长安大学水力学实验课件.ppt

'水　力　学　实　验 目　录静水压强量测量实验流线演示实验能量方程演示实验雷诺实验管路沿程阻力系数的测定管路局部阻力系数的测定水跃实验明渠水面曲线实验宽顶堰流量系数的测定小桥涵水流形态与出口消能实验 静水压强量测量实验 Z——位置水头，——压强水头，——测压管水头，xzyp0AZ静止液体内各点的测压管水头等于常数。单位位能单位压能单位势能静止液体内各点的单位势能相等。实验原理 实验目的和要求1、通过实验加深对水静力学基本方程物理意义的理解。加深理解位置水头、压强水头及测管水头的概念。2、验证静止液体中，不同点对于同一基准面的测压管水头为常数，即。3、实测静水压强，掌握静水压强的测量方法。4、观察真空现象，加深对真空压强、真空度的理解。 实验仪器 1.在U形管中装入需要量测重度的液体，可以是油或者是其它液体。2.了解仪器组成及其用法，包括加压方法、减压方法。检查仪器是否密封，检查的方法是关闭气门，在调压筒中盛以一定深度的水，将调压筒上升高于密闭圆筒容器，待水面稳定后，看调压筒中的水面是否下降，若下降，表明漏气，应查明原因加以处理。3.记录仪器编号及各测压管编号，选定基准面，记录基准面到各测压点的高度。4.打开密闭圆筒容器上的气门，使箱内液面压强，记录1、2、3、4、5点测压管水面高度。5.关闭气门，升高调压筒，使箱内液面压强，待水面稳定后，观测1、2、3、4、5点测压管水面高度。5.降低调压筒，使箱内液面压强，待水面稳定后，观测1、2、3、4、5点测压管水面高度。6.实验完后将仪器恢复原状。实验步骤 实验数据记录返回 流线演示实验 迹线与流线迹线——是指某液体质点在运动过程中，不同时刻所流经的空间点所连成的线。流线——是指某一瞬时，在流场中绘出的一条光滑曲线，其上所有各点的速度向量都与该曲线相切。流线能反映瞬时的流动方向流线图流线不能相交，不能为折线。实验原理 该仪器以气泡为示踪介质，狭缝流道中设有特定的边界流场，用以显示不同边界条件下的内流，外流，射流元件等多种流动图谱。当工作液体（水）由水泵驱动到流动显示面，通过两边的回水流道流入蓄水箱时，水流中掺入了空气。空气的多少可以由掺气量调节阀调节。掺气后的水流再经水泵驱动到流动显示面时，形成了无数的小气泡随水流流动，在仪器内的日光灯照射和显示面底板的衬托下，小气泡发出明亮的折射光，清楚的显示出各种不同流场水流流动的图像。由于流动显示面设计成多种不同的形状边界，流动图像可以形象地显示出不同边界包括分离、尾流、漩涡等多种流动形态及其水流内部质点运动的特性。整个仪器由7个单元组成，每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，也可以同时使用。 实验目的及要求1.观察演示仪中不同水力现象的发生条件。2.观察流线演示，理解流线与迹线的概念。3.观察演示仪中流线的疏密、曲直变化，了解工程中断面流速分布特点及沿程变化。 实验设备 （1）起动。打开旋钮，关闭掺气阀，在最大流速下使显示面两侧回水流道充满水。（2）掺气量调节。旋转掺气调节阀可改变掺气量，注意有滞后性。调节阀应缓慢调节，使之达到最佳显示效果。掺气量不宜太大，否则会阻断水流或产生震动。注意事项（1）该水泵不能在低速下长时间工作，更不允许在通电情况下（日光灯亮）长时间处于停转状态，只有日光灯熄灭才是真正关机。（2）更换日光灯时，需将后罩侧面螺丝旋下，取下后罩进行更换。（3）操作中还应注意，开机后需停1-2分钟，待流道气体排净后再实验。否则仪器将不再正常工作。实验步骤 本实验无具体实验数据，主要记录实验现象，用文字描述。实验数据记录返回 能量方程演示实验 实际液体恒定总流的能量方程式表明：水流总是从水头大处流向水头小处；或水流总是从单位机械能大处流向单位机械能小处。200112总水头线测压管水头线实际液体总流的总水头线必定是一条逐渐下降的线，而测压管水头线则可能是下降的线也可能是上升的线甚至可能是一条水平线。水力坡度J——单位长度流程上的水头损失测管坡度实验原理 实验目的及要求1．观察恒定流条件下，通过管道水流的位置势能、压强势能和动能的沿程转化规律，加深理解能量方程的物理意义及几何意义。2．考察均匀流、渐变流与急变流在水流特征及断面压强分布规律方面的差别，明确恒定总流能量方程的运用条件。3．学习使用测压管、总压管测水头的实验技能及绘制水头线的方法。 实验设备 1.记录测量管道各变化部位的有关参数，如管径、管长。2.打开水泵和上水阀门，使水流充满稳水箱并保持溢流状态。3.打开实验管道的进水阀门和出水阀门，使水流流过实验管道，待管道出水阀门出流后，关闭出水阀门，排去实验管道和各测压管内的空气，并检验空气是否排完，检验的方法是出水阀门关闭时各测压管水头为一水平线。4.空气排完后，打开管道出水阀门并调节流量，使测压管水头线在适当位置，待水流稳定后，观测各测压管水头线和总水头线，用体积法或重量法测出流量。5.改变流量，重复一次实验。6.实验完后将仪器恢复原状。实验步骤 实验数据记录返回 雷诺实验 雷诺试验——揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。当流速较大，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。层流与紊流的判别（下）临界雷诺数雷诺数或若ReRek，水流为紊流，实验原理 hf雷诺试验lgVlghfO流速由小至大流速由大至小θ1θ2颜色水颜色水颜色水颜色水 实验目的及要求1.观察水流的层流和紊流的运动现象。2.学习测量圆管中雷诺数的方法。3.点绘沿程水头损失与雷诺数的关系，求出下临界雷诺数。4.通过实验分析层流和紊流两种流动型态下沿程水头损失随流速或雷诺数的变化规律。 实验设备 1.记录管道直径。2.打开差压流量测量仪电源，将仪器预热15分钟。3.打开供水泵，打开实验管道的上水调节阀门，使水箱充满水，并保持溢流状态。然后调节尾水阀门，待水流稳定后，打开颜色水阀门，观察颜色水的变化。当颜色水在实验管道中呈一条稳定而明显的流线时，管内即为层流流态。逐渐调节尾水阀门，使流量增大，这时颜色水开始颤动、弯曲、具有波形轮廓，并逐渐扩散，当扩散至全管时，水流紊乱到已看不清着色流线时，这便是紊流流态。4.测定临界雷诺数。第3步骤完成后，关闭颜色水阀门，同时关闭出水调节阀门，打开比压计上的止水夹，将比压计中的空气排出。并检验空气是否排完，检验的方法是管道不过流时比压计上的两根测压管的水面应齐平。5.打开出水阀门，并将出水阀门调至最大，待水流稳定后测量差压和流量。如用传统方法测量，可用量筒和秒表测量流量，用钢板尺测量比压计上两根测压管读数L1和L2，则两根测压管的水面差为L=L1-L2。如用电测方法测量，将导水抽屉拉出开始测量，这时测量仪显示重量、时间和差压的瞬时变化值。6.将导水抽屉推进，本次测量结束，测量仪上显示本次测量的水的净重、测量时间和差压。将本次测量结果记录在相应的表格中。7.打开排水泵，将盛水容器中的水排出。待容器中的水排完或排放停止后即可开始第二次测量。8.逐渐关闭出水阀门，重复第5步至第7步N次,并用温度计测量水温。9.实验结束后将仪器恢复原状。实验步骤 实验数据记录返回 管路沿程阻力系数的测定 hf相对粗糙度或相对光滑度雷诺数Re实验原理 对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为测压管水头差：沿程水头损失也常表达为在实验中测得l和断面平均流速，则可直接得到沿程水头损失系数. 实验目的及要求1.学会测定管道沿程水头损失系数的方法。2.分析圆管恒定流动的水头损失规律，验证在各种情况下沿程水头损失与平均流速的关系以及随雷诺数和相对粗糙度的变化规律。3.根据紊流粗糙区的实验结果，计算实验管壁的粗糙系数n值及管壁当量粗糙值，并与莫迪图比较。 实验设备 1.打开差压流量测量仪电源，按测量键H，将仪器预热15分。打开供水泵，打开实验管道上的调节阀门，使管道充满水。关闭出水调节阀门，打开测压排上的止水夹，将测压管中的空气排出。并检验空气是否排完，检验的方法是管道不过流时两根测压管的水面应齐平。2.打开出水阀门，观察测压管或差压流量测量仪面板显示的压差值为适当数值。3.待水流稳定后测量差压和流量。如用传统方法测量，可用量筒和秒表测量流量，用钢板尺测量两根测压管读数h1和h2，则两根测压管的高度差为=h1-h2。如用电测方法测量，将导水抽屉拉出开始测量，这时测量仪显示重量、时间和差压的瞬时变化值。4.打开排水泵，将盛水容器中的水排出。待容器中的水排完或排放停止后即可开始第二次测量。5.调节出水阀门，重复第6步至第8步N次。6.用温度计测量水温。实验步骤 实验数据记录返回 管路局部阻力系数的测定 实验原理根据能量方程，局部水头损失:这里我们认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1，2-2两断面之间，不再考虑沿程损失。上游断面1-1应取在由于边界的突变，水流结构开始发生变化的渐变流段中，下游2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐变流段的地方。总之，两断面应尽可能接近，又要保证局部水头损失全部产生在两断面之间。经过测量两断面的测管水头差和流经管道的流量，进而推算两断面的速度水头差，就可测得局部水头损失。 实验目的及要求1．观察突扩管旋涡区测管水头线，以及其它各种边界突变情况下的测管水头变化情况，加深对局部水头损失的感性认识。2．掌握测定管道局部水头损失系数的方法，并将突扩管的实测值与理论值比较，将突缩管的实测值与经验值比较。3．学习用测压管测量压强和用体积法测流量的实验技能。 实验仪器 1．对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动抽水机，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。2．检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否处于同一水平面上。如不平，则需排气调平。3．核对设备编号，确认数据记录表上列出的断面管径等数据。4．开启下游阀门，待水流恒定后，观察测管水头的变化，正确选择实验配件前后的量测断面，进行数据的量测，并登录到数据记录表的相应位置。5．改变阀门开度，待水流恒定后，重复上述步骤，并按序登录数据。本实验要求做三个流量。6．检查数据记录表是否有缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，进行补正。7．计算整理实验结果，得出各实验配件局部水头损失系数实测值，并同时列出突扩管局部水头损失系数的理论值和突缩管的经验值。8．对实验结果进行分析讨论。阅读思考问题，作简要回答。实验步骤 实验数据记录返回 水跃实验 实验原理明渠水流由急流过渡到缓流所发生的水面局部跃起现象，称为水跃。工程中常利用水跃作为一种有效的消能方式。矩形断面水渠水跃共轭水深： 闸孔出流和堰顶溢流与下游水流的底流型衔接方式中，水跃发生位置取决于收缩断面水深之共轭水深与下游河渠水深的差异。分为临界水跃式衔接、远驱水跃式衔接、淹没水跃式衔接。临界水跃恰好发生在收缩断面处，但不稳定。远驱水跃发生在收缩断面下游，待水深增加到下游水深的共轭水深时发生。淹没水跃发生在收缩断面前，此时收缩断面已被尾水淹没。 实验目的及要求1．观察水跃现象，了解水跃的结构与基本特征。2．测定矩形平底明槽中自由水跃的共轭水深与水跃长度，并验证水跃的基本方程。3．观察不同弗劳德数时的水跃类型。 实验设备 1．熟悉有关设备及仪器，记录有关常数。2．开启进水阀门引水入槽，调节下游尾门，使水槽内分别产生远驱式水跃、临界水跃及淹没水跃。观察不同水跃现象，并分析研究水跃的结构与特征。3．待水流稳定后，量测临界水跃的共轭水深和及水跃长度，并用进水管上的孔板流量计或文丘里流量计量测水槽流量。4．改变流量4~5次，重复进行试验。通过改变流量，观察不同的水跃类型。5．实验完毕，关闭进水阀门，关泵停水，整理好仪器设备。实验步骤 实验数据记录返回 明渠水面曲线实验 实验原理棱柱形明槽非均匀渐变流水深沿程变化的微分方程式如下：对正底坡（陡坡、缓坡）渠道画出正常水深线N-N和临界水深线　　K-K，将水深范围分成三个区域，对临界坡、平坡、反坡渠道画出临界水深线K-K（临界坡N-N线与C-C线重合，平坡、反坡无N-N线），将水深范围分成两个区域。对各类底坡、各个区域的水深沿程变化率进行分析，即可归纳出12种类型的水面线。 iikKKNNa2b2c2i=ikKKa3c3i=0KKb0c0i<0KKb′c′各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：a、c区为壅水曲线；b区为降水曲线当h→h0时，以N-N线为渐近线；当h→hk时，与K-K线有成垂直的趋势；当h→∞时，以水平线为渐近线 实验目的及要求演示在不同底坡情况下矩形水槽中非均匀渐变流的几种主要水面曲线及其衔接型式。加深对非均匀渐变流水面曲线的感性认识，加深对理论知识与水面线计算方法的理解。 实验设备 开启进水阀门，放水入槽；测定流量Q(为2-3l/s)，并算出临界水深hc及临界底坡ic值。调整上下游升降机构，使水槽坡度i=ic为临界坡，并校核槽内水深应与hc接近，此时槽中应为临界流。放下闸门①，使其开度小于hc，即可出现C1和C3壅水曲线。调整上下游槽底坡度，使i1ic（为陡坡），流量Q不变。此时在水槽上游段下部出现b1型降水曲线，在下游段的上部出现b2降水曲线，二段曲线通过hc相衔接。沿流程用测针量测b型曲线中不同断面的水深hi及各断面的距离Δs，并作详细记录。在同样底坡i1和i2情况下，放下闸门①②③，使其相应的闸门开度分别小于h01和h02.此时在上游槽中可以出现a和c型壅水曲线。沿流程用测针量测M1型壅水曲线段中不同过水断面的水深hi及各断面之间的距离Δs，并作详细记录。调整坡度及闸门高度，可得到其他水面曲线类型。观察并记录。实验步骤 1.根据实测流量计算渠道的临界水深，在流量不变的情况下，按照上述实验方法和步骤演示12种水面曲线。2.用测针测量各种不同工况下不同地方的水深，画出各种水面曲线及衔接情况，判别水面曲线的类型。实验数据记录返回 宽顶堰流量系数的测定 实验原理（一）堰的分类：根据堰墙厚度或顶长d与堰上水头H的比值不同而分成三种：薄壁堰；实用剖面堰；宽顶堰。（二）堰的流量公式　对图中两种堰流情况的1-1与C-C断面写能量方程，可得收缩断面流速表示式为：式中：H为堰上水头，v0为上游行近流速；hc0为收缩断面C-C处水深。　　经过适当假设与简化，得堰流流量公式：式中：b为堰宽（即槽宽），b=20cm，m为堰流的流量系数。 实验目的及要求1.观察实用剖面堰和宽顶堰上的水流现象，并观察下游水位对宽顶堰的淹没溢流影响。2.测定非淹没宽顶堰和实用剖面堰的流速系数f和流量系数m值，并与经验值进行比较。 实验设备 1.记录有关常数，如堰宽b、堰高P、设计水头Hd等，记录测针在堰顶、槽底处的零点读数。2.开启进水节门对测流量用的比压计进行充水和排气泡，使比压计在使用前处于正常状态。实验时使流量由小到大，放水入玻璃水槽；应预先打开下游尾门，以免使水流溢出槽外。对每个流量，待水流稳定后，测量流量计上比压计中的压差值，然后查压差与流量关系曲线得出实验流量Q值。3.调节尾门，使实用堰呈非淹没溢流，仔细观察堰流现象。待水流稳定后，用测针细致量测实用堰上游水面读数，从而计算堰上水头H值，并量测堰趾收缩断面（C-C断面）处水面的测针读数，算出收缩水深hc0值，应多测几次，以取平均值。以上实验应改变流量3－5次，重复进行实验。4.对宽顶堰实验，先使水流为非淹没堰顶溢流，仔细观察宽顶堰顶水流先收缩后增高再跌落的溢流现象。待水流稳定后，用测针量测堰上游水面读数以定出堰上水头H值，并量测宽顶堰顶收缩断面水深hc0值。改变流量5-6次，重复以上实验。选择一个流量，调节下游尾门，使慢慢发生宽顶堰淹没溢流，仔细观察淹没溢流现象，读测上游水位开始壅高时相应下游水面的测针读数，算出下游水位超过堰顶的水深hs值。实验步骤 实验数据记录返回'