第8章流体力学的实验研究方法

流体力学的三大实验原理流体力学是研究流体运动和流体力学性质的学科，是物理学的一个重要分支。

在流体力学的研究中，实验是一种重要的方法，通过实验可以观察流体的行为，并验证理论模型的有效性。

以下将介绍流体力学的三大实验原理。

第一大实验原理是质量守恒定律，也称为连续性方程。

它表达了在流体中质量的守恒性质，即单位时间内通过某一截面的质量流量保持不变。

具体而言，对于稳定不可压缩流体，该方程可以表示为：∮ρv·dA = 0其中，∮表示对闭合曲面取积分，ρ是流体的密度，v是流体的速度，dA是曲面的面积元素。

该方程说明了流体在运动过程中质量的连续性，即入口处的质量流量等于出口处的质量流量。

通过实验可以验证这一原理，例如使用水流经过一个管道，在入口处和出口处分别测量流体的质量流量，验证质量守恒定律的成立。

第二大实验原理是动量守恒定律，也称为动量方程。

动量守恒定律表达了流体中动量的守恒性质，即单位时间内通过某一截面的动量流量保持不变。

对于稳定不可压缩流体，动量守恒定律可以表示为：∮(ρv⋅v)·dA = -∮pdA + ∮τ·dA + ∮ρg·dV其中，p是流体的压强，τ是流体的切应力，g是重力加速度，dV是体积元素。

该方程说明了流体在运动过程中动量的守恒性，即流体的动量增加或减少必然伴随着外力的作用或者压强的变化。

通过实验可以验证动量守恒定律，例如通过测量流体经过一个管道时的压强变化以及受到的外力，验证动量守恒定律的成立。

第三大实验原理是能量守恒定律，也称为能量方程。

能量守恒定律表达了流体中能量的守恒性质，即单位时间内通过某一截面的能量流量保持不变。

对于稳定不可压缩流体，能量守恒定律可以表示为：∮(ρv⋅v+pg)·dA = ∮(τ⋅v)·dA + ∮q·dA + ∮ρg·h·dA其中，q是流体的热流量，h是流体的高度。

该方程说明了流体在运动过程中能量的守恒性，即流体的能量增加或减少必然伴随着外界对流体的做功或者热量的输入。

物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项引言：流体力学是研究流体的运动规律和力学特性的学科。

在物理学和工程学等领域中，流体力学实验是非常重要的手段之一。

本文将介绍物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项。

一、流体静力学实验方法与注意事项1. 压力测量：在流体静力学实验中，常常需要测量流体的压力。

为此，可采用鞅管法、液柱法或压力传感器等多种方法进行测量。

在进行压力测量时，应注意排除空气泡和外界干扰，并保证测量系统的密封性和稳定性。

2. 测量巨大压力：当需要测量巨大压力时，常常采用高压流体静力学实验仪器。

在进行实验时，需注意选择适当的仪器，确保仪器的耐压性和安全性，以防止事故的发生。

3. 测量液体表面张力：液体表面张力的测量是流体静力学实验的重要内容之一。

测量方法多样，如静水柱、悬挂法等。

在进行测量时，需注意消除外界干扰，控制环境温度和湿度，并对实验仪器进行校正，以提高测量的准确性和可重复性。

二、流体动力学实验方法与注意事项1. 流体流动实验装置：进行流体动力学实验时，通常需设计和搭建适当的流动装置。

在设计装置时，需考虑流体的性质、流动模式和实验目标等因素，以确保实验的可靠性和有效性。

2. 流速测量：在流体动力学实验中，常常需要测量流体的流速。

可采用流量计、涡街流量计或热式流量计等多种方法进行测量。

在进行流速测量时，应注意选择适当的测量方法和仪器，并进行校正，以保证测量的精确性和可靠性。

3. 测量流体粘度：流体粘度的测量是流体动力学实验的一项重要任务。

可采用转子陀螺、滴管法或霍普金森法等多种方法进行测量。

在进行测量时，需注意消除测量装置的摩擦和振动，并对实验结果进行统计分析，以提高测量的准确性和可靠性。

三、流体力学实验的实例与应用1. 空气动力学实验：空气动力学实验是研究空气流动和空气力学特性的实验。

在航空、航天和汽车等领域中，空气动力学实验是非常重要的手段之一。

通过实验，可以获得空气流动的速度场、气压分布等相关数据，为产品设计和性能优化提供依据。

流体力学中的四大研究方法多年前，我看过一篇杨振宁老先生谈学习和研究方法的文章，记忆深刻。

很多人可能都知道，杨老先生大学毕业于西南联大，他总结我们中国学习自然科学的研究方法，主要是“演绎法”，往往直接从牛顿三大定律，热力学定律等基础出发，然后推演出一些结果。

然而，对于这些定律如何产生的研究和了解不多，也就不容易产生有重大意义的原创性成果。

他到美国学习后发现，世界著名物理学大学费米、泰勒等是从实际试验的结果中，运用归纳的原理，采用的是“归纳法”。

这两种方法对杨老先生的研究工作，产生了很大的影响。

除了这两种基本研究方法外，还有很多方法，如量纲分析法、图解法、单一变量研究法、数值模拟法等。

每个学科可能都有一些各自独特的研究方法。

我是流体力学专业出身，就以流体力学为例。

通常，开展流体力学的工作主要有4种研究方法：现场观测法、实验模拟法、理论分析法和数值计算法四个方面。

现场观测法从流体力学的学科历史来看，流体力学始于人们对各种流动现象的观测。

面对奔腾的河流，孔子发出了:“逝者如斯夫,不舍昼夜”的感叹，古希腊哲学家赫拉克利特说“人不能两次踏进同一条河流”。

阿基米德在澡盆中，看到溢出的水，提出了流体静力学的一个重要原理——阿基米德原理。

丹尼尔·伯努利通过观察发现流速与静压关系的伯努利原理。

在流体力学史上还有很多这样的例子，发现自然界的各种流动现象，通过各种仪器进行观察，从而总结出流体运动的规律，再反过来预测流动现象的演变。

但此方法有明显的局限性，最主要的体现在两个方面，一是一些流动现象受特定条件的影响，有时不能完成重复发生；二是成本比较大，需要花费大量的人财物。

实验模拟法为了克服现场观测的缺点，人们制造了多种实验装置和设备，建立了多个专项和综合实验室。

实验基本上能可控、重复流动现象，可以让人们仔细、反复地观测物理现象，直接测量相关物理量，从而揭示流动机理、发现流动规律，建立物理模型和理论，同时还能检验理论的正确性。

流体力学研究方法
1.实验方法：通过实验装备对流体力学问题进行测量、控制和观察，以获得实验数据，进而验证和解决问题。

2.数值模拟方法：利用计算机模拟程序，将流体力学问题变成数学模型，通过迭代求解数值解来分析问题。

3.理论分析方法：基于流体力学学理论和基本方程建立数学模型，通过数学分析方法解决流体力学问题。

4.实时间方法：通过在实际运行流体力学系统中安装传感器和控制系统，进行实时监测和控制，从而获得流体力学问题的最优解决方案。

5.多学科方法：以物理学、数学、化学、计算机科学等多学科综合知识为基础，在解决流体力学问题时采用多学科的理论、技术或方法共同进行研究和解决。

实验一 流体流动阻力的测定一、 实验目的和任务1.了解流体流过管路系统的阻力损失的测定方法；2.测定流体流过圆形直管的阻力，确定摩擦系数λ与流体Re 的关系；3.测定流体流过管件的阻力，局部阻力系数ξ；4.学会压差计和流量计的使用方法；5.识别管路中各个管件、阀门，并了解其作用；二、实验原理流体的流动性，即流体内部质点之间产生相对位移。

真实流体质点的相对运动表现出剪切力，又称内摩擦力，流体的粘性是流动产生阻力的内在原因。

流体与管壁面的摩擦亦产生摩擦阻力，统称为沿程阻力。

此外，流体在管内流动时，还要受到管件、阀门等局部阻碍而增加的流动阻力，称为局部阻力。

因此，研究流体流动阻力的大小是十分重要的。

1．直管摩擦系数λ测定流体在管道内流动时，由于流体粘性作用和涡流的影响产生阻力。

阻力表现为流体的能量损失，其大小与管长、管径、流体流速等有关。

流体流过直管的阻力计算公式，常用以下各种形式表示：(1) 2L h 2f u d λ＝)2( 2g u d L H 2f λ＝ 或 )3( 2L P P P 221f u d ρλ＝－＝－∆式中hf ——以能量损失表示的阻力，J ／kg ；Hf ——以压头损失表示的阻力，m 液柱； △Pf ——以压降表示的阻力，N ／m2 L ——管道长，m d ——管道内径，m ；u ——流体平均流速，m/s ； P ——流体密度，kg ／m3； λ——摩擦系数，无因次；g ——重力加速度，g 一9.81m/s2。

．λ为直管摩擦系数，由于流体流动类型不同，产生阻力的原因也不同。

层流时流体流动主要克服流体粘性作用的内摩擦力。

湍流时除流体的粘性作用外，还包括涡流及管壁粗糙度的影响，因此λ的计算式形式各不相同。

层流时，利用计算直管压降的哈根－泊谡叶公式：)4( d uL 32P P P 221f μ＝－＝－∆和直管阻力计算公式(3)，比较整理得到λ的理论计算式为)5( Re 64du 232＝＝ρμλ⨯由此式可见，λ与管壁粗糙度ε无关，仅为雷诺数的函数。

流体力学的实验研究方法流体力学是研究液体和气体运动规律的学科，是物理学的一个重要分支。

在流体力学的研究中，实验方法是非常重要的手段之一。

本文将介绍几种常用的流体力学实验研究方法。

一、定量实验方法定量实验方法是通过对流体中各种参数的测量来获取数据，并进行定量分析。

最常用的定量实验方法包括流速测量、压力测量、流量测量等。

1. 流速测量流速是流体运动中的一个重要参数，在流体力学研究中具有重要意义。

常见的流速测量方法有浮标法、旋转测速法、超声波测速法等。

浮标法是通过在流体中放置一个浮标，并测量浮标的位移来确定流速。

旋转测速法则是利用测速仪表中的叶片旋转频率与流速成正比的原理进行测量。

超声波测速法则是通过发送超声波并测量其回波时间来计算流速。

2. 压力测量压力是流体力学研究中另一个重要的参数。

常用的压力测量方法有水柱法、压力传感器法、毛细管法等。

水柱法是利用流体的压力传递性质，通过测量流体压力对应的水柱高度来计算压力值。

压力传感器法则是利用压力传感器测量流体压力，通过变换电信号获得压力值。

毛细管法则是利用毛细管压力差与流动速度之间的关系来计算压力值。

3. 流量测量流量是流体力学研究中对流体运动强度的衡量。

常见的流量测量方法有流量计法、测地阀法、热敏电阻法等。

流量计法是通过使用流量计器来测量流体通过的体积或质量，从而得到流量值。

测地阀法则是利用流体通过定型孔等装置时的流动特性来计算流量。

热敏电阻法则是利用流体的传导特性，通过测量电阻值来计算流量值。

二、定性实验方法定性实验方法是通过观察流体现象的形态和规律来进行研究。

定性实验方法主要包括流动可视化、颗粒示踪、涡旋检测等。

1. 流动可视化流动可视化是将流体运动过程通过染色或其他方式使其可见，并观察流体现象。

常用的流动可视化方法有染色法、粒子轨迹法等。

染色法是通过向流体中加入染料，使染料在流动中呈现特殊颜色或变化，从而观察流体的运动情况。

粒子轨迹法则是通过在流体中加入颗粒物，在流动中观察颗粒物的轨迹，从而推测流体的流动方式。

流体力学中的流体流动实验研究导言流体力学是研究流体力学运动规律与特性的学科，其研究范围广泛，包括气体、液体和等离子体在各种条件下的流动行为。

流体流动实验研究是流体力学研究中的重要方法之一，通过实验手段可以获得流体流动的物理量以及流动过程中的细节信息，为理论模型验证、流动控制和工程设计提供基础。

本文将介绍流体流动实验研究的基本原理、常用实验方法和实验设备，并以一些典型的实验研究为例，探讨流体流动实验研究在流体力学领域的应用和意义。

一、流体流动实验研究的基本原理流体流动实验研究的基本原理是通过测量流体流动中的物理量来获得流动规律和特性。

常用的物理量有速度、压力、温度、浓度等，并通过这些物理量来描述流体流动的基本性质和行为。

流体流动实验研究的基本原理可以归纳为以下几点：1.流体力学方程：包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等，这些方程描述了流体流动中物理量的变化规律；2.流体运动参数的测量：包括速度、压力、温度、浓度等物理量的测量，这些参数的测量是流体流动实验研究的重要内容之一；3.流动行为的观察和分析：通过实验手段观察和分析流体流动的特性，比如流动的结构、湍流的发展、流动的分离等。

流体流动实验研究的基本原理为深入理解流体流动的规律和特性提供了重要的科学方法。

二、流体流动实验研究的常用方法流体流动实验研究方法多种多样，根据实验目的和要求选择合适的实验方法是实验研究成功的关键。

以下介绍几种常用的流体流动实验研究方法。

1. 流体流动可视化实验流体流动可视化实验是通过观察流体流动过程中的物理现象和特性来研究流动规律的方法。

常用的流体流动可视化实验方法有：•染料法：在流体中加入染料，观察染料的传输和变化，从而获取流体流动的信息；•粒子追踪法：在流体中加入粒子，通过观察粒子的运动轨迹来了解流体流动的特性；•高速摄影法：利用高速摄影技术记录流体流动中非常短暂的瞬间，如湍流的演化过程等。

流体流动可视化实验方法可以直观地展示流体运动的结构和变化，并对流动行为进行定性和定量的研究。