1、流体力学实验实验一 流体流速和流量的测量方法一、实验目的1熟悉大气压力计、毕托管、热球式风速计的工作原理、结构和使用方法。2学会使用毕托管和热球式风速计测量矩形断面上的流速并计算流量。3掌握毕托管的校正方法，确定毕托管的校正系数。二、实验原理1流体流动时总的能量包括：静压能、动压能和位压能，对于不可压缩的理想流体，这三种能量之和为一常数。当水平流动时，流体的位能保持不变，其静压能与动压能之和为常数，称为全压能。即：P（静压能）（动压能）=P0（全压能） （11）毕托管测量流速的原理就是根据式（11），通过测得流体的P0（全压能）和P（静压能）来算出流体速度的大小。式（11）亦可写为：P0P=
2、即：V= （12） 式中：P0全压能，即全压力。（） P静压能，即静压力。（） 流体的密度（Kg/m3）。全压力和静压力通常用毕托管来测量，它实际上是由全压力管和静压力管组成的复合测量。毕托管它由二个同心套管所构成，中心管头部敝开孔（全压孔），而侧面开有许多孔（静压孔），测量时，毕托管全压孔必须迎向气流方向（零夹角），把全压孔和静压孔用胶管分别接到压力计上，测得全压力与静压力的压差，其测量原理如图11。实际上毕托管测得的为某点的速度，为了确保某截面上的平均速度，必须将该截面均分若干份（矩形截面上的测点位置如图1-2所示）。测定各份的速度然后再求其平均值: V均=（V1+V2Vn） （13）当测
3、得平均流速后，根据截面积F的大小，即可求得流量： Q=V均F （14）2全压力与静压力可用U形管压力计或斜管压力计综合测得其差值（动压差值）。用斜管压力计测压前首先调整其水平，即利用底盘上的调整螺丝，观察水准泡的位置，使其处于正中位置。调整缸内液体酒精的高度，使通大气的液柱位置处于某个合适的刻度上(零刻度)，接上引压管，即可测得压力的大小，待其液柱稳定后，这时即可读数。读数时按柱内液面的最低点为标准（若为水银时则读最高点）。如果所测压力波动较大，则可在管路上加一段阻尼管（例如用一段玻璃毛细管连通，或用螺旋夹住，使流通面积减小，但不得夹死）。由于毕托管的几何形状及制造工艺水平不同，使测得的动压力
4、（P0P）并非真正的实际动压力，因为严格说，测得的全压力是驻点附近的平均全压力，而不是驻点的全压力，同时静压力孔附近的流体静压力要受到毕托管头部形状的影响很难测得真正的静压力，故必须引入校正系数，校正后的关系式如下：（P0P）= （15）式中：毕托管校正系数，一般其值大于1。每支毕托管必须校正确定值后才能使用。结构良好的毕托管其值接近于1。在实验中利用已知校正系数已值的标准毕托管，采用比较法来校正未知未的实用毕托管。校正时，把两只毕托管分别置于流场中同一点，通过测量值比较，算出被校正毕托管的未值。根椐：V= = 由此得出：未= 式中：（P0P）未用未知的毕托管测得的动压力。 （P0P）已用已知
5、的标准毕托管测得的动压力。在不同的流速下，有不同的未值，可以画出校正曲线，为了使用方便起见，亦可求其平均值来确定未。3流体流过被电加热的球体表面时产生热量传输，使其温度降低，流速越大，传输的热量越多，在供热电流一定的情况下，被冷却的球体表面温度越低。热球式风速计就是根据这个原理来测量流体的速度。热球式风速计由热球式测量杆和测量仪表两部分构成，测量杆头部有一个直径约0.6毫米的玻璃球，球内绕有加热用的镍络丝和二个串联的热电偶，热电偶的冷端连接在磷铜质的支柱上，直接暴露在气流中，其温度与气流温度一致，当一定大小的电流通过镍铬丝加热后，玻璃球温度升高。由于受到温度较低的气流通过而产生热量传输其温度发
6、生改变，流速小升温高，反之流速大升温低，其流速值可直接由仪表上读出。测量前，仔细阅读热球式风速计说明书。三、实验设备1流体力学综合实验装置系统，该系统包括：风机、空气流量计、蝶阀、三维坐标架、和U形管压力计及实验段构成。换不同的实验段可以做不同的实验（图13）。2测试设备：毕托管，热球风速计、斜管压力计、数字式压力计。 图13四、实验内容 1. 流体流过矩形管(100*50)横截面的平均流速和流量。 2. 毕托管的校正系数未值。五、实验步骤1. 首先将实验段安装在流体力学综合实验装置上（见图13），把出口横截面分成16个等分小格（见图12）。2. 把微压计与毕托管用橡胶管连接起来，调整好微压计
7、的水平和初始值。3.打开风机，调整风量（不要过大）在相同的流量情况下，分别用毕托管和热球式风速计配合三维坐标架测出每一小格中心处的速度。六、数据整理：1流体性质计算：P全（mm水柱）=9.81P全（N/m2）P静（mm水柱）=9.81P静（N/m2）P动（mm水柱）=9.81P动（N/m2）2利用下式得求得各点速度V=式中： 毕托管校正系数。P金P静 测得的动压力（mm水柱） 流体的密度（Kg/m3）； 用公式：1-3、1-4算出平均速度和流量。3. 将原始记录数据和计算结果整理列表如下：（下表供参考，表格形式可自行设计）参考表1-1 测量地点用热球风速计测得风速m/s用毕托管测得每点动压差（
8、mm水柱）每点的V(m/s)平均(m/s)流量Q(m3/s)123413141516七、实验要求1实验前认真阅读实验内容与有关知识，写好实验预习报告。2实验报告的内容一定要含实验原始数据和经过计算得到的数据表格。3实验原理可以简写（要顺畅），复杂的原理图可以不画。八、思考题1如果所测管道为圆形截面，应如何来求其平均流速，从而确定流量。2毕托管的校正系数受到那些因素的影响？3用毕托管测量流速为什么一定要对准来流方向，还应注意些什么？ 实验二 沿圆柱体绕流时的阻力系数测定一、实验目的1通过实验加深对实际流体绕过物体流动时产生阻力的概念。2研究圆柱体后尾涡中的速度分布，并根据动量平衡原理确定在圆柱体
9、上的阻力和阻力系数。3掌握通过测定圆柱体表面上的压力分布，确定阻力系数的方法。二、实验原理流体绕过圆柱体流动时（图2-1），由于流体粘性的作用，在圆柱体表面上形成附面层，附面层脱离后，在圆柱体后面形成尾涡区，根据动量平衡原理，可以确定流体流过圆柱体时单位长度上所受到的阻力。 图2-1 在流体密度不变的稳定流场中，取控制体ABCD，厚度为1，通过AB截面流入控制体的质量流率为h。单位时间在X方向流入的动量为h。通过CD截面流出控制体的质量流率为，单位时间在x方向流出的动量为：由于连续性条件，通过AB和CD截面的质量流率之差：h=0 （21）而单位时间在x方向流入和流出动量差为h=0 （22）作用
10、在圆柱体上的阻力为：FD=h2（P静P静）h （23）式中：h控制体高度之半；h=50 mm； P静、 来流的静压力和速度； P静、 尾流的静压力和速度； 流体的密度（Kg/m3）；同时可求得阻力系数为：CD= （24）如取y=h更为方便，为h的部分值，这时最后得到：CD= （2-5） CD值还可以通过测定圆柱体表面上的压力分布来定（图2-2）。在圆柱体表面上开有一个很小的测压孔, 旋转时可测得不同角度时表面上的压力分布,积分后（公式：2-6）即可求得CD值。 （2-6） 式中：P在角度位置上，测压孔测得的压力。而值。 图2-2由测得来流的全压力和静压力之差求得。即P全P静 = 三、实验设备主
11、要设备同实验一，只要把不同的实验段安置在实验装置上即可。实验原理如图2-3。在实验段的入口和出口处，用毕托管和斜管微压计测得来流速度、来流静压和尾流静压、速度分布。转动圆柱体，测得取压孔在不同角度上表面的压力分布。四、验内容1.通过测量来流静压、来流速度、尾流静压、尾流速度分布值，根据公式（2-5） 求得阻力系数CD的值。 2.通过测定圆柱体表面上的压力分布，根据公式（2-6）求得阻力系数CD的值。五、实验数据及处理室温t= 大气压力=圆柱体直径d= 30mm 毕托管校正系数=来流的全压力P全 = mm水柱 流的静压力P静 = mm水柱 尾流的静压力P静 = mm水柱 流通截面宽度之半 = 5
12、0 mm流通截面长度之半L=25 mm1. 利用测量尾流速度分布来确定CD值来流速度计算公式： 同理计算尾流速度： 而，将实验数据整理成表2-1，（供参考）表2-1YmP静（mm水柱）P静（mm水柱）P全-P静N/m2 P全-P静N/m2Vm/sVm/s510154550 CD值由公式（2-5）求出： CD=其中： 值可采用下列方法之一求得：（1）将图画在方格纸上，用数格的办法求其面积，参考图2-4。（2）用面积仪求得其面积；（3）用计算机求得其面积；2利用测得圆柱体表现上的压力分布来确定CD值。CD= 其中：CP=为压力系数， 将数据整理成表2-2、图2-5 （供参考）图2-4 图2-5 表
13、2-2PP静CP=CPCOS PP静CP=CPCOS015304560751651801530456075 165180 六、实验要求1实验前预习与实验有关的知识，写出实验预习报告。2实验报告的内容一定要包含原始数据和结果。（阻力系数的值）七、讨论通过沿圆柱体的表面压力测量和尾流速度的测量而得到的阻力系数分别为： 和，一般来说，值比较标准、可靠、而测得的由于紊流影响，压力计读数很不稳定，因而影响实验的精度，同时测量平面到圆柱体的距离太近，由于紊流的影响，测量平面处静压力的不均匀分布，也可能是造成误差的一个原因。最后在推导式（23）过程上曾忽略了壁面摩擦阻力，也会对结果带来一定的影响。八、思考题
14、1如果在圆柱体的后面加上一个流线型的尖尾，其阻力是增大还是减小？2如果圆柱体的表面很粗糙，其阻力是增加还是减小？ 实验三 流体能量转换伯努力方程应用一、实验目的1加深对“无粘性，不可压缩流体沿管道作稳定流动时其总能量（即动压能、静压能和位压能之和）保护不变”的伯努利方程的理解。2. 了解实际流体由于粘性的存在和附面层的产生，在运用伯努力方程式进行计算所造成的偏差。二、实验原理理想流体在管道内作稳定流动时，遵守能量守恒定律伯努利方程。Z1gP1=常数 （31）或者写为： ZgP常数 （32）考虑气体的密度很小，在高度变化不大的情况下，略去位压能的影响，则：P（总压能） （33）即： （34）而实
15、际流体都具有粘性，在流动过程中有能量损失，其能量平衡方程式：Z1gP1 （35）或写为：P01=P02h失 截面2处的总压能不再等于截面1处的总压能，沿途有能量损失。该实验通过测量流体流过一个截面逐渐收缩的锥体、截面不变的喉管和截面逐渐扩大的锥体的实验段，动压力和静压力因截面不同的变化及相互转换的关系，深入理解能量转换规律。为了更清楚地表明其转换关系，选取喉管处，即最小截面处的流速t为标准，这时得到：Vt= ，任意截面的速度与喉管速度之比： （36） 式中：Pt 喉管处的静压力。如果将流动看成是一维管流，即认为在管道任一横截面上的流速都是均匀的，同时管道的横截面是变化的，根据连续性方程可以写为
16、：Q=VA= VtAt 即： （3-7）由于实验段的深度是一定的，仅是其宽度发生变化，所以横截面之比即为宽度之比。（3-7）式可以写成： （3-8） 式中：Bt喉管处的截面宽度。 B任一截面的宽度。将实验测得结果代入（36）式与理论计算结果（38）式相比较，即可验证伯努利方程能量转换的关系。三、实验设备实验设备同实验一，换上实验三所需实验段即可。如图31所示。图31 实验段尺寸如下：上口宽度：B1=98mm； 上锥体高度：H1=180 mm； 喉管宽度：B2=50 mm喉管高度：H2=50 mm； 下口宽度：B3=98 mm； 下锥体高度：H3=80 mm高度X与宽度B之间的关系为：下锥体：B
17、= B3（B3B2）喉管：B=B2（H3xH2H3）； 上锥体：B= B2（BB2）四、实验内容1根据能量守恒定律原理，用理论计算的方法（38公式）推导从实验段入口（x=0）到实验段出口（x=310 mm）中心速度的变化规律（每隔20mm一点，绘成图，其坐标如图32所示）。2. 用毕托管从实验段入口（x=0）到出口（x=310 mm ）沿管道中心每隔20mm测一点，绘出速度变化规律图。 （说明：两条曲线 绘在同一张坐标低上）五、实验数据处理大气温度t= ； 毕托管校正系数=空气密度= （Kg/m3） 1数据处理 图3-2P动=（P全P静）mm水柱=9.81（P全P静）N/m22实验数据整理将实
18、验测试、理论计算数据整理成表格(参考表格见表3-1），根据表格中的数据绘图。（坐标系统如图32）表3-1XmmP全P静N/m2P动N/m2BmmV计m/sV测m/sV计/V喉V测/V喉0204060 310六、实验要求1预习实验内容，实验前写出实验预时报告。2实验数据整理成的表格形式可以任意，但一定要完整、清楚。表3-1可供参考。七、讨化由测得结果可以看出：沿管道长度方向上的全压力下降很少。入口处与出口处的全压力非常接近，而这时静压力和动压力的变化却非常大，这就很好地证明了流体流动时，能量守恒与转换原理伯努利方程的正确性。通过实验和理论计算所得数据还可以看出：由测得压力变化算出的速度比( V测
19、/V喉)和由宽度变化计算出的速度比( V计/V喉)，在收缩段和喉管处数值非常接近，图示曲线比较吻合，而在扩张段则出现较大的偏差，越向出口端，其偏差越大，造成这种偏差的原因是由于附面层影响。在收缩段和流速较快的喉管，附面层较薄，故其对速度比(V测/V喉)的影响较小。而在扩张段，附面层厚度不断增厚,故其影响也就增大。由于附面层中流体速度逐渐降低，当壁面粘附层具有一定厚度（可达23毫米）时,实际上就等于减小了管道的宽度, B喉/B 值增大。这就是为什么根据管道宽度变化B喉 /B计算得到的( V/V喉)计算值与测量得到的( V/V喉)测量值差别的原因。八、思考题1从绘出的两条曲线图上看：从喉部出口开始
20、到实验段出口结束，两条曲线（理论计算和实际测量）之间的距离逐渐拉大，除了上述的附面层影响外，还受哪些因素影响？实验四 园形湍流自由射流一、实验目的1了解圆形湍流自由射流的速度分布规律。2加深对圆形湍流自由射流中断面“动量流量不变”概念的理解。二、实验原理射流根据不同的特征可分为层流射流与湍流射流。本实验要解决的主要问题是：确定湍流射流的速度分布及射流的扩展范围。湍流射流的基本特点是：射流在形成稳定的流动形态后，沿流向分成初始段和基本段（自模化段），在初始阶段中有一等速三角区（核心区)，其速度Vm等于喷出口速度V。等速区外为混合区。由于湍流的脉动，沿流向射流流股不断卷吸四周的流体而逐渐扩大，中心
21、速度逐渐衰减，但仍为最大值。基本段速度分布的特点是在各截面具有速度相似的规律，即具有自模化的性质，以上所述的射流分布特点可用下图4-1表示。图4-1由于射流流股对周围流体的卷吸作用，使得流股的质量流率逐渐增加，但射流流股的动量则是守恒的，这是因为沿射流轴向不存在力的作用。在射流初始段，射流的三角区内速度保持与出口速度一致。即： =1 在基本段，射流中心速度V0与距喷口距离X成反比。 其中：C 系数 另外，在射流基本段上任一点的速度分布可用半径经验公式表示为： （4-1）其中：Vr点处的速度；V0截面轴心的速度；r截面上任意点至轴心距离；R截面上的射流半径（半宽度） 流体通过某一截面上的流体流量
22、流率为：m= 而通过整个射流流股截面的动量流率为：J= 若射流以均匀速度从喷口喷出，则园管出口处的质量、动量流率分别为： M= ； J0= （R喷口半径）三、实验设备实验设备同实验一，换上实验四所需实验段即可，实验系统如同41所示。圆形湍流射流是从圆短管内流出，圆短管半径R=33mm，毕托管安装在上下左右可以移动的坐标架上，静压力和全压力由毕托管、斜管（或U型管）压力计测出。图41四、实验内容1从射流出口的中心处（X=0）开始，并记下轴向坐标X和径向尺寸r的值，作为计量的开始点，然后将风量调到一定值并保持不变，待系统稳定后，沿射流轴向每隔20mm测一个数据，（从x=0到x=300）可得到射流中
23、心速度的衰减规律。2选择三个不同轴向长度x作为测量截面，沿射流径向每隔5mm测一个数据，测到边界为止，可得到不同截面径向速度分布规律。五、实验数据整理圆管出口处P全= mm水柱 ； P静= mm水柱； 出口速度V= 米/秒；空气温度= ； 空气密度= （Kg/m3） 毕托管校正系数=气体的速度V=米/s；把实验记录数据整理成表格。形式自己确定（表4-1、4-2作参考）表4-1 沿轴向x方向的中心速度规律数据表（可以与表格不同）xmm02040 220240260280300 P全P静(mm水柱)V0米/sV0/V其中：V0轴心速度； V圆管中心出口速度（即：x=0时的速度）表4-2 沿不同的射
24、流截面径向速度分布数据表xmmX=50mmX=150mmX=300mmP全P静(mm水柱)V m/sV/V0P全P静(mm水柱)V m/sV/V0P全P静(mm水柱)V m/sV/V00510 30其中：V0测量截面上轴心速度；V测量截面上离轴心距离为r点处的速度；根据实验所得数据，可以绘成所需要的曲线图。下面以r/R为横坐标，为坚坐标，则可表示成右侧的函数图象形式(图4-2所示)。其中：r 截面上任意点至轴心距离；R 射流圆管半径； V 截面上与r相对应的速度；V射流出口速度； 图4-2 六、实验要求 1预习实验内容，并写实验预习报告。2射流中心速度的衰减规律图的横坐标为X，坚坐标为V（所测
25、中心速度）。3不同的射流截面的径向速度分布图的横坐标为热 r/R，坚坐标为V/Vo其中: V r点处的速度；V0 截面轴心的速度；r 截面上任意点至轴心距离；R 截面上的射流半径;； 实验五 管道内气体速度分布实验一、实验目的 1了解气流在管道中的流动规律。2掌握利用毕托管、微压计怎样选点测定管道内气流速度分布的方法。二、实验基本原理对于不可压缩的理想流体，流体质点微团沿水平管道流动时，其流动的位压能保持不变，静压能和动压能之和为常数称之为全压能。原理公式如下： （5-1）式中：P全测点气流的全压（N/m2）； P静测点气流的静压（N/m2）； 被测气体的密度（Kg/m3）。在湍流运动中，流体
26、质点微团之间通过脉动相互剧烈地交换着能量、动量和质量，从而产生了湍流扩散、湍流摩阻和湍流热传导。它们的强度比起分子运动所引起的扩散、摩阻和热传导大得多。所以湍流一旦发生后，其运动性质就和层流大不相同。对圆管流动来讲，由于激烈掺混的结果，管内的速度分布曲线为对数型曲线。即在管壁附近出现极大的速度梯度，而在其他区域，速度几乎是一常数。如图51。图51 湍流圆管内的速度部面 图52 实验原理图三、实验装置本实验装置安装在流体力学综合实验装置系统的送风管道上，它主要由实验段、孔板流量计、斜管压力计、U型管压力计、进气碟阀构成。管道内直径为200mm，材质为透明有机玻璃，实验时把毕托管从密封的测压孔插入
27、，并将毕托管上的全压孔和静压孔连接到斜管微压计或U型管压力计上，见实验原理图52。四、实验内容1在三个不同的流量下，测出道管内某截面的速度分布规律（绘成曲线图）。2分析不同的流量与速度分布规律的关系。五、实验步骤1. 实验前，检查电源插头是否完好，风机进气阀要处于关闭状态。一切正常后合上电源开关，风机启动，然后缓慢打开风机进气阀，待风量稳定后即可进行实验。（提示：风量由孔板流量计确定）2. 把初测点（第一测点）放在管壁上，并记下坐标值（提示：毕托管的全压孔一定要对准气流来流方向且与流向平行），待斜管微压计（测风速动压力）和U型管压力计（测流量压力差）稳定后，记下压差值。然后沿管道径向移动20mm测第二点，总共测11点（每隔20mm测一点）。3调整进气阀（改变空气流量）重复步骤2过程。4实验做完后，先关闭风机进气阀，再关闭电源开关。六、实验数据处理1实验空气流量的确定： （5-2）其中：Q 空气流量 m3/h C 流出系数：0.60
