《工程流体力学》实验指导书

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1、《工程流体力学》实验指导书适用专业：机械电子工程上海电机学院2014年9月目录实验一雷诺实验1实验二局部水头损失实验5实验三沿程水头损失实验10实验一雷诺实验一、实验目的和要求1.观察层流、湍流的流态及其转换过程；2.测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；3.学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，确定非圆管流的流态判别准数。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11.自循环供水器2.实验台5.有色水水管6.稳水孔板7.10.稳压筒11.传感器12.雷诺实验装置图3.可控硅无级调速器4.恒压水箱溢流板8.实验管道

2、9.实验流量调节阀智能化数显流量仪2.装置说明与操作方法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U前水体稳定度。木恒压水箱设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3〜5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。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。实验流量由调节阀9调节。流量由智能化数显流量仪测量，使用时须先排气调零，所显示为一级精度瞬时流量值。水温由数显温度计测量显示。三、实验原理1883年，雷诺(OsborneReynolds)采用类似于图1所示的实验装置，观察到

3、液流中存在着层流和湍流两种流态：流速较小时，水流有条不紊地呈层状有序的直线运动，流层间没有质点混掺，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点作杂乱无章的无序的直线运动，流层间质点混掺，这种流态称为湍流。雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速K，％与流体的粘性V、园管的直径d有关。若要判别流态，就要确定各种情况下的值，需要对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研宄，工作量巨大。雷诺实验的贡献不仅在于发现了两种流态，还在于运用量纲分析的原理，得出了量纲为一的判据一一雷诺数使问题得以简化。量纲分析如下.•因vc=f(v,d

4、)根据量纲分析法有vc=kva}da2cc其屮么是量纲为一的数。写成呈纲关系为[LT-1]=[L2T~1f[Lp由量纲和谐原理，得汉i=l，a2=-l。即vc=K^或K=—dV雷诺实验完成了管流的流态从湍流过度到层流时的临界值么值的测定，以及是否为常数的验证，结果表明么值为常数。于是，量纲为一的数¥便成了适合于任何管径，任何牛顿V流体的流态巾湍流转变为层流的判据。巾于雷诺的贡献，¥定名为雷诺数/?么•丁•是有VRe=vd=^=KeJvVTivd式屮：12为流体流速；V为流体运动粘度；d为圆管直径；％,为圆管内过流流量；K为4计算常数，

5、尺=——。Tivd当流量由大逐渐变小，流态从湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数当流量由零逐渐堉人，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数上临界雷数受外界干扰，数值不稳定，而下临雷诺数值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。雷诺经反复测试，得出圆管流动的下临界雷诺数值为2300。工程上，一般取/^c=2000。当时，管中液流为层流；反之为湍流。对于非圆管流动，雷诺数可以表示为Re=—v式中穴为过流断面的水力半径；A为过流断面面积；#湿周（过流断面上液体与同体边界接触的长度）。以水力半径作为特征长度表示的雷诺数也称为广义雷

6、诺数。四、实验内容与方法1.定性观察两种流态。启动水泵供水，使水箱溢流，经稳定后，微开流量调节阀，打开颜色水管道的阀门，注入颜色水，可以看到圆管中颜色水随水流流动形成一直线状，这时的流态即为层流。进一步开人流量调节阀，流量增大到一定程度吋，可见管中颜色水发生混掺，直至消色。表明流体质点己经发生无序的杂乱运动，这时的流态即为湍流。2.测定下临界雷诺数先调节管中流态呈湍流状，再逐步关小调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水幵始形成一直线时，表明由湍流刚好转为层流，此时管流即为下临界流动状态。测定流量，记泶数显温度计所

7、显示的水温值，即可得出下临界雷诺数。注意，接近下临界流动状态吋，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可关小、不可开大。3.测定上临界雷诺数先调节管中流态呈层流状，再逐步开大调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水开始散开混掺时，表明由层流刚好转为湍流，此时管流即为上临界流动状态。记录智能化数显流量仪的流量值和水温，即可得出上临界雷诺数。注意，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可开大、不可关小。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：实验闩期：管径J=X10'2m,水温t=°C运

8、动粘度=_請…謂__,(m2/s)=X10-4m2/s1+0.0337Z+0.00022lz2计算常数X106s/m31.实验数据记录及汁算结果表1雷诺实验记录汁算表S颜色水线形状流量Qv(lO'V/s)雷诺数Re阀门开