流体力学动量方程实验报告

流体力学动量方程实验报告 流体力学实验报告(全) 工程流体力学实验报告 实验一 流体静力学实验 实验原理 在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 或 (1.1) 式中: z被测点在基准面的相对位置高度; p被测点的静水压强，用相对压强 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，以下同; p0水箱中液面的表面压强; γ液体容重; h被测点的液体深度。 另对装有水油(图1.2及图1.3)U型测管，应用等压面可得油的比重S0有下列关系: (1.2) 据此可用仪器(不用另外尺)直接测得S0。 实验分析与讨论 1.同一静止液体内的测管水头线是根什么线, 测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2.当PB0时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。 ，相应容器的真空区域包括以下三部分: (1)过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占的空间区域，均为真空区域。 (2)同理，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。 (3)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。 3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ0。 最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h和h0，由式，从而求得γ0。 4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响, 设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算 式中，为表面张力系数;为液体的容量;d为测压管的内径;h为毛细升高。常温(t=20?)的水，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0 。于是有(h、d单 位 为mm) 一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可略而 不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦较净水小;当采用有机玻璃作测压管时，浸润角较大，其h较普通玻璃管小。 如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。 5.过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面,哪一部分液体是同一等压面, 不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面:(1)重力液体;(2)静止;(3)连通;(4)连通介质为同一均质液体; (5)同一水平面。而管5与水箱之间不符合条件(4)，因此，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。 6.用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗, 关闭各通气阀门，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由c进入水箱。这时阀门的出流就是变液位下的恒定流。因为由观察可知，测压管1的液面始终与c点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒定流动。这是由于液位的降低与空气补充使箱体表面真空度的减小处于平衡状态。医学上的点滴注射就是此原理应用的一例，医学上称之为马利奥特容器的变液位下恒定流。 7.该仪器在加气增压后，水箱液面将下降而测压管液面将升高H，实验时，若以P0=0时的水箱液面作为测量基准，试分析加气 增压后，实际压强(H+δ)与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm，箱体内径为20cm。 加压后，水箱液面比基准面下降了，而同时测压管1、2的液面各比基准面升高了H，由水量平衡原理有 则 本实验仪 d=0.8cm, D=20cm, 故H=0.0032 于是相对误差有 因而可略去不计。 其实，对单根测压管的容器若有D/d10或对两根测压管的容器D/d7时，便可使0.01。 实验二 不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺利方程)实验 实验原理 在实验管路中沿管内水流方向取n个过断面。可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的能量方程式(i=2,3,?? ,n) 取a1=a2=?an=1 ，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，从而即可得到各断面测管水头和总水头。 成果分析及讨论 1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同,为什么, 测压管水头线(P-P)沿程可升可降，线坡JP可正可负。而总水头线(E-E)沿程只降不升，线坡J恒为正，即J0。这是因为水在流动过程中，依据一定边界条件，动能和势能可相互转换。测点5至测点7，管收缩，部分势能转换成动能，测压管水头线降低，Jp0。测点7至测点9，管渐扩，部分动能又转换成势能，测压管水头线升高，JP0。而据能量方程E1=E2+hw1-2, hw1-2为损失能量，是不可逆的，即恒有hw1-20，故E2恒小于E1，(E-E)线不可能回升。(E-E) 线下降的坡度越大，即J越大，表明单位流程上的水头损失越大，如图2.3的渐扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。 2.流量增加，测压管水头线有何变化,为什么, 有 如 下 二 个 变 化 : (1)流量增加，测压管水头线(P-P)总降落趋势更显著。这是因为测压管水 头 ，任一断面起始时的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q 增大， 就增大，则必减小。而且随流量的增加阻力损失亦增大，管道任一过水断面上的总水头E相应减小，故的减小更加显著。 (2)测压管水头线(P-P)的起落变化更为显著。 因为对于两个不同直径的相应过水断面有 式中为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时，接近于常数，又管道断面为定值，故Q增大，H亦增大，(P-P)线的起落变化就更为显著。 3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题, 测点2、3位于均匀流断面(图2.2)，测点高差0.7cm，HP=均为37.1cm(偶有毛细影响相差0.1mm)，表明均匀流同断面上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、11在弯管的急变流断面上，测压管水头差为7.3cm，表明急变流断面上离心惯性力对测压管水头影响很大。由于能量方程推导时的限制条件之一是“质量力只有重力”，而在急变流断面上其质量力，除重力外，尚有离心惯性力，故急变流断面不能选作能量方程的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、11应舍弃。 4.试问避免喉管(测点7)处形成真空有哪几种技术措施,分析改变作用水头(如抬高或降低水箱的水位)对喉管压强的影响情况。 下述几点措施有利于避免喉管(测点7)处真空的形成: (1)减小流量，(2)增大喉管管径，(3)降低相应管线的安装高程，(4)改变水箱中的液位高度。 显然(1)、(2)、(3)都有利于阻止喉管真空的出现，尤其(3)更具有工程实用意义。因为若管系落差不变，单单降低管线位置往往就可完全避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程0—0，比位能降至零，比 压能p/γ得以增大(Z)，从而可能避免点7处的真 空。至于措施(4)其增压效果是有条件的，现分析如下: 当作用水头增大h时，测点7 断面上值可用能量方程求得。 取基准面及计算断面1、2、3，计算点选在管轴线上(以下水柱单位均为cm)。于是由断面1、2的能量方程(取a2=a3=1)有 (1) 因hw1-2可表示成此处c1.2是管段1-2总水头损失系数，式中e、s分别为进口和渐缩局部损失系数。 又由连续性方程有 故式(1)可变为 (2) 式中可由断面1、3能量方程求得，即 (3) 由此得 (4) 代入式( 2)有(Z2+P2/γ)随h递增还是递减，可由(Z2+P2/γ)加以判别。因 (5) 若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)0，则断面2上的(Z+p/γ) 随h同步递增。反之，则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。 在实验报告解答中，d3/d2=1.37/1，Z1=50，Z3=-10，而当h=0时，实验的(Z2+P2/γ)=6 ， ，将各值代入式(2)、(3)，可得该管道阻力系数分别为c1.2=1.5，c1.3=5.37。 再将其代入式(5)得 表明本实验管道喉管的测压管水头随水箱水位同步升高。但因(Z2+P2/γ)接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强(减小负压)效果不显著。变水头实验可证明该结论正确。 5.由毕托管测量显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原因。 与毕托管相连通的测压管有1、6、8、12、14、16和18管，称总压管。总压管液面的连续即为毕托 管测量显示的总水头线，其中包含点流速水头。而实际测绘的总水头是以实测的值加断面平均流速水头v2/2g绘制的。据经验资料，对于园管紊流，只有在离管壁约0.12d的位置，其点流速方能代表该断面的平均流速。由于本实验毕托管的探头通常布设在管轴附近，其点流速水头大于断面平均流速水头，所以由毕托管测量显示的总水头线，一般比实际测绘的总水线偏高。 因此，本实验由1、6、8、12、14、16和18管所显示的总水头线一般仅供定性分析与讨论，只有按实验原理与方法测绘总水头线才更准确。 实验三 不可压缩流体恒定流动量定律实验 实验原理 恒定总流动量方程为 取脱离体，因滑动摩擦阻力水平分离 即 式中:hc——作用在活塞形心处的水深; D——活塞的直径; Q——射流流量; V1x——射流的速度; β1——动量修正系数。 实验中，在平衡状态下，只要测得Q流量和活塞形心水深hc，由给定的管嘴直径d和活塞直径D，代入上式，便可验证动量方程，并率定射流的动量修正系数β1值。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的园心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞园心处的水深。 实验分析与讨论 1、实测β与公认值(β=1.02,1.05)符合与否,如不符合，试分析原因。 实测β=1.035与公认值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼轮不转所致。为排除此故障，可用4B铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面。) 2、带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量力有无影响,为什么, 无影响。 因带翼片的平板垂直于x轴，作用在轴心上的力矩T，是由射流冲击平板是，沿yz平面通过翼片造成动量矩的差所致。即 式中Q——射流的流量; Vyz1——入流速度在yz平面上的分速; Vyz2——出流速度在yz平面上的分速; α1——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90?; α2——出流速度与圆周切线方向的夹角; r1,2——分别为内、外圆半径。 ，可忽略不计，故x方向的动量方程化为 篇二:流体力学动量定理实验 动量定理实验 一、 概述 动量定理指出:流体微团动量的变化率等于作用在该微团上所有外力的矢量和。即某控制体内的动量在时间dt内的增量等于作用在控制体上所有外力在dt时间内的总冲量。 水射流冲击平板和内半球是用来验证动量定理的一个很好实例，本实验仪则采用水射流冲击平板通过称重系统测出冲击力。 二、 实验目的: 1(测定管嘴喷射水流对平板或曲面板所施加的冲击力。 2(测定动量修正系数，以实验分析射流出射角度与动量力的相关性 3(将测出的冲击力与用动量方程计算出的冲击力进行比较，加 深对动量方程的理解。 三、 设备性能与主要技术参数 1、该实验装置主要由:流量计、水泵、实验水箱、管嘴、蓄水箱和平衡秤等组成。 2、流量计采用LZS-15(60-600)L/h。 3、水泵为增压泵，最高扬程:10m，最大流量:10L/min，转速2800r/min，输入功率90W。 4、量器为平衡杆秤，上面刻度每小各格为2mm,称上平衡游码为150g。 5、实验水箱由有机玻璃制成，顶部装有称重装置，内部则有实验平板与管嘴，其中管嘴距平板距离为40mm，管嘴的内径为9mm。 6、蓄水箱由PVC板焊制而成。容积:35L。 四、 实验原理 1、本实验装置给出计量杠杆为平衡杆称。 2、计算每个状态下的体积流量和质量流量 体积流量QV通过转子流量计直接得出读数，质量流量QM,ρW?QV其中水的密度ρW可根据水温查得。 3、计算每个状态下水射流冲击模型的当地速度u。 由公式u0=Qv/A0 (m/s)计算管嘴出口处的水流速度，其中A0为喷嘴出口截面积(m2)。在地心引力的作用下，水射流离开喷嘴后要减速，当水流射到模板上时，当地 速度u应根据垂直向上抛运动的公式进行修正，即:u=?u20-2gs,式中s为从喷嘴出口到模板实际接触距离。 五、实验流程图 自循环供水装置由增压水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由阀门控制。水流经供水管供给实验水箱，溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴的水流形成射流，冲击实验平板，抗冲平板在射流冲力处于平衡状态。即水流动量力F。冲击后的弃水经集水箱汇集后，再经上回水管流出，最后经回水管流回蓄水箱。 六、 实验方法与步骤: 1、准备熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。 2、记录管嘴直径、实验模板直径和作用力力臂。 3、安装平面板，调节平衡锤位置，使杠杆处于水平状态 4、接通电源启动泵，打开泵出口阀，使水从管嘴内射向平板，导致计量杆的不平衡。记录下流量计的读数以及电子秤的读数。 6、重复步骤4，逐档调大进水流量，至少应调节5次这样就可以得到5个实验点。 7、测量实验水温并记录下来，通过水温查得实验时水的密度，便于计算质量流量。 8、关闭水泵，将水箱中水排空，关闭电源，结束实验。 七、 实验分析与讨论 1.记录有关常数。 管嘴内径d=cm，实验板直径D=cm，喷嘴出口距实验板距离s= cm。 2(设计实验参数记录、计算表，并填入实测数据。 3(取 某一流量，绘出脱离体图，阐明分析计算的过程。 4. F实与F理有差异，除实验误差外还有什么原因, 篇三:恒定总流动量方程验证实验报告 恒定总流动量方程验证实验 实验日期:2010-05-07 一、实验原理 1.恒定总流动量方程 对恒定总流运用动量守恒原理，可以得到动量方 程 ?Q(??01v1??02v2)??F， 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(流体对边界的作用力)。 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900，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R?. ? ? ? 2.具体 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 推导 不考虑水流扩散、板面和空气阻力，由恒定总流能量方程可得: ppvv(z1?1)?(z2?2)?2?1 ?g?g2g2g 2 2 控制面中除了水流和平板的交界面外压强都为零，即P1=P2，喷嘴距离平板很近，可认为Z1=Z2，于是: v1?v2?v. 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: ?Q(0??01v1)??R?， .,则 取动量修正系数?01?10 R???Qv. 若射流冲击的是一块凹面板,则沿射流方向的动量方程投影式为: ?Q(?02v2cos???01v1)??R?， .，v1?v2?v 仍满足，所以 取动量修正系数?01??02?10 R???Qv(1?cos?). 本实验装置设计的射流方向是铅垂向上的，重力沿射流方向有分量，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 v1?v2?v2?2gz， 故将实验板受力公式改为 R??Qv2?2gz(1?cos?)， 其中z为射流喷射高程(喷嘴出口到实验板的距离)。 二、实验装置 实验设备与仪器见下图。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量测，射流的流量用量水箱和秒表手工测量。 三、实验步骤(本组实验的实验板为平板) 1.调天平，将微调砝码拨到零位，配重放到左盘，使天平平衡。拧松天平定位螺丝调节天平位置，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。在天平右盘放入60g砝码。 2.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，直至天平右盘微高，停止调节阀门，再微调砝码调天平平衡。 3.拨动分流器，使泄水口朝向量水箱，测量水面经过两个高度h1、h2所用的时间，由此计算出流量Q。 4.拨分流器，使泄水口朝向泄水槽，在天平右盘再加入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。 5.重复步骤2、3，测出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一般为10%左右，超出20%为不合格，实验结果至少应有5组数据合格。 四、实验数据与处理 仪器编号:004 有关常数:量水箱底面积S=205.750cm2 喷嘴出水口直径 β 喷嘴到实验板的距离 误差分析:由公式可知R~Q2，Q= (h2?h1)S ，由于本次实验是手工测流量，h1 、h2、 t的t 测量很大程度上要凭经验与感觉，所以会有较大误差。天平可能会因为受力不稳定而有摆动，从而导致平衡力测量产生误差，但是相对于前一项这只是次要误差来源。此外，由于把动量修正系数取做1也会导致很小的误差。 五、分析思考题 1.恒定总流动量方程的适用条件是什么,可用来解决什么问题, 答:首先要满足恒定流动的条件，即总流管的形状 、位置不随时间变化。总流内的流体是不存在空隙的连续介质，其密度分布恒定，所以这段总流管内的流体质量也不随时间变化。没有流体穿过总流管侧壁流入或流出，流体只能通过两个过流断面进出控制体。流体质量力只有重力、且迹线与流线重合。其次恒定流动量方程计算时所取的断面要在渐变流上，因为这样容易实现一元化表达，即断面速度水头的平均值可以用平均流速对应的速度水头乘上动能修正系数表示。另外动量方程是矢量式，式中作用力、流速都是矢量。动量方程式中流出的动量为正，流入为负。 恒定总流动量方程建立了通过总流管两断面净流出的动量流量与这段总流管内流体所受外力之间的关系，避开了这段流动内部的细节。对于有些流体力学问题，能量损失事先难以确定，用动量方程来进行分析常常是方便的。此外，它与恒定总流连续方程、能量方程的联用在解决问题时十分普遍。 2.动量方程中的 ?F 是指所有外力的矢量和，当使用动量方程在某一方向的投影式时， ? 若质量力(重力)在该方向有分量，应该如何处理, 答:如果重力相对于其他外力不能较小，以至可以忽略不计那么可以当做没有重力处理，如果不能，就把把重力当做普通外力处理，因为恒定流的一段流管中流体的重力是不会随时间变化的。 3.试分析实验板所受射流冲击力理论值与实验值之间存在差别的原因。 答:由公式可知R~Q2，Q= (h2?h1)S ，由于本次实验是手工测流量，h1 、h2、 t的测量很t 大程度上要凭经验与感觉，所以会有较大误差。天平可能会因为受力不稳定而有摆动，从而导致平衡力测量产生误差，但是相对于前一项这只是次要误差来源。此外，由于把动量修正系数取做1.0也会导致很小的误差。 4.喷嘴与实验板中心位置如果没有对准，会出现什么问题, 实验板平衡时不水平，而会有一定角度，假设该角度为θ，经 过推导可得，R=ρQv，与实验板水平时相同，但此时天平上砝码的重力G不再等于R，而满足新的平衡式:Rcosθ=G, 所以就不能用天平来测量实验板对水流的反力了。 6.为什么在实验中要反复强调保持水流恒定的重要性, 答:因为实验是利用恒定总流动量公式来推导的，此公式成立首先要满足的条件就是水流恒定。