水力学实验指导书

'本科教学实验指导书水力学实验易文敏编写李克锋四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室32 前言水力学实验课的基本任务是：观察分析水流现象，验证所学理论，学会和掌握科学实验的方法和操作技能，培养整理实验资料和编写实验报告的能力。在进行实验的过程中，要注意培养自己的动手能力和独立工作的能力。使每个实验者有观察现象，进行操作和组织实验的机会，并能独立进行整理分析实验成果，受到实验技能的基本训练。各项实验分别介绍了每个实验的目的、原理、实验设备、步骤、注意事项，以及可供实验者编写实验报告时参考的表格。要求做好实验后，实验者要独立认真完成一份实验报告，按时交指导教师批阅。为了使实验者能深入地掌握和巩固有关实验内容，每个实验项目的结尾都列有一定数量的思考题，供实验者进一步深入思考，并要求在实验报告中作出书面回答，随实验报告交指导教师审阅批改。32 实验一静水压强一、实验目的：1.实测容器中的静水压强;2.测定X液体的容重；3.通过实验，掌握静水压强的基本方法和了解测压计的应用。二、实验设备：如图所示，1管和2管、3管和4管、5管和6管组成三支U型管，其中5管和6管组成的U型管装X液体，其余U型管装水。1管、3管和5管与大气连通，2管、4管和6管与水箱顶部连通。3管和4管组成的U型管的底部与水箱的A点连通，1管和2管组成的U型管的底部与水箱的B点连通。水箱底部与调压筒连通。三、实验原理：利用调压筒的升降来调节水箱内液体表面压强和液体内各点的压强。1.根据静水压强基本公式：p=p0+ρgh可得pA=ρg水(▽3-▽A)pB=ρg水(▽1-▽B)2.由于2、4、6管与水箱顶部连通，所以2、4、6管液面压强与水箱液面压强相同，于是可得：p0=ρg水(▽1-▽2)=ρg水（▽3-▽4）=ρgX（▽5-▽6）32 ρgX=ρg水或ρgX=ρg水1.若水箱内气体压强p0≠pa,则p1≠p2、p3≠p4、p5≠p6。当p０pa123p0′pa123p0′2000为紊流四、实验步骤：1.熟悉实验指示书。2.接通电源，开启水泵给水箱供水。3.到水箱里的水开始溢流后，轻轻打开尾阀，使管道通过小流量，再打开指示剂开关，使颜色水流入管道。4.反复缓慢增大（或减小）流量，仔细观察层流和紊流现象。5.从大到小（或从小到大）缓慢调整流量，在临界流速时（即流态开始转换时），测定其雷诺数。6.实验完毕后，先关闭指示剂开关，然后关闭水泵，拔掉电源。实验记录表：(仅供参考)管径d=cm水温T=℃测量水箱水平面积A=cm2测次量测水箱时间T(℃)流量Q(cm3/s)流速v(cm/s)雷诺数Re状态初高H1(cm)终高H2(cm)净高△H(cm)体积（cm3）12345678910五、注意事项：1.调整流量时，一定要慢，且要单方向调整（即从大到小或从小到大），不能忽大忽小。2.指示剂开关的开度要适当，不要过大或过小。3.判断临界流速时，一定要准确。4.不要震动水箱、水管，以免干扰水流。5.实验时一定要注意用电安全。六、思考题32 1.为什么调整流量时，一定要慢，且要单方向调整。2.要提高实验精度，应该注意哪些问题？实验七管流沿程阻力实验一、实验目的：1.测定有压管流沿程水头损失及沿程阻力系数λ值。2.绘制lghf——lgv和lgRe——lgλ关系曲线，确定hf=Kvn中的n值。二、实验设备：实验设备如图所示：实验装置由实验桌、供水系统、实验管道、流量量测水箱和回水管组成。其中在实验管道上开有两个测压孔，并安装有测压管，测压孔的距离为L。三、实验原理：列出1、2断面的能量方程：z1++=z2+++hf由于管道直径不变，所以两断面流速水头相等，于是有：32 hf=(z1+)-（z2+）=Δh即1、2两断面间的沿程水头损失等于两断面间的测压管水头差。根据达西公式hf=λ于是λ=hf=Δh式中，λ—管道沿程阻力系数，d—实验管管径，hf——1、2两断面间的沿程水头损失，L——1、2两断面间的距离，v—管中平均流速，g—重力加速度。用体积法测定管道通过的流量Q，由于管径已知，所以求得平均流速v。由此可以计算出沿程阻力系数λ。水流在不同的流区及不同的流态下，其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。在层流状态下，沿程水头损失与断面平均流速成正比；在紊流状态下，沿程水头损失与断面的平均流速的1.75~2次方成正比。四、实验步骤：1.认真阅读实验指示书，熟悉实验目的和要求。2.熟悉实验装置的结构。3.接通电源，开启水泵给水箱供水，打开尾阀。4.等到水开始溢流后，排除测压管中的气体。在关闭尾阀的条件下，检查两根测压管的液位是否在同一平面上，从而判断气体是否排完。5.把尾阀开到最大，这时实验管道通过的流量最大，测压管的液位差最大（即压差最大）。水流稳定后，开始测量流量和压差，并记录。6.减小尾阀的开度，减小实验流量，压差的减小量控制在4cm左右（即压差比上次减小2cm）.水流稳定后，再开始测量水温、流量和压差，并记录。7.重复实验,每次压差下降要均匀，直到流量为0.检查数据无误后,关闭电源,结束实验.数据记录表：(仅供参考)管径d=cm实验段长度L=70cm水温T=℃测量水箱面积S=145cm2测次量测水箱时间t(s)流量Q(cm3/s)流速v(cm/s)测压管λRe初高H1（cm）终高H2(cm)净高(cm)h1(cm)h2(cm)12332 456789101112注：初高H1、终高H2是指测量水箱里的水位。测次123456789101112LoghfLogvLogRelogλ五、注意事项：1.实验操作时，动作一定要轻，不要用力过猛，以免损坏仪器。2.压差下降要均匀，便于绘制曲线，提高实验精度。3.水位波动时，读取时均值。4.整理资料时，一定要注意单位的统一。5.实验时一定要注意用电安全。六、思考题：1.分析最大流量和最小流量的流态及流区。2.为什么调整流量时，压差下降要均匀。3.绘制loghf-logv和logRe-logλ曲线。32 实验八管流局部阻力实验一、实验目的：1.测定圆管突然扩大的局部水头损失，掌握管流局部水头损失的测定方法。2.验证圆管突然扩大、突然缩小局部水头损失的理论公式。3.绘制测压管水头曲线。二、实验设备：32 实验装置由实验桌、供水系统、实验管道、测压管、流量量测水箱和回水系统等组成。其中实验管道由细管到粗管的突然扩大部分、粗管到细管的突然缩小部分和弯道部分组成。三、实验原理：在实际管流中，由于管径的变化或结构局部的突变，使流动结构从新调整，并产生旋涡，使能量产生损失。如管道直径的突然扩大或缩小、急弯、岔口等情况。由能量方程可知，管流突然扩大的局部水头损失即是图中1——1断面到2——2断面的水头损失，hj实=(z1++)-(z2++)式中α1、α2取1，测压管水头(z1+)、(z2+)从测压管中直接读取。流速水头、则根据体积法所测流量Q和管径d1和d2算出流速v1、v2从而得到。管流突然扩大局部水头损失的理论公式：hj理=(1-)2=[1-()2]2ζ理=(1-)2=[1-()2]2由能量方程可知，管道突然缩小的局部水头损失即是图中1——1断面到2——2断面的能量损失hj实=(z1++)-(z2++)式中αα取1，测压管水头(z1+)、(z2+)直接在测压管中读取，流速水头、则根据体积法所测流量Q和管径d1、d2计算出流速v1、v2后，从而得到。经验公式hj=ζ32 ζ=0.5(1-)式中ζ叫做局部水头损失系数。四、实验步骤：1.熟悉实验指示书、实验装置。2.打开尾阀，接通电源，开启水泵，给水箱供水。3.等到水箱开始溢水后，关闭尾阀，排除管道、测压管中的气体，并观察测压管中的水位是否在同一水平面上。4.打开尾阀，使管道通过水流，并调节流量大小，使测压管水位在适当的高度。5.测量各断面的测压管水头，用测量水箱测定流量。6.检查数据无误后，改变流量，再次测量。7.关闭水泵，拔掉电源，结束实验。五、注意事项：1.实验时，一定要安全用电。2.操作时，用力不要过猛，以免损坏仪器。3.计算时，要注意断面的位置。测压管水头数据表：(仅供参考)测次管号123456781管径(cm)测压管水头(cm)管号910111213141516管径测压管水头(cm)管号1718192021222324管径测压管水头(cm)2管号12345678管径测压管水头(cm)管号910111213141516管径32 测压管水头(cm)管号17181920212223管径测压管水头(cm)流量测定数据表：(仅供参考)测次测量水箱水位(cm)时间t(s)流量(cm3/s)平均流量Q(cm3/s)备注初高H1终高H2净高△HQ1Q21测量水箱水平面积A=145cm22管流突然扩大局部水头损失计算表：(仅供参考)细管直径d1=1.4cm粗管直径d2=2.5cm局部阻力系数ζ=测次(cm)(Z+)1(cm)+(Z+)1(cm)(cm)(Z+)2(cm)+(Z+)2(cm)hj理hj实12管流突然缩小局部水头损失计算表：(仅供参考)粗管直径d1=2.5cm细管直径d2=1.4cm局部阻力系数ζ=测次(cm)(Z+)1(cm)+(Z+)1(cm)(cm)(Z+)2(cm)+(Z+)2(cm)hj理hj实32 12六、思考题1.比较管流突然扩大的实测局部水头损失和理论局部水头损失的大小，并分析其原因。2.为什么管流突然扩大的2——2断面要取粗管上测压管水头最高的断面？实验九明渠断面流速分布测定一、实验目的：1.了解比托管的构造和测速原理，掌握用比托管测点流速的方法。2.了解旋浆流速仪的使用方法。3.绘制明渠断面垂线的流速分布曲线图。二、实验设备：实验装置由实验水槽、比托管（或旋浆流速仪）等组成。水槽宽b=60厘米，水槽底坡i=0，水槽前端安装有量水堰，为了调节水深，水槽尾部安装有尾门。32 三、实验原理：1.比托管测流速原理比托管前端和侧面都开有测压孔，分别由两根不相通的细管接入测压管。由于比托管前端对水流的阻挡，使水流到达比托管的前端面时，流速变为零，动能全部转化为压能，故比托管前端测压孔所测水头为该点总水头。比托管侧面测压孔与水流方向垂直，对流速影响很小（忽略不计），所以所测水头为该点测压管水头。根据比托管前端孔所测总水头和侧面孔所测测压管水头，可以算出该点的流速水头，即h1-h2=v=h1比托管前端孔所测总水头(z++)h2比托管侧面孔所测测压管水头(z+)故v=32 在实验中，为了更准确地测定，我们使用可倾斜比压计，如倾斜比压计的倾斜角为α，则在计算流速时，所测压差应乘sinα。由于比托管对水流的干扰和测压孔位置的不同，故需乘上比托管的校正系数µ，一般为0.98——1，因此点流速为v=µ1.旋桨流速仪测流速原理旋桨和水流的相对运动，桨叶受到垂直于旋桨径向的作用力，作用于每只桨叶的力对桨轴的力矩，使桨叶绕轴旋转，流速是旋桨转动速率或转动周期的函数。1)计数法测流速时，流速与脉冲数之间的关系为：v=K+Cv——流速。N——施测时间。K——流速系数，旋桨每转动1/2周水流质点前进的距离。C——旋桨起动流速值。2)周期法测流速时，流速与脉冲周期之间的关系为：v=2K+CT——旋桨每转动一周的时间。四、实验步骤1.认真阅读实验指示书，了解实验目的。2.熟悉比托管（旋桨流速仪）的实际构造和使用方法。3.打开水槽进水阀门，将水槽水深控制在15——20cm左右。4.调平比托管测压排基座。5.用自来水（或真空泵）给比托管排气，气体排完后，在测压管上方放入部分空气。6.将比托管管头放入静水中，检查测压管读数是否相等，如果相等，则说明比托管和连通管中的气体已经排完，用弹簧夹夹好排气管。否则将继续排气。7.将比托管放到要测定的位置上，管头正对水流方向。8.将管头放到槽底，等到测压管水位稳定后读取水位值和比托管高程值。升高比托管高程2cm，再读数，直到水面。五、注意事项1.实验中，比托管管头不能露出水面。2.比托管管头一定要正对水流方向。3.一定要等到测压管液面稳定后才读数。六、思考题1.使用比托管时，为什么要排气？施测过程中，为什么比托管管头不能露出水面？2.测流速时，比托管管头为什么要正对水流方向？3.绘制断面垂线上的流速分布曲线。比托管测流速记录表（仅供参考）测点编号施测点高程▽(cm)比压计读数压差△h(cm)点流速v备注h1(cm)h2(cm)32 比压计倾角α=校正系数μ=槽宽B=实验十水面曲线演示实验一、实验目的：在变坡有机玻璃矩型水槽中，演示棱柱体渠道中非均匀渐变流的主要几种水面曲线及其衔接形式。二、实验设备：32 实验水槽总长米，宽米，由两段组成，中间由转动铰连接。水槽两端安装有电动升降机和坡度指示器。槽中安装有闸门。一、实验原理：在流量、矩形断面、尺寸为一定的明渠中，临界底坡的计算公式：hk=式中hk为临界水深，q为单宽流量。ik==式中Rk、xk、Ck为渠中水深为临界水深时所对应的水力半径、湿周、谢才系数。为了区别各种坡型，则需首先确定临界底坡。在已知流量的情况下，根据试算法或图解法求临界水深hk，然后计算出临界底坡ik。另外可以根据断面平均流速和微波相对速度的大小来判断水流的流态。当vvw时，水流为急流。在水流为均匀流状态下，水流为临界流时，水槽的底坡为临界底坡。水面曲线根据水深划分为三个区，即当实际水深大于正常水深和临界水深时为a区，当实际水深在正常水深和临界水深之间时为b区，当实际水深小于正常水深和临界水深时为c区。根据底坡情况分为五类，即1、2、3、0、〝′〞。由于临界坡度时K——K先与N——N线重合，平坡和反坡时N——N线无限远。所以可归纳为12种类型的水面曲线。32 水面曲线的类型和名称列表如下：水槽底坡情况水面曲线符号a区b区c区i>0iika2b2c2i=ika3c3i=0b0c0i<0b′c′水面曲线类型壅水曲线降水曲线壅水曲线一、实验步骤：1.取掉水槽中的建筑物，接通电源，开启水泵，给水槽供水。2.等到水流稳定后（均匀流），点击水面，观察水波的形态，并反复调整水槽坡度，当微波向上游传播的绝对速度为零时，水流为临界流，水深为临界水深，水槽坡度为临界坡度，并记录。3.放下闸门，插入水中。水流稳定后，观察a3和c3曲线。4.取掉闸门，调整上下游槽底坡度，使上游坡度（为缓坡），下游坡度（为陡坡）。水槽上游段尾端出现型降水曲线，在水槽下游段前端出现b1、b2型降水曲线。32 1.在上下段都安上闸门，使开度都小于实际水深和临界水深，这时会出现a1、a2、c1、c2水面曲线。2.打开闸门，将上段水槽底坡调为0，下段水槽底坡调为逆坡，这时会出现b0、b′型水面曲线。32 1.插入闸门，这时会出现c0、c′型水面曲线。二、注意事项1.实验时，动作要轻，以免损坏有机玻璃水槽。特别在插入和抽出闸门时一定要轻。2.在调节水槽坡度时，升降开关不能从升到降（或降到升），中间一定要暂停。32 实验十一水电比拟法渗流实验一、实验目的：用水电比拟法测定建筑物基础渗流区的等势线（或流线），绘制流网。二、实验设备：实验装置由实验盘、电信号发生器和毫伏表组成。其中实验盘安装有水工建筑物基础模型，在模型的上下游安有铜片，模型和其它边缘由有机玻璃制作。有机玻璃实验盘底部粘贴有坐标纸。三、实验原理：渗流在符合达西定律的条件下，可以用拉普拉斯方程来描述。电流在导体中的流动规律也可以用拉普拉斯方程来描述。因此，渗流与电流之间存在比拟关系，利用这种比拟关系，量测出电场中的物理量来求解渗流场中的水力要素的实验方法叫做水电比拟法。电流与渗流现象的比拟个关系：电流渗流电势：U电流密度：i导电率：σ欧姆定律：i=-σ电势的拉普拉斯方程：++=0测压管水头：H渗流流速：u渗流系数：K达西定律：u=-K水头的拉普拉斯方程：++=032 电流强度：I渗流量：Q从表中可以看出，只要将电流场与渗流场二者保持几何相似，导电性质和渗流性质相似，以及边界条件相似，则在电场中测量的物理量即可得出渗流场中相应的水力要素。在实验盘模型的上、下游铜片上加上电压，模拟水工建筑物上、下游的水位差。四、实验步骤：1.熟悉实验指示书，点清实验用品。2.在坐标纸上，按比例画出实验盘的边界（包括模型的形状及尺寸）。3.给实验盘加水1——2cm左右，并调平实验盘（即水深一样）。4.把模型的上游铜片与电信号发生器的正极连通，下游铜片与电信号发生器的负极连通。毫伏表的负极（黑夹子）与下游铜片连通。5.等老师检查无误后，接通电源，并将电信号发生器的输出电压调到10V。6.利用毫伏表的探针测出等势线（要求每隔1V测一条等势线，每条线上不少于5个点）。7.测完8条等势线后，利用等势线与流线之间正交原理，绘制出流网。8.实验完后，拆掉连线，倒掉实验盘中的水，清理实验用品。坐标表：点号1234567电压xyxyxyxyxyxyxy1v2v3v4v5v6v7v8v9v五、注意事项：1.测试过程中，不能调整电信号发生器的输出电压。2.测点要均匀。3.测点要一边记录，一边绘在坐标纸上。六、思考题：1.为什么要调平实验盘？2.试过程中，探针为什么要垂直于水面？32'