1水力学实验指导书(5)

?1?Qv1x?式中，hc—作用在活塞形心处的水深；

?4?hcD2?0

D—活塞的直径；

Q—射流流量；

v1x—射流的速度；

?1—动量修正系数。

实验中，在平衡状态下，只要测得流量Q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，，便可率定射流的动量修正系数β1值，并验证动量定律。其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞圆心处的水深。

四、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. 开启水泵 打开调速器开关，水泵启动2～3分钟后，关闭2～3秒钟，以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气。

3. 调整测压管位置 待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快，然后旋转螺丝固定好。

4. 测读水位 标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即hc值。

5. 测量流量 用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于20秒，若用电测仪测流量时，则需在仪器量程范围内，均须重复测三次再取均值。

6. 改变水头重复实验 逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按3－5步骤重复进行实验。

7. 验证v2x?0对Fx的影响 取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位置，使反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深hc?和管嘴作用水头H0。

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五、实验成果及要求

实验装置台号NO.____

管嘴内径d= cm， 活塞直径D= cm

表6 动量定律实验记录及计算表

单位：cm, s, N

测次 体积 V 时间 T 管嘴作用水活塞作用水头H0 头hc 流量 Q 流速 v 动量力 动量修正系F 数β1 1 2 3 六、实验分析与讨论

1. 实测?（β1平均值）与公认值（β＝1.02～1.05）符合与否？如不符合，试分析原因。

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方向的动量方程有无影响？为什么？

3. 通过细导水管的分流，其出流角度与v2相同，试问对以上受力分析有无影响？ 4. 滑动摩擦力fx为什么可以忽略不计？试用实验来分析验证fx的大小，记录观察结果。（提示:平衡时，向测压管内加入或取出1 mm左右深的水，观察活塞及液位的变化）。

5. v2x若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。

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第七节 雷诺实验

一、实验目的与要求

1. 观察水流的层流、紊流的运动现象及其转换特征； 2. 测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；

3. 在对数纸上绘出水头损失hf和雷诺数Re的关系曲线，求出下临界雷诺数； 4. 对实验结果进行分析，证实层流和紊流两种流态沿程水头损失随流速变化规律不同；

5. 学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。 二、实验装置

本实验装置如图7所示。

456789321

图7 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.恒压水箱；5.有色水水管；6.稳水孔板；7.溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。

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。

三、实验原理

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流体有层流及紊流两种流动型态。层流的特点是流体的质点互不混掺成线状运动，运动要素不呈现脉动现象。在紊流中流体的质点互相混掺，其运动轨迹是曲折混乱的，运动要素发生脉动现象。介于两者之间是过渡状态流动。

雷诺实验证实了层流与紊流的沿程水头损失规律不同。层流的沿程水头损失大小与流速的一次方成正比例，即hf?v；紊流的沿程水头损失与流速的m次方成比例，即hf?vm，m=1.75-2。

雷诺实验的结果发现临界流速与流体的物理性质（动力粘滞系数）及管径有密切关系，并提出一个表征流动形态的无量纲数——雷诺数 (Reynolds number)。

Re?vd??44Q?KQ，K?

?d??d?式中，v—园管水流的断面平均流速，d—圆管直径；?—水流的运动粘滞系数。

流态开始转变时的雷诺数叫做临界雷诺数，但实验由层流开始向紊流过渡和紊流向层流过渡，流态开始转变时的雷诺数是不同的，前者叫做上临界雷诺数，后者叫做下临界雷诺数。大量的实验证明，园管中的流动，下临界雷诺数是一比较稳定的数值

'?2000）（Rek，上临界雷诺数（Rek?12000~20000或更大）变化范围很大，数值很不

稳定。因此，把下临界雷诺数Rek作为判别流态的标准。当水流的雷诺数大于Rek时就 是紊流，小于Rek时就一定是层流。对明渠水流，Re?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使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，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小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；

（2）待管中出现临界状态时，用体积法或电测法测定流量；

（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2320）比较，偏离过大，需重测；

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vR?,Rek?500。

（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于3次； （5）同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘滞系数?。 注意：a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟； b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；

c、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。 4. 测定上临界雷诺数。

逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当有色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1～2次。

五、实验成果及要求

实验装置台号NO._______

管径d=_______cm， 水温t=________℃ 运动粘滞系数??0.017751?0.0337t?0.000221t23

?_______cm2s

计算常数K=______________s/cm

表7 雷诺实验记录计算表

实验次序 1 2 3 4 5 6 7 时间T （s） 流量Q（cm/s） 3颜色水线形态 水体积V（cm） 3雷诺数Re 阀门开度增（↑）或减（↓） 备注 实测下临界雷诺数（平均值）：Rek? 注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲、旋转、断续，直线抖动，完全散开等。

六、实验分析与讨论

1. 流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？

2. 为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判

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