热工基础实验指导书-流体力学实验

热工基础课程课程编号：438121实 验 指 导 书主撰人： 李艳 黎娇 爨璋瑜审核人：刘海力物理与信息工程系热能与动力工程专业教研室二一二 年四月前 言实验总体目标:掌握热工基本知识、热工实验方法和热工实验技能适用专业年级:热能与动力工程；第三学期、第四学期实验课时分配:36学时序号实验项目要求类型每组人数实验学时1常用热工仪表的使用必验证222空气定压比热测定实验必验证223二氮化碳PVT关系研究实验必验证224喷管特性实验必综合245雷诺和伯努利方程综合实验必验证226孔口与管嘴流量系数实验必综合227文丘里流量计及孔板流量计测定实验必综合228稳态法导热系数测量实验必研究229恒热流准稳态平板法测定材料热物性必研究2210中温法向辐射时物体黑度测定实验必综合2211空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定实验必研究2413换热器综合实验必综合2414热电偶校验必研究2415毕托管测速实验必综合22实验5 雷偌和伯努利方程综合实验A雷诺实验一、实验目的1、观察流体在不同流动状态时流动质点的运动规律。2、观察流体由层流变为紊流及由紊流变为层流的过渡过程。3、测定液体（水）在圆管中流动的临界雷诺数即下临界雷诺数，学会其测定的方法。二、实验设备及要求本实验主要使用设备为：LBZ-1雷偌和伯努利方程综合实验台。实验装置如图5-1所示。图1雷偌和伯努利方程综合实验装置示意图三、实验原理流体在管道中流动，有层流和紊流两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持水箱的水位恒定，即水头H不变。如果管路中出水阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均流速V，微启红颜色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。如果将出水阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，液体的流动呈临界状态。如果将出水阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。用Re表示，有： （5-1） 式中，为流速；为管路直径，=27mm；为水的运动粘性系数。其中，流速有： （5-2）式中，为流量；为管路的横截面积，有。流量用体积法可测出，即在t 时间内流入量筒中流体的体积。 （5-3） 四、实验内容与步骤1、实验前的准备（1）打开进水阀门后，启动水泵，向恒水位水箱加水。（2）在水箱的水位达到溢流水平，并保持一定的溢流。（3）测量流体温度。2、测定临界雷诺数（1）将实验管中的水流调到较小的流速，将普通钢笔水倒进颜色水盒。开启下部小阀门，使颜色水从细管中流出，可此时，可看到实验观众的颜色水细流与管中的水流同步在直管中沿轴线向前流动，色液呈现一条细直流线，这说明在此流态下，流体的质点没有垂直于主流的横向流动，颜色水没有与周围的液体混杂，而是层次分明的向前流动。此时的流体即为层流。（若看不到这种现象，可再仔细调节上水阀门和尾部阀门，知道看到有色直线为止。）（2）缓慢地逐渐开大出水阀门，可观察到有色流线开始出现脉动，但流体质点还没有达到相互交换的程度，即象征为流体流动状态开始转换的临界状态（上临界点），此时的流速即为上临界流速。（3）继续开大阀门，会出现流体质点的横向脉动，色线与水全部混合，此时流态为湍流。此后，缓慢地逐渐关小出水阀门，仔细观察试验管中的色液流动变化情况，当阀门关小到一定开度时，可看到试验管中色液出口处开始有有色脉动流线出现，但还没有达到转变为层流的状态，此时，即象征为湍流装变为层流的临界状态（下临界点）。继续关小阀门，实验管中会再次出现细直色线，流体流态变为层流。（4）测定此时的流量，用记录水箱测量出水流的流量体积。重复三次，即可算出下临界雷诺数。（5）将测试结果记入实验记录表中。五、记录与计算表5-1 测试结果记录表次数（m3）(m3/s)(m/s)123水温= ； 运动粘性系数= m2/s； （查表见附表1）六、思考题1、实验时为什么要保持溢流状态？2、比较实测的临界雷诺数和工程上采的临界雷诺数，分析误差原因。七、注意事项1、操作过程需要认真仔细，实验时需要相互配合，分工合作，观察与记录实验过程。2、实验时要保持溢流状态。B、伯努利方程实验一、实验目的1、观察流体流经实验管的能量转化情况，对现象进行分析，加深对能量方程的理解。2、验证静压原理。3、掌握一种测量流体流速的方法。二、实验设备及要求本实验主要使用设备为：LBZ-1雷偌和伯努利方程综合实验台。实验装置如图5-1所示。三、实验原理与步骤1、验证静压原理启动水泵，等水罐满管道后，关闭两端阀门，这时观察能量方程实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，因此静止不可压缩均布重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和保持不变，测点的高度和测点的前后位置无关。2、伯努利方程 实际流体都是有粘性的，在流动过程中由于磨擦而造成能量损失，能量方程变为： （5-6）其中能量损失是由沿程损失和局部损失两部分组成。3、观察和计算流体流经实验管中能量损失的情况过水断面的能量由位能、压能、动能三部分组成。在实验管道各断面设置测压管和测速管，即可测出三种能量沿程变化的实际情况。测压管中水位显示的是位能和压能之和，即能量方程中之前两项：，即静压；测速管中水位显示的是位能、压能、动能之和，即能量方程中三项之和：，为全压。全开阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，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，同时计量不同阀门开度下流量和相应的测压管液柱高度进行记录和计算。实验在流体流动平稳的情况下，进行测压和流量的计量。在不同的流量工况下进行测试，将测试的数据填入表中。伯努利实验管工况点实验数据记录实验管内径d1= m， 实验管内径d2= m， 实验管内径d3= m序号12345体积（cm3）时间(s)流量(cm3/s)全压静压全压静压全压静压全压静压全压静压1234564、测量管内轴心处流体速度能量方程实验管上的每一组测压管都相当于一个皮托管，可测得管内任意一点的流体点速度，本实验台已将测压管开口位置设在能量方程实验管的轴心，故所测得动压为轴心处的，即最大速度。皮托管求点速度公式： （5-4）求平均流速公式： （5-5）根据以上公式计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速添入表格，可验证出连续性方程。对于不可压缩流体稳定的流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。将实验结果记录于表5-1。表5-2 各测点处的参数记录项目序号1234点速度Vp（m/s）平均速度V（m/s）.管内径（mm）附表1 标准大气下水的物理性质温度t/密度/kgm-3运动粘度10-6/ m2s-1051015202530405060708090999.81000.0999.7999.1998.2997.0995.7992.2988.0983.2977.8971.8955.31.7851.5791.3061.1391.0030.8930.8000.6580.5530.4740.4130.3640.326实验6 孔口与管嘴流量系数实验一、实验目的1、观察典型孔口和管嘴自由出流的水力现象与圆柱管嘴的局部真空现象。2、测定孔口、管嘴出流的各项系数：出流断面收缩系数，流量系数，流速系数和阻力系数。二、实验设备及要求本实验主要使用设备为：KGZ-1孔口管嘴实验仪。实验台由稳压水箱、计量水箱、供水箱、水泵等组成。在实验设备的稳压水箱前侧壁上设置有两种形状的孔口以及圆柱管嘴与圆锥管嘴，箱内有溢流板以保持水头恒定，孔口和管嘴上安装门盖以控制出流。三、实验原理1、孔口出流原理如图一所示，对的小孔口，当为完全收缩时，由于水流惯性作用，在离孔口约的CC断面处，水流断面收缩到最小，该收缩断面与孔口断面积的关系为。称为收缩系数。 对水面1-1，收缩断面C-C列能量方程式为： （6-1）可（6-1）得： （6-2）由（6-2）可得 （6-3）令 则 （6-4）式中：孔口出流断面上的流速（m/s）。 孔口流速系数，根据实测，由于=0.06，所以 孔口的作用水头（m）孔口的出流量：，由于，即有 （6-4）设, 则有： （6-5）式中：孔口出流的流量。孔口的流量系数。将以上各式进行反推，可得孔口出流的各项系数流量系数：收缩系数：流速系数：阻力系数：因此，测出Q、H、A、Ac。即可求出各项系数。2、管嘴出流原理如图二所示，当器壁较厚或孔口上加接短管并且器壁厚度或管长相当于孔口直径的34倍时，则称作管嘴，也叫做厚壁孔口。这种出流现象称作管嘴出流。管嘴出流的特点是，水股先在管内收形成真空，而后再逐渐扩张以至充满整个管嘴而流出。它的局部损失，主要是管嘴入口处的局部阻力损失和水股收缩断面扩大的局部阻力损失，沿程损失忽略不计。管嘴出流各项系数计算公式与孔口出流的型式完全一样。但由于管嘴出口断面没有变化，即，。管嘴出流各项系数计算公式如下：管嘴流量系数：管嘴收缩系数：管嘴流速系数： 管嘴阻力系数：四、实验内容与步骤一、记录实验仪器尺寸参数熟悉仪器，记录孔口直径 、管嘴直径 和水头。在圆柱形管嘴收缩断面处设测压管以观察真空现象并测量真空值。出水水股由卡钳测量。在标尺上可读出水箱水位，孔口管嘴的位置高程，及圆柱管嘴的真空度。流量测量采用体积法，由计量水箱计量。秒表自备。二、孔口与管嘴出流的流量测量1、启动水泵，并调节供水阀门使水箱有微量溢流，使液面保持恒定不变，分别打开各孔口管嘴的前盖进行实验。2、观察各种薄壁孔口出流水股的收缩现象，测量出流收缩断面尺寸，计算收缩断面面积，测量孔口收缩管嘴的作用水头，一般应测35次，并取其平均值。3、根据泄流槽上的刻度读出孔口与管嘴出流的流量，将实验结果记录入表6-1中。4、根据实测数据，计算各项系数,分析讨论实验结果。表6-1 实验结果记录表仪器常数：孔口直径= cm； 水头 = cm； 管嘴直径 = cm分布类别孔口圆形孔口矩形管嘴直管嘴管嘴锥管嘴平均流量（cm3/s）面积（cm3）收缩直径dc（cm）收缩断面Ac（cm3）真空度收缩系数流量系数流速系数： 阻力系数：流股形态五、思考题流速系数是否可能大于1.0？为什么？六、注意事项1、过程中应保持微小溢流；2、本仪器有实测管嘴真空值的装置，但一般达不到理论值，即作用水头的0.75 倍。实验14 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、实验设备实验台由实验桌、自循环供水箱、水位调节阀、稳压水箱、淹没管嘴、毕托管、滑轨、回水箱、测压管、滑动测尺等组成。三、实验原理1、毕托管测速公式： （14-1） 式中：u毕托管测点处的点流速 C毕托管的校正系数，C=1。 h毕托管总水头与测压管水头差2、管嘴出流速度公式： （14-2）式中：u测点处流速，由毕托管测定 测点流速系数 H管嘴的作用水头由以上两式可得测点流速系数计算式： （14-3）四、实验内容与步骤1、熟悉实验装置各部分的名称，作用性能和毕托管的构造特征，以及实验原理。并测记各有关的常数和实验参数，添入实验表格。2、用软胶管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管相连通，将毕托管对准管嘴，距离管嘴出口处约3CM，在滑轨上进行固定。3、开启水泵，将流量调节至最大。待上下游溢流后，及时排除毕托管及连通管中的气体，方可进行实验。4、分别沿纵向和垂向改变测点位置，观察管嘴淹没射流的流速分布。5、在有压管道测量中，管道直径相对毕托管的直径610倍以内时，测量误差将在25以上。实验时可将毕托管的头部伸入管嘴中，进行验证。6、将实验记录和计算添入表格，写出实验报告。表14-1 实验数据记录表序号上下游水位差毕托管水头差测点流速测点流速系数5678五、思考题1、利用测压管测量压强时，为什么要排气？怎样才能知道气已经排净？2、毕托管的动压头和上下游的水位差的大小关系怎样？为什么？3、测出的流速系数说明了什么？