实验三、流量计实验

一、实验目的

1.掌握孔板、文丘利节流式流量计的工作原理及用途。

2.测定孔板流量计的流量系数，绘制流量计的校正曲线。

3.了解两用式压差计的结构及工作原理，掌握两用式压差计的使用方法。

二、实验装置

本实验采用管流综合实验装置。管流综合实验装置包括六根实验管路、电磁流量计、文丘利流量计、孔板流量计，其结构如图1-3-1示。

F1——文丘利流量计； F2——孔板流量计   ；F3——电磁流量计；

C——量水箱；  V——阀门； K——局部阻力实验管路

图1-3-1  管流综合实验装置流程图

说明：

本实验装置可以做流量计、沿程阻力、局部阻力、流动状态，串并联等多种管流实验。其中V8为局部阻力实验专用阀门，V10为排气阀。除V10外，其他阀门都用于调节流量。

另外，做管流实验还用到汞-水压差计（见附录A）。

三、实验原理

1.文丘利流量计。

文丘利管是一种常用的测量有压管道流量的装置，属压差式流量计（见图1-3-2）。它包括收缩段、喉道和扩散段三部分，安装在需要测定流量的管道上。在收缩段进口断面1-1和喉道断面2-2上设测压孔，并接上测压计，通过测量两个断面的测压管水头差，可以计算管道的理论流量Q，再经修正即可得到实际流量。

2.孔板流量计。

如图1-3-3所示，在管道上设置孔板，在流动未经孔板收缩的上游断面1-1和经孔板收缩的下游断面2-2上设测压孔，并接上压差计，通过测量两个断面的测压管水头差，可以计算管道的理论流量Q，在经修正即可得到实际流量。孔板流量计也属压差式流量计，其特点是结构简单。

3.理论流量。

水流从1-1断面到达2-2断面，由于过水断面的收缩，流速增大，根据恒定总流能量方程，若不考虑水头损失，速度水头的增加等于测压管水头的减小（即压差计液面高差），因此，通过测量到的简历了两个断面平均流速和之间的关系：

     （1-3-1）

如果假设动能修正系数，则最终得到的理论流量为：

              （1-3-2）

其中：

式中 A——孔板锐孔断面面积；

         ——分别为1-1,2-2截面的面积。

4.流量系数

（1）流量计流过实际液体时，由于两断面测压管水头差中还包括因粘性而造成的的水头损失，所以流量应修正为：

                                     （1-3-3）

其中，<1.0称为流量计的流量系数。

（2）流量系数除了反映粘性的影响外，还包括在推到理论流量是将断面动能修正系数近似取为1.0带来的误差。

（3）流量系数体现了缓变流假设是否得到了严格的满足这一因素。对于文丘利流量计，下游断面设置在喉道，可以说缓变流假设得到了严格的满足。而对于孔板流量计，因下游的收缩断面位置随流量而变，但下游的量测断面位置是固定不变的，所以缓变流假设往往得不到严格的满足。

（4）对于某确定的流量计，流量系数取决于雷诺数，但当雷诺数较大（流速较高）时，流量系数基本不变。

图1-3-2文丘利流量计示意图                   图1-3-3 孔板流量计示意图

四、实验要求

1．有关常数：                                实验装置编号：No. 8     

孔板锐孔直径：= 2.8106 ；面积：A= 6.201 ；

系数：=  2.745 

2．实验数据记录及处理见表3-1。

表3-1   实验数据记录及处理表

以其中一组数据写出计算实例。

以第一组数据为例：

=-=94.0-27.0=67.0   (10^-2m)

=12.6×=12.6×67.0=844.2   (10^-2m)

=2.745×10^-3×√844.2=7.98  (10^-3m³s^-1)

=Q/()=19.26/3600×1000/7.98=0.671
3．绘制孔板流量计的校正曲线图

五、实验步骤

1.熟悉管流实验装置，找出本次试验的实验管路（第4根，第6根实验管）。

2.先将进水阀门V1完全打开，使试验管路充满水，然后打开排气阀V10，排除管内的空气，待排气阀有水连续流出（说明空气已经排尽）时关闭阀V10。

3.打开孔板的两个球形阀门，检查汞-水压差计左右两汞柱液面是否在同一水平面上。若不在同一水平面上，则需排气调平。

4.将两用式压差计上部的球形阀关闭，并把阀V9完全打开，待水流稳定后，接通电磁流通计的电源（接通电磁流通计前务必使管路充满水），记录电磁流量计、压差计的读数。

5.按实验点分布规律有计划地逐次关小阀V9，共测量12组不同的流量及压差。

6.实验完毕后，一次关闭阀V9，孔板的两个球形阀，打开两用式压差计上部的球形阀。

六、注意事项

1.本实验要求2-3人协同合作，共同完成。为了使读数准确无误，读压差计、调节阀门及测量流量的同学要互相配合。

2.读数时取汞-水压差计的凸液面。

3.电磁流量计通电前，务必保证管路充满水。

4.不要启动与本实验无关的阀门。

七、问题分析

1．在实验前，有必要排尽管道和压差计中的空气吗？为什么？

答：有必要。如果不排尽空气的话，会导致实验测得压差的误差增大，影响实验的准确性。

2．压差计的液面高度差是否表示某两断面的测压管水头差？怎样把汞-水压差计的压差换算成相应的水头差？

答：压差计的液面高度差不是表示某两断面的测压管水头差。汞-水压差计的压差的读数再乘以12.6即为相应的水头差。

3．文丘利流量计和孔板流量计的实际流量与理论流量有什么差别，这种差别是由哪些因素造成的？

答：理论流量往往大于实际流量。由于液体在管道中流动时会有粘滞阻力，同时缓变流断面和动能修正系数的引入都将影响实际流量，使其比理论流量要小。

八、心得体会

通过本次试验我了解到孔板、文丘利节流式流量计的工作原理及用途，并且实际测定孔板流量计的流量系数，绘制出了流量计的校正曲线。从实际中了解两用式压差计的结构及工作原理，掌握两用式压差计的使用方法。本次试验较为简单，但还是锻炼了我的动手能力以及与同学的配合能力，同时对书本所学即伯努利方程有了更深的了解，有一定收获。

 

第二篇：工程流体力学实验指导书

 

（三）伯努利能量方程实验测定

一、实验目的

1、观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析，加深对能量方程的理解；

2、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能：

3、验证静压原理。

4、进一步掌握有压管流中，动能、压能和位置能三者之间的转换关系。

5、测定管道的测压管水头和总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水头线。

二、实验设备

本实验台由压差板、实验管道、水泵、实验桌和计量水箱等组成。

图3.1  能量方程实验台示意图

每一组测压管都有两种不同的测点位置：

一种是测点处于管道中心位置，称为毕托管测压管（后续课堂内容会讲到），测量对应截面的总水头（全压）。注意这里的速度u为管道中心处的点流速，与截面平均速度v有所差异。但在紊流状态下两者之间差异有限。

另一种是测点处于管道壁面，称为普通测压管，测量对应截面的静压头，即只包含Z和两项。全压与静压之差，称为动压，即。

三、实验准备工作

1、熟悉实验设备，分清毕托管测压管和普通测压管的区别以及各自表征的物理量。

2、接上各导压胶管；

3、检验测压板是否与水平线垂直；

4、启动电泵使水工作循环，检查各处是否有漏水的现象。

5、用手堵住出水口突然放水，重复几次，直至使实验管中的气泡排除。关闭尾阀，检查各个测压管水位高度是否在同一水平线上，如果不在同一水平线上，说明有气泡存在，必须全部排除。否则测量数据无效。

四、实验步骤

1、验证静压原理：

启动电泵，关闭给水阀，此时能量方程试验管上各个测压管的液柱高度相同，因管内的水不流动没有流动损失，因此静水头的连线为一平行基准线的水平线，即在静止不可压缩均匀重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和（总势能）保持不变，测点的高度和测点位置的前后无关，记下四组数据于表二的最下方格中。

2、测速：

能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流体点速度，本试验已将测压管开口位置在能量方程试验管的轴心，故所测得的动压为轴心处的，即最大速度。

毕托管求点速度公式：     

利用这一公式和求平均流速公式（）计算某一工况（如表中工况2平均速度栏）各测点处的轴心速度和平均流速得到表3.1。

在能量方程中，使用截面平均流速v=Q/A。

表3.1

3、观察计算流体、管径，能量方程试验管（伯努利管）对能量损失的情况：

在能量方程试验管上布置八对测压管，测量1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8截面上的总压和静压，全开给水阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，这说明流体的总势能沿着流体的流动方向是减少的，改变给水阀门的开度，同时用计量水箱和秒表测定不同阀门开度下的流量及相应的八组测压管液柱高度，记在数据表3.2中。

根据以上数据和计算结果，绘出流量下的各种水头线，并解释图中现象。

能量曲线图

4、自行设计一个表格，用所取得的数据，计算突然扩大断面和突然缩小断面的局部水头损失及局部阻力系数。(如单独开设阻力损失实验，这一部分计算可以不做)

五、结束实验

全开阀门，把管道内的水放掉，然后关闭各阀门。

六、思考

1、为什么截面3和4的直径一样，但截面3处的动压远远小于截面4的动压？

2、阀门全关时，为什么所有截面的水头高度会一样？

3、为什么截面4的动压会小于截面1的动压？

4、分析表一的数据，结合连续性方程，讨论不可压缩流体稳定流动时，管径与流速之间的关系。

表3.2 实验数据表

俩测点间距离：L_1-2=250mm；L_2-3=332 mm；L_3-4=500 mm；L_4-5=174 mm；L_5-6=250mm

（四）雷诺数的测定

一、实验目的

1、用实验方法观察液体层流、紊流的流态区别及其相互转换的过程。以加深对层流、紊流形态的感性认识。

2、测定临界雷诺数，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实验研究的方法，并了解其实用意义。

二、实验装置

如图4.1所示。供水流量由调速器控制，使恒压水箱4始终保持溢流状态，以稳定进口处水体压力。稳水隔板的作用是使水面的扰动时间缩短。有色水调整流量后，经水管5注入实验管道8，根据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水体污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。

三、实验原理

同一种液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体在运行中有两种不同的流态。当流速较小时，管中水流的全部质点以平行而不互相混杂的方式分层流动，这种形态的游体流动称为层流。当流速较大时，管中水流各质点间发生相互混杂的运动，这种形态的液体流动称为紊流。

实验中，。在106实验室和109实验室中的雷诺实验仪器，直径值不同。请注意记录106实验室中黑板上的原始数据。

临界雷诺数有两个：当流量从0开始逐渐开大，当红线散开时将产生一个上临界雷诺数；当流量由大逐渐关小，当红线聚成一条稳定直线时，产生一个下临界雷诺数。上临界雷诺数受干扰较大，数值不稳定，有时候会得出临界雷诺数高达几万的结果。而下临界雷诺数相对较稳定。雷诺经反复实验，测得圆管水流的下临界雷诺数为2320。这也作为了层流、紊流的流态判别依据。

四、实验步骤

1、记录本实验的有关常数（实验管道直径d、水的运动粘度）。

2、打开水泵，使水箱充水至溢流水位。水面稳定后，微微开启调节阀9，调整有色水流量控制阀，将有色水注入实验管道内，有色水形成一直线。再逐步开大调节阀9。观察层流、紊流两种流态的变化。记录在紊流的几种不同状态下的流量。

3、测定下临界雷诺数。将调节阀9开得较大，使管中完全紊流。逐步关小调节阀，每调节一次，需等待一段时间，红线稳定后再观察其形态，直至红色水流成一直线为止。此时表明紊流转化为层流。此时的雷诺数称为下临界雷诺数。用量筒、秒表测量此时的流量，计算水流速度。

4、将调节阀9开大，从步骤3开始重复，记录3组数据。

5、将三次测量的数据进行处理，计算各次的下临界雷诺数，记录在数据表中。

注意事项：

1、缓慢调节阀门，尤其当流量较小时，每一次的调节量要注意控制。每次调节阀门后，都须等待水流稳定，即停留15秒以上。

2、调节阀门的过程中，只许逐渐关小阀门，调节过程中不许开大阀门。

3、水箱进水量调到合适位置，保持有少量溢水即可。如果进水量过大，将增大水箱液面处的位置波动，从而导致管道内压力波动。

4、由于上临界雷诺数不容易得到一个固定值，且参考意义不大，所以在实验中不要求测定。

五、实验数据记录及计算

六、思考

1、雷诺数的量纲是什么？

2、如果阀门从小逐渐开大，所得到的上临界雷诺数为何数值有时候会较大？

3、下临界雷诺数，在测量计算的过程中，受到哪些因素的影响？

（五）节流式流量计测量实验

一、实验目的

1．了解文德里和孔板流量计测流量的原理及其简单构造。

2．绘出压差与流量的关系，确定文丘里流量计和孔板流量计的系数。

二、实验原理

文丘里流量计是在管道中常用的流量计。它包括收缩段、喉管、扩散段三部分。由于喉管过水断面的收缩，该断面水流动能加大，势能减小，造成收缩段前后断面压强不同而产生的势能差。此势能差可由压差计测得。

孔板流量计原理与文丘里流量计相同，根据能量方程和连续方程可得出不计阻力作用时的文德里流量计(孔板流量计)的流量计算公式：

武中：                    （孔板）；

                               （文丘里）

根据实验室的设备条件，管道的实测流量Q实可由体积法测出。

在实际液体中，由于阻力的存在，水流通过文德里流量计(或孔板流量计)时有能量损失，故实际通过的流量Q_实一般比Q_理稍小，因此在实际应用时，上式应予以修正，实测流量与理想流体情况下的流量之比称为流量系数，即

     （课本中，孔板流量计的流量系数，使用符号。）

三、实验设备

实验设备与各部分名称如图5.1所示。

四、实验步骤

1．熟悉仪器，记录有关数据。，

2．启动水泵，打开总进水闸阀，使水进入管道系统；打开1号管和2号管的进水闸阀，确认出水管有稳定出流。

3．检查压差计内是否有气泡。如有气泡，必须排除干净。

4．分别调整1号管和2号管进水闸阀，依次增大流量和依次减小流量。量测各次流量相应的压差值，使用体积法测量实际流量Q（记录水箱高度，使用秒表记录时间）。每管各做6次。将数据记录在表5.1中。

五、注意事项

1．改变流量时，需待开关改变后，水流稳定之后(至少需3～5分钟)，方可记录。

2．当管内流量较大时，测压管内水面会有波动现象。可读取波动水面的最高与最低读数的平均值作为该次读数。

六、思考题

1．收缩断面前与收缩断面后相比，哪一个压强大?为什么？

2．实验求出的值是大于l，还是小于1？是否合理？

3．每次测出流量系数值是否是常数?若不是常数则与哪些因素有关?

结论：1号管中，流量系数               ；2号管中，流量系数              

（六）流动阻力水头损失测量实验

一、实验目的和要求

1、掌握管道沿程阻力系数的测量技术；

2、通过测定不同雷诺数Re时的沿程阻力系数，掌握与Re的影响关系；

3、测量弯头局部阻力系数。

二、实验仪器和设备

实验设备装置如图6.1所示。这台实验装置可对不可压缩流体流经管道系统的规律性进行比较详细的实验研究。

利用这台装置可以进行的主要实验项目如下：

1、滞流区和过渡区摩擦系数的测定——利用2号管进行。（见图1，下同）

2、不同直径的管子湍流区磨擦系数的测定——利用1，3号管子。

3、螺旋槽管（相似于粗糙管）摩擦系数的测定。

4、认识文丘里流量计，测定它的孔流系数。

5、验证孔板流量计的孔流系数。

6、对比孔板和文丘利两种流量计的阻力损失。

7、认识毕托管流速计，利用毕托管测量管内流速。

8、测量90°标准弯头的局部阻力系数。

9、测量截止阀局部阻力系数。

10、测量突然扩大管局部阻力系数。

本实验将使用1号管（水力光滑管），对层流、紊流状态下的沿程阻力损失进行测量和计算分析，弄清沿程阻力损失系数和雷诺数Re的关系。对弯管局部阻力损失系数进行测量，找出局部阻力损失与速度头之间的关系。

1号测管标称直径40（实际内径请按样品管测量），测压孔距为2000毫米。

三、实验原理

   1、沿程阻力系数的测量与计算

 由达西公式，

而沿程阻力系数，在管道中不同流态情况下，值不相同。在水力光滑管中，   式中，d为管道直径，L为研究管段的长度，h­_f为沿程阻力损失水头，由测压管测量得出；v为断面平均流速，通过量筒测单位时间液体体积求得。

   雷诺数，已知水的运动粘度

   层流时，；紊流时，在水力光滑管内

通过实验，测量数据，计算指定管道内的沿程阻力损失系数，并与理论值进行比较。

2、弯管局部阻力损失系数测量

根据计算公式：

实验中，通过测压管2测出。计算出弯管局部阻力损失系数

四、实验步骤

1、关闭泵出口阀，再打开潜水泵。

2、检查各测压管内是否有气泡存在。如有气泡，必须先进行排气操作，确保测压管内无气泡。

3、缓慢打开1号管左端的闸阀，记录数据写入表一（前4列）。后三列作为数据处理，在实验报告中体现计算过程，并提交结果。

五、思考

1、沿程阻力损失系数与哪些参数有关？

2、局部阻力损失系数与哪些参数有关？