實驗一柏努利實驗一、實驗?zāi)康?、通過實測靜止和流動的流體中各項壓頭及其相互轉(zhuǎn)換，驗證流體靜力學(xué)原理和柏努利方程。2、通過實測流速的變化和與之相應(yīng)的壓頭損失的變化，確定兩者之間的關(guān)系。二、基本原理流動的流體具有三種機(jī)械能：位能、動能和靜壓能，這三種能量可以互相轉(zhuǎn)換。在沒有摩擦損失且不輸入外功的情況下，流體在穩(wěn)定流動中流過各截面上的機(jī)械能總和是相等的。在有摩擦而沒有外功輸入時，任意兩截面間機(jī)械能的差即為摩擦損失。流體靜壓能可用測壓管中液柱的高度來表示，取流動系統(tǒng)中的任意兩測試點，列柏努利方程式：對于水平管，Z1=Z2，則若u1=u2,則P2<P1；在不考慮阻力損失的情況下，即Σhf=0時，若u1=u2,則P2=P1。若u1>u2,p1<p2；在靜止?fàn)顟B(tài)下，即u1=u2=0時，p1=p2。三、實驗裝置及儀器圖2－2伯努利實驗裝置圖裝置由一個液面高度保持不變的水箱，與管徑不均勻的玻璃實驗管連接，實驗管路上取有不同的測壓點由玻璃管連接。水的流量由出口閥門調(diào)節(jié)，出口閥關(guān)閉時流體靜止。四、實驗步驟及思考題關(guān)閉出口閥7，打開閥門3、5，排出系統(tǒng)中空氣；然后關(guān)閉閥7、3、5，觀察并記錄各測壓管中的液壓高度。思考：所有測壓管中的液柱高度是否在同一標(biāo)高上？應(yīng)否在同一標(biāo)高上？為什么？將閥7、3半開，觀察并記錄各個測壓管的高度，并思考：（1）A、E兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D兩管中，C、D兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？將閥全開，觀察并記錄各測壓管的高度，并思考：各測壓管內(nèi)液位高度是否變化？為什么變化？這一現(xiàn)象說明了什么？五、實驗數(shù)據(jù)記錄.液柱高度ABCDE閥門關(guān)閉半開全開實驗二雷諾實驗一、實驗?zāi)康?、觀察流體在管內(nèi)流動的兩種不同型態(tài)，加強(qiáng)層流和湍流兩種流動類型的感性認(rèn)識；2、掌握雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的測定與計算；3、測定臨界雷諾數(shù)。二、基本原理雷諾（Reynolds）用實驗方法研究流體流動時，發(fā)現(xiàn)影響流動類型的因素除流速u外，還有管徑（或當(dāng)量管徑）d，流體的密度ρ及粘度μ，由此四個物理量組成的無因次數(shù)群Re的值是判定流體流動類型的一個標(biāo)準(zhǔn)。（1－1）Re<2000~2300時為層流，Re>4000時為湍流，2000<Re<4000時為過渡區(qū)，在此區(qū)間流型可能表現(xiàn)為流層，也可能表現(xiàn)為湍流。從雷諾數(shù)的定義式來看對同一個儀器d為定值，故u僅為流量的函數(shù)。對于流體水來說,ρ、μ幾乎僅為溫度的函數(shù)。因此確定了水的溫度及流量，即可計算雷諾數(shù)。注意：進(jìn)水閥出水閥進(jìn)水閥出水閥水箱玻璃試驗管顏色水瓶溢流層流時紅墨水成一線流下，不與水相混。湍流時紅墨水與水混旋，分不出界限。三、實驗裝置及儀器試驗裝置如圖1－1所示，液面保持一定高度的水箱與玻璃測試管相連，水箱上放有顏色水瓶，測試管上安有帶針頭的膠塞，用出口閥調(diào)節(jié)流量，用轉(zhuǎn)子流量計測定流量。試驗時水由高位水箱進(jìn)入玻璃管，槽內(nèi)水由進(jìn)水管供應(yīng)，槽內(nèi)設(shè)有進(jìn)水穩(wěn)流裝置及溢流箱用以維持平穩(wěn)而又穩(wěn)定的液面，多余之水由溢流管排入水溝。圖1－1雷諾實驗裝置四、實驗步驟1、檢查針頭是否堵塞，顏色水是否沉淀。2、向水箱內(nèi)注水。3、打開出口閥，排除實驗管中的氣體。4、開啟上水閥，使高位槽充水至產(chǎn)生溢流時關(guān)閉（若條件許可，此步驟可在實驗前數(shù)小時進(jìn)行，以使高位槽中的水經(jīng)過靜置，消除旋流，提高實驗的準(zhǔn)確度）。5、開顏色水閥，使顏色水由針頭注入玻璃試驗管。6、逐步開大排水閥，觀察不同雷諾數(shù)時的流動狀況，并把現(xiàn)象記入表中。7、做兩種情況下的對比實驗：（1）關(guān)閉高位槽的進(jìn)水閥，保持液面平靜，從觀察的玻璃管中，測取管中水流從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的Re臨界值。注意，此時液面雖平靜，但液面的高度是在緩慢下降的。（2）開啟高位槽的進(jìn)水閥以保持槽中液面高度不變，但此時液面是不平而有波動的，測取此時的Re臨界值，并分析和比較兩種情況下的實驗結(jié)果。8、觀察層流時流體質(zhì)點的速度分布。層流時，由于流體與管壁間的摩擦力及流體內(nèi)摩擦力的作用，管中心處流體質(zhì)點速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，靜止時處于同一橫截面的流體質(zhì)點，開始層流流動后，由于速度不同，組成了旋轉(zhuǎn)拋物面（即由拋物線繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)形成的曲面）。先打開紅墨水閥門，使紅墨水?dāng)U散為團(tuán)狀。再稍稍開啟排水閥，使紅墨水緩慢隨水運(yùn)動，則可觀察到紅墨水團(tuán)前端的界限，形成了旋轉(zhuǎn)拋物面。五、思考題影響流動形態(tài)的因素有哪些？如果管子是不透明的，不能直接觀察管中的流動形態(tài)，你可以用什么辦法來判斷流體在管中的流動形態(tài)？有人說可以只用流速來判斷管子中的流動形態(tài)，流速低于某一個具體數(shù)時是層流，否則是湍流，這種看法對嗎？在什么條件下可以只由流速來判斷流動形態(tài)？研究流動形態(tài)有何意義？PAGE8實驗三流體流動阻力的測定（參考）一、實驗?zāi)康?、測定水流過一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力損失Δpf，確定層流時摩擦阻力系數(shù)λ和雷諾準(zhǔn)數(shù)Re之間的關(guān)系；2、測定水流過管件、閥門等的局部阻力損失，確定其局部阻力系數(shù)ζ；3、熟悉測定流體流經(jīng)直管和管件時的阻力損失的實驗組織方法及測定摩擦系數(shù)的工程意義；4、學(xué)會U形壓差計、轉(zhuǎn)子流量計的使用方法，了解渦輪流量計、差壓變送器、變頻器等的工作原理；5、識別組成管路中的各個管件、閥門并了解其作用。二、實驗原理由于流體粘性的存在，流體在流動的過程中會發(fā)生流體間的摩擦，從而導(dǎo)致阻力損失。層流時阻力損失的計算式是由理論推導(dǎo)得到的；湍流時由于情況復(fù)雜得多，未能得出理論式，但可以通過因次分析法再結(jié)合實驗研究，獲得具體的關(guān)聯(lián)式。實驗研究發(fā)現(xiàn)，影響湍流時直管阻力損失Δpf的因素有：流體性質(zhì)：密度ρ和粘度μ；管路特性：管徑d、管長l和管壁粗糙度ε；操作條件：流速u；根據(jù)因次分析法，Δpf可以表示成上述諸多影響因素的關(guān)系式：Δpf=f(d,u,ρ,μ,l,ε)(2-1)組合成四個無因次數(shù)群：(2-2)若實驗設(shè)備已定，(2-2)式可寫為：hf=(2-3)若實驗設(shè)備是水平直管，Δpf=Δp，即阻力損失表現(xiàn)為壓力降，(2-3)式可寫為：hf=(2-4)所以(范寧公式)：hf=△pf=(2-5)即：(2-6)式中λ為直管的摩擦阻力系數(shù)。由(2-6)式可知，λ與流體流動的雷諾數(shù)Re及管壁的相對粗糙度ε/d有關(guān)。若流體為層流流動時，直管的摩擦阻力系數(shù)為：(2-7)若裝置已經(jīng)確立，物系也已確定，那么λ只隨Re而變，實驗操作變量僅有流量，改變閥門的開度可以達(dá)到改變流速u的目的，因此在管路中需要安裝一個流量計；在直徑為d、長度為l的水平直管上，引出二個測壓點，并接上一個壓差計，可以用壓差變送器或液柱壓差計測量壓差Δp（注：壓差變送器是將壓差轉(zhuǎn)換成電信號再用儀表顯示，液柱壓差計是將壓差以液柱高度表示的，若為U形管壓差計計算公式為：。若為倒U型管壓差計，計算公式請自行推導(dǎo)）；實驗體系確定后，ρ、μ是物性參數(shù)，它們只取決于實驗溫度，所以，在實驗裝置中需要安裝測流體的溫度計；再配上水槽、泵、管件等組建成循環(huán)管路，實驗裝置流程見圖2-1。局部阻力損失通常有兩種表示方法：當(dāng)量長度法和阻力系數(shù)法。由阻力系數(shù)法：(2-8)測定通過某局部（彎頭、管件、閥門等）的前后壓差Δp（=Δpf）和通過此局部的平均流速u，由(2-7)式計算其局部阻力系數(shù)ζ。三、實驗流程圖和實驗步驟（1）手動阻力實驗裝置a、實驗流程圖（圖2-1）441-光滑管，2-粗糙管，3-層流管，4-離心泵管圖2-1流體流動阻力實驗流程圖圖2-1流體流動阻力實驗流程圖實驗裝置參數(shù)見下表裝置1名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力大小頭不銹鋼管32.0閘閥鍍鋅鐵管32.0湍流光滑管不銹鋼管121.5200粗糙管鍍鋅鐵管220.5200層流銅管36140裝置2名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力90°彎頭鍍鋅鐵管32.0閘閥鍍鋅鐵管32.0湍流光滑管不銹鋼管121.5200粗糙管鍍鋅鐵管220.5200層流銅管36140b、實驗步驟1、泵的啟動：關(guān)閉控制閥，關(guān)閉光滑管和粗糙管引壓閥，引水灌泵，啟動泵。2、系統(tǒng)排氣（1）總管排氣：同時打開光滑管和粗糙管的切換閥，先將控制閥開足然后再關(guān)閉，重復(fù)三次，目的為了使總管中的大部分氣體被排走，然后打開總管排氣閥，開足后再關(guān)閉，重復(fù)三遍。（2）引壓管及壓差計排氣：每次測直管阻力或測局部阻力時，打開相應(yīng)的引壓閥，再打開差壓變送器上的平衡閥和相應(yīng)的引壓管放氣閥，開、關(guān)重復(fù)三次。注意：檢驗排氣是否徹底是將控制閥開至最大，再關(guān)至為零，看壓差變送器計讀數(shù)，若前后讀數(shù)相等，則判斷系統(tǒng)排氣徹底；若前后讀數(shù)不等，則重復(fù)上述2步驟。3、湍流時直管阻力的測定：由于Re在充分湍流區(qū)時，λ～Re的關(guān)系曲線處在雙對數(shù)座標(biāo)的密集區(qū)，所以在大流量時少布點，而Re在比較小時，λ～Re的關(guān)系是曲線，所以小流量時多布點。先將控制閥開至最大，讀取流量顯示儀讀數(shù)F大，然后關(guān)至壓差顯示值約0.3kPa時，再讀取流量顯示儀讀數(shù)F小，在F小和F大二個讀數(shù)之間布14～16個點。4、局部阻力和層流阻力的測定：切換引壓閥，測定相應(yīng)局部阻力。關(guān)閉總管控制閥，打開轉(zhuǎn)子流量計，排除空氣，測定層流阻力。5、停泵：關(guān)閉出口閥，停止水泵電機(jī)。上機(jī)處理數(shù)據(jù)。c、實驗數(shù)據(jù)記錄序號流量L/s（湍流）或(L/h)(層流)光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa層流mmH2O壓差壓差壓差左右