cm2/s 计算常数 K= s/cm3 2．整理、记录计算表 实验 次序 颜色水线 形态 水体积 V(cm3) 时间 T(s) 流量 Q(cm3/s) 雷诺数 Re 阀门开度增 （↑）或减（↓） 备注 测下临界雷诺数(平均值) =cRe 注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。 六、实验分析与讨论 18 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 界雷诺数为多少? 3．雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷 诺数是2000，原因何在? 4．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在? 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? 19 （六）文丘里流量计实验 一、实验目的要求 1.通过测定流量系数，掌握文丘里流量计量测管道流量的技术和应用气-水多管压差计量测压差的 技术； 2.通过实验与量纲分析，了解应用量纲分析和实验结合研究水力学问题的途径，进而掌握文丘 里流量计的水力特性 二、实验装置 本实验的装置如图6.1所示。 图6.1 文丘里流量计实验装置图 1.自循环供水器； 2.实验台； 3.可控硅无级调速器； 4.恒压水箱； 5.有色水水管； 6.稳水孔板； 7.文丘 里实验管段； 8.测压计气阀； 9.测压计； 10.滑尺； 11.多管压差计； 12.实验流量调节阀 在文丘里流量计的两个测量断面上，分别有 4 个测压孔与相应的均压环连通，经均压环均压后 的断面压强由气-水多管压差计9测量（亦可用电测仪量测，详参P26）。 三、实验原理 根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文丘里管过水能力关系式 20 hKpZpZg d d d Q ?=? ? ? ?? ? ??? ? ??? ? +? ??? ? ??? ? + ??? ? ? ??? ? = gg p 2 2 1 14 2 1 2 1' 2 1 4 ( ) 1/24 42121 ?= ddgdK p ??? ? ??? ? +? ??? ? ??? ? +=? gg 2 2 1 1 pZpZh 式中：△h为两断面测压管水头差。 由于阻力的存在，实际通过的流量Q恒小于Q’。今引入一无量纲系数 '/ QQ=m (μ称为流量 系数)，对计算所得的流量值进行修正。 即 hKQQ ?== mm ' 另，由水静力学基本方程可得气一水多管压差计的△h为 4321 hhhhh ?+?=? 四、实验方法与步骤 1. 测记各有关常数。 2. 开电源开关，全关阀12，检核测管液面读数 4321 hhhh ?+? 是否为0，不为0时，需查出 原因并予以排除。 3. 全开调节阀12检查各测管液面是否都处在滑尺读数范围内？否则，按下列步序调节：拧开气阀 8／将清水注入测管 2、3／待 h2=h3≈24cm，打开电源开关充水／待连通管无气泡，渐关阀 12，并调 开关3／至h1=h2≈28.5cm，即速拧紧气阀8。 4. 全开调节阀门，待水流稳定后，读取各潮压管的液面读数h1、h2、h3、h4，并用秒表、量筒测 定流量。 5. 逐次关小调节阀，改变流量7～9次，重复步骤4，注意调节阀门应缓慢。 6. 把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。 7. 如测管内液面波动时，应取时均值。 8. 实验结束，需按步骤2校核压差计是否回零。 五、实验成果及要求 1. 记录计算有关常数。 实验装置台号No d1＝ cm，d2= cm， 水温 t= ℃，n = cm2/s， 水箱液面标尺值▽0 = cm， 管轴线高程标尺值▽= cm。 21 2.整理记录计算表。 表6.1 记录表 测压管读数（cm） 次 序 h1 h2 h3 h4 水量 （cm3） 测量 时间 （s） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 表6.2 计算表 K= cm2.5/s 次 序 Q(cm3/s) 4321 hhhhh ?+?=? (cm) Re hKQ ?= ( cm3/s) 'Q Q=m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 22 3．用方格纸绘制Q～△h与Re～μ曲线图。分别取△h、μ为纵坐标(绘法参P29附录7．1)。 六、实验分析与讨论 1．本实验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验的管道而 言，若因加工精度影响，误将(d2 -0．01)cm值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多 少？ 2．为什么计算流量Q’实际流量Q不相等? 3．试证气一水多管压差计(图6．2)有下列关系： 4321 2 2 1 1 )()( hhhh pZpZh ?+?=+?+=? gg 4．试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。 5．文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6～7mmH2O。工程中应用文氏管时，应检验 其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少? 23 (七)沿程水头损失实验 一、实验目的要求 1．加深了解园管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律，绘制lghf～lgv曲线； 2．掌握管道沿程阻力系数的量测技术和应用气一水压差计及电测仪测量压差的方法； 3．将测得的Re～λ关系值与莫迪图对比，分析其合理性，进一步提高实验成果分析能力。 二、实验装置 本实验的装置如图7．1所示 图7．1 自循环沿程水头损失实验装置图 1．自循环高压恒定全自动供水器； 2．实验台； 3．回水管； 4．水压差计； 5．测压计； 6．实验管道； 7. 水银压 差计； 8．滑动澜量尺； 9．测压点； 10．实验流量调节阀； 11．供水管与供水阀； 12．旁通管与旁通阀；13．稳压筒。 根据压差测法不同，有两种型式： 型式I 压差计测压差。低压差用水压差计量测；高压差用水银多管式压差计量测。装置简图如图 7．1所示。 型式Ⅱ 电子量测仪测压差。低压差仍用水压差计量测；而高压差用电子量测仪(简称电测仪)量测。 与型式I比较，该型唯一不同在于水银多管式压差计被电测仪(图7．2)所取代。 本实验装置配备有； 1．自动水泵与稳压器 自循环高压恒定全自动供水器由离心泵、自动压力开关、气一水压力罐式稳压器等组成。压力 超高时能自动停机，过低时能自动开机。为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影 24 响，离心泵的输水是先进入稳压器的压力罐．经稳压后再送向实验管道。 图7.2 1.压力传感器； 2.排气旋钮； 3.连通管； 4.主机 2．旁通管与旁通阀 由于本实验装置所采用水泵的特性，在供小流量时有可能时开时停，从而造成供水压力的较大波 动。为了避免这种情况出现，供水器设有与蓄水箱直通的旁通管(图中未标出)，通过分流可使水泵持续 稳定运行。旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门，即旁通阀，实验流量随旁通阀开度减小(分流量 减小)而增大。实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要阀门之一。 3．稳压筒 为了简化排气，并防止实验中再进气，在传感器前连接由2只充水(不满顶)之密封立 筒构成。 4．电测仪 由压力传感器和主机两部分组成。经由连通管将其接入测点(图7．2)。压差读数(以厘 米水柱为单位)通过主机显示。 三、实验原理 由达西公式 gvdlhf 2 2 l= 得 2222 )/4( 212 Q hKQd L gdh vL gdh fff === pl （7.1） LgdK 8/52p= 另由能量方程对水平等直径园管可得 g/)( 21 pphf ?= （7.2） 压差可用压差计或电测。对于多管式水银压差有下列关系： ( ) m w m w f hhhhh pph ?=?+? ??? ? ??? ? ?=?= 6.121 3412 21 g g g * （7.3） 3412 hhhhhm ?+?=? 式中，γm、γw分别为水银和水的容重；Δhm为汞柱总差。 25 * 图7．3知 据水静力学基本方程及等压面原理有 2443 322111 )()( )()()( pyhhh hhhhhyp wm wmw =++?+ ?+?++? gg ggg m w m f w h hhhhhpp ?= ?+??==? 6.12 ))(1( 341221 ggg 图7.3 四、实验方法与步骤 准备I 对照装置图和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查蓄水箱水位是否够 高及旁通阀12是否已关闭。否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数：工作管内径d和实验管长 L(标志于蓄水箱)。 准备Ⅱ 启动水泵。本供水装置采用的是自动水泵，接通电源，全开阀12，打开供水阀11，水泵 自动开启供水。 准备Ⅲ 调通量测系统。 1．夹紧水压计止水夹，打开出水阀10和进水阀 11(逆钟向)，关闭旁通阀12(顺钟向)，启动水泵 排除管道中的气体。 2．全开阀12，关闭阀10，松开水压计止水夹，并旋松水压计之旋塞F1，排除水压计中的气体。 随后，关阀11，开阀10，使水压计的液面降至标尺零指示附近，即旋紧F1。再次开启阀11 并立即关 闭阀10，稍候片刻检查水压计是否齐平，如不平则需重调。 3．水压计齐平时，则可旋开电测仪排气旋扭，对电测仪的连接水管通水、排气，并将电测仪调 至“000”显示。 4．实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在阀 12、阀 11 全开的前提下，逐次开大出水阀 10，每次调节流量时，均需稳定2—3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；测流时间不小于8～10秒；测 流量的同时，需测记水压计(或电测仪)、温度计(温度表应挂在水箱中)等读数： 层流段：应在水压计Δh～20mmH2O(夏季)[Δh～30mmH2O(冬季)]量程范围内，测记 3～5 组数据。 紊流段：夹紧水压计止水夹，开大流量，用电测仪记录hf值，每次增量可按Δh～100cmH2O递加， 直至测出最大的hf值。阀的操作次序是当阀11、阀 10开至最大后，逐渐关阀12，直至hf显示最大值。 5．结束实验前，应全开阀12，关闭阀10，检查水压计与电测仪是否指示为零，若均为零，则关 阀11，切断电源。否则，表明压力计已进气，需重做实验。 五、实验成果及要求 1．有关常数。 实验装置台号 圆管直径d＝ cm， 量测段长度L=85cm。 2．记录及计算(见表7．1)。 3．绘图分析 绘制lgv～lghf曲线，并确定指数关系值m的大小。在厘米纸上以lgv为横坐标， 以lghf为纵坐标，点绘所测的lgv～lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线。求厘米纸上直 26 线的斜率 12 12 lglg lglg vv hhm ff ? ?= 将从图上求得的m值与已知各流区的m值(即层流m=1，光滑管流区，m=1.75，粗糙管紊流区，m=2．0， 紊流过渡区1．75<m<2．0)进行比较，确定流区。 27 表7. 1 记录及计算表 常数 == LgdK 8/52p cm5/s2 比压计、电测仪读数（cm） 次 序 体积 cm3 时间 s 流量Q cm3/s 流速v cm/s 水温 ℃ 粘度 cm2/s 雷诺数 Re h1 h2 沿程损失hf cm 沿程损失 系数λ 2320Re < λ=64/Re 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 28 六、实验分析与讨论 1．为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失?如实验管道安装成倾斜，是否影响实验成果? 2．据实测m值判别本实验的流区。 3. 实际工程中钢管中的流动，大多为光滑紊流或紊流过渡区，而水电站泄洪洞的流动．大多为紊 流阻力平方区，其原因何在? 4．管道的当量粗糙度如何测得? 5．本次实验结果与莫迪图吻合与否?试分析其原因。 1 *附录7．1 实验曲线绘法建议 1．图纸 绘图纸可用普通厘米纸或对数纸，面积不小于12 X 12cm； 2．坐标确定 若采用厘米纸，取lghf为纵坐标(绘制实验曲线一般以因变量为纵坐标)，1gv为横坐标； 采用对数纸，纵坐标写hf，横坐标用v，即不写成对数； 3．标注 在坐标轴上，分别标明变量名称、符号、单位以及分度值； 4．绘点 据实验数据绘出实验点； 5．绘曲线 据实验点分布绘制曲线，应使位于曲线两侧的实验点数大致相等，且各点相对曲线的垂直 距离总和也大致相等。 29 (八)局部阻力损失实验 一、实验目的要求 1．掌握三点法、四点法量测局部阻力系数的技能； 2．通过对园管突扩局部阻力系数的包达公式和突缩局部阻力系数的经验公式的实验验证熟悉用 理论分析法和经验法建立函数式的途径； 3．加深对局部阻力损失机理的理解。 二、实验装置 本实验装置如图8．1所示。 图8．1 局部阻力系数实验装置圈 1．自循环供水器； 2．实验台； 3．可控硅无级调速器； 4．恒压水箱； 5. 溢流板； 6．稳水孔板； 7．突然扩大 实验管段； 8．测压计； 9．滑动测量尺； 10．测压管； 11．突然收缩实验管段； 12．实验流量调节阀。 实验管道由小→大→小三种已知管径的管道组成，共设有六个测压孔，测孔 1—3 和 3—6分别测 量突扩和突缩的局部阻力系数。其中测孔 l位于突扩界面处，用以测量小管出口端压强值。 三、实验原理 写出局部阻力前后两断面的能量方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得： 1．突然扩大 采用三点法计算，下式中hf1-2由hf2-3按流长比例换算得出。 30 实测 ]2)[(]2)[( 21 2 22 2 2 11 1 ?+++?++= fje hg vpZ g vpZh a g a g gvhjee 2/ 2 1az = 理论 2 2 1' 1 ?? ? ? ??? ? ?= A A ez gvh eje 2 2 1'' az= 2．突然缩小 采用四点法计算，下式中B点为突缩点，hf4-B由hf3-4换算得出，hfB-5由hf5-6换算得出。 实测 ]2)[(]2)[( 5 2 55 54 2 44 4 ?? +++??++= fBBfjs hg vpZh g vpZh a g a g gvhjss 2/ 2 5az = 经验 2 3 5' 15.0 ?? ? ? ??? ? ?= A A ez gvh sjs 2 2 5'' az= 四、实验方法与步骤 1．测记实验有关常数。 2．打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中的滞留气体。待水箱溢流后，检查泄 水阀全关时，各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。 3．打开泄水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法或用电测法测记流量。 4．改变泄水阀开度3～4次，分别测记测压管读数及流量。 5．实验完成后关闭泄水阀，检查测压管液面是否齐平?否则，需重做。 五、实验成果及要求 1．记录、计算有关常数： 实验装置台号No d1＝D1＝ cm， d2＝d3＝d4＝D2＝ cm， d5＝d6＝D3＝ cm， l1-2=12cm， l2-3＝24cm， l3-4＝12cm， l4-B＝6cm， lB-5＝6cm， l5-6＝6cm， 31 2 2 1' 1 ?? ? ? ??? ? ?= A A ez = ， 2 3 5' 15.0 ?? ? ? ??? ? ?= A A ez = 。 2．整理记录、计算表。 3．将实测(值与理论值(突扩)或公认值(突缩)比较 表8.1 记录表 流量cm3/s 测压管读数 cm 次 序 体积 时间 流量 表8.2 计算表 前断面 后断面 阻力 形式 次 序 流量 cm3/s hj cm ζ hj’ cm 突 然 扩 大 突 然 缩 小 32 六、实验分析与讨论 1． 结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。 2． 结合流动仪演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的 主要部位在哪里？怎样减少局部阻力损失？ 3． 现备有一段长度及连接方式与调节阀（图8.1）相同，内径与实验管道相同的真空管，如何 用两点法测量阀门的局部阻力系数？ 4． 实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数（Re>105）如下： 序号 1 2 3 4 5 d2/d1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ζ 0.48 0.42 0.32 0.18 0 试用最小二乘法建立局部阻力系数的经验公式。 5．试说明用理论分析法和经验法建立相关物理量间函数关系式的途径。 33 (九)孔口与管嘴出流实验 一、实验目的要求 1．掌握孔口与管嘴出流的流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数的量测技能； 2．通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析，了解进口形状对出流能力的影响及相关水力要 素对孔口出流能力的影响。 二、实验装置 本实验装置如图9．1所示。 图9．1 孔口管嘴实验装置图 1．自循环供水器； 2．实验台； 3. 可控硅无级调速器； 4．恒压水箱； 5．溢流板； 6.稳水孔板； 7．孔 口管，其图内小字标号1#为喇叭进口，2#为直角进口管嘴，3#为锥形管嘴，4#为孔口； 8．防溅旋板； 9．测量孔 口射流收缩直径的移动触头； 10．上回水槽； 11．标尺； 12．测压管。 测压管12和标尺11用于测量水箱水位、孔口管嘴的位置高程及直角进口管嘴2#的真空度。防溅 板 8 用于管嘴的转换操作，当某一管嘴实验结束时，将旋板旋至进口截断水流，再用橡皮塞封口；当 需开启时，先用旋板档水，再打开橡皮塞。这样可防止水花四溅。移动触头 9 位于射流收缩断面上， 可水平向伸缩，当两个触块分别调节至射流两侧外缘时，将螺丝固定，然后用游标卡尺测量两触块的 间距，即为射流收缩断面直径。本设备还能演示明槽水跃。 三、实验原理 00 22 gHAgHAQ mje == 34 流量系数 02gHA Q=m 收缩系数 2 2 d d A A cc ==e 流速系数 zemj +=== 112 0gH vc 阻力系数 112 ?=jz 四、 实验方法与步骤 1． 记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。 2． 打开调速器开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开1#园角管嘴，待水面稳定后，测记水 箱水面高程标尺读数 H1，测定流量 Q（要求测量三次，时间尽量长些，以求准确），测量完毕，先旋 转水箱旋板，将1#管嘴进口盖好，再塞紧橡皮塞。 3． 依照上法，打开2#管嘴，测记水箱水面高程标尺读数H1及流量Q，观察和测量直角管嘴出 流时的真空情况。 4． 依次打开3#圆锥形管嘴，测定H及Q。 5． 打开4#孔口，观察孔口出流现象，测定H1及Q，并按下述7b的方法测记孔口收缩断面的直 径（重复测量三次）。 然后改变孔口出流的作用水头（可减少进口流量），观察孔口收缩断面直径随水 头变化的情况。 6． 关闭调速器开关，清理实验桌面及场地。 7． 注意事项： （1） 实验次序先管嘴后孔口，每次塞橡皮塞前，先用旋板将进口盖掉，以免水花溅开； （2） 量测收缩断面直径，可用孔口两边的触头。首先松动螺丝，先移动一边触头将其与 水股切向接触，并旋紧螺丝，再移动另一边触头，使之切向接触，并旋紧螺丝，再将旋板开 关顺时针方向关上孔口，用卡尺测量触头间距，即为射流直径。实验时将旋板置于不工作的 孔口（或管嘴）上，尽量减少旋板对工作孔口、管嘴的干扰； （3） 进行以上实验时，注意观察各出流的流股形态，并做好记录。 五、实验成果及要求 1．有关常数： 实验装置台号No 园角管嘴d1＝ cm， 出口高程读数Z1=Z2= cm， 直角管嘴d2= cm， 园锥管嘴d3＝ cm， 出口高程读数Z3=Z4= cm， 孔 口d4＝ cm。 2．整理记录及计算表格(表9．1)。 35 表9.1 分类 项目 园角管嘴 直角管嘴 园锥管嘴 孔口 水面读数H1(cm) 体积(cm3) 时间(s) 流量(cm3/s) 平均流量(cm3/s) 水头(cm) 面积(cm2) 流量系数μ 测管读数H2(cm) 真空度Hv(cm) 收缩直径dC(cm) 收缩断面 AC(cm2) 收缩系数ε 流速系数φ 注：流股形态：①光滑圆柱②紊散③圆柱形麻花状扭变④具有侧收缩的光滑圆柱⑤其它形状 六、 实验分析与讨论 1． 结合观测不同类型管嘴与孔口出流的流股特征，分析流量系数不同的原因及增大过流能 力的途径。 2． 观察d/H>0.1时，孔口出流的侧收缩率较d/H<0.1时有何不同？ 3． 试分析完善收缩的锐缘薄壁孔口出流的流量系数 Qm 有下列关系： )Re,,( WeHdfQ =m 根据这一关系，并结合其它因素分析本实验的流量系数偏离理论值（ 611.0=Qm ）的原因，其中 eW 为韦伯数。