《流体力学》实验指导书杨英俊2018.目录实验一平面上静水总压力测量实验 (4)实验二恒定总流动量方程验证实验 (7)实验三流态演示与临界雷诺数量测实验 (10)实验四沿程水头损失测量实验 (13)实验五文透里流量计率定实验 (16)实验六局部水头损失测量实验 (19)实验七恒定总流能量方程演示实验 (22)前言流体力学是一门重要的技术基础课，它的主要研究内容为流体运动的规律以及流体与边界的相互作用，它涉及到建筑、土木、环境、水利造船、电力、冶金、机械、核工程、航天航空等许多学科。

在自然界中，与流体运动关联的力学问题是很普遍的，所以流体力学在许多工程领域有着广泛的应用。

例如水利工程、机械工程、环境工程、热能工程、化学工程、港口、船舶与海洋工程等，因此流体力学是高等学校众多理工科专业的必修课。

流体力学课程的理论性强，同时又有明确的工程应用背景。

它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。

因此，掌握流体力学的基本概念、基本理论和解决流体力学问题的基本方法，具备一定的实验技能，为后续课程的学习打好基础，培养分析和解决工程实际中有关水力学问题的能力。

流体力学和其它学科一样，大致有三种研究方法。

一是理论方法，分析问题的主次因素，提出适当的假定，抽象出理论模型（如连续介质、理想流体、不可压缩流体等），运用数学工具寻求流体运动的普遍解。

二是实验方法，将实际流动问题概括为相似的实验模型，在实验中观察现象、测定数据，并进而按照一定方法推测实际结果。

第三种方法是数值计算，根据理论分析与实验观测拟订计算方案，通过编制程序输入数据，用计算机算出数值解。

三种方法各有千秋，既是互相补充和验证，但又不能互相取代。

实验方法仍是检验与深化研究成果的重要手段，现代实验技术的突飞猛进也促进了流体力学的蓬勃发展。

因此，流体力学实验在流体力学学科及教学中占有重要位置，也是在学习流体力学课程中一个不可缺少的重要教学环节。

目前，针对我院各专业本科生，流体力学实验包括以下7个实验：1)平面上静水总压力测量实验2)恒定总流动量方程验证实验3)流态演示与临界雷诺数量测实验4)沿程水头损失测量实验5)文透里流量计率定实验6)局部水头损失测量实验7)恒定总流能量方程演示实验实验教学目的：1. 在实验中观察水流现象，增强感性认识，巩固理论知识的学习。

2. 通过实验验证所学流体力学的部分原理、定律和规律，提高理论分析能力。

3. 学习测量原理，学会使用基本测试仪器，掌握一定的实验技能，了解现代测量技术。

4. 培养分析实验数据、整理实验成果和编写实验报告的能力。

5. 培养严谨踏实的科学作风和融洽合作的共事态度以及爱护国家财产的良好风尚。

实验要求：1. 严肃认真对待课程要求选做的每一个实验。

2. 实验前预习讲义，了解实验目的要求、实验原理、实验设备、实验方法步骤、记录数据等。

3. 开始实验前，要先对照实物了解仪器设备的使用方法，弄清实验步骤，做好实验前的准备工作，然后再进行实验。

4. 同组成员应互相配合、细心操作，仔细观察水流现象，认真进行数据测量、记录和整理，及时发现明显不合理的数据，保证测量精度。

5. 爱护仪器设备，实验完毕后，关闭水泵和电源开关，将仪器设备恢复原状。

6. 实验报告应书写工整、图表清晰，成果正确。

不合要求应予重新补做。

实验一平面上静水总压力测量实验一、实验目的1．测定矩形平面上的静水总压力。

2. 验证静水压力理论的正确性。

二、实验设备实验设备及各部分名称见图1-1和1-2。

一个扇形体连接在杠杆上，再以支点连接的方式放置在容器顶部，杠杆上还装有平衡锤和天平盘，用于调节杠杆的平衡和测量。

容器中放水后，扇形体浸没在水中，由于支点位于扇形体圆弧面的中心线上，除了矩形端面上的静水压力之外，其它各侧面上的静水压力对支点的力矩都为零。

利用天平测出力矩，可推算矩形面上的静水总压力。

图1-1 图1-2 三、实验原理在已知静止液体中的压强分布之后，通过求解物体表面上的矢量积分即可得到总压力。

完整的总压力求解包括其大小、方向、作用点。

图1-31．静止液体作用在平面上的总压力（图1-3）（1）这是一种比较简单的情况，是平行力系的合成，即（2）总压力大小等于作用面形心C处的压强Pc乘上作用面的面积，即（3）总压力作用点位于作用面形心以下。

（1）单位厚度作用面上总压力的大小等于压强分布图的面积，总压力的作用线过压强分布图的形心。

（2）如压强为梯形分布，则总压力大小为：合力作用点距底的距离为：。

其中，分别为梯形压强分布图上下底的压强水头，，是作用面的长度和宽度。

（3）又若作用面是铅垂放置的（如图1-5），则。

总压力大小为：，合力作用点距底的距离为：。

图1-5四、实验步骤1. 认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2．熟悉仪器，记录有关常数。

3．用底脚螺丝调平，使水准泡居中。

4．调平衡锤使杠杆处于水平状态，此时扇形体的矩形端面处于铅垂位置。

5．打开进水阀门K1，放水进入水箱，待水流上升到一定的高度，关闭K1。

6．加砝码到水平盘上，使杠杆恢复到水平状态。

如不行，则再加水或放水直至平衡为止。

7．测记砝码重量G ，记录水位的刻度数。

8．根据公式计算受力面积和静水总压力作用点至底部距离及作用点至支点的垂直距离L1。

9．根据力矩平衡公式，求出静水总压力P。

10．重复步骤4-8，水位读数在100mm以下（三角形压强分布）做四次，以上（梯形压强分布）做四次，共做八次。

五、注意事项1.测读砝码时，仔细观察砝码所注克数。

2.加水或放水，要仔细观察杠杆所处的状态。

3.砝码要每套专用，不要混用。

实验二恒定总流动量方程验证实验一、实验目的1．实测射流对平板或曲面板施加的作用力，并与用理论公式计算的作用力相比较，以验证恒定总流的动量方程。

2．学习用天平测力和用体积法测流量的实验技能。

二、实验设备实验设备与仪器见图2-1。

由存水箱、水泵、调压阀和稳压箱组成系统提供一股恒定的水射流由喷嘴射出冲击平板或曲面板，射流对实验板的冲击力用天平测量，射流的流量用自动测量仪测量。

图2-11.天平；2.实验板；3.水泵；4.实验箱；5.喷嘴；6.定位杆；7.调节阀；8.挡水板；9.分流器10.量水箱；11.泄水槽；12.泄水阀；13.稳压箱；14.压力表；15.调压阀；16.存水箱；三、实验原理1．对恒定总流运用动量守恒原理，可以得到动量方程，它表明总流中上游1-1断面和下游2-2断面之间控制体内流体所受外力之矢量和等于单位时间经两断面流出控制体的动量。

利用动量方程我们往往可以求出所需的作用力，包括边界对流体的作用力或者其反作用力（图2-2）。

图2-22．水流从圆形喷嘴射出，垂直冲击在距离很近的一块平板上，随即在平板上向四周散开，流速方向转了90°，取射流转向前的断面1-1和水流完全转向以后的断面2-2（是一个圆筒面，它应截取全部散射的水流）之间的水流区域为控制体，运用动量方程可求出平板对水流的作用力。

3．控制面中除了水流和平板的交界面外压强都为零（图2-3）。

不考虑水流扩散、板面和空气阻力，由能量方程可得。

若射流方向水平，重力沿射流方向无分量,沿射流方向的动量方程投影式为：，图2-3取动量修正系数，则。

4．若射流冲击的是一块凹面板（如图2-4），则沿射流方向的动量方程投影式为：，取动量修正系数，仍满足，所以- 图2-45．本实验装置设计的射流方向是铅垂向上的，因此重力沿射流方向有分量（图2-5），考虑到重力的减速作用，射流冲击到实验板上的速度小于喷嘴出口流速，为，故将实验板受力公式改为，图2-5其中z为射流喷射高程（喷嘴出口到实验板的距离）。

四、实验步骤1. 认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2．调天平，将微调砝码拨到零位，配重放到A盘，使天平处于平衡状态。

调节天平位置，使喷嘴中心与实验板中心在同一轴线上，然后用定位件将天平固定。

在天平B盘放入砝码，实验板为平板时放60g砝码，曲板时放100g砝码。

3．将分流器泄水口拨向泄水槽，开大稳压箱调压阀，关闭进水调节阀，将量水箱存水放空后，关闭量水箱泄水阀。

启动水泵，待稳压箱内的气体全部排除后关小调压阀（不要关死，须留有调节量），慢慢开启进水调节阀，由喷嘴喷出射流冲击实验板，当实验板受到的冲击力与砝码的重量相等时，天平重新处于平衡状态，停止调节阀门。

也可以用微调砝码调天平。

此时压力表读数在1.5格（0.15MPa）左右。

4．拨动分流器，使泄水口朝向量水箱，当量水箱测压管水位达到一定高度时拨分流器，使泄水口朝向泄水槽，并记录量水时间和高度。

5．打开量水箱泄水阀，排净量水箱内存水，关闭泄水阀。

在天平B盘再加入10g砝码，拨微调砝码到零位，慢慢开启进水调节阀，使天平再次平衡，观察压力表读数，若有改变则用调节阀调节使其保持恒定。

6．重复步骤3、4、5，记录8组数据，每次均增加10g砝码。

射流冲击力的测量值与计算值的偏差小于5%为合格，实验结果至少应有5组数据合格。

五、注意事项1. 泄水阀门一定要关严，喷嘴与实验板中心定位要准确。

2. 开启阀门时一定要慢，不能使水冲到实验板上面。

3. 实验完毕关水泵及进水调节阀。

实验三流态演示与临界雷诺数量测实验一、实验目的1．观察圆管恒定流动层流和紊流两种流态及其转换现象。

观察层流和紊流两种流态下的断面流速分布情况。

2.测定圆管恒定流动在层流和紊流两种流态下的沿程水头损失h f与平均流速的关系，测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则。

二、实验设备实验装置如图3-1所示。

在自循环恒定圆管流上1，2两个测孔接上比压计，可测量水头损失。

将有颜色水注入装置，以便显示流态和圆管断面流速分布。

管中流速可用尾阀来调节，设置专用水箱进行流量的测量。

图3-1紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。

在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。

（见图3-2）2．圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数d 是圆管直径，v 是断面平均流速，v 是流体的运动粘性系数。

图3-23．实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。

针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小 d ，减小v ，加大v 三种途径都是有利于流动稳定的。

综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳4．圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。

上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。

有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动的下临界雷诺数取为：。

图3-35．由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的1.75～2.0次方成正比。