水力学实验(下)_给排水与港航

'土木工程基础实验（试用）水力学（下）实验指导讲义、实验报告学院系专业班姓名学号东南大学土木工程实验中心2009年10月 九、孔口管嘴出流实验一、实验目的1、观察各种典型孔口和管嘴出流时的流动现象与圆柱形管嘴的局部真空现象。2、测定薄壁圆孔出流时的断面收缩系数、流速系数、流量系数及局部阻力系数。3、测定圆柱形外管嘴的真空值。二、实验原理取通过孔口中心的水平面为基准面，写出1—1断面，C—C断面的能量方程，考虑到水头损失主要为局部损失，可推导出一定水头作用下孔口（嘴管）自由出流时的流量，可用下式表示：V2gHc0或QA2gHA2gH002v0Hh02g2v0因很小，可忽略不计。2g所以HH0AcQ式中：——断面收缩系数；——流量系数；——流速系数；AA2gH1——局部水头损失系2数。三、实验设备实验设备及部分名称如图11-1。图示是孔口设备图（可更换各种管嘴）。四、实验步骤1、熟悉仪器，记录有关常数。2、启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定，读水头H值。13、放下挡水圆面积板，使水流从孔口（管嘴）流出，用外卡尺测量距孔口d处的（收22缩断面）直径d。断面面积用AAd/4计算。ccc 4、用体积法测量流量。5、改变溢流板高度，重复上述步骤，可测出不同流量下的数据。6、列表计算、、和值。五、注意事项1、实验时必须在水流稳定时方可进行；2、量测收缩断面直径时，要心细，卡尺既不能阻碍水流，也不能与水流脱开；3、爱护实验仪器，更换管嘴时将相应螺孔对准，不得强行挤压，既要保证在实验时不在各接口处漏水，也不能拧得过紧，以免损坏配件；4、实验结束，关闭电源，整理好相关配件。六、思考题1、为什么同样直径与水头条件下，管嘴的流量系数值比孔口大？2、为什么有的射流成柱状且射程较远，而有的则射流破碎成滴？七、实验报告1、实验目的：2、实验要求：3、计算公式：4、实验数据及计算数值：（仪器编号：）1)有关常数：薄壁圆形孔口管径d=cm；圆柱形内管嘴管径d=cm；圆锥形收缩管嘴管径d=cm；圆锥形扩散管嘴管径d=cm；2)量测记录及计算表格：孔（管）孔（管）量水量水收缩断水头压差计读数类测直径面积体积时间面直径型dAHVtdc▽1▽223次(cm)(cm)(cm)(cm)(s)(cm)(cm)(cm)圆形孔口12管圆柱形1嘴2 管圆锥形收缩1嘴2管圆锥形扩散1嘴2记录：日期：3)计算表格收缩断类测收缩流速流量局部水头流量面面压差真空值系数系数系数损失系数积型次vAchQthv实测hv理论312(cm/s)(cm)圆形孔口12管圆柱形1嘴2管圆锥形收缩1嘴2管圆锥形扩散1嘴2十、明渠非均匀流水面曲线演示实验一、实验目的1.通过观察，加深和巩固棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流十二条水面曲线的概念，了解它们的特点，规律及各水面曲线的发生条件与形状。2.观察渠道底坡变化时水面曲线的衔接情况。 二、实验原理在渠道底坡可变的矩形玻璃水槽中，放置某一模拟的水工建筑物或改变成不同底坡时，在受力界条件影响的范围内，都会导致原有水流运动状态的改变而形成非均匀流动。非均匀流既可能是渐变流，也可能是急变流，而恒定非均匀渐变流的问题主要归咎为水面曲线分析和计算，其分析的微分方程为：222dhiKiK1KK00i(1)22ds1Fr1Fr式中K是相应于h的流量模数；K是相应于均匀流水深h的流量模数；F的弗劳德数。00h可见，微分方程（1）中包含了h、h0、hk及i的相互关系。正是由于在不同渠道底坡i下，上述三个水深值的不同组合，而形成了明渠非均匀流水面曲线的各种变化:dhdhdhdh0、0、t及等。dsdsdsds为了便于区分水面曲线沿程变化的情况，一般在水面曲线的分析图上作出两根平行于渠底的直线。其中一根距渠底h0，为正常水深线N—N;而另一根距渠底hk，为临界水深线K—K。这样把渠道水流划分成三个不同的区域。这三个区分别为a区、b区、c区，各区的特点如下：a区大于h0，hk;所有处在：b区的水面曲线，其水深介于h和h之间；0kc区小于h，h0k分别调节五种底坡，可清楚地显示出十二条水面曲线的变化规律，亦可分别对顺坡、平坡及逆坡三种棱柱形渠道中水面曲线变化的情形进行讨论。三、实验设备图1为实验装置简图，实验段主要由两段可以调节各种底坡的有机玻璃水槽组成。坡度的改变由两个升降螺杆控制，流量由首部进水池中的量水堰测定。当在槽中放置各种模拟的水工建筑物并改变底坡时，就可以观察到各种水面曲线。6911011213875432114图1实验装置图1水泵2支架3升降螺杆4导水管5消力池6稳流筒7排水阀8进水阀9整流栅板10置水堰11闸板12测针13尾门14水箱 四、实验步骤1.在有机玻璃水槽上游段的某一适当位置放入一模拟的曲线型实用堰（或其他堰型）。2.开启水泵，打开进水阀，调节成一适当流量，流量用量水堰控制，此时，根据流量算出临界水深hk及临界底坡ik。3.以临界底坡ik为准，通过升降螺杆控制所需的底坡，观察各种型式的水面曲线，测量相关参数。根据经验按下列顺序观察较为方便：（1）将整个底坡调成负坡i<0，观察b’、c’型水面曲线。（2）将整个底坡调成平坡i＝0，观察b0、c0型水面曲线。（3）将整个底坡调成缓坡iik,(底坡调节幅度以曲线比较明显为宜)，观察a2、c2型水面曲线。（6）将实用堰模型取出，并将槽身上游段底坡调成缓坡（iik）,观察b1、b2型水面曲线。五、思考题1.当改变槽中流量，临界水深及临界底坡的数值是否发生变化？槽中水面曲线是否也发生变化？2.当槽中流量不变，槽中水面曲线的变化与什么因素有关？双面坡水槽使用说明本设备由槽头水箱、槽身、水泵、供水箱、水位侧针等部件组成。1.流量测量槽头水箱内设置薄壁三角堰，用以量测通过水槽的流量。计算公式为:2.47Q=0.0154H升/秒式中：H为堰上水头，以厘米计。水槽最后段设有宽顶堰模型，可测定宽顶堰的流量系数m。计算公式为：1.5Q=mb2gH0式中b—槽宽（米）H0—宽顶堰上水头（米）本设备还可直观地演示宽顶堰上复杂的水流现象。2.临界水深临界水深hk的计算公式为：2qhk＝（米）gQ2式中：q为单宽流量[m/s]，b—槽宽（米）。b槽身上的k—k线即为临界水深线，是在一个特定流量下计算出来的。本设备定位81毫米。 3.坡度测量：水槽在中间转折处将槽身分为两段，每段上均装有水准泡。测定前段Ⅰ的坡度时，先将Ⅰ调至水平位置，量测测坡点Ⅰ（一般选择槽壁最高点）至平台的距离1，调至所需坡度后再量测测坡点至平台的距离2则前段的坡度：12i1L1后段Ⅱ的坡度i2的量测方法同前，不再重复。4.水面曲线演示：本设备可演示明渠均匀流动中十二中水面曲线。（1）顺坡（i>0）八种其中缓坡渠道（iik）三种。临界坡渠道（i＝ik）二种。（2）平坡渠道（i=0）二种；（3）选坡渠道（i<0）二种；本设备的特点是前后段可分别变坡，故可演示底坡变化时水面曲线复杂的联接形式。同时可进行水跃和堰流实验。十一、明渠水跃实验　一、实验目的1、观察水跃现象，了解水跃类型及其结构的基本特征。　2、验证矩形平底渠道闸下出流水跃理论。　3、观察不同弗劳德数Fr的水跃类型。　二、实验原理ES(h)水流中任一点的断面单位能量和水跃函数由以下公式给出：　2qEhS22gh2gQ(h)ghACgA式中：h-水流深度；q-单宽流量，QqbQ-总流量；b-渠道的宽度；　hc-断面形心处水深。　对于闸下出流的水跃现象，应用断面单位能量和动量原理。在闸下的收缩断面发生水跃　 (h)(h)12则共轭水深可用下式计算：　h12h1hc3h(18Fr1)(18()1)2122h1式中：hc-临界水深，对于矩形渠道　2qh3cg；　Fr1-断面(1)的弗劳德数，　qFr13gh1。　水跃区的水头损失为　2(hh)21ΔEEE124hh12损失功率为　NgQΔE式中：ΔE-水头损失(m)；3ρ-水的密度(kg/m)；2g-重力加速度(m/s)；3Q-流量(m/s)；N-功率(W)。　水跃长度的计算公式(经验公式)为　9.5(Fr11)h11.7Fr9.0Lj9.0Fr16[8.4(Fr9)76]h110.93L10.8h(Fr1)或　j11L2.5(0.9h)或j2(H.H.巴甫洛夫斯基经验公式)　hh式中：12为水跃高度。　三、实验设备1、带有能控制下游水深尾门装置物的矩形固定水槽；　2、提供恒定流动并可改变流量的供水系统；　3、闸门(或溢流坝)；　 4、测针或水位仪；　5、量水堰；　6、米尺。　四、实验步骤1、熟悉设备及仪器。把闸门固定在一定开度，记录已知数据。　2、打开进水阀门放入水槽一定流量，调节下游尾门，使水槽内依次产生远离式水跃、临界水跃及淹没水跃，记录临界状态下的流量(通过量水堰测定)，闸前水深h0，共轭水深h1、h2，水跃长度Lj。　3、改变流量4次，重复步骤2。　4、实验完毕后关闭进水阀，整理好仪器，清扫实验场地。　五、注意事项1、由于临界水跃现象很不稳定，特别是跃后水面波动较大，量测时应同时确定水跃的跃前、跃后断面的位置，并迅速量测。　2、同一断面上水深会有不同的深度，实测水深时，一般沿水槽中心线测量数次取平均值。六、思考题1、在一定流量下，调节尾门使水跃推前或移后，分析这种变动对水跃长度和水跃高度有何影响。　2、当尾阀一定，改变流量时，跃长和共轭水深如何改变?为什么?　3、试分析远离水跃、临界水跃与淹没水跃，哪种消能率高且冲刷距离短?　十二、堰流实验一、实验目的1．实测自由出流条件下实用堰（或宽顶堰）流量系数m值的大小，点绘流量系数m值和堰上水头H0之间的关系曲线，加深对m值影响因素的理解。2．测定堰流淹没系数，观察堰流从自由出流到淹没出流变化的水流现象。二、实验原理及设备1．原理在明渠中，当设置某一堰型的建筑物后，水流的运动状态发生一有规则变化，根据能量方程导出在无侧收缩自由出流时堰流的基本公式是：3/23/2Qmb2gHmQ/b2gH00式中：Q——流量，可利用上游的薄壁堰来测量。b——堰宽。2V0H0——堰上全水头，H0=H2gH——堰上水头[在距离堰顶（3-4）H处测量]。V0=Q/A=Q/b(H+P1)而得，其中P1为上游堰高。3/2淹没出流状态下堰流公式为Qmb2gH0Qq3/23/2mb2gHm2gH00式中：q——是单宽流量m——为自由出流情况下实测的流量系数，可查H0~m关系曲线得到。 H0——淹没出流情况下的堰上全水头。2．设备：（见下图）堰电源开关水泵与自循环水箱控制阀与测流装置大型自循环明渠流实验水槽三、实验步骤1．熟悉实验设备，测出量水堰堰顶测针读数，实用堰堰宽，堰顶测针读数，上游堰高等有关数据。2．打开进水阀门，放入水槽，并调节尾门，保持自由出流，待水流稳定后分别测量量水堰和实用堰堰前（3-4）H处的水面测针读数。3．从小到大依次改变流量，重复以上步骤，共做3-6次。4．测定最后一次后，调节尾门，改变下游水深，使堰流从自由出流缓缓向淹没出流过hs渡，并注意观察堰上、下游水位变化情况，对宽顶堰，当≥0.8即为淹没出流，对WESH0hs剖面的实用堰，当≥0.15即为淹没出流。H05．当水流变成淹没出流时，读记该状态下堰上游水面针读数和堰下游水面测针读数。6．列表计算，并点绘各种流量下的H0~m关系曲线，分析m值随H0的变化规律。7．在绘好的H0~m关系曲线上，据淹没状态下H0查m值，将淹没状态下的m和H03/2代入式Q/mb2gH中去，计算出来。0注意事项：（1）实测堰流流量系数时应从小到大依次改变测量，每次的改变量不要太大，尽量使每次的改变量大致相同。（2）每改变一次流量，都尽可能观察几分钟，待水流稳定后再测量。（3）实没堰流流量系数时的最小流量，不宜太小，要保持上游量水堰水舌脱离堰板，且保证被测的宽顶堰的/H0>0.67。（4）实验时流量也不宜过大，流量过大，水流容易外溅，且因强烈紊动而引起水面波动，使测针读数不准。（5）实测堰流的淹没系数时，应在大流量的情况下，保持来流固定，改变下游水深而形成淹没。（6）下游尾门在实验时切勿完全关闭，以免引起水流外溢。四、思考题1．为什么量测堰上水头的断面要大致在堰前（3-4）H处？2．据本实验，分析影响堰流流量系数m值大小的因素有哪些？3．当被测的堰流从自由出流转变到淹没出流时，你是从什么地方观察出水流开始发生淹没的？ 十三、有压渗流的水电比拟实验一、实验目的1、根据渗流的水电比拟法的实验原理，掌握仪器设备的连接和使用，并用电拟法绘制有压渗流流网。2、测定平面有压渗流等势线的方法，并据此等势线绘制流网，再由流网确定渗流流量、渗流流速和渗透压力。二、仪器设备装置水电比拟渗流实验设备一套：1、XDⅠ信号发生器2、晶体管毫伏表3、探针4、有机玻璃的水工建筑物基底模型自备厘米方格纸一张（8开以上规格）三、基本原理渗流和电流现象之间存在着数学上的相似性，渗流流场和电场均可用拉普拉斯方程来描述，所以它们对应的物理量及关系式之间有着相似性，可以互相比拟。如果使电流区域与渗流区域的几何相似、边界条件也相似，则我们可以通过测量电流的物理量来比拟渗流的物理量。在电场中测得电位分布即为渗流区中的水头分布，由实测的等电位（等势线）图，再根据等势线与流线的性质绘制流网。渗流和电流各物理量之间的对应关系如下：渗流电流水头H电位V流量Q电流强度I渗流流速u电流密度σ渗流系数κ导电系数λ渗流长度L导线长度L水流过水断面积ω导线横断面积ω达西定律欧姆定律dHdHdVdVu(Q)(I)dLdLdLdL水头H符合拉普拉斯方程电位V符合拉普拉斯方程222222HHHVVV00222222xyzxyzHV不透水边界上0绝缘边界上0nn（n为不透水边界法向）（n为绝缘边界法向）渗流是流体在土壤介质孔隙中的运动。在水利工程中是指水在土壤、碎石或岩石层中的运动，即常说的地下水运动。由于土壤粒径大小、形状和分布极为复杂，详细确定是十分困难，甚至是不可能，为了研究流体在土壤中的运动往往进行一定的假设，为此认为流体在土壤介质中，我们只考虑其主要流向，不考虑它的迂回曲折；同时也不考虑土壤颗粒，认为全部是渗流空间——孔隙和土粒所占的空间之和均为渗流所充满。为此我们才能用水电比拟法进行模拟。 四、实验步骤1、利用水平尺，将实验盘调整为水平，盘中注入清水（或盐水）1～2cm深，盘中各处水深均相等。2、用适当的比例将电拟盘中的水工建筑物轮廓绘于方格纸上。3、按图示联接并检查线路后，将信号发生器输出端两头分别接模型的上下游极板，毫伏表的两头分别接探针及下游极板。在指导教师检查无误后，再接通电源。4、将信号发生器的频率放至1KHz处，将毫伏表的量程转到10V的开档处。5、先将探针与下游极板接触，旋转毫伏表的调零旋钮调至0V处，然后再将探针移至上游与极板接触，旋转信号发生器的输出调节旋钮，使毫伏表的指针指向10V处，重复前述步骤，以上下游电位差稳定在10V的量程上为结束标志。6、开始施测，上游电极即10V等电位线不必测记，将探针在电拟盘内垂直流线方向寻找9V的若干点（约5点以上，从建筑物至盘边均匀分布），并读记这些点坐标，记录并绘于方格纸上，连接这些点的曲线就是9V的等电位线，亦即0.9H的等水头线。7、按⑹的方法，即可画出8V、7V、……1V的等电位线簇，即0.8H、0.7H、……0.1H的等水头线簇。8、按流网的性质描绘流线，构成流网图。五、注意事项1、等势线最好边测边点绘在方格纸上。对每一条等势线测点分布要求合理，在靠近建筑物底板处稍密些，中间点尽量均匀。2、移动指针不要离开液体。3、等势线的形状和分布如有不合理现象时，应检查一下电压是否稳定，上下游电位差是否保持在10V，实验盘是否水平（若不水平，渗流系数则不能视为常数）。4、实验前要预习实验指导书，实验时严格按步骤进行。 六、思考题1、为什么要将实验盘放置水平？2、实验盘的大小对实验结果有无影响？3、盘中的介质改变，流网形状会不会改变？七、实验记录及数据处理1、基底轮廓拐点坐标序次12345678910111213坐标XY2、等电位线点的坐标序号12345678电位差9V8V7V6V5V4V3V2V1V记录日期3、请根据实验数据绘出流网，（自备方格纸，比例自定）根据流网图，已知κ=2.0m/昼夜，上游水深h1=30m，下游水深h2=20m，试计算渗流总压力，渗流下游出口处的流速分布，任意二流线间的渗流单宽流量Δq。十四、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，以观察在不同边界条件下的流线、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、实验设备和仪器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。现以流动演示仪为例加以说明。 图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。整个仪器有不同的单元组成。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、用调节进气量旋钮，调节气泡大小。（二）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楚地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状态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，可图2-1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：即圆珠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。该桥墩为圆珠笔头方尾的绕流体。水流在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运动状态。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层分离而产生明显的漩涡。2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有一小旋涡出现；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。2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。3、在直角转变处，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于水流通道很不畅顺，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，流动演示更清晰。五、思考题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征？对绕流物体有什么影响？'