實驗一、實驗目的
1．測定液體運動時的沿程水頭損失（）及斷面的平均流速（v）。
2．繪製流態曲線（）圖，找出下臨界點並計算臨界雷諾數（）的值。
二、實驗裝置
本室驗的裝置如圖1所示。本實驗所用的裝置有流態實驗裝置、量筒、秒錶、溫度計及粘溫表。
圖1 流態實驗裝置
1—穩壓水箱；2—進水管；3—溢流管；4—實驗管路；5—壓差計；6—流量調節閥；7—回流管線；
8—實驗台；9—蓄水箱；10—抽水幫浦；11—出水管
三、實驗原理
1．液體在同一管道中流動，當速度不同時有層流、紊流兩種流動狀態。層流的特點是流體各質點互不摻混，呈線狀流動。紊流的特點是流體的各質點互相攙混，有脈動現象。
不同的流態，其沿程水頭與斷面平均流速的關係也不相同。層流的沿程水頭損失與斷面平均流速的一次方成正比；紊流的沿程水頭損失與斷面平均流速的m(m=1.75~2.
0)次方成正比。層流與紊流之間存在乙個過渡段，它的沿程水頭損失與斷面平均流速的關係與層流、紊流的不同。
2．當穩壓水箱一直保持溢流時，實驗管路水平放置且管徑不變，流體在管內的流動為穩定流，此種情況下a點、b點的斷面平均流速相等，即。這時從a點到b點的沿程水頭損失可由能量方程匯出：
1)式中 h1，h2—分別為a點、b點的測壓管水頭，由測壓計中的兩個測壓管讀出。
3．根據雷諾數判斷流體流動狀態。雷諾數re的計算公式為：
2)式中 d—圓管內徑；
—斷面平均速度；
—運動粘度。
當（下臨界雷諾數）時，為層流，其中；
當（上臨界雷諾數）時，為紊流，其中；
四、實驗要求
1．有關常數實驗裝置編號：no. 9
實驗管內徑：d= 1.0×10-2 m； 水溫：t= 19 ℃；
水的密度： = 998.33 kg/m3； 動力粘度係數： = 1.0175×10-3 pas；
運動粘度係數： = 1.019×10-6 m2/s。
2．實驗資料記錄處理見表1。
表1 流動狀態實驗資料記錄處理表
以其中一組資料寫出計算例項。
管截面積：，
流量：，
速度：，
水頭損失：，
由此可得雷諾數：。
3．要求：
（1）在雙對數座標紙上繪製關係曲線圖。
（2）確定下臨界點，找出臨界點速度，並寫出計算臨界雷諾數的過程。
由圖可知，a (-0.68, 0.176)，即，
則，與理論值進行比較，2000<<2320，實驗結果與理論結果相符。
五、實驗步驟
1．熟悉儀器，開啟水幫浦開關啟動抽水幫浦。
2．向穩壓箱充水，使液面恆定，並保持少量溢流。
3．在開啟流量調節閥前，檢查壓差計液面是否齊平。若不平，則需排氣。
4．將流量調節閥開啟，直至流量最大。
5．待管內液體流動穩定後，用量同測水的體積，並用秒錶測出時間。記錄水的體積及所用時間，同時讀取壓差計的液柱標高。
6．調小流量，在調節流量的過程中要一直觀察壓差計液面的變化，直至調至合適的壓差，然後重複步驟5，共測17組。
7．測量水溫，利用《水的密度和粘度表》查出動力粘度和密度。
8．關閉水幫浦電源和流量調節閥，並將實驗裝置收拾乾淨整齊。
六、注意事項
1．在實驗的整個過程，要求穩壓水箱始終保持少量溢流。
2．本實驗要求流量從大到小逐漸調整，同時在實驗中針形閥不得逆轉。
3．當實驗進行到過渡段和層流段時，要特別注意針形閥的調節幅度一定要小，使流量及壓差的變化間隔小。
4．實驗點要分配合理，在層流段、紊流段各測5個點，在過渡狀態測6~8個點。
七、問題分析
1．液體流動狀態及其轉變說明了什麼本質問題？
答：說明流體的狀態沒有明顯的界限，由於流速、管徑和物理性質的影響，流體的流動狀態可以相互轉變。
2．為什麼在確定下臨界雷諾數的實驗過程中要求從大流量到小流量慢慢調節，且中間不得逆轉？
答：因為從層流過渡到紊流與從紊流過渡到層流，臨界雷諾數不同，而前者較大，稱為上臨界雷諾數，後者較小，稱為下臨界雷諾數。上臨界雷諾數不穩定，而下臨界雷諾數較穩定，在圓管中一般在2000~2300範圍之間，所以用下臨界雷諾數判定得到的結果比較準確，誤差比較小。
故實驗過程中要求從大流量到小流量慢慢調節，且中間不得逆轉。
3．為什麼將臨界雷諾數作為判斷流態的準數？你的實測值與標準是否接近？
答：因為流體流動阻力產生主要是由於流體本身的慣性和粘性，而慣性力與粘性力的比可用雷諾數表示，實驗證明，紊流狀態下，慣性力佔主要地位，雷諾數較大；層流狀態下，慣性力較弱，粘性力佔主要地位，雷諾數較小，故用雷諾數來判斷流態，能同時反應出流速、管徑和流體物理性質三方面對流態的影響。
我的實測值為2060，而標準值在2000~2320，故實測值與標準值接近。
八、心得體會
通過本次試驗，對液體運動時的沿程水頭損失及斷面平均流速有個更深的認識，並掌握了它們的測量方法。還加深了對雷諾數的理解。實驗過程中，團隊合作是非常重要的，小組內互相配合，齊心協力，相互信任，各司其職，這樣才能即快速又正確的完成實驗。
流動狀態中國石油大學 華東 流體力學實驗報告
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