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1、 - 6 -实验一 流体静力学综合型实验一、实验目的和要求掌握用测压管测量流体静压强的技能；验证不可压缩流体静力学基本方程；测定油的密度；通过对诸多流体静力学现象的实验观察分析，加深流体静力学基本概念理解，提高解决静力学实际问题的能力。二、实验装置1实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。图 .1 流体静力学综合型实验装置图1. 测压管 2. 带标尺测压管 3. 连通管 4. 通气阀 5. 加压打气球6. 真空测压管 7. 截止阀 8. U型测压管 9. 油柱 10. 水柱 11. 减压放水阀说明：下述中的仪器部件编号均指实验装置图中的编号，如测管2即为图1中“2. 带标尺测压管”。后述各
2、实验中述及的仪器部件编号也均指相应实验装置图中的编号。2. 装置说明(1) 流体测点静压强的测量方法之一测压管流体的流动要素有压强、水位、流速、流量等。压强的测量方法有机械式测量方法与电测法，测量的仪器有静态与动态之分。测量流体点压强的测压管属机械式静态测量仪器。测压管是一端连通于流体被测点，另一端开口于大气的透明管，适用于测量流体测点的静态低压范围的相对压强，测量精度为1mm。测压管分直管型和“U”型。直管型如图1中管2所示，其测点压强，h为测压管液面至测点的竖直高度。“U”型如图中管1与管8所示。直管型测压管要求液体测点的绝对压强大于当地大气压，否则因气体流入测点而无法测压；“U”型测压管
3、可测量液体测点的负压，例如管1中当测压管液面低于测点时的情况；“U”型测压管还可测量气体的点压强，如管8所示，一般“U”型管中为单一液体（本装置因其它实验需要在管8中装有油和水两种液体），测点气压为，h为“U”型测压管两液面的高度差，当管中接触大气的自由液面高于另一液面时h为 “+”，反之h为“-”。由于受毛细管影响，测压管内径应大于810 mm。本装置采用毛细现象弱于玻璃管的透明有机玻璃管作为测压管，内径为8mm，毛细高度仅为1mm左右。(2)恒定液位测量方法之一连通管测量液体的恒定水位的连通管属机械式静态测量仪器。连通管是一端连接于被测液体，另一端开口于被测液体表面空腔的透明管，如管3所示
4、。对于敞口容器中的测压管也是测量液位的连通管。连通管中的液体直接显示了容器中的液位，用mm刻度标尺即可测读水位值。本装置中连通管与各测压管同为等径透明有机玻璃管。液位测量精度为1mm。(3)所有测管液面标高均以带标尺测压管2的零点高程为基准；(4) 测点B、C、D位置高程的标尺读数值分别以B、C、D表示，若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则B、C、D亦为zB、zC、zD； (5) 本仪器中所有阀门旋柄均以顺管轴线为开。3. 基本操作方法：(1)设置p0 = 0条件。打开通气阀4，此时实验装置内压强p0 = 0。(2)设置p0 0条件。关闭通气阀4、放水阀11，通过加压打气球5对装置打气
5、，可对装置内部加压，形成正压；(3)设置p0 0条件。关闭通气阀4、加压打气球5底部阀门，开启放水阀11放水，可对装置内部减压，形成真空。(4)水箱液位测量。在p0 = 0条件下读取测管2的液位值，即为水箱液位值。三、实验原理1在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 或 式中： z 被测点相对基准面的位置高度； p 被测点的静水压强（用相对压强表示, 以下同）； p0 水箱中液面的表面压强； 液体密度； h 被测点的液体深度。2油密度测量原理方法一：测定油的密度，简单的方法是利用图1实验装置的U型测压管8，再另备一根直尺进行直接测量。实验时需打开通气阀4，使p0 = 0。若水的密度为已知值，如
6、图2所示，由等压面原理则有 (a) (b) 图 2油的密度测量方法一 图3 油密度测量方法二方法二：不另备测量尺，只利用图1中测管2的自带标尺测量。先用加压打气球5打气加压使U型测压管8中的水面与油水交界面齐平，如图3(a)所示，有再打开减压放水阀11降压，使U型测压管8中的水面与油面齐平，如图3(b)所示，有联立两式则有 四、实验内容与方法1. 定性分析实验(1) 测压管和连通管判定。按测压管和连通管的定义，实验装置中管1、2、6、8都是测压管，当通气阀关闭时，管3无自由液面，是连通管。(2) 测压管高度、压强水头、位置水头和测压管水头判定。测点的测压管高度即为压强水头，不随基准面的选择而变
7、，位置水头z和测压管水头随基准面选择而变。(3) 观察测压管水头线。测压管液面的连线就是测压管水头线。打开通气阀4，此时，那么管1、2、3均为测压管，从这三管液面的连线可以看出，对于同一静止液体，测管水头线是一根水平线。 (4)判别等压面。关闭通气阀4，打开截止阀7，用打气球稍加压，使为0.02m左右，判别下列几个平面是不是等压面；a. 过C点作一水平面，相对管1、2、8及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？b. 过U型管8中的油水分界面作一水平面，对管8中液体而言，这个水平面是不是等压面？c. 过管6中的液面作一水平面，对管6中液体和方盒中液体而言，该水平面是不是等压强？根据等压面判别条
8、件：质量力只有重力、静止、连续、均质、同一水平面。可判定上述b、c是等压面。在a中，相对管1、2及水箱中液体而言，它是等压面，但相对管8中的水或油来讲，它都不是同一等压面。(5) 观察真空现象。打开放水阀11减低箱内压强，使测管2的液面低于水箱液面，这时箱体内p0 0、p0 0与pB 0p0 0(其中一次pB 0)实验二 毕托管测速实验 一、实验目的 1、了解毕托管测速的构造和测速原理，掌握用毕托管测量流速的方法；2、测定管嘴淹没出流的测点流速和流速系数。 二、实验装置 图1 毕托管实验装置图1.自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无级调速器 4.水位调节阀5.恒压水箱 6.管嘴 7.毕托管
9、8.尾水箱与导轨 9.测压管10.测压计 11.滑动测量尺 12.上回水管说明经淹没管嘴6，将高低水箱水位差的位能转换成动能，并用毕托管测出其点流速值。测压计10的测压管1、2用以测量高、低水箱位置水头，测压管3、4用以测量测点的总水头和测压管水头，水位调节阀4用以改变测点的流速水头。 三、实验原理 1、毕托管测速公式： （1） 式中 u 毕托管测点处的点流速 c 毕托管的校正系数 毕托管总水头与测压管水头差 2、管嘴出流速度公式： （2） 联解（1）、（2）两式可得 式中：u 测点处流速，由毕托管测定 测点流速系数 管嘴的作用水头 四、实验方法与步骤 1、准备：（A）熟悉实验装置各部分名称、
10、作用性能和毕托管的构造特征、实验原理；（B）用医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管1、2相连通；（C）将毕托管对准管嘴，距离管嘴出口处约23cm，上紧固定螺丝。 2、开启水泵：顺时针打开调速器开关3，将流量调节到最大处。 3、排气：待上、下游溢流后用吸气球放在测压管口部抽吸，排除毕托管及联通管中的气体，待其中气体全部排除干净后，方可开始下步实验。 4、测记各有关常数和实验参数，填入实验表格。 5、改变流速：操作调节阀4并相应调节调速器3，使溢流量适中，共可获得三个不同恒定水位与相应的不同流速。改变流速后，按上述方法重复测量。 6、完成下述实验项目（要求边实验、边观察分析）： 1）分别
11、沿垂向和纵向改变测点位置，观察管嘴淹没射流的流速分布； 2）在有压管道测量中，管道直径相对毕托管的直径在610倍以内时，误差在（25）%以上，不宜使用。试将毕托管头部伸入到管嘴中，予以验证。7、实验结束时，检查毕托管及联通管中是否有气体。若有，则需重新开始实验。 五、实验报告及成果要求实验记录及计算（见参考表格） 六、讨论题 1、利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验是否排净？ 2、毕托管的动压头和上、下游水位差之的大小关系怎样？为什么？ 3、你所测出的流速系数说明了什么？ 4、分别沿垂向和纵向改变测点的位置时，管嘴淹没射流的流速分布如何？实验二 毕托管测速实验报告实验装置台号No：
12、校正系数c= 表1 记录计算表实验次序上、下游水位差毕托管水头差测点流速测点流速系数1234表2 垂向、纵向速度分布记录表（选做）实验次序毕托管水头差测点流速垂向1234纵向1234实验三 恒定总流伯努利方程综合性实验一、实验目的和要求通过定性分析实验，提高对动水力学诸多水力现象的实验分析能力；通过定量测量实验，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性，验证流体恒定总流的伯努利方程，掌握测压管水头线的实验测量技能与绘制方法；通过设计性实验，训练理论分析与实验研究相结合的科研能力。二、实验装置1实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。图1 伯努利方程综合性实验装置图1. 自循环供水器 2.
13、 实验台 3. 可控硅无级调速器 3. 溢流板 5. 稳水孔板6. 恒压水箱 7. 实验管道 8. 测压点 = 1 * GB3 eq oac(,19) 9. 弯针毕托管 10. 测压计11. 滑动测量尺 12. 测压管 = 1 * GB3 eq oac(,19) 13. 实验流量调节阀 14.回水漏斗 15. 稳压筒 16.传感器 17. 智能化数显流量仪2装置说明(1) 流量测量智能化数显流量仪智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒15、高精密传感器16和智能化数显流量仪17（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。流量仪的使用方法，需先排气调零
14、，待水箱溢流后，间歇性全开、全关管道出水阀13数次，排除连通管内气泡。再全关阀13，待稳定后将流量仪调零。测流量时，水流稳定后，流量仪所显示的数值即为瞬时流量值（以下实验类同）。若需详细了解流量仪性能请见说明书。(2) 测流速弯针管毕托管图2 弯针管毕托管类型弯针管毕托管用于测量管道内的点流速，原理见实验教材第2章2.3.3。为减小对流场的干扰，本装置中的弯针直径为1.61.2 mm（外径内径）。实验表明只要开孔的切平面与来流方向垂直，弯针管毕托管的弯角从90180均不影响测流速精度，如图2所示。(3) 本仪器测压点有两种：1) 毕托管测压点，图1中标号为 = 1 * GB3 、 = 6 *
15、GB3 、 = 8 * GB3 、 eq oac(,12)、 eq oac(,14)、 eq oac(,16)、 eq oac(,18)（后述加*表示），与测压计的测压管连接后，用以测量毕托管探头对准点的总水头值，近似替代所在断面的平均总水头值，可用于定性分析，但不能用于定量计算；2) 普通测压点，图1中标号为 = 2 * GB3 、 = 3 * GB3 、 = 4 * GB3 、 = 5 * GB3 、 = 7 * GB3 、 = 9 * GB3 、 eq oac(,11)、 eq oac(,13)、 eq oac(,15)、 eq oac(,17)、 eq oac(,19)，与测压计的测压
16、管连接后，用以测量相应测点的测压管水头值。(4) 测点 = 6 * GB3 *、 = 7 * GB3 所在喉管段直径为d2，测点 eq oac(,16)*、 eq oac(,17)所在扩管段直径为d3，其余直径均为d1。3基本操作方法（1）测压管与稳压筒的连通管排气。打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，间歇性全开、全关管道出水阀13数次，直至连通管及实验管道中无气泡滞留即可。再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。（2）恒定流操作。全开调速器，此时水箱保持溢流，阀门13开度不变情况下，实验管道出流为恒定流。（3）非
17、恒定流操作。调速器开、关过程中，水箱6无溢流情况下，实验管道出流为非恒定流。（4）流量测量。实验流量用阀13调节，记录智能化数显流量仪的流量值。三、实验原理1伯努利方程。在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面，在恒定流动时，可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的伯努利方程式(i=2,3,n)取12n1，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，从而可得到各断面测管水头和总水头。2过流断面性质。均匀流或渐变流断面流体动压强符合静压强的分布规律，即在同一断面上，但在不同过流断面上的测压管水头不同，；急变流断面上。四、实验内容与方法1定性分析实
18、验(1) 验证同一静止液体的测压管水头线是根水平线。阀门全关，稳定后，实验显示各测压管的液面连线是一根水平线。而这时的滑尺读数值就是水体在流动前所具有的总能头。 (2) 观察不同流速下，某一断面上水力要素变化规律。以测点*、所在的断面为例，测管的液面读数为该断面的测压管水头。测管*连通毕托管，显示测点的总水头。实验表明，流速越大，水头损失越大，水流流到该断面时的总水头越小，断面上的势能亦越小。(3) 验证均匀流断面上，动水压强按静水压强规律分布。观察测点 = 2 * GB3 和 = 3 * GB3 ，尽管位置高度不同，但其测压管的液面高度相同，表明。 (4) 观察沿流程总能坡线的变化规律。加大
19、开度，使接近最大流量，若稳定后各测管水位如图3所示，图中A-A为管轴线。 图3 测压管水位示例纵观带毕托管的测点 = 1 * GB3 *、 = 6 * GB3 *、 = 8 * GB3 *、 eq oac(,12)*、 eq oac(,14)*、 eq oac(,16)*、 eq oac(,18)*的测管水位（实验时可加入雷诺实验用的红色水，使这些管呈红色，如图3中以较深颜色表示的测压管），可见各测管的液面沿流程是逐渐降低而没有升高的，表明总能量沿流程只会减少，不会增加，能量损失是不可能逆转的。 (5) 观察测压管水头线的变化规律。总变化规律：纵观测压点 = 2 * GB3 、 = 4 * G
20、B3 、 = 5 * GB3 、 = 7 * GB3 、 = 9 * GB3 、 eq oac(,13)、 eq oac(,15)、 eq oac(,17)、 eq oac(,19)的测压管水位，可见沿流程有升也有降，表明测压管水头线沿流程可升也可降。沿程水头损失：从 = 2 * GB3 、 = 4 * GB3 、 = 5 * GB3 点可看出沿程水头损失的变化规律，等径管道上，距离相等，沿程损失相同。势能与动能的转换：以测点 = 5 * GB3 、 = 7 * GB3 、 = 9 * GB3 为例，测点所在流段上高程相等，管径先收缩后扩大，流速由小增大再减小。测管 = 5 * GB3 到测管
21、 = 7 * GB3 的液位发生了陡降，表明水流从测点 = 5 * GB3 断面流到测点 = 7 * GB3 断面时有部分压力势能转化成了流速动能。而测管 = 7 * GB3 到测管 = 9 * GB3 测管水位回升了，这正和前面相反，说明有部分动能又转化成了压力势能。这就清楚验证了动能和势能之间是可以互相转化的，因而是可逆的。位能和压能的转换：以测点 = 9 * GB3 与 eq oac(,15)所在的两断面为例，由于二断面的流速水头相等，测点 = 9 * GB3 的位能较大，压能（测管液位离管轴线的高度）很小，而测点 eq oac(,15)的位能很小，压能却比 = 9 * GB3 点大，这
22、就说明了水流从测点 = 9 * GB3 断面流到测点 eq oac(,15)断面的过程中，部分位能转换成了压能。 (6) 利用测压管水头线判断管道沿程压力分布。测压管水头线高于管轴线，表明该处管道处于正压下；测压管水头线低于管轴线，表明该处管道处于负压下，出现了真空。高压和真空状态都容易使管道破坏。实验显示（参图3），测点 = 7 * GB3 的测管液面低于管轴线，说明该处管段承受负压（真空）；测压管 = 9 * GB3 的液位高出管轴线，说明该处管段承受正压。2. 定量分析实验伯努利方程验证与测压管水头线测量分析实验实验方法与步骤：在恒定流条件下改变流量2次，其中一次阀门开度大到使 eq o
24、B3 处的真空。该项措施常用于实际工程的管轴线设计中。图4 实验管道系统图对于措施(d)，不同供水系统调压效果是不同的，需作具体分析。可通过理论分析与实验研究相结合的方法，确定改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对管中某断面压强的影响情况。本设计性实验要求利用图1实验装置，设计改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的实验方案并进行自主实验。理论分析与实验方法提示：取基准面0-0如图4所示，图中1-1、2-2、3-3分别为计算断面1、2、3，计算断面1的计算点选在液面位置，计算断面2、3的计算点选在管轴线上。水箱液面至基准面0-0的水深为h。改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的问题，实际上就是
25、随h递增还是递减的问题，可由加以判别。列计算断面1、2的伯努利方程（取231）有 (1)因hw1-2可表示成 式中c1.2是管段12总水头损失因数，当阀门开度不变时，在h的有限变化范围内，可设c1.2近似为常数。又由连续性方程有 故式(1)可变为 (2)式中可由断面1、3伯努利方程求得， 即 (3)c1.3是全管道的总水头损失因数，当阀门开度不变时，在h的有限变化范围内，可设c1.3近似为常数。由此得， 代入式(2)有 (4)则 (5)若0，则断面2上的随h同步递增，反之，则递减。若接近于0，则断面2上的随h变化不明显。实验中，先测计常数d3/d2、h和z3各值，然后针对本实验装置的恒定流情况
26、，测得某一大流量下 EMBED Equation.2 、 EMBED Equation.2 、等值，将各值代入式(2)、(3)，可得各管道阻力因数c1.2和c1.3。再将其代入式(5)得，由此可得出改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的结论 EMBED Equation.2 。最后，利用变水头实验可证明该结论是否正确。五、数据处理及成果要求1记录有关信息及实验常数实验设备名称： 实验台号：_实 验 者：_ 实验日期：_均匀段d1= 10-2m 喉管段d2= 10-2m 扩管段d3= 10-2m水箱液面高程0= 10-2m 上管道轴线高程z= 10-2m（基准面选在标尺的零点上）2实验数据记录及
27、计算结果表1 管径记录表测点编号 = 1 * GB3 * = 2 * GB3 = 3 * GB3 = 4 * GB3 = 5 * GB3 = 6 * GB3 * = 7 * GB3 = 8 * GB3 * = 9 * GB3 = 10 * GB3 eq oac(,11) eq oac(,12)* eq oac(,13) eq oac(,14)* eq oac(,15) eq oac(,16)* eq oac(,17) eq oac(,18)* eq oac(,19)管径d /10-2m两点间距l/10-2m4466413.561029.51616表2 测压管水头hi，流量测记表（其中，单位10
28、-2m，i为测点编号）实验次数h2h3h4h5h7h9h10h11h13h15h17h19qV/(10-6m3/s)12表3 计算数值表(1) 流速水头管径d/10-2m201.3/(10-6m3/s)/(10-6m3/s)A/10-4m2v/(10-2m/s)/10-2mA/10-4m2v/(10-2m/s)/10-2m(2) 总水头Hi （其中，单位10-2m，i为测点编号）实验次数H2H4H5H7H9H13H15H17H19/(10-6m3/s)123成果要求(1) 回答定性分析实验中的有关问题。(2) 计算流速水头和总水头。见表3(3) 绘制上述成果中最大流量下的总水头线和测压管水头线
29、。（轴向尺寸参见图5，总水头线和测压管水头线可以绘在图5上）。如图6所示图5 绘制测压管水头线坐标图(4)完成设计性实验六、分析思考题1测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？2阀门开大，使流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？3由毕托管测量的总水头线与按实测断面平均流速绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原因。4为什么急变流断面不能被选作能量方程的计算断面？七、注意事项 1.各自循环供水实验均需注意：计量后的水必须倒回原实验装置的水斗内，以保持自循环供水（此注意事项后述实验不再提示）。2. 稳压筒内气腔越大，稳压效果越好。但稳压筒的水位必须淹没连通管的进口，以免连通管进气，否则需
30、拧开稳压筒排气螺丝提高筒内水位；若稳压筒的水位高于排气螺丝口，说明有漏气，需检查处理。3.传感器与稳压筒的连接管要确保气路通畅，接管及进气口均不得有水体进入，否则需清除。4.智能化数显流量仪开机后需预热35分钟。实验四 文丘里综合型实验一、 实验目的和要求1了解文丘里流量计的构造、原理和适用条件，率定流量因数；2掌握应用气水多管压差计量测压差的方法；3通过确定文丘里流量计最大允许过流量的设计性实验，体验理论分析和实验相结合的研究过程。二、 实验装置1实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。图1 文丘里综合型实验装置图1. 自循环供水器 2. 实验台 3. 水泵电源开关 4. 恒压水箱 5.
31、 溢流板6. 稳水孔板 7. 稳压筒 8. 智能化数显流量仪 9. 传感器 10.文丘里流量计11. 压差计气阀 12. 压差计 13. 滑尺 14. 实验流量调节阀 2装置说明（1）压差测量装置1）气-水压差计为一倒U型管如图2所示，在倒U型管中保留一段空气，两端各接测压点，测量时，管内液柱的高差即为压强差。在测量中，气-水压差计应该竖直放置。当数值相对较大时，可用连续串联多个气-水压差计的方法来增大量程；数值较小时可倾斜U型管来放大测量值。本实验装置中，采用双U型的气-水多管压差计，如图1中的压差计12所示，压差量程为01 mH2O，测量精度为1 mm。图2 空气压差计2）流量测量智能化数
32、显流量仪智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒、高精密传感器和智能化数显流量仪（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。流量仪的使用方法参见伯努利方程实验，需先排气调零，流量仪所显示的数值为瞬时流量值。（2）文丘里流量计结构与布置（参图3）。在结构上，要求管径比 d2/d1在0.250.75之间，通常采用d2/d1=0.5；其扩散段的扩散角2也不宜太大，一般不大于57；在测量断面上布置多个测压孔和均压环。在布置上，要求文丘里流量计上游l1在10倍管径d1的距离以内，下游l2在6倍管径d1以内，均为顺直管段，以免水流产生漩涡而影响其流量因数。图3 文
33、丘里流量计结构图（2）文丘里流量计结构参数。本实验装置中2=3.450.1；d1=（1.40.03）10-2 m；d2=（0.70.015）10-2 m；d2/d1=0.50.015 ；l1=0.45 m ；l2= 0.54 m，各均压环上测压孔数为 4 个。3基本操作方法(1)排气方法。打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，间歇性全开、全关管道出水阀数次，直至连通管及实验管道中无气泡滞留即可，排气后测管液面读数h1h2h3h4为0，此时智能化数显流量仪显示为零。(2)调节多管测压计。全开调节阀14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：(a) 关阀14，拧开气阀11，待
34、各测压管中液位稳定后，将清水注入压差计12中编号为2、3的测管内，使h2=h30.24 m；(b) 拧紧气阀11，全开阀14，若压差计12中编号为1、3的测压管液面上升过高，可微微松开相应的气阀11，液面将自动降低，可使测管读数控制在测读范围内，速拧紧气阀11即可。 (3)测压管水头差h测量 读取气水多管压差计12各测压管的液面读数h1、h2、h3、h4，h= h1h2h3h4。(4)流量测量。记录智能化数显流量仪的流量值。 (5)真空度测量。智能化数显流量仪正端显示为流量，负端显示为压差水柱。利用流量仪的这一智能化特性可测量文丘里喉颈处的真空度。实验时，将传感器低压端用连通管连接于文丘里流量
35、计喉颈处，传感器高压端接通大气，并调整传感器放置高度，使高压端口与文丘里流量计喉颈处的测点齐平。此时，即可实验测量测点的真空度。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：h为两断面测压管水头差; k为文丘里流量计常数，对给定管径是常数。由于阻力的存在，实际通过的流量恒小于。今引入一个无量纲因数 = / (称为流量因数)，对计算所得流量值进行修正。即 另由静水力学基本方程可得气水多管压差计的h 为 h = h1h2h3h4四、实验内容与方法1定量分析实验文丘里流量计流量因数的测量与率定实验方法与步骤：参照基本操作方法，改变流量46次，分别测量压差和
36、流量。数据处理及结果分析参第五部分内容。2设计性实验文丘里流量计最大允许过流量的理论分析与实验文丘里流量计管喉颈处容易产生真空，最大允许过流量受真空度限制，最大允许真空度为67mH2O，否则易造成空化与空蚀破坏。工程上应用文丘里流量计时，应检验其最大真空度是否在允许范围之内。本实验要求通过理论分析，设计实验方案，针对图1实验装置，通过实验测量相应参数，确定文丘里流量计真空值不大于6 mH2O条件下供水箱的最大作用水头H0及最大流量。理论分析提示：应用伯努利方程，选基准面和计算断面如图4，取。对计算断面1-1与3-3有 (10)图4 文丘里流量计管流水力计算对计算断面2-2，3-3，有 (11)
37、根据经验，式中管段的总水头损失因数和在流速达到某一较大值以上时便近似为常数，可在阀门全开的大流量下实验测得。进而由断面的允许真空度及、等值代入式(10)、(11)便可确定最大作用水头H0及最大流量。五、数据处理及成果要求1. 记录有关信息及实验常数实验设备名称： 实验台号：_实 验 者：_ 实验日期：_d1= 10-2m d2= 10-2m 水温t C，= 10-4 m2/s，水箱液面高程0=_ _10-2m 管道轴线高程z=_ _10-2m（基准面选在标尺的零点上）2. 实验数据记录及计算结果（参表1，表2）3成果要求按相关实验项目的要求，完成方案设计、测量与成果分析。六、分析思考题1文丘里
38、流量计有何安装要求和适用条件？2本实验中，影响文丘里流量计流量因数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验的管道而言，若因加工精度影响，误将（d20.01）10-2 m值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的值将变为多少？3为什么计算流量与实际流量不相等？4应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。七、 注意事项 参见伯努利方程实验。表1记录表次数测压管读数（10-2m）流量/(10-6m3/s)h1/10-2mh2/10-2mh3/10-2mh4/10-2m123456表2 计算表 K= 10-5m2.5/s次数/(10-6m3/s) h = h1- h2+h3- h4/10-2mRe/
39、(10-6m3/s)123456实验五 雷诺实验 一、实验目的 1、观察层流、紊流的流态及其相互转换的过程； 2、测定下临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；3、描述层流及紊流的水力特征。 二、实验装置图1 自循环雷诺实验装置图1.自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无级调速器 4.恒压力箱5.有色水水管 6.稳水孔板 7.溢流板 8.实验管道 9.流量调节阀说明供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水孔板，可使稳水时间缩短到35分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环污染，有色指示水采用
40、自行消色的专用色水。 三、实验原理 四、实验方法与步骤 1、测记本实验的有关常数2、观察两种流态：打开开关3使水箱充水至水位溢流，经稳定后，微开启调节阀9，并注颜色水入玻璃管内，使颜色水流成一直线，通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。3、测定下临界雷诺数：（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减少（不许增大），当流量调到使颜色水在全管中刚刚呈现为一稳定直线时，即为下临界状态。注意：每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟，并且流量
41、不可开得太大，以免水箱中的水体引起紊动。若因水箱中的水体紊动而干扰进口水流时，须关闭阀门，静置35分钟，再按步骤1重复进行实验。 （2）待管中出现临界状态时，用体积法测定流量。 （3）根据所测流量计算下临界雷诺数。 （4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤测量下临界雷诺数三次。 （5）同时由水箱中的温度计测记水温，求得水的运动粘度。 4、测定上临界雷诺言数：逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚刚开始散开时即为上临界状态，测定上临界雷诺数数次。 五、实验报告及成果要求 1、记录、计算有关常数。2、整理、记录计算表。 六、讨论题 1、何为上、下临界雷诺数？根据实验观测
42、结果，试分析为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采下临界雷诺数作为层流与紊流的判别依据？ 2、分析比较层流和紊流有何差异？实验五 雷诺实验报告实验装置台号No： 管径d= cm 水温t= 0C运动粘度 计算常数 表5-1 计算表实验次序颜色水线形态水体积时间流量雷诺数阀门开度增()或减()备注实测下临界雷诺数（平均值）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。实验六 局部水头损失实验一、 实验目的和要求学习掌握三点法、四点法测量局部阻力因数的技能，并将突扩管的实测值与理论值比较，将突缩管的实测值与经验值比较；通过阀门局部阻力因数测量的设计性实验，学习二点法测
43、量局部阻力因数的方法。二、 实验装置1实验装置简图161718实验装置及各部分名称如图1所示。图1 局部水头损失实验装置简图1.自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无级调速器 4.恒压水箱 5.溢流板6.稳水孔板 7.圆管突然扩大 8.气阀 9.测压计 10.测压管 11.滑动测量尺12. 圆管突然收缩 13.实验流量调节阀 14.回流接水斗 15.下回水管16. 稳压筒 17.传感器 18. 智能化数显流量仪2装置说明（1）实验管道由圆管突扩、突缩等管段组成，各管段直径已知。在实验管道上共设有六个测压点，测点和分别用以测量突扩和突缩的局部阻力因数。其中测点位于突扩的起始界面处，这里引用公认的
44、实验结论 “在突扩的环状面积上的动水压强近似按静水压强规律分布”，认为该测点可用以测量小管出口端中心处压强值。气阀8用于实验开始时排除管中滞留气体。（2）流量测量智能化数显流量仪智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒、高精密传感器和智能化数显流量仪（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。流量仪的使用方法参见伯努利方程实验，需先排气调零，流量仪所显示的数值为瞬时流量值。3基本操作方法(1) 排气。启动水泵待恒压水箱溢流后，关闭实验流量调节阀13，打开阀8排除管中滞留气体。排气后关闭阀8，并检查测压管各管的液面是否齐平，若不平，重复排气操作，直至齐平
45、，智能化数显流量仪调零。(2) 测压管水头用测压计测量，基准面可选择在滑动测量尺零点上。(3) 流量测量。实验流量用阀13调节，记录智能化数显流量仪的流量值。三、 实验原理流体在流动的局部区域，如流体流经管道的突扩、突缩和闸门等处(图2)，由于固体边界的急剧改变而引起速度分布的变化，甚至使主流脱离边界，形成旋涡区，从而产生的阻力称为局部阻力。由于局部阻力作功而引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。局部水头损失是在一段流程上，甚至相当长的一段流程上完成的，如图2，断面1至断面2，这段流程上的总水头损失包含了局部水头损失和沿程水头损失。若用hi（i=1,2）表示第i断面的测压管水头，即有图2
46、 局部水头损失或 局部阻力因数为(1) 圆管突然扩大段。本实验仪采用三点法测量。三点法是在突然扩大管段上布设三个测点，如图1测点、所示。流段至为突然扩大局部水头损失发生段，流段至为均匀流流段，本实验仪测点、间距为测点、的一半，hf1-2 按流程长度比例换算得出。则 hf1-2hf2-3 / 2=h2-3/ 2=( h2-h3) / 2式中hi为测压管水头值，当基准面选择在标尺零点时即为第i断面测压管液位的标尺读值；分别表示式中的前、后括号项。因此只要实验测得三个测压点的测压管水头值h1、h2、h3及流量等即可得突然扩大段局部阻力水头损失。若圆管突然扩大段的局部阻力因数用上游流速v1表示，为对应
47、上游流速v1的圆管突然扩大段理论公式为(2) 圆管突然缩小段。本实验仪采用四点法测量。四点法是在突然缩小管段上布设四个测点，如图1测点、所示。图中B点为突缩断面处。流段至为突然缩小局部水头损失发生段，流段至、至都为均匀流流段。流段至B间的沿程水头损失按流程长度比例由测点、测得，流段B至的沿程水头损失按流程长度比例由测点、测得。本实验仪l3-4=2 l4-B，l B -5l5-6，有 hf4-Bhf3-4/2=h3-4/ 2，hfB -5hf5-6=h5-6。则 hf4-5h3-4 / 2+h5-6=( h3-h4) / 2+ h5-h6因此只要实验测得四个测压点的测压管水头值h3、h4、h5、
48、h6及流量等即可得突然缩小段局部阻力水头损失。若圆管突然缩小段的局部阻力因数用下游流速v5表示，为对应下游流速v5的圆管突然缩小段经验公式为(3)测量局部阻力因数的二点法。在局部阻碍处的前后顺直流段上分别设置一个测点，在某一流量下测定两点间的水头损失，然后将等长度的直管段替换局部阻碍段，再在同一流量下测定两点间的水头损失，由两水头损失之差即可得局部阻碍段的局部水头损失。四、 实验内容与方法1. 测量突然扩大局部水头损失与突然缩小局部水头损失，并测定相应的局部水头损失因数。参照实验基本操作方法，在恒定流条件下改变流量23次，其中一次为最大流量，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量
49、。实验数据处理与分析参考第五部分。2设计性实验：利用图1实验装置，设计某开度下阀门的局部阻力因数的测量实验。要求：用二点法测量，设计实验装置改造简图，制定实验方案，并结合实验CAI软件（已随仪器配置），进行计算机仿真实验。五、 数据处理及成果要求1记录有关信息及实验常数实验设备名称： 实验台号：_实 验 者：_ 实验日期：_实验管段直径：d1 = D1 =_ _10-2m d2 = d3 = d4 = D2 =_ _10-2m d5 = d6 =D3 =_ _10-2m实验管段长度：l1-2 = 10-2m l2-3 = 10-2 m l3-4 = 10-2 ml4-B = 10-2m lB-
50、5 = 10-2 m l5-6 = 10-2 m2. 实验数据记录及计算结果表1 局部水头损失实验记录表次数流量/(10-6m3/s)测压管读数/10-2mh1h2h3h4h5h6123表2 局部水头损失实验计算表次数阻力形式流量/(10-6m3/s)前断面后断面hj/10-2m理论值经验值/10-2mE1/10-2m/10-2mE2/10-2m1突然扩大231突然缩小23注： 对应于突扩段的v1或突缩段的v5。3成果要求(1) 测定突扩断面局部水头损失因数值并与理论值比较。见表1(2) 测定突缩断面局部水头损失因数值并与经验值比较。见表1(3) 完成设计性实验。六、 分析思考题1管径粗细相同
51、、流量相同条件下，试问d1/d2（d1d2）在何范围内圆管突然扩大的水头损失比突然缩小的大？2结合流动演示仪的水力现象，分析局部阻力损失机理。产生突扩与突缩局部水头损失的主要部位在哪里？怎样减小局部水头损失？3局部阻力类型众多，局部阻力因数的计算公式除突然扩大是由理论推导得出之外，其它都是由实验得出的经验公式。试问，获得经验公式有那些途径？七、 注意事项1恒压水箱内水位要求始终保持在溢流状态，确保水头恒定。2. 测压管后设有平面镜，测记各测压管水头值时，要求视线与测压管液面及镜子中影像液面齐平，读数精确到0.5 mm。3. 其他参见伯努利方程实验。实验七 沿程水头损失实验一、 实验目的和要求1
52、学会测定管道沿程水头损失因数和管壁粗糙度的方法；2分析园管恒定流动的水头损失规律、随雷诺数Re变化的规律，验证沿程水头损失hf与平均流速v的关系。二、 实验装置1实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。图1 沿程水头损头实验装置图1. 自循环高压恒定全自动供水器 2. 实验台 3. 回水管 4. 压差计5. 滑动测量尺 6. 稳压筒1 7. 实验管道 8. 压差数显仪 9. 压差传感器10. 测压点 11. 实验流量调节阀 12. 供水管及供水阀 13. 旁通管及旁通阀14. 稳压筒 15.流量传感器 16. 智能流量数显仪2装置说明(1)水泵与稳压器。自循环高压恒定全自动供水器1由水泵、
53、压力自动限制开关、气水压力罐式稳压器等组成。压力超高时能自动停机，过低时能自动开机。为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影响，水泵的供水是先进入稳压器的压力罐，经稳压后再送向实验管道。(2) 旁通管与旁通阀。由于供水泵设有压力自动限制开关，在供小流量时因压力过高，水泵可能出现断续关闭的现象，为此设有旁通管与旁通阀13，在小流量实验时，通过旁通管分流可使水泵持续稳定运行。(3) 阀11用于调节层流实验流量；阀12用于检修，实验时始终全开；阀13层流时用于分流（全开），湍流时用于调节实验流量。(4) 实验管道7为不锈钢管，其测压断面上沿十字型方向设有4个测压孔，经过均压环与测点管嘴相连
54、通。(5) 本实验仪配有压差计4（倒U型气-水压差计）和压差仪8，压差计测量范围为00.3 mH2O；压差电测仪测量范围为010 mH2O，视值单位为10-2 mH2O。压差计4与压差电测仪8所测得的压差值均可等值转换为两测点的测压管水头差，单位以m表示。在测压点与压差计之间的连接软管上设有管夹，除湍流实验时管夹关闭外，其他操作时管夹均处于打开状态。(6) 流量测量智能化数显流量仪智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒、高精密传感器和智能化数显流量仪（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。流量仪的使用方法参见伯努利方程实验，需先排气调零，流量仪所
55、显示的数值为瞬时流量值。(7) 配有数显温度计。3基本操作方法（1）层流实验层流实验压差由压差计测量，流量用称重法或量体积法。1）称重法或量体积法是在某一固定的时段内，计量流过水流的重量或体积，进而得出单位时间内流过的流体量，是依据流量定义的测量方法。本实验及后述各实验的测流量方法常用称重法或量体积法，用秒表计时，用电子称称重，小流量时，也可用量筒测量流体体积。为保证测量精度，一般要求计时大于1520秒。2）压差计连接管排气与压差计补气。启动水泵，全开阀11，间歇性开关旁通阀13数次，待水从压差计顶部流过即可。若测压管内水柱过高须补气，全开阀门11、13，打开压差计4顶部气阀K，自动充气使压差
56、计中的右管液位降至底部（必要时可短暂关闭阀12），立即拧紧气阀K即可。排气后，全关阀11，测压计压差应为零。3）实验时始终全开阀13，用阀11调节流量。层流范围的压差值仅为23cm以内，水温越高，差值越小，由于水泵发热，水温持续升高，应先进行层流实验。用压差计测量，流量调节后须等待几分钟，稳定后再测量。（2）湍流实验湍流实验测量时用管夹关闭压差计连通管，压差由数显压差仪测量，流量用智能化数显流量仪测量。1) 调零。启动水泵，全开阀11，间歇性开关旁通阀13数次，以排除连通管中的气泡。然后，在关闭阀11的情况下，管道中充满水但流速为零，此时，压差仪和流量仪读值都应为零，若不为零，则可旋转电测仪面
57、板上的调零电位器，使读值为零。2) 流量调节方法：全开实验流量调节阀11，调节旁通阀13来调节流量。3) 流量用智能化数显流量仪测量。无论层流还是湍流实验，每次实验均须测记水温。三、 实验原理1对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失由达西公式表达为式中：为沿程水头损失因数；l为上下游测量断面之间的管段长度；d为管道直径；v 为断面平均流速。若在实验中测得沿程水头损失hf和断面平均流速，则可直接得沿程水头损失因数其中 k = 由伯努利方程可得沿程水头损失hf即为两测点的测压管水头差h，可用压差计或电测仪测得。2圆管层流运动3管壁平均当量粗糙度在流动处于湍流过渡区或阻力平方区时测量，可由巴
58、尔公式确定即 四、 实验内容与方法1沿程水头损失因数测量与分析实验参照实验基本操作方法，分别在层流和湍流两种流态下测量流量、水温、压差各46次。实验数据参考表1处理。2设计性实验试利用图1实验仪器设计测定实验管段平均当量粗糙度的实验。五、 数据处理及成果要求1记录有关信息及实验常数实验设备名称： 实验台号：_实 验 者：_ 实验日期：_圆管直径d =_ _10-2 m 测量段长度l =_ _10-2 m2实验数据记录及计算结果（参表1）3成果要求(1) 测定沿程水头损失因数值，分析沿程阻力损失因数随雷诺数的变化规律。并将结果与穆迪图进行比较，分析实验所在区域。 (2) 根据实测管道内流量和相应
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