工程流体力学实验.doc

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1、必读：由于流体力学实验比较多，所以请每位同学准备一本专门的实验报告本，这次是三个演示实验，都要写实验报告。时间为19号下午2点开始，40分钟一批，人数平均分配液体相对平衡演示实验一、实验目的1．观察液体在容器中绕中垂轴作旋转运动的现象；2．加深对处于相对平衡状态下液体运动的感性认识；3．观察在重力和惯性力共同作用下的等压面是一个旋转抛物面，质量力与等压面正交。二、实验原理盛有液体的容器绕其铅垂的中心轴z以等角速度ω旋转，如图3-6所示。在重力G=mg及惯性力F=mω2r(r为所考虑的液体质点A至Oz轴

2、的径向距离，，m为液体质点A的质量)。达到平衡状态后，则作用在液体上的单位质量力在三个坐标上的投影为则由欧拉液体平衡微分方程式可得对于自由液面与Oz轴的交点D处，x=y=z=0，p=p0=0则C=0上式简化为由于等压面是p为常数的方程，所以有表明等压面为围绕Oz轴的旋转抛物面方程。若令得可知：相对平衡液体在铅垂线上的压强同样按静水压强规律分布。三、实验装置见图2.1.1。盛水圆筒可在马达的带动下旋转。图2.1.1液体相对平衡实验装置图四、实验步骤1.在圆筒中加入适量的水。2.接通电源，开动马达

3、。3.旋转调速旋钮，达到适当转速。转速太大水可能泼出，太小形不成旋转抛物面。五、注意事项圆筒转速不要过快，以免将水泼出筒外。六、实验讨论1.若容器密闭，其等压面有什么变化?2.转速对等压面形状有无影响?3.容器是否必须对称于转轴z?如不对称，结果如何?流线演示实验一、实验目的1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以观察在不同边界情况下的流线、旋涡等，增强对流体运动特性的认识。2、应用流动演示仪演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象及非自由射流等，增强对这些现象的感性认识。二、实

4、验装置流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。而通过各种演示设备就可以演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。现以后者为例加以说明。图2.2.1流动演示仪图2.2.1为流动演示仪的示意图。该仪器用有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示出不同边界条件下的多种水流现象，并显示相应的流线。整个仪器由4个单元组成，每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，亦可以同时使用。三、实验步骤(一)操作程序1、接通电源，打开开关。2、用调节进气量旋纽，调节气泡大小。(二

5、)演示内容Ⅰ型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装置能十分清晰地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状况及卡门涡街现象。1、驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。2、边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离点的位置及分离后的回流形态。3、卡门涡街：即圆柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游。Ⅱ型：显示桥墩、机翼绕流的流线。该桥墩为圆头方尾的绕流体。水流在

6、桥墩后的尾流区内也产生卡门涡街，并可观察水流绕过机翼时的流动状况。Ⅲ型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板(或丁坝)纵剖面上的流线图像。1、在逐渐收缩段，流线均匀收缩，无旋涡产生；在逐渐扩散段可看到边界层分离而产生明显的旋涡。2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有小旋涡出现；孔板后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。Ⅳ型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区；在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。2、在直角转弯处，流线弯

7、曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于流道很不顺畅，回流区范围较广。四、注意事项此处注意调节进气阀的进气量，使气泡大小适中，流动演示得更清晰。五、实验讨论1、旋涡区与水流能量损失有什么关系?2、指出演示设备中的急变流区？3、空化现象为什么常常发生在旋涡区中?4、卡门涡街具有什么特性?对绕流物体有什么影响?气蚀演示实验气蚀现象是一种流体力学的空化作用。它是指流体在运动过程中压力降至其临界压力(一般为饱和蒸汽压)之下时，局部地方的流体发生汽化，产生微小空泡团。该空泡团发育增大至一定程度后，在被传输到较

8、高压力的区域时或在其他外部因素的影响下(气体溶解、蒸汽凝结等)溃灭而消失，在局部地方引发水锤作用，其应力可达到数千个大气压。显然这种作用具有很强的破坏性，从宏观结果上看，气蚀现象使得流道表面受到浸蚀破坏(一种持续的高频打击破坏),形成许多蜂窝状的孔穴.一、实验原理气泡被液流带走。当液流流到下游高压区时，气泡内的蒸汽迅速凝结，气泡突然溃灭。气泡溃灭时间很短，只有几百分之一秒，而产生的冲击力很大，气泡溃灭处的局部压力高达几个甚至几十兆帕，局部温度也急剧上升。