水力学实验(文华)

'水力学实验莫迺榕编华中科技大学文华学院城建学部2012.6目录1流体静力学实验22局部水头损失实验53文丘里流量计实验154孔口、管嘴实验185雷诺实验21 1流体静力学实验1.1.实验FI的1.观察测点的测压管水头（位置水头与压强水头Z和），加深对静压强公式的理解。2.求未知液体的密度12实验装置图1.1是一种静水压强实验仪。管1和管2的一端与盛水容器联通，另一端通大气。它们的液面应该平齐。如果管1和管2的液面高于容器内的液而，则容器内的密封气体的压强內高于人气压几。管3是容器的连通管，其液面应该与容器液而平齐。容器内的气体压强內可以改变。打开阀门挤压加压打气球，则內升高。加压结束后要注意关闭K?。如果要降低卩（），则打开阀门K?,用吸气球将容器内部的气体抽出。管5、管6是真空管。管7、管8是U形管，内部盛水，并且在管8的水柱水面上灌入油液，油柱高度H可用尺了测量。木实验将要测最汕液的密度其密度为。1.3.实验原理流体静力学的基本方程是P8(1.1)密封水箱的两个测点C和D的位置高低不同，但管1、管2液面高程是相同的，这就是说明静止液体内任意一点的位置水头与压强水头Z和（称为测压管水头）是和同的。盛冇某种未知密度液体的U形管，其液柱高差是由于压差內・“引起的，故有Po-Pa=Pg（Z2-Z3）=p"gH+Qg（Z8-J—H）(1.2)F=(?2-?3)-(28-|]P~H水的密度。是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度式屮的Z2和為可以直接读出,管7和管8没有刻度,Z8・Z7可用尺子测量管7和管8的高差,这样就可求出（z8-z7）o值得注意的是，当管8的油面高于管7的水面吋，（Z8-Z7）为正，当管8的油面低于管7的水面时,（Z8沟）为负。1.4实验步骤1用肯尺测量管8中汕柱的高度。2.关闭阀门K],K3,打开K2,挤压加压打气球，使密封水箱的液面气体压强內逐渐增加，当管1、管2的液面上升至相当的高度时，关闭阀门K2o观察密封水箱的密封效果：加压时，管1、管2的液面也随上升。加压结束后，悖1、管2的液面应停止在某一高程位 置，不再变化。如果密封效果不好，管1、管2的液面将不停地卜•降，这就说明水箱漏气。 应设法处理。2.读取管1、管2和管3的液面高程读数，用尺子测最管8与管7液面高差（民乜7）并填入数据表。注意（Z8・Z7）有正负。3.改变密封气体的压强，重复上面的步骤进行测量。木实验测量4纟R数据，其屮，內*和內v几的情况分别测量2纟R数据。图1.2静水压强实验数据表1.5数据整理及误差分析流体力学实验的数据幣理是件复杂的工作，为此，可编制数据处理系统供实验课使用。图1..2是本室研制的数据处理系统的静水压强实验数据表界面。实验装直屮的未知液体的密度值为827kg/m3o由数据表看出，测量误差很小。1.6思考题1.在什么情况下,管2,3的液面平齐?2.当管2,3的液面平齐时，管7管9的液血是否平齐？为什么？4.观察管7和管8的液林，如果判断汕的密度Q"和水的密度Q哪个较人? 2局部水头损失实验2.1实验冃的测量管流屮突扩管和突缩管的局部水头损失，并确定局部损失系数。2.2实验装置稳压水箱测压管回水管进水管U局部水头损失实验仪U图2.1局部损失实验装置图2.1所示的局部水头损失实验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段，局部损失（截面实扩、截面突缩）管件、6支测压管。稳压水箱设置冇溢流板。当产生溢流时，水面总是稍高于溢流板顶部，水位保持恒定,如果没有发生溢流，则水位就町能不为恒定。实验管道由三个管段组成。各段的管道直径在实验台的标牌上显示。图中的A处，管道截而发生突然扩大，而在B处，截面发生突然缩小。管道突扩处A设有气阀K,用于排除突扩处可能产生并滞留不动的气泡。管道的尾阀用于控制水流量。管道上设置6个测压孔，位置如图所示。这些测孔的压强通过软管传输到测压管，测压管水柱液面高程可用读数板的标尺测量。2.3实验原理对局部损失管件的上、卜•游某断面应用们努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。突扩管:对于测压管1,2所在截面伯努利方程为,则有: (2.1)Z】+丛+^-=+厶+严+%A+hf、2pg2gpg2g22h、H——=Z?2—~+h讥+hfp2g_2g〃"/，2式小，截面1、2的压强水头用水柱高儿和他表示。饰是截面突扩处的局部水头损失。徧2是截面1、2Z间的沿程水头损失。徧2无法直接测量。截面1、2Z间的管长仏是截面2、3Z间的管长①一半，伽2应该等于截面2、3之间的沿程水头损失力皿的一半。而截面2、3Z间的沿程水头损失屁3就等于压差水头，即水柱高度之差，加3=力皿2。由式(2.1)得到截而突然扩大的局部水头损失的计算式：+/1|-h»—0.5(/??—hj(2.2)水柱高度用尺子量测。速度可以川流量除以截面积得到。流量可用两种方法获得。一种是直接读取流量计的显示值，另一种是用体积法测量流量，用量筒接水，接水体积除以接水时间就得到流量。流量不大时，流量计的测量值误差较大，本实验用体积法测量流量。截而突然扩大的局部水头损失：的经验公式为:(2.3)将经验值和实测值和比较，就可以估算测量误差。突缩管：对于截|衍4、5Z间的水流应用伯努利方程:22S資说7+诊说+加％(2.4)截而4、5Z间的沿程水头损失论5等于截面4、B之间的沿程水头损失帰b与截面B、5之间的沿程损失九B5之和。3、4、B、5、6之间的距离由如下关系式:/4b=0.5/34,也=&，因而Z/f4B等于截面3、4Z间的沿程水头损失的一半，几B5等于截面5、6Z间的沿程水头损失,2g+h4~h5—0・5(居—h4)—(h5—h6)(2.5)实缩管的局部损失系数的经验公式为$=0.5(1-△)(2.6)人4比较实测值和经验值，就可以测量误差。测量内容:流量(用体积法居，加，居和屁,共测量5~6组数据。2.4实验步骤1•接通电源丿I；动水泵。2.缓慢打开进水管的阀门，让水徐徐进入水箱，水位慢慢提升。同时打开试验管段的尾阀至最人。水流稳定时，水箱水位应略高于溢流板5mm左右。 2.仔细观察管道的突扩处A,突缩处B,以及测压竹内是否出现气泡，若冇气泡，应设法排除。3.用体积法测量水流量。一人接水另一人计时。注意接水和计时保持同步。4.记录各测压管的读数。由于表而张力作用，测压管的水柱表面呈现弯月形，读数时,眼光平视，读取弯月形液面最低点的高程读数。5.关小尾阀，使流量变小，继续进行测量。调节阀门时，等待1〜2分钟，水流稳定后方可读数。本实验共测量5〜6组数据。图2.2局部损失数据表6.实验结束后，关闭水泵，切断电源。擦干净桌上的渍水。用拖把清理地面积水。保持良好的实验环境。2.5实验数据处理利用数据处理系统计算各种数据。只要将流量，测压管水柱高度填入表格，系统自动算出各种局部损火系数。2.6思考题1.实验过程中，实验管段和测压管是否出现气泡？出现气泡时逆如何处理？2.对于本装置，按经验公式计算出来的局部损失系数是多少？将经验公式的计算值与你的实测值比对，误差多人？你认为误差的原因由哪些？ 3.1实验冃的3文丘里流量计实验测量文丘里流量计的流量系数3.2实验装置稳压水箱测压计尾阀回水管水泵水箱文丘里疣量计实验仪图3.1文丘里流量计实验装置图3.1是木实验仪置，它由水泵、实验管段、测压计组成。流量的测聚采用手工体积法,即将水接入虽筒，用秒表记下接水时间，体积除以时间就得到流虽。现对装置介绍如下：1.供水器由离心泵，进水管，回水管组成。离心式水泵将水经由进水管输入稳压水箱。稳压水箱设有溢流板，其作用是：当水箱内的水发牛溢流时，水位能保持恒定。如果水泵的压强较高，稳压水箱的水而就出现波动，此时应关小进水管上设有的进水阀门，使压强降低,波动消失。2.文丘里流量计和孔板流量计文丘里流量计安装在实验管段上。图3.2是文丘里流量计示意图。文丘里管由收缩段、喉部、扩散段组成，各部分的直径标于实验台的标牌中。图中，测压孔1开设于收缩段上游,测压孔4开设于喉部。1、4的压差用复合压差计测量。 收缩端喉部扩散段文丘里流量计图3.2文丘里流量计文丘里流量计属于节流式流量计。文丘里管的截而积发牛:变化，强制地改变局部地方的管流速度和压强，测量其压差就可以计算管道流虽。文丘里流量计收缩段段的收缩角为20。〜25。，折角处圆滑，尽最接近流线型。喉部是文丘里流量计的断面最小的部位，此处的流线曲率半径相当大，流动可视为缓变流，扩散角一般为5。〜15。。文丘里流量计是测量流量的仪器，在使用之前，要预先测量它的流量系数，称为流量计的标定。3.3实验原理文丘里流量计安装实验管段的中部。对于图3.2所示的测压管1,4所在断面应用努利方程（相应的参数用下标1,4表示），则有心+出=厶+21PS2gpg2g(3.1)利用连续性方程卩/尸卩必4,上式可化为=卩（门一卩4）/。4~1-（d"）4(3.2)压差用复合测压计测量，则有:卩=几一朋（乙一乙0）+朋（乙3-6）+朋忆一®）P-P4=P8^[+z3-z2-z4）2g（力]+力3_力2_力4）~1-（d4/d『(3.3)速度与截血积相乘就得到流量，上血的计算中没有考虑粘性的影响，因此，流量的表达式可修正为2g(h、+h3—h2—h4)1一（心/4）4(3.4)式屮，“称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流最计的流最系数“达0.99以上。标定文丘里流量计的流量系数“的方法是：用体积法测出流量Q,读取测压管的液柱高度。利用式（3.4）确定“的值。3.4实验步骤1.启动水泵，向水箱充水，关闭尾阀。观察各测压管，如果发现有气泡，应设法将其排除。2.合理调节进水阀、尾阀，使流量稳定，测压管的液面高度适屮。记录各测压管的液 柱高度。1.用体积法测量管流的流量。流量要求改变6次。改变流量时，要等待2~3分钟，水流稳定后方可读数。测量内容：流量（体积法），4支测压管的水柱高度：仙，他，念，加。共测量5〜6纽数据。3.5数据表图3.3是数据表的界面。由表中看出，1、5组数据的流量系数偏小。产生谋差的原因，可能是水流尚未稳定就开始读数。高度读数刻度只楮确到mm,用人工判读也产生误差。此外，水柱液而常发生波动，其高度不易确定。图3.3文丘里流量计实验数据表3.6思考题1.“的值可能大于1吗？2.影响“取值的因素有哪些？3.请叙述实验操作过程小出现的技术问题及处理方法。4.请对你的实验结果进行分析。 4孔口、管嘴实验4.1实验冃的测量孔口，管嘴的流量系数。4.2实验装置稳压水箱U□□□□□□□□□□□□□□U回水管水泵水箱孔口、管嘴实验仪图4.1孔口、管嘴流最系数测定实验装置图4.1是孔口、管嘴实验装置图。水箱里有溢流挡板，用以保持水位恒定。从管嘴、孔口射出的水流落到接水槽，流向出水口。水箱侧面开设有孔口和管嘴。图4.2是管嘴、孔口位置图。其屮K2、3为管嘴,4为孔口。水箱的内璧设冇挡板,c=12OO43o1•圆角管嘴2•直角管嘴3锥形管嘴4•孔口用于切换管嘴或扎口。3•锥形管嘴1•圆角管嘴2•直角管嘴^=1.02=1.0$二0・9-0.98^>=0.82^=0.9-0.98牛0.82f=0.05-0.25f=0.5^=0.98-1.0。二0.9-0.96“二0・97.96f=0.09-0.254•孔口^=0.63^0.64^=0.97-0.98//=0.9^0.96^=0.060-0.062图4.2管嘴、孔口布置图图4.3管嘴、孔口结构图管嘴、孔口的结构形状对水头损失有影响。图4.3是3种管嘴和一个孔口的结构图。图 中还列出了射流出口的面积收缩系数、速度系数、流量系数和局部损失系数实验值的变化范围。图4.4电子流量计控制面板224.610cm3/s木实验流虽计测量流量。图4.4是流量计的控制面板。流虽显示值的单位是mils,即lOV/so流量计在使用前必须调零。4.3实验原理图4.5表示孔!_!和管嘴的流动图案。我们先推导孔口的流量公式。设水流从孔口流出，射流的断而C-C的而积最小，该断而称为射流的喉部。喉部截而积4c与孔口而积4之比0称为而积收缩系数，即4=o在喉部附近，流线的曲率半径很人，流动可视为渐变流，对于水箱液ifU"0-0和射流喉部断血C・C应用伯努利方程，则有稳压水箱稳压水箱011孔口出疣管嘴出疣图4.5孔口和管嘴的流动图案2PgPg2g(4.1)(4.2)式(4.2)中的H是孔口的作用水头，即孔口中心与水而的鬲差。0称为速度流量系数，通常,(P=0.97-0.98。由此得到孔口的流量公式Q=&匕=fi4V.=£(pA両i=jlA匹頑(7.3)式中，A是孔口的面积，“(=钟)为孔口的流量系数。测出流量。和水头按上式计算孔口的流量系数“的实验值。管嘴白由出流时，水流虽然也出现收缩，但喉部位于管嘴内部。喉部的流速人，压强小。真空压强有利于管嘴出流。对水箱液血0-0和管嘴出口水流断血1-1应用伯努利方程，则有 ^o+—=^1+—+O—P8pg2g这里，卩是管口的流速。用H管嘴中心与水面的高差。"的计算式可写成v=j"+g』2gH=