重点项目工程流体力学实验报告

工程流体力学试验

汇报

专业 油气储运

年级 14秋

姓名 万军生

学号

油气储运工程系

流体力学综合试验台（LTZ-15）介绍

本试验台关键针对流体力学教学中各关键参数指标进行测定和试验。把这些单一性能检测加以综合。它是多用途试验装置，用此试验台可进行下列试验：

eq \o\ac(○,1)雷诺试验

eq \o\ac(○,2)沿程阻力试验

eq \o\ac(○,3)局部阻力试验

eq \o\ac(○,4)能量方程（伯努利方程）试验

eq \o\ac(○,5)文丘里流量计和孔板流量计系数测定试验

eq \o\ac(○,6)毕托管测流速和流量方法

试验装置以下图所表示

试验一、水静压强仪（LSJ-10）

一、演示目标

1、加深了解静力学基础方程式及等压面概念。

2、观察封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点上压力。

3、观察压力传输现象。

二、演示原理

对密封容器液体表面加压时，设其压力为P0，即P0> P?。从U形管能够看到有压差计产生，U形管和密封容器上部连通一面，液面下降，而和大气相通一面，液面上升。由此可知液面下降表面压力即是密闭容器内液体表面压力P0，即P0= P0+?gh，h是U形管液面上升高度。当密闭容器内压力P0下降时U形管内液面展现相反现象，即F0< P?这时密闭容器内液面压力P0= P?-?gh，h为液面下降高度。

假如对密闭容液体表面加压时，其容器内部压力向各个方向传输测压管中，能够看到因为A、B、两点在容器内淹没深度h不一样，在压力向各点传输时，先到A点后到B点。在测压管中反应出是A管液柱先上升而B管液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A、B两点在同一水平面上。

三、演示步骤（图所表示）

1、打开阀1，2， 3，4和5向容器内加水（加水处即为加压上升罐）；水位加到“0”位线即可。

2、向“U”型管内加水，水位加至二分之一再向视气罐内加水。

3、顺时针关闭2、3、排气阀即可向容器内加压。

4、把加压上升罐缓慢上升，U型管出现压差△h，在加压同时，观察左侧A、B管液柱上升情况。

5、打开排气阀3，使液面恢复到同一水平面上同时能够看到气体存在打开阀2使容器内气体和大气相等，再关闭排气阀2、3，打开密闭容器底部放水阀门7，放出一部分水，造成容器内压力下降观察其产生现象。

试验二、雷诺试验

一、试验目标

1、观察层流、紊流流态及其转换特征。

2、测定临界雷诺数Reck，掌握圆管流态判别准则。

3、学习古典流体力学中应用无量纲参数进行试验研究方法，并了解其实用意义。

二、试验装置

流体力学综合试验台（LTZ-15）

三、试验原理

实际流体流动会展现出两种不一样型态：层流、紊流（图1）它们区分在于：流动过程中流体层之间是否发生掺混现象，在紊流流动中存在随机改变脉动量，而在层流流动中则没有。

圆管中恒定流动流态转化取决于雷诺数Re = Vd / n，d是圆管直径，V是断面平均流速，n是流体动力粘滞系数。

实际流体流动之所以会展现出两种不一样型态是扰动原因和粘性稳定作用之间对比和抗衡结果。针对圆管中定常流动情况，轻易了解：减小d，减小V，加大n三种路径全部是有利于流动稳定。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定差，轻易发生紊流现象。

圆管中定常流动流态发生转化时对应雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超出此雷诺数流动力必为紊流，它很不稳定，跨越一个较大取值范围。有实际意义是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数流动必为层流，有确定数值，圆管定常流动下临界雷诺数取为Recr=2300。

对相同流量下圆管层流和紊流流动断面流速分布作一比较，能够看出层流流速分布呈旋转抛物面，而紊流速度分布则比较均匀展现对数或指数分布，靠近壁面流速梯度比层流时大，（图2）。

四、试验步骤

测记本试验相关常数。

观察两种流态。

水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调整阀，并注入水颜色于试验管内，使颜色水流成一直线。经过颜色水质点运动观察管内水流层流流态，然后逐步开大调整阀，由颜色水线改变来观察层流转变到紊流水力现象，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调整阀，观察由紊流转变为层流水力现象。

测定下临界雷诺数。

（1）将调整阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调整阀使流量减小，当流量调整到使颜色水在全管刚好展现出一稳定直线时，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）依据所测流量计算下临界雷诺数，并和公认值（2320）比较，偏离过大，需重测。

（4）重新打开调整阀，使其形成完全紊流。按上述步骤反复测量不少于三次；

【注意】a、每调整阀门一次，均需等候稳定几分钟；

b、关小阀门过程中，只许关小，不许开关。

测定上临界雷诺数。

逐步开启调整阀，使管中水流由层流过渡到紊流，颜色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定计算上临界雷诺数1-2次。

五、试验数据及整整

1、统计、计算相关常数：

试验管径 d = f14 ㎜ 水温t= ℃

2、整理、统计计算表

试验次数

颜色水线形态

水体积V(m3)

时间T (s)

流量Q(cm3/s)

流速V(cm/s)

雷诺数Re

阀门开度增（↑）或减（↓）

实测下临界雷诺数（平均值）Recr=

【注】颜色水线形态指：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、分析和思索

1、流态判据为何采取无量纲参数。而不采取临界流速？

2、为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采取下临界雷诺数作为层流和紊流判据？实测下临界雷诺数为多少？

3、分析试验误差原因。

试验三、沿程阻力系数测定

一、试验目标

1、学会测定管道沿程水头损失系数λ方法；

2、掌握圆管层流和紊流沿程损失随平均流速改变规律，绘制曲线；

3、掌握管道沿程阻力损失系数测量方法和气—水压差计及电测压差计测量压差方法。

4、将实测得到结果和莫迪图作对比分析。

二、试验装置

流体力学综合试验台（LTZ-15）

三、试验原理

1、对于经过直径不变圆管恒定水流，沿程水头损失为

其值为上下游量测断面压差计读数。沿程水头损失也常表示为

其中：λ为沿程水头损失系数；L为上下游量测断面之间管段长度；d为管道直；V为断面平均流速。若在试验中测得△h和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失系数。

2、不一样流动形态沿程水头损失和断面平均流速关系是不一样。层流流动中沿程水头损失和断面平均流速1次方成正比。紊流流动中沿程水头损失和断面平均流速1.75～2.0次方成正比。见图1、图2。

3、沿程水头损失系数λ是相对粗糙度△/d和雷诺数Re函数，△为管壁粗糙度，Re=Vd/n（其中n为水运动粘滞系数）。

对于圆管层流流动

对于水力滑管紊流流动可取

可见在层流和紊流光滑管区，沿程水头损失系数λ只取决于雷诺数。

对于水力粗糙管紊流流动

沿程水头损失系数λ完全由粗糙度决定，和雷诺数无关，此时沿程水头损失和断面平均流速平方成正比，所以紊流粗糙管区通常也叫做“阻力平方区”。

（4）对于在紊流光滑区和紊流粗糙管区之间存在过渡区，沿程水头损失系数λ和雷诺数和粗糙度全部相关。

四、试验步骤

1、对照装置图和说明，搞清各组成部件名称、作用及其工作原理；检验蓄水箱水位是否够高。不然给予补水并关闭阀门；统计相关试验常数：工作管内径d和试验管长L。

2、接通电源，开启水泵。打开供水阀。

3、调通量测系统：

（1）开启水泵排除管道中气体。

（2）关闭出水阀，排除其中气体。随即，关闭进水阀，开出水阀，使水压计液面降至标尺零周围。再次开启进水阀并立即关闭出水阀，稍候片刻检验水位是否齐平，如不平则需重调。

（3）气－水压差计水位齐平。

（4）试验装置通水排气后，即可进行试验测量。在进水阀全开前提下，逐次开大出水阀，每次调整流量时，均需稳定2-3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；测流量时间大于8-10秒；测流量同时，需测记压差计读数；

（5）结束试验前，关闭出水阀，检验水压计是否指示为零，若均为零，则关闭进水阀，切断电源。不然，表明压力计已进气，需重做试验。

五、试验数据及整理

1、相关常数

d = f14 ㎜ L=1000 ㎜ 水温= ℃

2、统计及计算

3、绘图分析

绘制LgV—lghf曲线，并确定指数关系值n大小。在坐标纸上以LgV为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测LgV—lghf关系曲线，依据具体情况连成一段或几段直线。求坐标上直线斜率

将从图纸上求得n值和已知各流区n值（即层流n=1，光滑管流区n=1.75，粗糙管紊流区n=2.0，紊流过渡区1.75<n<2.0）进行比较，确定流态区。

六、分析和思索

为何压差计水柱差就是沿程水头损失？假如试验管道安装得不水平，是否影响试验结果？

此次试验结果和莫迪图吻合是否？分析原因。

试验中误差关键由哪些步骤产生？

表1统计及计算

次序

体积

㎝3

时间

s

流量

qv

㎝3/s

流速

V

㎝/s

水温

℃

粘 度

υ

㎝2/s

雷诺数

Re

差压计

㎝

沿程损失

hf

㎝

沿程损失系数

λ

Re<2320

λ=64/ Re

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

试验四、局部阻力系数测定

一、试验目标

1、学会利用三点法量测突扩圆管局部阻力损失系数方法。

2、学会利用四点法量测突缩管路局部阻力损失系数方法。

3、加深对局部阻力损失感性认识及对局部阻力损失机理了解。

二、试验装置

流体力学综合试验台（LTZ-15）

三、试验原理

1、有压管道恒定流碰到管道边界局部突变情况时，流动会分离形成剪切层， 剪切层流动不稳定，引发流动结构重新调整，并产生旋涡，造成不可逆能量耗散。和沿程因摩擦造成分布损失不一样，这部分损失能够看成是集中在管道边界突变处，单位质量流体能量损失称为局部水头损失，参见图1。

2、局部水头损失系数是局部水头损失和速度水头百分比系数，即

当上下游断面平均流速不一样时，应明确它对应是那个速度水头。比如对于突扩圆管就有

之分。其它情况局部水头损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。通常情况下对应下游速度水头。

3、局部水头损失机理复杂，除了突扩圆管情况以外，通常难于用解析方法确定，而要经过实测来得到多种局部水头损失系数。

对于突扩圆管，在不考虑突扩段沿程阻力损失前提下，可推导出局部阻力损失因数表示式

对于突缩圆管，局部阻力损失因数经验公式：

四、试验步骤

1、做好试验前各项准备工作，统计和试验相关常数。

2、往恒压水箱中充水，排除试验管道中滞留气体。待水箱溢流后，检验泄水阀全关时，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，等流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法测量流量。

4、调整泄水阀不一样开度，反复上述过程5次，分别测记测压管读数及流量。

5、试验完成后关闭泄水阀,检验测压管液面是否齐平，如平齐，关闭电源试验结束，不然，需重做。

五、试验数据及整理

d1= f14 ㎜ d2= f26 ㎜ d3= f14 ㎜ 水温= ℃

次序

流 量 ㎝3/s

测 压 管 读 数 ㎝

体积

时间

流量

试验数据整理表

阻力

形式

序

号

流量

㎝3/s

后断面流速V

㎝/s

总阻力h

㎝

沿程阻力hλ

㎝

局部阻力hζ

㎝

阻力原因

ζ实

阻力原因

ζ计

突

然 扩

大

突

然 缩

小

六、分析和思索

结合试验结果，分析比较突扩和突缩在对应条件下下局部损失大小。

结合流动仪演示水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩和突缩局部阻力损失关键原因是哪些？怎样减小局部阻力损失？

将试验测得到ζ值和理论公式计算值（突扩）和经验公式值（突缩）相比较，并对结果作出分析。

试验五、伯努利方程试验

一、试验目标

1、验证流体恒定总流能量方程；

2、经过对流体力学很多水力现象试验分析研究，深入掌握有压管流体动力学能量转换特征；

3、掌握流速、流量、压强等要素试验量测技能。

二、试验装置

流体力学综合试验台（LTZ-15）

三、试验原理

在试验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。能够列出进口断面（1）至另一断面（i）能量方程式（I=2,3……,n）

取a1=a2=……an=1，选好基准面，从已设置各断面测压管中读出Z+（P/rg）值，测出经过管路流量，即可计算出断面平均流速V及aV2/2g，从而即可得到各断面测压管水头和总水头

四、试验步骤

1、熟悉试验设备，分清哪些管是静压管，哪些是毕托管测压管，和二者功效区分。

2、供水使水箱充满水，待水箱溢流，检验调整阀关闭后全部全压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因（比如连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。

3、打开调整阀，观察思索

（1）测压水头线和总水头线改变趋势；

（2）位置水头，压强水头之间相互关系；

（3）流量增加或降低时测管水头怎样改变？

4、调整阀开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记试验流量。

5、改变流量2次，反复上述测量。

五、试验数据及整理

1、统计相关常数

d1= f14 ㎜ d2= f26 ㎜

依据以上公式计算某一工况各测点处轴心速度和平均流速填入表格，可验证出连续性方程。对于不可压缩流体稳定流动，当流量一定时，管径粗地方流速小，细地方流速大。

序号

项目

1

2

3

4

点速度Vp（m/s）

平均速度V（m/s）

管内径（㎜）

（3）观察和计算流体、流径，能量方程试验管对能量损失情况：在能量方程试验管上部署四组测压管，每组能测出全压和静压，全开阀门，观察总压沿着水流方向下降情况，说明流体总势能沿着流体流动方向是降低，改变给水阀门开度，同时计量不一样阀门开度下流量及对应四组测压管液柱高度，进行统计和计算。

能量方程试验管工况点试验数据统计：

液柱高

序号

1

2

3

4

流量

m3/S

全压

静压

全压

静压

全压

静压

全压

静压

一

二

能量方程管

中心高

㎜

位置

水头

㎜

能量方程管

内径㎜

d1= f14 ㎜

d1= f26 ㎜

静水头㎜

六、分析和思索

1、测压管水头线和总水头线改变趋势有何不一样？为何？

2、流量增加，测压管水头线有何改变？为何？

试验六、文丘里流量计和孔板流量计系数测定试验

一、试验目标

掌握文丘里流量计工作原理和修正系数测量方法；

掌握压差计使用方法和体积法测流量试验技能；

掌握能量方程和连续性方程使用标准；

学会用孔板流量计测量流量。

二、试验装置

流体力学综合试验台（LTZ-15）

三、试验原理

1、文丘里流量计是一个常见管道流量测量仪，见图1，属压差式流量计。它由“收缩段”、“喉部”、和“扩散段”三部分组成，安装在需要测定流量管路上。在收缩段进口断面1-1和喉部断面2-2上设测压孔，并接上比压计，经过测量两个断面测管水头差△h。就可计算管道理论qv，再经修正得到实际流量qvs。

2、理论流量：不考虑水头损失，速度水头增加等于测管水头减小（即比压计液面高差△h）经过测得△h，建立两断在平均流速V1和V2之间一个关系：

假如我们假设动能修正系数a1=a2=1，则

其次，由恒定总流连续方程有

所以

于是

解得

最终得到理论流量为

式中

3、际流量：用量筒测量水实际流量qvs。

4、流量因数：

（1）流量计流过实际流体时，两断面测管水头差中包含了粘性造成水头损失，这造成计算出理论流量偏大。

（2）对于某确定流量计，流量因数还取决于流动雷诺数：Re=V2d2/n，但当雷诺数较大（流速较高）时，流量因数基础不变。

5、孔板流量计原理

流体流过孔板时，孔板前后产生压差，其差值随流量而变，二者之间有确定关系，所以可经过测量压差来测量流量。结构原理图以下：

式中：μ — 流量系数

△h — 压差计读数（㎜）

A — 空口截面积（㎜2）

μ为流量原因，不一样孔板流量计μ值不一样；△h为差。

四、试验步骤

1、查阅用压差计量测压和用体积法测量流量原理和方法；

2、对照实物了解仪器设备使用方法和操作步骤；

3、开启水泵，给水箱充水，并保持溢流状态，使水位稳定；

4、检验下游阀门关闭时，压差计各个测压管水面是否处于同一平面上。如不平，则需排气调平；

5、录断面管径等数据；

6、先从大流量开始试验。开启下游阀门，使压差计上出现最大值，待水流稳定后，再进行量测，并将数据统计入表中；

7、依次减小流量，待稳定后，反复上述步骤8次以上，并按序统计数据；

8、检验数据统计表是否有缺漏？是否有某组数据显著不合理？若有此情况，进行补测；

9、整理试验结果，得出流量计在多种流量下△h，qv，qvs和m。

10、对试验结果进行分析讨论。

五、试验数据及整理

相关常数

文丘里管： d2 = f 8 ㎜ d1 = f 14 ㎜ 水温t= ℃

孔板流量计：d2 = f 8 ㎜ d1 = f 14 ㎜

序 号

测压管读数（㎝）

水量

（㎝3）

测量时间

（s）

h1

h2

h3

h4

1

2

3

4

5

6

7

8

9

序号

qvs

（㎝3/s）

h

（h1-h2+h3-h4）

（㎝）

（㎝3/S）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

六、分析和思索

1、文丘里流量计实际流量和理论流量为何会有差异，这种差异是由那些原因造成？

2、文丘里流量计流量因数是否和雷诺数相关？通常给出一个固定流量因数应怎么了解？

3、为何在试验中要反复强调保持水流稳定关键性？