华 东 交 通 大 学 土 建 学 院

流体力学（大类）

实 验 指 导 书 及 报 告

班级： 姓名： 学号：

实验一 点压强量测实验

一、实验目的与要求

1.掌握测量任一点相对压强与绝对压强的方法，并加深理解相对压强与绝对压强的概念；

2.验证水静力学的基本方程，掌握测压管与压差计的工作原理与量测技能； 3.熟练并准确完成测压管与压差计的读数任务；

4.通过实验分析，学会应用水静力学知识解决实际工程测量问题。

二、实验原理

实验原理主要为静力学的基本方程及原理，即： （1）在重力作用下，水静力学的基本方程：

Z+P/γ=C（常数）或P=P0+γh。

式中：Z-被测点与基准面的垂直高度；

P-被测点的静水压强；P0为水箱的液面压强； γ-水的容重；

h-被测点在水箱中的垂直淹没深度。

（2）静力学的等压面原理，即对于连续同种介质，液体处于静止状态时，水平面即为等压面。

三、实验仪器与装置

本点压强量测实验主要的仪器设备包括：带标尺的测压管，U型测压管，加压打气球，量杯等。实验装置流程如图1所示。

1

图1 点压强量测实验装置

四、实验方法与步骤

1.熟悉实验装置的主要组成构件及各部分的功能与作用，包括加压与减压方法，检查仪器是否密封等。

2.记录实验装置流程中的主要常数。

3.打开通气阀1，保持液面与大气相通，此时水箱水面压强P0=Pa，其相对压强为零，观测记录水箱液面为大气压强时各测压管液面高度；

4.水面增压操作：关闭放水阀，用打气球向水箱水面以上气体空间加压，并分别使管1与管2水面上升约3cm时停止加压，并关闭阀1，读取并记录各测压管液面高度值，包括测压管1与测压管2中水面至标尺起点高度h1与h2，与U型测压管两管中水面至标尺起点的高度h3与h4，以及水箱液面相对于水箱底面的高度。计算水箱液面下A、B两点的压强及液面压强。重复该步骤操作两次，每次操作使测压管高度变化3cm左右，便于读数。

5.水面减压操作：关闭通气阀，打开放水阀并缓慢放水，放出少许水量后，读取并记录两测压管及U型测压管液面至标尺起点的高度h1、h2、h3与h4，与U型测压管两管中水面至标尺起点的高度h3与h4，以及水箱液面相对于水箱底面的高度。计算水箱液面下A、B两点的压强及液面压强。重复该步骤操作两次，并每次操作使测压管高度变化3cm左右，便于读数。

6.实验结束后使实验设备恢复原状。

五、实验结果与计算

量测水箱液h1=PA/γ h2=PB/γ h3 h4 ZA+PA/γ ZB+PB/γ P0/γ=h4-h3 Z0+P0/γ (cm) (cm) (cm) (cm) 2

次数 面高度 (cm) 1 P0=P 2 (cm) (cm) (cm) 3 P0>Pa 4 5 6 P0

六、思考题

1.如测压管管径太细，对测压管液面的读数有何影响？在毛细管现象影响下，测压管的读数如何减少误差？

2.同一静止液体内的测压管水头线是什么线？

3.用本实验装置能否测出装置中A、B两点及水箱水面的绝对压强，为什么？ 4.绝对压强与相对压强、真空度的关系是什么？

3

实验二 雷诺实验

一、实验目的和要求

1. 观察层流、湍流的流态及其转换过程； 2. 测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；

3. 学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，确定非圆管流的流态判别准数。

二、 实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

4567812 1711 1610 159321图1 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 10. 稳压筒 11.传感器 12. 智能化数显流量仪

2. 装置说明与操作方法

供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱设有多道稳水隔板，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色水。实验流量由调节阀9调节。流量由智能化数显流量仪测量，使用时须先排气调零，所显示为一级精度瞬时流量值，详见伯努利方程实验。水温由数显温度计测量显示。

4

三、 实验原理

1883年, 雷诺(Osborne Reynolds)采用类似于图1所示的实验装置，观察到液流中存在着层流和湍流两种流态：流速较小时，水流有条不紊地呈层状有序的直线运动，流层间没有质点混掺，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点作杂乱无章的无序的直线运动，流层间质点混掺，这种流态称为湍流。雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速vc，

vc与流体的粘性?、园管的直径d有关。若要判别流态，就要确定各种情况下的vc值，需要

对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研究，工作量巨大。雷诺实验的贡献不仅在于发现了两种流态，还在于运用量纲分析的原理，得出了量纲为一的判据——雷诺数Re，使问题得以简化。量纲分析如下： 因 vc?f(?,d)

根据量纲分析法有

vc?kc?1d其中kc是量纲为一的数。 写成量纲关系为

[LT]?[LT]1[L]2 由量纲和谐原理，得?1 = 1 ，?2 = -1 。 即 vc?kc?12?1???2

??d 或 kc?vcd?

雷诺实验完成了管流的流态从湍流过度到层流时的临界值kc值的测定，以及是否为常数的验证，结果表明kc值为常数。于是，量纲为一的数

vd?便成了适合于任何管径，任何

牛顿流体的流态由湍流转变为层流的判据。由于雷诺的贡献，有

vd?定名为雷诺数Re。于是

Re?4π?dvd??4qV?KqV π?d式中：v 为流体流速；? 为流体运动粘度；d为圆管直径；qV为圆管内过流流量；K为计算常数，K?。

当流量由大逐渐变小，流态从湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数Rec，当流量由零

?。上临界雷数受外界干扰，数逐渐增大，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数Rec值不稳定，而下临雷诺数Rec值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。

雷诺经反复测试，得出圆管流动的下临界雷诺数Rec值为2300。工程上，一般取Rec=2000。当Re

对于非圆管流动，雷诺数可以表示为 Re?vR?

式中R?A?；R为过流断面的水力半径；A为过流断面面积；?为湿周（过流断面上液体与固体边界接触的长度）。

以水力半径作为特征长度表示的雷诺数也称为广义雷诺数。

5

四、 实验内容与方法

1．定性观察两种流态。

启动水泵供水，使水箱溢流，经稳定后，微开流量调节阀，打开颜色水管道的阀门，注入颜色水，可以看到圆管中颜色水随水流流动形成一直线状，这时的流态即为层流。进一步开大流量调节阀，流量增大到一定程度时，可见管中颜色水发生混掺，直至消色。表明流体质点已经发生无序的杂乱运动，这时的流态即为湍流。

2．测定下临界雷诺数

先调节管中流态呈湍流状，再逐步关小调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水开始形成一直线时，表明由湍流刚好转为层流，此时管流即为下临界流动状态。测定流量，记录数显温度计所显示的水温值，即可得出下临界雷诺数。注意，接近下临界流动状态时，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可关小、不可开大。

3．测定上临界雷诺数

先调节管中流态呈层流状，再逐步开大调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水开始散开混掺时，表明由层流刚好转为湍流，此时管流即为上临界流动状态。记录智能化数显流量仪的流量值和水温，即可得出上临界雷诺数。注意，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可开大、不可关小。

4．分析设计实验

任何截面形状的管流或明渠流、任何牛顿流体流动的流态转变临界流速vc与运动粘度?、水力半径R有关。要求通过量纲分析确定其广义雷诺数。设计测量明渠广义下临界雷诺数的实验方案，并根据上述圆管实验的结果得出广义下临界雷诺数值。

五、数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称： 实验台号：_________ 实 验 者：______________________ 实验日期：_________ 管径d = __ ___×10-2 m， 水温t = ____ __ oC

0.01775?10?42-42

运动粘度??（m/s）= ×10 m/s 21?0.0337t?0.000221t计算常数 K = ×106 s/m3 2．实验数据记录及计算结果 表1 雷诺实验记录计算表 实验次序 1 2 3 4

颜色水线形状 流量 qV (10-6m3/s) 雷诺数 Re 阀门开度增( ? )或 减( ? ) 备注 6

5 6 7 3．成果要求

实测下临界雷诺数（平均值）Rec= (1) 测定下临界雷诺数（测量2~4次，取平均值）；见表.1 (2) 测定上临界雷诺数（测量1~2次，分别记录）；见表1

(3) 确定广义雷诺数表达式及其圆管流的广义下临界雷诺数实测数值。

六、 分析思考题

1．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湍流的判据？

2．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到湍流的机理。

七、 注意事项

1．为使实验过程中始终保持恒压水箱内水流处于微溢流状态，应在调节流量调节阀后，相应调节可控硅调速器，改变水泵的供水流量。 2．实验中不要推、压实验台，以防水体受到扰动。

7

实验三 恒定总流伯努利方程综合性实验

一、实验目的和要求

1. 通过定性分析实验，提高对动水力学诸多水力现象的实验分析能力；

2. 通过定量测量实验，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性，验证流体

恒定总流的伯努利方程，掌握测压管水头线的实验测量技能与绘制方法； 3. 通过设计性实验，训练理论分析与实验研究相结合的科研能力。

二、实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

456789101112171615123456789111310131214151357911131517191618171914321 图1 伯努利方程综合性实验装置图

1. 自循环供水器 2. 实验台 3. 可控硅无级调速器 3. 溢流板 5. 稳水孔板 6. 恒压水箱 7. 实验管道 8. 测压点①~○19 9. 弯针毕托管 10. 测压计 11. 滑动测量尺 12. 测压管①~○19 13. 实验流量调节阀 14.回水漏斗 15. 稳压筒 16.传感器 17. 智能化数显流量仪

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2．装置说明

(1) 流量测量——智能化数显流量仪

智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒15、高精密传感器16和智能化数显流量仪17（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。

流量仪的使用方法，需先排气调零，待水箱溢流后，间歇性全开、全关管道出水阀13数次，排除连通管内气泡。再全关阀13，待稳定后将流量仪调零。测流量时，水流稳定后，流量仪所显示的数值即为瞬时流量值（以下实验类同）。若需详细了解流量仪性能请见说明书。

(2) 测流速——弯针管毕托管

弯针管毕托管用于测量管道内的点流速，原理见实验教材第2章2.3.3。为减小对流场的干扰，本装置中的弯针直径为?1.6?1.2 mm（外径?内径）。实验表明只要开孔的切平面与来流方向垂直，弯针管毕托管的弯角从90?~180?均不影响测流速精

迎流面度，如图2所示。

(3) 本仪器测压点有两种： 1) 毕托管测压点，图1中标号为①、⑥、⑧、○12、○14、○16、○18（后

图2 弯针管毕托管类型

u9090~180u开小孔u管端封闭述加*表示），与测压计的测压管连接后，用以测量毕托管探头对准点的总水头值，近似替代所在断面的平均总水头值，可用于定性分析，但不能用于定量计算；

2) 普通测压点，图1中标号为②、③、④、⑤、⑦、⑨、⑩、○11、○13、○15、

17、○19，与测压计的测压管连接后，用以测量相应测点的测压管水头值。 ○

(4) 测点⑥*、⑦所在喉管段直径为d2，测点○16*、○17所在扩管段直径为d3，其余直径均为d1。

3．基本操作方法

（1）测压管与稳压筒的连通管排气。打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，间歇性全开、全关管道出水阀13数次，直至连通管及实验管道中无气泡滞留即可。再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。

（2）恒定流操作。全开调速器，此时水箱保持溢流，阀门13开度不变情况下，实验管道出流为恒定流。

（3）非恒定流操作。调速器开、关过程中，水箱6无溢流情况下，实验管道出流为非恒定流。

（4）流量测量。实验流量用阀13调节，记录智能化数显流量仪的流量值。

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三、实验原理

1．伯努利方程。在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面，在恒定流动时，可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的伯努利方程式(i=2,3…,n)

pi?ivi2p1?1v12z1???zi???hw1?i

?g2g?g2g取?1＝?2＝?n…＝1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出z?p值，测出通过?g管路的流量，即可计算出断面平均流速v及

?v22g，从而可得到各断面测管水头和总水头。

2．过流断面性质。均匀流或渐变流断面流体动压强符合静压强的分布规律，即在同一断面上z?ppp?C，但在不同过流断面上的测压管水头不同，z1?1?z2?2；急变?g?g?gp?C。 ?g流断面上z?四、实验内容与方法

1．定性分析实验

(1) 验证同一静止液体的测压管水头线是根水平线。

阀门全关，稳定后，实验显示各测压管的液面连线是一根水平线。而这时的滑尺读数值就是水体在流动前所具有的总能头。

(2) 观察不同流速下，某一断面上水力要素变化规律。

以测点⑧*、⑨所在的断面为例，测管⑨的液面读数为该断面的测压管水头。测管⑧*连通毕托管，显示测点的总水头。实验表明，流速越大，水头损失越大，水流流到该断面时的总水头越小，断面上的势能亦越小。

(3) 验证均匀流断面上，动水压强按静水压强规律分布。

观察测点②和③，尽管位置高度不同，但其测压管的液面高度相同，表明z?p?C。 ?g (4) 观察沿流程总能坡线的变化规律。 线。

加大开度，使接近最大流量，若稳定后各测管水位如图3所示，图中A-A为管轴

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19水箱液面AA

0图3 测压管水位示例

A0

纵观带毕托管的测点①*、⑥*、⑧*、○12*、○14*、○16*、○18*的测管水位（实

验时可加入雷诺实验用的红色水，使这些管呈红色，如图3中以较深颜色表示的测压管），可见各测管的液面沿流程是逐渐降低而没有升高的，表明总能量沿流程只会减少，不会增加，能量损失是不可能逆转的。

(5) 观察测压管水头线的变化规律。

总变化规律：纵观测压点②、④、⑤、⑦、⑨、○13、○15、○17、○19的测压管水位，可见沿流程有升也有降，表明测压管水头线沿流程可升也可降。

沿程水头损失：从②、④、⑤点可看出沿程水头损失的变化规律，等径管道上，距离相等，沿程损失相同。

势能与动能的转换：以测点⑤、⑦、⑨为例，测点所在流段上高程相等，管径先收缩后扩大，流速由小增大再减小。测管⑤到测管⑦的液位发生了陡降，表明水流从测点⑤断面流到测点⑦断面时有部分压力势能转化成了流速动能。而测管⑦到测管⑨测管水位回升了，这正和前面相反，说明有部分动能又转化成了压力势能。这就清楚验证了动能和势能之间是可以互相转化的，因而是可逆的。

位能和压能的转换：以测点⑨与○15所在的两断面为例，由于二断面的流速水头相等，测点⑨的位能较大，压能（测管液位离管轴线的高度）很小，而测点○15的位能很小，压能却比⑨点大，这就说明了水流从测点⑨断面流到测点○15断面的过程中，部分位能转换成了压能。

(6) 利用测压管水头线判断管道沿程压力分布。

测压管水头线高于管轴线，表明该处管道处于正压下；测压管水头线低于管轴线，表明该处管道处于负压下，出现了真空。高压和真空状态都容易使管道破坏。实验显示（参图3），测点⑦的测管液面低于管轴线，说明该处管段承受负压（真空）；测压管⑨的液位高出管轴线，说明该处管段承受正压。

2. 定量分析实验——伯努利方程验证与测压管水头线测量分析实验

实验方法与步骤：在恒定流条件下改变流量2次，其中一次阀门开度大到使○19号测管液面接近可读数范围的最低点，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量

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（毕托管测点供演示用，不必测记读数）。实验数据处理与分析参考第五部分内容。

3．设计性实验——改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的实验研究

为避免引水管道的局部负压，可采取的技术措施有(a)减小流量；(b)增大喉管管径；(c)降低相应管线的安装高程；(d)改变水箱中的液位高度。下面分析后两项。

对于措施(c)，以本实验装置为例（参图4），可在水箱出口先接一下垂90?弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程0－0，使位能降低，压能增大，从而可能避免点⑦处的真空。该项措施常用于实际工程的管轴线设计中。

1h水箱212345678911131214161810021015171933 图4 实验管道系统图

对于措施(d)，不同供水系统调压效果是不同的，需作具体分析。可通过理论分析与实验研究相结合的方法，确定改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对管中某断面压强的影响情况。

本设计性实验要求利用图1实验装置，设计改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的实验方案并进行自主实验。

理论分析与实验方法提示：

取基准面0-0如图4所示，图中1-1、2-2、3-3分别为计算断面1、2、3，计算断面1的计算点选在液面位置，计算断面2、3的计算点选在管轴线上。水箱液面至基准面0-0的水深为h。改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的问题，实际上就是z2?p2随h递增?g还是递减的问题，可由?(z2?p2)?h加以判别。 ?g列计算断面1、2的伯努利方程（取?2＝?3＝1）有

(1)

2p2v2??h h?z2? ?g2gw1?212

2v31.2 2g??c因hw1-2可表示成 hw1?2式中?c1.2是管段1－2总水头损失因数，当阀门开度不变时，在h的有限变化范围内，

可设?c1.2近似为常数。

又由连续性方程有

22d34v3v2 ?()2gd22g故式(1)可变为

2d34p2v3?h?[()??c1.2] (2) z2??gd22g2/2g可由断面1、3伯努利方程求得， 即 式中v32v3 h?z3?(1??c1.3) (3)

2g?c1.3是全管道的总水头损失因数，当阀门开度不变时，在h的有限变化范围内，可设?c1.3近

似为常数。

2v3h?z3由此得， 代入式(2)有 ?2g1??c1.3 z2?dh?z3p2?h?[(3)4??c1.2]() (4) ?gd21??c1.31.2(d3/d2)4??c?(z2?p2/?g)则 ?1??h1??c1.3 (5)

p(d3/d2)4??c1.2若1?＞0，则断面2上的z2?2随h同步递增，反之，则递

?g1??c1.3减。若接近于0，则断面2上的z2?p2随h变化不明显。 ?g实验中，先测计常数d3/d2、h和z3各值，然后针对本实验装置的恒定流情况，测得某一大流量下z2?p222、v2/2g、v3/2g等值，将各值代入式(2)、(3)，可得各管道阻力因?g数?c1.2和?c1.3。再将其代入式(5)得管真空度影响的结论。

?(z2?p2/?g)，由此可得出改变水箱中的液位高度对喉

?h最后，利用变水头实验可证明该结论是否正确。

五、数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称： 实验台号：_________

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实 验 者：______________________ 实验日期：_________

均匀段d1= ?10-2m 喉管段d2= ?10-2m 扩管段d3= ?10-2m 水箱液面高程?0= ?10-2m 上管道轴线高程?z= ?10-2m （基准面选在标尺的零点上） 2．实验数据记录及计算结果 表1 管径记录表 测点编号 管径d /10-2m 两点间距l/10-2m 表2 测压管水头hi，流量测记表（其中hi?zi?实验次数 1 2 表3 计算数值表 (1) 流速水头

h2 h3 h4 h5 h7 h9 h10 h11 h13 h15 h17 h19 qV /(10-6m3/s) 4 ①* 4 ②③ 6 ④ 6 ⑤ 4 ⑥* ⑦ 13.5 ⑧* ⑨ 6 ⑩11 ○12* ○13 ○14* ○15 ○16* ○17 ○18* ○19 ○ 10 29.5 16 16 pi，单位10-2m，i为测点编号） ?gqV1?V1t1?201.3 管径d /10-2m A /10-4m2 /(10-6m3/s) v /(10-2m/s) qV2?V2t2? /(10-6m3/s) A /10-4m2 v /(10-2m/s) v22g /10-2m v22g /10-2m pi?vi2?(2) 总水头Hi （其中Hi?zi?，单位10-2m，i为测点编号） ?g2g实验次数 1 2 H2 H4 H5 H7 H9 H13 H15 H17 H19 qV /(10-6m3/s) 14

3．成果要求

(1) 回答定性分析实验中的有关问题。 (2) 计算流速水头和总水头。见表3

(3) 绘制上述成果中最大流量下的总水头线和测压管水头线。（轴向尺寸参见图5，总水头线和测压管水头线可以绘在图5上）。

/mm4003001220068911135131010050073454040606040121001001415195160161716018190050100200300400500600700800900100011001200/mm

图5 绘制测压管水头线坐标图

六、分析思考题

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．阀门开大，使流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？

3．由毕托管测量的总水头线与按实测断面平均流速绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原因。

4．为什么急变流断面不能被选作能量方程的计算断面？

七、注意事项

1.各自循环供水实验均需注意：计量后的水必须倒回原实验装置的水斗内，以保持自循环供水（此注意事项后述实验不再提示）。 2. 稳压筒内气腔越大，稳压效果越好。但稳压筒的水位必须淹没连通管的进口，以免连通管进气，否则需拧开稳压筒排气螺丝提高筒内水位；若稳压筒的水位高于排气螺丝口，说明有漏气，需检查处理。

15

80

实验四 动量定律综合型实验

一、 实验目的和要求

1．通过定性分析实验，加深动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关关系的了解；

2．通过定量测量实验，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理，验证不可压缩流体恒定总流的动量方程，测定管嘴射流的动量修正因数；

3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，启发创新思维。

二、 实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

45678910131211321 图1 动量定律综合型实验装置图

1. 自循环供水器 2. 实验台 3. 水泵电源开关

4. 水位调节阀

5. 恒压水箱 6. 喇叭型进口管嘴 7. 集水箱 8. 带活塞套的测压管 9. 带活塞和翼片的抗冲平板 10. 上回水管 11. 内置式稳压筒 12.传感器 13. 智能化数显流量仪

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2．装置结构与工作原理 （1）智能化数显流量仪。

配置最新发明的水头式瞬时智能化数显流量仪，测量精度一级。

使用方法：先调零，将水泵关闭，确保传感器联通大气时，将显示值调零。水泵开启后，流量将随水箱水位淹没管嘴的高度而变，此时流量仪显示的数值即为管嘴出流的瞬时流量值。

（2）测力机构。测力机构由带活塞套并附有标尺的测压管8和带活塞及翼片的抗冲平板9组成。分部件示意图如图2(a)所示。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，活塞套上设有泄水窄槽c。

泄水窄槽c抗冲平板9翼片b细导水管av2fx测压管8ypDqVv1v3活塞活塞套v2x (a) (b)

图2 活塞构造与受力分析

（2）工作原理。为了精确测量动量修正因数?，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。工作时，活塞置于活塞套内，沿轴向可以自由滑移。在射流冲击力作用下，水流经导水管a向测压管8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8水位升高，活塞所受的水压力增大。反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测压管8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后，活塞处在半进半出、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，测压管中的液位达到稳定。此时，射流对平板的冲击力和测压管中水柱对活塞的压力处于平衡状态，如图2(b)所示。活塞形心处水深hc可由测压管8的标尺测得，由此可求得活塞的水压力，此力即为射流冲击平板的动量力F。

由于在平衡过程中，活塞需要做轴向移动，为此平板上设有翼片b。翼片在水流冲击下带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力，提高了测力机构的灵敏度。本装置还采用了双平板狭缝出流方式，精确地引导射流的出流方向垂直于来流方向，以确保v2x＝0。

3．基本操作方法

(1)测压管定位。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。

(2)恒压水箱水位调节。旋转水位调节阀4，可打开不同高度上的溢水孔盖，调节恒压

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水箱5水位，管嘴的作用水头改变。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，即可进行实验。

(3)活塞形心处水深hc测量。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，即为作用在活塞形心处的水深hc值。

(4)管嘴作用水头测量。管嘴作用水头是指水箱液面至管嘴中心的垂直深度。在水箱的侧面上刻有管嘴中心线，用直尺测读水箱液面及中心线的值，其差值即为管嘴作用水头值。

(5)测量流量。记录智能化数显流量仪的流量值。

三、 实验原理

恒定总流动量方程为

F??qV(?2v2??v 1)1取控制体如图2(b)，因滑动摩擦阻力水平分力 Ff < 0.5%Fx，可忽略不计，故x方向的动量方程可化为

Fx??pcA???ghc即 ?1?qVv1x?π2D??qV(0??1v1x) 4π?ghcD2?0 4式中：hc—— 作用在活塞形心处的水深；

D —— 活塞的直径；

qV—— 射流的流量；

v1x—— 射流的速度；

?1 —— 动量修正因数。

实验中，在平衡状态下，只要测得流量qV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，便可验证动量方程，并测定射流的动量修正因数 ?1值。

四、 实验内容与方法

1．定性分析实验

(1)观察、分析本实验装置中测力机构的结构创新点。

测射流冲击力的方法很多，装置各不相同，相比之下，本装置的测力机构测量方法简便，精度最高。本装置曾获国家发明专利，主要创新点有：

1） 将射流冲击力转变为活塞所受的静水总压力，用测压管进行测量。 2） 用双平板狭缝方式精确导流，确保v2x＝0。

3） 采用动摩擦减阻减少活塞轴向位移的摩擦阻力。带翼片的平板在射流作用下获得

力矩，使活塞在旋转中作轴向位移，到达平衡位置。活塞采用石墨润滑。

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4） 利用导水管a和窄槽c的自动反馈功能，自动调节受力平衡状态下的测压管水位。 5） 利用大口径测压管内设置阻尼孔板的方法，减小测压管液位的振荡。 (2) 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0.5～1mm），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%（此量值越小，灵敏度越高），亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。

(3) 验证v2x? 0对Fx 的影响。

取下平板活塞9，使水流冲击到活塞套内，便可呈现出回流与x方向的夹角? >90?（即v2x ? 0）的水力现象[参图3(a)]。调整好位置，使反射水流的回射角度一致。以某动量实验台为例，某次实验测得作用于活塞套园心处的水深hc?＝292mm，管嘴作用水头H0＝293.5

mm，而相应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，v2x＝0，hc＝196mm。表明v2x若不为零，对动量力影响甚大。因为v 2x不为零，则动量方程变为[参图3(b)]

测压管8y射流v2hc'v1xv2v1xpv2v2x

(a) (b)

图3 射流对活塞套的冲击与受力分析

π(180???)] ??ghc 'D2??qV(?2v2x??1v1x)???qV[?1v1x??2v2cos4就是说hc ?随 v2 及 ? 递增。故实验中hc ?> hc。

2. 定量分析实验——恒定总流动量方程验证与射流动量修正因数测定实验

实验方法与步骤：参照基本操作方法，分别测量高、中、低三个恒定水位下的流量、活塞作用水头等有关实验参数，实验数据处理与分析参考第五部分内容。

五、数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称： 实验台号：_________ 实 验 者：______________________ 实验日期：_________

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管嘴内径d= ?10-2m 活塞直径D= ?10-2m 2．实验数据记录及计算结果 表1 测量记录及计算表 测次 1 2 3 管嘴作用水头H0 /10-2m 3．成果要求

(1)回答定性分析实验中的有关问题。

(2)测定管嘴射流的动量修正因数?。如表1所示。 (3)取某一流量，绘出控制体图，阐明分析计算的过程。

活塞作用水头hc /10-2m 流量 流速 v / (10-2m/s) 动量力 F / 10-5N 动量修正因数 qV /(10-6m3/s) ? 六、 分析思考题

1．实测?与公认值（?＝1.02～1.05）符合与否？如不符合，试分析原因。

七、 注意事项

若活塞转动不灵活，会影响实验精度，需在活塞与活塞套的接触面上涂抹4B铅笔芯。

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实验五 沿程水头损失实验

一、 实验目的和要求

1．学会测定管道沿程水头损失因数?和管壁粗糙度?的方法；

2．分析园管恒定流动的水头损失规律、?随雷诺数Re变化的规律，验证沿程水头损失hf与平均流速v的关系。

二、 实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

K4567891011②161514①③①②④1213321图1 沿程水头损头实验装置图 1. 自循环高压恒定全自动供水器 2. 实验台 3. 回水管 4. 压差计

5. 滑动测量尺 6. 稳压筒1 7. 实验管道 8. 压差数显仪 9. 压差传感器 10. 测压点 11. 实验流量调节阀 12. 供水管及供水阀 13. 旁通管及旁通阀 14. 稳压筒 15.流量传感器 16. 智能流量数显仪 2．装置说明

(1)水泵与稳压器。自循环高压恒定全自动供水器1由水泵、压力自动限制开关、气—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响，水泵的供水是先进入稳压器的压力罐，经稳压后再送向实验管道。

(2) 旁通管与旁通阀。由于供水泵设有压力自动限制开关，在供小流量时因压力过高，水泵可能出现断续关闭的现象，为此设有旁通管与旁通阀13，在小流量实验时，通过旁通管分流可使水泵持续稳定运行。

(3) 阀11用于调节层流实验流量；阀12用于检修，实验时始终全开；阀13层流时用于分流（全开），湍流时用于调节实验流量。

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(4) 实验管道7为不锈钢管，其测压断面上沿十字型方向设有4个测压孔，经过均压环与测点管嘴相连通。

(5) 本实验仪配有压差计4（倒U型气-水压差计）和压差仪8，压差计测量范围为0~0.3 mH2O；压差电测仪测量范围为0~10 mH2O，视值单位为10-2 mH2O。压差计4与压差电测仪8所测得的压差值均可等值转换为两测点的测压管水头差，单位以m表示。在测压点与压差计之间的连接软管上设有管夹，除湍流实验时管夹关闭外，其他操作时管夹均处于打开状态。

(6) 流量测量——智能化数显流量仪

智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒、高精密传感器和智能化数显流量仪（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。 流量仪的使用方法参见伯努利方程实验，需先排气调零，流量仪所显示的数值为瞬时流量值。

(7) 配有数显温度计。 3．基本操作方法 （1）层流实验

层流实验压差由压差计测量，流量用称重法或量体积法。

1）称重法或量体积法是在某一固定的时段内，计量流过水流的重量或体积，进而得出单位时间内流过的流体量，是依据流量定义的测量方法。

本实验及后述各实验的测流量方法常用称重法或量体积法，用秒表计时，用电子称称重，小流量时，也可用量筒测量流体体积。为保证测量精度，一般要求计时大于15~20秒。 2）压差计连接管排气与压差计补气。启动水泵，全开阀11，间歇性开关旁通阀13数次，待水从压差计顶部流过即可。若测压管内水柱过高须补气，全开阀门11、13，打开压差计4顶部气阀K，自动充气使压差计中的右管液位降至底部（必要时可短暂关闭阀12），立即拧紧气阀K即可。排气后，全关阀11，测压计压差应为零。

3）实验时始终全开阀13，用阀11调节流量。层流范围的压差值仅为2~3cm以内，水温越高，差值越小，由于水泵发热，水温持续升高，应先进行层流实验。用压差计测量，流量调节后须等待几分钟，稳定后再测量。

（2）湍流实验

湍流实验测量时用管夹关闭压差计连通管，压差由数显压差仪测量，流量用智能化数显流量仪测量。

1) 调零。启动水泵，全开阀11，间歇性开关旁通阀13数次，以排除连通管中的气泡。然后，在关闭阀11的情况下，管道中充满水但流速为零，此时，压差仪和流量仪读值都应为零，若不为零，则可旋转电测仪面板上的调零电位器，使读值为零。

2) 流量调节方法：全开实验流量调节阀11，调节旁通阀13来调节流量。 3) 流量用智能化数显流量仪测量。

无论层流还是湍流实验，每次实验均须测记水温。

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三、 实验原理

1．对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失由达西公式表达为

lv2hf??

d2g式中：?为沿程水头损失因数；l为上下游测量断面之间的管段长度；d为管道直径；v 为断面平均流速。

若在实验中测得沿程水头损失hf和断面平均流速，则可直接得沿程水头损失因数

??2gdhf12gdhfπ2h?2?(d/qV)2?kf2 lvl4qV25其中 k = πgd/8l

由伯努利方程可得

hf?(z1?p1p)?(z2?2)??h ?g?g沿程水头损失hf即为两测点的测压管水头差?h，可用压差计或电测仪测得。 2．圆管层流运动

??确定

64 Re3．管壁平均当量粗糙度?在流动处于湍流过渡区或阻力平方区时测量，可由巴尔公式

1???2lg[??d?4.1365()0.89] 3.7dqV?12?即 ??3.7d?[10?4.1365(?dqV)0.89]

四、 实验内容与方法

1．沿程水头损失因数测量与分析实验

参照实验基本操作方法，分别在层流和湍流两种流态下测量流量、水温、压差各4~6

次。实验数据参考表1处理。

2．设计性实验

试利用图1实验仪器设计测定实验管段平均当量粗糙度?的实验。

五、 数据处理及成果要求

1．记录有关信息及实验常数

实验设备名称： 实验台号：_________ 实 验 者：______________________ 实验日期：_________ 圆管直径d =__ ____?10-2 m 测量段长度l =___ ___?10-2 m 2．实验数据记录及计算结果（参表1）

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3．成果要求

(1) 测定沿程水头损失因数?值，分析沿程阻力损失因数?随雷诺数的变化规律。并将结果与穆迪图进行比较，分析实验所在区域。

(2) 根据实测管道内流量和相应沿程损失值，绘制lgv ～lghf关系曲线，并确定其斜率m值，m?lghf2?lghf1。将从图上求得的m值与已知各流区的m值进行比较验证。

lgv2?lgv1 (3)完成设计性实验。

六、 分析思考题

1．为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？实验管道倾斜安装是否影响实验成果?

2．为什么管壁平均当量粗糙度?不能在流动处于光滑区时测量？

七、 注意事项

1．实验装置长期静置不用后再启动时，需在切断电源后，先用螺丝刀顶住电动机轴端，将电机轴转动几圈后方可通电启动。

2．实验时，去掉水泵罩壳，以防泵体过热。 3．其他参见伯努利方程实验。

表1 沿程水头损失实验记录计算表 流量 压差计、电测仪读数 沿程损失 沿程损 流速 64水温 粘度 体积 时间 -2测?= 雷诺数 /10m qV T 失因数 V t hf ? v ReRe 次 /10-6m3 /s /(10-6m3/s) /(10-2m/s) /10-2m /?C /(10-4m2/s) h1 h2 ? Re<2300 1 2 3 4 5 6 / / / 7 / / / 8 / / / 9 / / / 10 / / / 11 / / / 24