实验六、流动状态实验

一、实验目的

1.测定液体运动时的沿程水头损失（h_f）及断面的平均流速（v）。

2.绘制流态曲线（lg h_f-lg v）图，找出下临界点并计算临界雷诺数（Re_c）的值。

二、实验装置

本室验的装置如图6-1所示。本实验所用的设备有流态实验装置、量筒、秒表、温度计及粘温表。

图6-1  流态实验装置

1.      稳压水箱     ；2.      进水管       ；3.     溢流管        ；

4.      实验管路     ；5.      压差计       ；6.    流量调节阀     ；

7.      回流管线     ；8.      实验台       ；9.     蓄水箱        ；

10.      抽水泵      ；11.     出水管       

三、实验原理

1.液体在统一管道中流动，当速度不同时有层流、紊流两种流动状态。层流的特点是流体各质点互不掺混，成线状流动。紊流的特点是流体的各质点相互掺混，有脉动现象。

不同的流态，其沿程水头损失与断面平均流速的关系也不相同。层流的沿程水头损失与断面平均流速的一次方成正比；紊流的沿程水头损失与断面平均流速的m(m=1.75~2.0)次方成正比。层流与紊流之间存在一个过渡段，它的沿程水头损失与断面平均流速的关系与层流、紊流不同。

2.当稳压水箱一直保持溢流时，实验管路水平放置且管径不变，流体在管内的流动为稳定流，此种情况下A点、B点的断面平均流速相等，且v₁=v₂。这时从A点到B点的沿程水头损失h_f可由能量方程导出：

                               （1-6-1）

式中 ——分别为A点、B点的测压管水头，由压差计中的两个测压管读出。

3.根据雷诺数判断流体流动状态。雷诺数Re的计算公式为：

                                                  （1-6-2）

式中 圆管内径；

断面平均速度；

运动粘度。

当Re<Re_c(下临界雷诺数)时，为层流，其中Re_c=2000~2320；

当Re>Re_c(上临界雷诺数)时，为紊流，其中Re´_c=4000~12000。

四、实验要求

1．有关常数：                               实验装置编号：No.  6    

实验管内径：D=   1.0×10^-2  m；    水温：T=     18.0     ℃；

水的密度：=  998.62 kg/m³；  动力粘度系数：= 1.0559×10^-3Pas；

运动粘度系数：=    1.0574×10^-6   m²/s。

2．实验数据记录处理见表6-1。

表6-1  流动状态实验数据记录处理表

以其中一组数据写出计算实例。

以第一组数据为例：

流量

由公式

则断面的平均流速

沿程水头损失

雷诺数

3．要求：

（1）在双对数坐标纸上绘制关系曲线图

（2）确定下临界点，找出临界点速度，并写出计算临界雷诺数的过程。

由图可得，下临界点为（23.097,1.9）,则临界速度v_c=23.097×10^-2m/s

所以，临界雷诺数为

五、实验步骤

1.熟悉仪器，打开水泵开关启动抽水泵。

2.向稳压水箱充水，使页面恒定，并保持少量溢流。

3.在打开流量调节阀前，检查压差计液面是否齐平。若不齐平，则需排气。

4.将流量调节阀打开，直到流量最大。

5.待管内液体流动稳定后，用量筒量测水的体积，并用秒表测出时间。记录水的体积及所用的时间，同时读取压差计的液柱高度。

6.调小流量，在调节流量的过程中要一直观察压差计液面的变化，直到调至合适的压差，然后再重复步骤5，共测17组数据。

7.测量水温，利用《水的密度和粘度表》（见附录B）查出动力粘度μ和密度ρ。

8.关闭水泵电源调节阀，并将实验装置收拾干净整齐。

六、注意事项

1.在实验的整个过程中，要求稳压水箱始终保持少量溢出。

2.本实验要求流量从大到小逐渐调整，同时在实验的过程中针形阀不得逆转。

3.当实验进行到过渡段和层流段时，要特别注意针形阀的调节幅度一定要小，使流量及压差变化间隔小。

4.实验点分配要合理，在层流段、紊流段各测5个点，在过渡状态测6~8个点。

七、问题分析

1．液体流动状态及其转变说明了什么本质问题？

答：说明了液体的流动存在阻力，层流状态时主要表现为液体的摩擦和变形，紊流状态时主要表现为液体质点的互相碰撞和掺混，临界状态则表现为层流到紊流的过渡。两种流态的转变说明了流体流动阻力从量变到质变的发展过程。

2．为什么在确定下临界雷诺数的实验过程中要求从大流量到小流量慢慢调节，且中间不得逆转？

答：因为从层流过渡到紊流与从紊流过渡到层流，临界流速有所不同，前者较大，后者较小，因此相应的临界雷诺数也不相同，通常工程中规定从紊流过渡到层流的较低临界值作为判别流态的依据，慢慢调节与中间不得逆转的目的是为了保持变化的连续性，所以在确定下临界雷诺数Re_c的实验过程中要求从大流量到小流量慢慢调节，且中间不得逆转。

3．为什么将临界雷诺数作为判断流态的准数？你的实测值与标准是否接近？

答：因为在紊流状态下，惯性力占主要地位，雷诺数较大；层流状态下，惯性力较弱，粘性力居主导地位，雷诺数较小，且对于任何一种管内流体，任何流态，都可以确定出一个雷诺数的值，大量试验证明，不同流体，通过不同直径的管路时，其临界雷诺数大致相同，因此可以将临界雷诺数作为判断流态的准数。我的实测值与标准值很接近。

八、心得体会

 

第二篇：流体力学实验

分类号                                              密级

中国地质大学（北京）

工 程 流 体 力 学 实 验 报 告

题   目      能量方程实验  

学生姓名             侯冠丞              

学   院        工程技术学院          

专     业    机械设计制造及其自动化     

学     号          1002133209          

指导教师             王志乔              

二O一五年四月

 
一、实验目的

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究，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、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。

二：实验仪器

三：实验原理

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）至另一断面（i）的能量方程式（i=2，3, ? ? ,n）    

选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及，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）测管水头同否？为什么？（４）测点（１２）、（１３）

测管水头是否不同？为什么？（５）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，测计各测压管液面读数，同时测计实验流量（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、实验数据

位置高度1：0cm              位置高度2：0cm                     位置高度3：0cm

管径1：14cm                  管径2：30cm                         管径3：14cm

六：误差分析

1.本实验毕托管的探头通常布设在管轴附近，其点流速水头大于断面平均流速水头

2.管处真空的形成

3.毛细现象的影响

七：实验结果及分析

在不考虑水头损论失的情况下，1,2,3处的总水头约相等。加上水头损失，1,2,3处的水头相等，即能量守恒:

分析： 

1、     测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？

    测压管水头线（P-P）沿程可升可降，线坡JP可正可负。而总水头线（E-E）沿程只降不升，线坡J恒为正，即J>0。这是因为水在流动过程中，依据一定边界条件，动能和势能可相互转换。     

2、     流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 

    有如下二个变化：（1）流量增加，测压管水头线（P-P）总降落趋势更显著；（2）测压管水头线（P-P）的起落变化更为显著。

3、  测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？ 

    测压管水头线和总水头线的变化趋势的不同之处：测压管水头线会随管径变化有较大的波动。当管径减小时，测压管水头线下降；当管径变大时，测压管水头线上升。而总水头沿流线方向有减小的趋势，变化较为平缓。 

原因是测压管水头线是沿水流方向各个测点的测压管液面的连线，它反应的是流体的势能。测压管水头线沿水流方向可能下降，也可能上升（当管径沿流向增大时）。因为管径增大时流速减小，动能减小而压能增大，如果压能的增大大于水头损失时，水流的势能就增大，测压管水头就上升。总水头线是在测压管水头线的基线上再加上流速水头，它反应的是流体的总能量，由于沿流向总是有水头损失，所以总水头线沿程只能的下降，不能上升

分类号                                              密级

中国地质大学（北京）

工 程 流 体 力 学 实 验 报 告

题   目    文 丘 里 流 量 计 实 验  

学生姓名             侯冠丞              

学   院        工程技术学院          

专     业    机械设计制造及其自动化     

学     号          1002133209          

指导教师             王志乔              

二O一五年四月

一、实验目的

１、通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术；

２、掌握应用气—水多管压差计量测压差技术；

３、验证能量方程的正确性。

二：实验装置

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氏管过水能力关系式        

  

式中：Δh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λ=Q/Q’（μ称为流量系数λ）对计算所得的流量值进行修正。

四、实验方法与步骤

１、测记各有关常数。

２、打开电源开关，全关阀１２，检核各测管液面读数ｈ１－ｈ２＋ｈ３－ｈ４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。５，即速拧紧气阀８。

４、全开调节阀门，待水流稳定后，读取各测压管的液面读数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。

三、实验数据

管径1：2.6cm                          管径2：1.6cm

                                                                                                   

五：实验误差分析

1、有时水流不是很稳定导致误差； 

2、读数时尺子没有很好地对齐实验管子导致读书误差；

3、管道中气泡未能排尽导致实验误差；

4、体积法测流量时可能有部分水溅出而导致误差。

5实际流体在流动过程中受到阻力作用、有能量损失（或水头损失），而计算流量是假设流体没有阻力时计算得到的，所以计算流量恒大于实际流量

六.实验结论

                                                                              

七：实验注意事项

（1）改变流量时，需待开关改变后，水流稳定（至少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。应读取波动水面的最高与最低读数的平均值作为该次读数

八、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？ 

     答：收缩断面前压强较大，收缩断面后管道扩大形成漩涡，产生负压。  

（2）实测的μ值大于1还是小于1？ 

        答：实测μ< 1，实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流能力所以μ< 1。  

（3）每次测出的流量系数μ值是否是常数？若不是则与哪些因素有关？  

     答：由测量计算数据可知μ不是常数，与流量Q的变化有关。