土木水力学实验指导

'实验一自循环流动演示仪一、实验目的1、显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、舉面冲击、冇•角弯道等平面上的流动图像。2、显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管咀流量计以及壁面冲击、圆弧形弯道筹串联流道纵剖血上的流动图像。3、显示30°弯头、直和闘弧弯头、直角弯头、45。弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。4、显示30°弯头、分流、合流、45。弯头，YF-溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。其中YF—溢流阀固定，为全开状态，蝶阀活动可调。5、显示明渠逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。6、显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正反流线体绕流等流段上的流动图谱。二、实验原理1、在逐渐扩散段可看到rh边界层分离血形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，涡旋尺度越小，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，无分离，流线均匀收缩，亦无旋涡，由此可知，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。在突然扩大段出现较大的旋涡区，而突然收缩只在死角处和收缩断面的进口附近出现较小的旋涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部水头损失（缩扩的直径比大于0.7时例外），而H突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。由丁本仪器突缩段较短，故其流谱亦可视为直角进口管咀的流动图像。在管咀进口附近，流线明显收缩，并有旋涡产生，致使有效过流断面减小，流速增人。从而在收缩断面出现真空。在直如弯道和壁而冲击段，也有多处旋涡区出现。尤其在弯道流中，流线弯曲更剧，越靠近弯道内侧，流速越小。H近内壁处，岀现明显的冋流，所形成的回流范围较人，将此与ZI.—2型中圆角转弯流动对比，直角弯道旋涡人，回流更加明显。2、文丘甲.流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和旋涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的孔口处，只在拐角处有小旋涡出现，孔板厉的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。山此可知，孔板流量计的过流阻力较大；圆弧进口管嘴流量计入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和旋涡产牛：在圆形弯道段，边界层分离的现象及分离点明显可见，与直角弯道比较，流线较顺畅，旋涡发生区域较小。3、在每一转弯的后面，都因边界层分离而产生旋涡。转弯角度不同，旋涡大小、形状各并。在圆弧转弯段，流线钱顺畅，该串联管道上，述显示局部水头损失叠加彩响的图谱。在非自山射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。 在此流段上还可看到射流的“附壁效应”现彖。4、在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的旋涡出现。合流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称Z为“水塞”现彖。为避免“水塞”，给排水技术要求合流时用45。三通连接。闸阀半开，尾部旋涡区较大，水头损失也大。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大＞1•易引起振动。蝶阀通常检修川,故只允许全开或全关。5、单圆柱绕流时的边界层分离状况，分离点位置、卡门涡街的产牛与发展过程以及多恻柱绕流时的流体混合、扩散、组合旋涡等流谱。（1）边界层分离将引起较人的能量损失。（2）卡门涡街圆柱的轴与來流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产牛边界层分离后，不断交替在两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游，形成冯•卡fl（VonKarman）“涡街”。多圆柱绕流，被广泛用于热工中的传热系统的。“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等，流体流经圆柱时，边界层内的流体和柱体发牛热交换，柱体后的旋涡则起混掺作用，然后流经下一柱体，再交换再混掺。换热效果较佳。6、流线形柱体绕流，这是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。乂从正、反流线体的对比流动可见，当流线体倒置时，也现出卡门涡街。因此，为使过流平稳，应采用顺流而放的圆头尖尾形柱体。7、经喷嘴喷射出的射流（大信号）可附于任一侧面，若先附于左壁，射流经左通道后，向右岀口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道为圆盘气孔相通时（通大气），因射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时若再转动控制圆盘,切断气流，射流稳定于原通道不变。如要使射流再切换冋来，只要再转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。三、实验仪器三显示面过流道示意 四、实验步骤1、起动打开旋钮，关闭掺气阀，在最大流速下便显不冋网侧下水道充满水。2、掺气量调节旋动调节阀5,可改变掺气量（ZL-7型除外）。注意有滞后性，调节应缓慢，逐次进行，使之达到最佳显示效果。掺气暈不宜太人，否则会阻断水流或产生振动（仪器产生剧烈噪声）。五.实验现象分析与讨论1、旋涡的人小和紊动强度与流速有何关系？2、突扩段比突缩段的局部水头损失大小比较？3、合流涡旋较为典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称Z为""水塞”现彖。为避免“水塞”应采取什么措施？4、流线形柱体绕流，这是绕流体的最好形式，流动顺畅，形体阻力最小。又从正、反流线体的对比流动比较，为使过流平稳，应采用哪种流线体？ 实验三不可压缩流体恒定流能量方程（伯努利方程）实验一、实验目的1.验证流体恒定总流的能量方程；2.通过对动水力学诸多水力现彖的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性；3.掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。二、实验装置本实验的装置如图1・1所示。图1・1自循环伯努利方程实验装置图1.口循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速粘；4.溢流板；5.稳水孔板;6.恒压水箱；7.测压计；8.滑动测量尺；9.测压管；10.实验管道；11.测压点；12.毕托管；13.实验流量调节阀。说明：木仪器测压管有两种：1•毕托管测压管（表1T中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头22H，（=Z+£+L），须注意一般情况下与断面总水头HCZ+左+仝），不同（因一般“工72gYv）,它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；2.普通测压管（表1-1未标*者），用以定量量测测压管水头。 实验流量川阀13调节，流量由体积时间法（塑筒、秒表另备）、重量时间法（电子称另备）或电测法测量（以下实验类同）。三、实验原理在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断而。可以列出进口断而⑴至另一断而⑴的能量方程式（归2,3,……,n）»P，tz.v.2-p；ay：,Z+—+--=Z,+厶+亠-+〃W].72g"y2gI取如二d2二・・・dn=l，选好基准而，从己设置的各断而的测压管中读出Z+f值，测出通2过管路的流量，即可计算出断面平均流速1（及竺，从而即可得到各断而测管水头和总水头。2g四、实验步骤1.熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。2.打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。3.打开阀13,观察思考1）测床管水头线和总水头线的变化趋势：2）位置水头、压强水头Z间的相互关系；3）测点⑵、（3）测管水头同否?为什么?4）测点（⑵、（13）测管水头是否不同?为什么？5）当流量增加或减少时测管水头如何变化？4.调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液而读数，同时测记实验流量（毕托管供演示用，不必测记读数）。5.改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液曲接近标尺零点。五、实验数据记录及处理1・记录有关常数实验装置台号No. 均匀cm络借段6二cmFt®Dy=、水OSS程2cm上管Vf=表1・1管径记录表表[・23456・78・9101112・1314*1516*1718・1958cm禹点同11山4466413.5610291616注:⑴.M点6、7所任杠内艮为6•妙(617为几余均为Dp(2)・标“••者为华托例点儀点编号见恥.2)。(3).M点23为直tf均匀勰同-斷面上的两个册点J(M1为弯样均匀解冏-你上的龄测乩2.量测Z+左，并记人表1・2。Y测点编号234579101113151719Qcm"/s实脸次序123表1・2测记(Z+子Jftt值赛(英准面选在标尺的■点上)单位：C7W 2.计算流速水头和总水头。(1)流速水头表1・3(1)流速水头表管径d(cm)Q=(cm3/s)Q=(cm3/s)Q=(cin3/s)A(cm2)V(cm/s)V2/2g(cm)A(cm2)V(cm/s)V2/2g(cm)A(cm2)V(cm/s)V2/2g(cm)1.371.002.00(2)总水头表1・3(2)总水头表测点编号23457913151719Q(cm"/s)实验次数1234.绘制上述成果中最人流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P(轴向尺寸参见图2-2,总水头线和测压管水头线可以绘在图2-2±)o提示:1.P-P线依表卜2资料绘制,其中测点10、11>13资料不用;2.E-E线依1-3(2)资料绘制，其中测点1()、11资料不用:图2六、思考题及讨论 1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？2.流量增加，测压管水头线有何变化?为什么？3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？4•试问避免喉管（测点7）处形成贞空有哪儿种技术措施?分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。5.毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。实验四雷诺实验一、实验目的1.观察层流、紊流的流态及其转换特征；2.测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则；3.学习古典流体力学中应川无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。本实验的装置如图2-1所示. 图2T自循环雷诺实验装置图1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.有色水水管;1.稳水孔板；7.溢流板；8«实验管道；9.实验流量调节阀。供水流量市无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口而水体稳定度。木恒圧水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3—5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8,可据有色水散开与否判别流态。为防止白循环水污染，有色指示水采用口行消色的专用色水。三、实验原理Re=-=-^-=KQ;K=^—V7vdv7rclv四、实验步骤1•测记本实验的有关常数。2.观察两种流态。打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9,并注入颜色水丁•实验管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。3.测定下临界雷诺数。(1)将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流杲减小。当流竄调节到使颜色水在全管呈现出一稳定直线时，即为下临界状态； (1)待管中出现临界状态时，用体积法或电测法测定流暈；(2)根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大，需車测：(3)重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；(4)同时川水箱屮的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。注意：每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；b、关小阀门过程屮，只许渐小，不许开大；c、随出水流量减小，应适当调小开关(右旋)，以减小溢流量引发的扰动。4•测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1〜2次。 五.实验数据记录及处理1.记录.计算有关常数:管径d=水温/=°C运动黏丿旻V=0.017751+0.0337/+0.000221/"实验装置台号cm2/s计算常数K=2.整理记录计算表实验号颜色水线形态水体积V（cm3）时间r（s）流量Q(cm3/s)雷诺数Re阀门开度增（t）或减（1）备注实测F临界雷诺数（平均值）Re=注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲.育线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。六、思考题与讨论1.流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？2.为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雳诺数作为层流与紊流的判据?实测下临界宙诺数为多少？3.雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320,而忖前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000,原因何在？4.试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？5.分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方而各有何差异？'