水力学实验ppt课件.ppt

'水力学实验——水力学教研室 实验2.1验证液体静力学基本方程 一.实验目的1.通过实验加深理解水静力学基本方程的物理意义和几何意义。2.加深理解基本概念；观察静止液体中任意两点的测压管水头。3.测量液体表面压强,且观察真空现象。4.学习测量液体比重 二：实验仪器和设备 三：实验原理及计算公式在重力作用下处于静止状态的液体基本方程为对于有自由表面的液体液体表面压强等于大气压强时称无压。 液体表面压强大于大气压强时称正压。液体表面压强小于大气压强时称负压。式中－单位质量液体相对于基准面所具有的位置水头－单位质量液体所具有的压力水头－液体的容重－液体内任一点的静压强－液体表面的压强－大气压强－液体内任一点到液体表面的距离 四：实验步骤和方法1.熟悉仪器，记下测点的位置高度。2.把调压有机玻璃筒放到适当的位置，开通阀12，调节水箱内的水位与调压有机玻璃筒内的水面齐平，测出并记下相关数据。3.关闭阀12，把调压有机玻璃升高到一定的位置，待稳定后，分别读出并记录相关数据。4.打开阀12，待密闭水箱内的液面稳定后，关闭阀12，然后把调压有机玻璃筒降低到一定的位置，待稳定后，读出并记下相关数据。5.把调压有机玻璃升到合适的位置，打开通气阀，试验结束。清理现场。 实验4.4文丘里流量计实验 一.实验目的1.了解文丘里流量计测流量的原理及其简单构造。2.找出压差和流量的关系，率定文丘里流量计，从而确定文丘里流量计的系数u。 二：试验设备及量测仪器 三：试验原理文丘里流量计是在管道中常用的流量计。包括三个部分。对理想流体，由于端面的变化会产生压差，在Q不同时，压差也步同，其关系如下：其中d0－收缩段前管道直径（cm)d1－喉道直径（cm) 试验中只要测得H即可求得通过的流量。但是在实际液体中，由于粘滞力的存在，水流通过文丘里流量计时有能量损失，故实际通过的Q一般比Q0稍小，因此在实际应用时，上式应予以修正，实际流量与理想流体情况下的流量之比为流量系数，即文丘里流量计的率定，在某种意义上说，就是测定u值。因此实际通过的流量表示为： 四：实验方法与步骤1.记录有关数据。2.检查比压计装置是否水平，如不水平可用底脚螺丝校正。3.检查比压计两液面是否在同一水平面上，如不在同一水平面上则需排气调整。4.打开流量调节阀门，放入最大流量，待流动稳定后，记录比压计的读数，测量流量。5.调节阀门，改变流量（逐渐减小），重复上述步骤5－8次。 五：注意事项1.改变流量时，需要待稳定之后（至少3－5分钟）方可记录数据。2.试验中如果使用的是水银比压计，计算时要换算称水柱高。其关系如下： 实验5.1明渠流速的测量 一：实验目的1.了解毕托管的构造和测速的基本原理。2.掌握毕托管测量点流速的方法。3.测定闸下出流收缩断面处的流速分布。 二:实验设备仪器（1）实验水槽（2）测针（3）毕托管（4）斜比压计（5）可上、下移动的活动支架 三：实验原理水在流动过程中总是遵循机械能转化与守恒定律，但对每一种具体的水流情况，她的三种机械能之间究竟怎么发生转化，这就取决于水流的具体的边界条件。当水流受到迎面物体的阻碍，被迫向周边分流时，在物体表面上受到水流顶冲的A点（如图5－12）所示水流的流速为零，叫做水流的驻点。在驻点处的水流的动能全部转化为压能。图5－12 简单的毕托管就是一根弯称90度的开口的细管。测量某点的流速时，将弯管的一端放在A点，正对来流方向，如图5－12所示。这时由于受水流顶冲，管内的水面上升至H高度。A点为驻点，H包括了A点在未受毕托管阻碍时动水压强水头与该点的动能转化而成的压能，即A点的流速水头，这样如果把A点原来的动水压强水头（）也测出来，则 四：试验方法与步骤1.熟悉设备，记录相关数据。2.按照要求检查系统有无气泡。3.打开进水阀，放水入明槽中，使槽内保持适当的水深。4.把毕托管连同毕托勺仪器放入水中，细心拿开勺，开始量测，待流量稳定后记录斜压差计读数。5.调节毕托管的位置，测出并记录相关数据。6.测量断面的水深，记录量水堰水位读数。7.实验完毕后，将毕托管放入盛水的毕托勺中，检查斜压差计的水面是否在同一水平明上。如果不在，说明测量过程中已进气，应重新排气，重做实验。 五：注意事项1.在测量点流速时毕托管探头应正对水流方向。2.试验过程中，毕托管头部不能露出水面以免进气。 实验3.1水流的能量转换实验 一：实验目的1.水流在管内作恒定流动的情况下，当管道断面改变时，观察动能与势能的变化：2.测定各断面单位质量水体的位置水头（)、压强水头(）和流速水头（），从而加深对伯诺里方程的了解。 二：实验设备主要的实验仪器包括:台秤、秒表、集水箱。 三：试验原理理想不可压缩流体在重力场中沿管作恒定流动时，液体流动遵循伯努力能量方程：（3－5）即单位质量流体的位置势能、压强势能、和动能的总和沿流线为一个常数。式中Z为位置水头；P/r为压强水头；Z+P/r为测压管水头；为流速水头。实际上，流体都具有粘性，水流也不例外，它在流动过程中有能量损失。在这种情况下，对于实际的粘性流体，伯努力方程为： 四：试验步骤1.熟悉试验设备，记录各断面尺寸及测点位置。2.关闭阀门K1，慢慢开启阀门K1，观察各点上的测管水面是否在同一水平面上，否则需要排气调平；3.开启K1，调节流量，稳定后（3－5分钟）记录各测压管读数，并用重叠法测量流量（流量要求测两次，相对误差不超过0.1％）；4.改变K1开度，重复实验步骤3。 五：注意事项1.阀门开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，不要使测压管水面下降太多以免空气倒吸入管路系统，影响试验进行；2.阀门开启后一定要待流量稳定后才能读数；3.流速较大时，测管水面有跳动现象，读数时一律取平均值；4.试验结束时，关闭阀门K1，检查测管水明是否保持齐平，如不齐平，表示有气泡阻塞，使试验结果不正确，要赶走气泡后重做。 实验4.1流动流态实验 一：实验目的1.观察流动的层流型态和紊流型态，观察液体层流时的流速分布，从而对粘性流体的流动获得感性认识。2.通过实验理解判定流动型态的无量纲参数Re（雷诺数）的物理意义，量测下临界雷诺数，并找出不同流态的阻力规律。 二：试验设备及仪器1.水箱；2.一根长玻璃管；3.两根测压管；4.一个量筒；5.秒表；6.有控制阀的染色水瓶。 三：实验原理及实验现象1.流动现象由于水流流态的可视性，在管中装置一着色喷射装置，观察流速变化时，流动的特性。水流流速升高过程中，我们可以依次看见不同的流态，分别如下图（a),(b),(c) 2.计算公式式中Re－雷诺数V－管路中的平均流速d－管路的直径v－运动粘滞系数V－集水量T－集水时间 四：实验方法和步骤1.试验前准备（1）记录已知数据，管径与水温（2.）开启进水阀，关闭流量调节阀，使水箱充满水并保持溢流，3－5分钟后便可稳定。（3）检查测压管水面是否在同一水平面上，不在的话说明系统有气泡存在，排气后方可调平。2.流动型态演示（1）慢慢开启流量调节阀，使通过微小流量，保持水流稳定，然后打开染色水阀，避免任何干扰震动，这时染色水成直线流动，水流作层流运动； （2）轻轻地调大调节阀，逐步增大管内流量，可以观察到：染色线开始波动，呈现断裂卷曲，逐渐形成漩涡，最后极度紊动，色线扩散看不见了，此时管内水流已成紊流流态。（3）在确定管内水流为紊流流态时，进行反调上述过程，即轻轻地逐渐调小调节阀门，可以观察到紊流向层流转变过程，稳定的水色线出现时，水流恢复到层流。3.下临界雷诺数的测定（1）制造紊流流态，稳定后记录相关数据；（2）逐渐调小流量，重复上述步骤（1），要求紊流区7－8点，层流区4点；（3）试验完毕，依次关闭颜色阀门、调节阀门，检查两测压管水面是否齐平。 五：注意事项1.水箱内应始终保持溢流；2.开启阀门要轻且缓；3.调节阀门只允许向一边旋转，不能逆转；4.注意避免任何扰动；5.测流量时要求时间尽量长一些。 实验4.2管流的沿程阻力实验 一：实验目的1.深入了解圆管在流动下的水头损失变化规律，学会整理经验公式的方法；2.学会测定管路沿程阻力系数的方法，并找出它的变化规率。 二：实验设备及测量仪器 三：实验原理及计算公式对于均匀断面的水平管路，沿程水头损失由下式给出：式中 四：试验步骤1.熟悉试验设备，记录有关数据，安装好比压计，检查液面是否齐平；2.打开K1，使流量达到比压计的最大量程，待稳定后记录数据；3.逐渐关闭流量控制阀，使比压计的值等值下降，做15次，每次都是待稳定后读数；4.实验完成后，关闭流量调节阀，检查比压计是否进气，看两测压管内液体是否齐平。若不平需排气后重做实验。 五：注意事项1.试验前应先了解泵房内水塔平水槽是否由溢流；2.由于水流紊动的原因，比压计液面由微小值跳动，当流速较大时尤为显著。这时可读上下跳动范围的平均值，或者由二人同时测读比压计左右两管液面。如果时间允许，可多测几次，取平均值。 实验4.3管路局部阻力实验 一：试验目的1.掌握管路中侧定局部阻力系数的方法；2.把测定的突然扩大局部阻力系数值与理论计算值比较，把转弯处局部阻力系数数值与经验计算值比较。 二：试验设备测量仪器：（1）斜比压计、（2）量水堰、（3）跟踪式水位仪。 三：试验原理及计算公式1.管路中的突然扩大能量损失 2.九十度弯头 四：试验步骤与方法1.熟悉设备仪器，试验流程，记录有关数据；2.检查比压计液面是否齐平，不齐平说明有气泡，需要将气泡排除，直到两侧液面齐平为止；3.慢慢流量调节阀，使流量在比压计的量程范围内为最大，待稳后记录相关数据；4.把斜压计最大读数分成5份，调节流量使比压计读数按0.2最大量程等幅下降，重复5次，每次记下相关数据。5.实验完成后，关闭调节阀，检查比压计两液面是否齐平，若不平，排气后重做实验。 五：注意事项记录比压计的读数时，注意不要把次序搞错，沿水流方向，h1为干扰前的测点，h2为干扰后的测点。 实验5.2水跃实验 一：试验目的1.观察水跃的水流现象，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（或溢流坝泄流）的水跃理论；3.运用动量原理估算水流对闸门（溢流坝）的水平力；运用比能原理估算在水跃区间的水头损失和损失功率。 二：设备和仪器1.带有控制下游水深之尾门装置的矩形固定水槽；2.提供恒定流动并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 三：原理水流任何点的比能Es和动能函数M由下列公式给出：式中 对于闸下出流的水跃现象，应用比能和动能原理，如图5－18所示：在0－1断面上p/r=M0-M1这里P为闸门施加在流体上的单宽作用力。图5－181－2断面发生水跃M1=M2，则共轭水深可用下式计算 式中水跃长度的计算公式（经验公式） 四：试验方法和步骤1.熟悉设备和仪器。固定闸门开度，记录已知数据；2.打开进水阀门放入一定流量，调节下游尾门，使水槽内依次产生三种水跃，记录临界状态下的流量（通过量水堰测定），闸前水深、共轭水深、水跃长度‘3.改变流量4次，重复步骤2；4.试验完毕后关闭进水阀，整理好仪器，清扫实验场地。 实验6.1孔口、管嘴实验 一：实验目的1.观察孔口和管嘴出流情况，找出流量Q与水头H的关系；2.测定薄壁小孔口自由出流流量系数，断面收缩系数和流速系数及局部阻力系数。 二：试验设备及测量仪器1.实验设备示意图如下：2.仪器（1）卡尺（2）测压管（3）水桶一个（4）磅称一台（5）秒表一个孔口出流设备 管嘴出流设备 三：试验原理取通过孔口中心的水平面为基准面，写出1－1和c－c断面的能量方程，考虑到水头损失主要是局部损失，可导出在一定水头作用下孔口（或管嘴）自由出流时，其流量可用下式表示：式中 又式中孔口阻力系数由下式计算： 四：实验方法及步骤1.记录已知固定常数；2.向水箱放入适量的流量。待水位稳定后，读记水箱中水位在测压管中的读数H1及管嘴上的测压管的读数h.3.用外卡尺测收缩断面处的水股断面尺寸（直径a和垂直直径b)断面面积为：4.用重量法测量流量；5.改变流量5－6次重复步骤2－4；6.试验完毕，关闭进水阀，打开排水阀，最后清理现场。 五：注意事项：1.试验前检查泄水闸门，必须关好；2.每次测量时，应保证水位稳定，水位无波动现象；3.量测孔口收缩断面直径时，要仔细，卡尺既不要阻碍水流又不能离开水流。 实验6.2闸孔出流实验 一：实验目的1.观察闸孔出流时的流态。2.掌握测定闸孔出流流量系数的方法，并将实测值与由经验公式计算值进行比较。 二：实验设备和测量仪器需要仪器有：量水堰、测针等。 三：试验原理及计算公式当水流自闸孔出流时，由于液体质点运动的惯性，使出流水股在离闸孔约（2－3）e处，有一收缩断面c－c。如图6－15所示。图6－15设水槽的底坡水平，取槽底水基准面，写出1－1与2－2断面的能量方程式： 由于两断面距离较短，主要是局部损失。因此，自由出流的流量系数可由实验中测得淹没出流的流量系数由下式求得：淹没系数(注意在H0相同时） 四：试验步骤1.记录有关数据；2.打开进水阀，向槽中放入适当的流量。需使水头H大于等于1.54e才能为孔流，并使闸下自由出流；3.待水位稳定后，记录相关数据；4.调节下游水深和流量使上游水深不变且闸下出现淹没状态，记下Q、h;5.改变流量和开度，对自由出流和淹没出流各做2－3次；6.试验完毕后关闭进水闸。并清理现场。 实验6.3宽顶堰溢流实验 一：实验目的1.观察宽顶堰的溢流现象并验证堰流流量关系式；2.掌握测定堰流的流量系数的试验原理和方法。 二：实验设备及仪器所需仪器：量水堰、测针。 三：实验原理和计算公式非淹没堰（自由泻流）：泄流量和堰上水头的关系为同理淹没界限由A.P.别列辛基经验公式确定，即式中 四：实验方法及步骤1.记录有关常数；2.打开进水阀放入槽中适当的流量，使淹没系数和H的比值达到一定的要求，并分别测出水面线；3.调节流量使淹没系数和H的比值在2.5－10的范围内，调节尾门，使宽顶堰自由泄流，用量水堰测量流量，用测针测量上游水面标高。调节尾门使宽顶堰为临界状态，用测针测量下游水面标高。再调节尾门使之为淹没出流，用测针测上、下游水面标高；4.改变流量5－6次，重复上述步骤；5.试验完毕，关闭进水阀，清理现场。 实验6.4实用堰泄流实验 一：实验目的1.观察不同情况下实用堰的水流现象以及下游水位对堰流的影响；2.测定无侧收缩实用堰为自由出流时的流量系数及淹没时的淹没系数。 二：试验设备和仪器图6－17 三：实验原理及计算方法 四：实验方法与步骤1.记录有关常数；2.打开进水阀，放适量的流量，使流动在实用堰的范围内，待稳定后，测量并记录流量、上、下游水位；3.调节尾门观察开始淹没泄流的水流现象，并测记上、下游水位读数；4.调节尾门，改变下游水位使成为淹没出流，待流量稳定后记录上、下游水位；5.改变流量3－4次，重复上述步骤；6.实验完毕，关闭进水闸并清理实验现场 实验5.3水工建筑物下游的底流消能实验 一：试验目的1.通过试验了解底流消能原理及其类型；2.校核消能措施的几何尺寸；3.了解辅助消能工的作用。 二：试验设备及需要仪器实验设备有：实验水槽、溢流坝模型、消力坎、消力墩等。 三：实验原理及其计算公式消能形式分为三种：底流消能、面流消能、挑流消能。本次试验仅仅做底流消能。它主要是通过水跃来实现消能的。一般包括：降低护坦而形成的消力池、消力坎式消力池、总和消力池等。本次只是做前两种。1.消力池的计算过程如下： 2.消力坎计算过程： 四：试验步骤和方法1.记录相关常数；2.打开进水阀放入适量的流量，调节尾门下游水位为某一水位，观察溢流坝下游的水面衔接形式；3.将消力池放入水流中，调整消力坎的高度并前后移动其位置，使池内形成稍许淹没的临界水跃，同时使墙后与下游的水流衔接为临界水跃或淹没水跃；4.待流量稳定后，测流量、上游水深、收缩断面水深、池末水深、消力池高度、消力池长度； 5.将消力墩放入池中水跃首部，重新调节消力池的高度并前后移动其位置，使池中水流产生稍许淹没水跃，并使坎后水流产生临界或淹没水跃。记录相关数据。6.试验完毕后，关闭进水阀，整理仪器并清扫场地。 实验7.2有压（或无压）渗流的电模拟实验 一：实验目的1.试验目的（1）加深理解渗流的水电比拟法实验原理；（2）学会操作使用与本实验有关的仪器；（3）初步掌握水电比拟的试验方法。2.实验要求（1）用实验方法测定平面渗流等势线，并绘制流网；（2—）由流网求渗流速度和渗透流量；（3）对有压渗流，求作用在底板上的渗流总压力；（4）对无压渗流，求出浸润线。 二：实验设备与所用仪器1.渗流模型盘、2.音频震荡器、3.电子管伏特计、4.探头。 三：实验原理与计算公式因为渗流场和电场都可以用拉普拉方程来描述，所以他们对应的物理量之间可以相互比拟。如用电场来模拟渗流场，在模型做成几何形状相似和边界条件相似的情况下，则在电场中测电位分布就可得出渗流区的水头分布，测量出电流量，可得渗透流量等等。透水边界在渗流场中为一等势线，在电拟模型中用一电位保持常数的导电极板模拟。不透水边界可用绝缘体模拟，土坝的逸出段可用绕丝汇流排模拟。 在模拟均质土壤中的渗流时，导体的导电率必须均匀。当土壤的各层之间渗透系数不同时，也可以用电模拟法来模拟其渗流场，这时应用不同导电率的导体组合来模拟，且导体的导电率和各层土壤的渗透系数保持同一比例关系。即以下是各物理量的计算公式： 式中： 式中：（4）若由实测电流求流量，则：式中： 四：试验步骤与方法1.将模型不透水边界线绘制在方格纸上；2.平放模型盘，注入约1厘米厚的电解液；3.按线路连接导线；4.经过老师检查后，接通振荡器和电子伏特表的电源；5.约10分钟后，调电子伏特表的量程道所需的范围，并检查零点是否准确；6.调节震荡器输出微调，使A,B两端电压达到所需的值； 7.将上下游两端电压分成10等份，将测针沿正交流线方向左右移动寻找U/10位置，记录其坐标，将所有U/10电压的点连接起来，就得到一条等势线；8.用同样的方法其他的等势线；9.根据流网原理，已知等势线可以画出流线。 五：注意事项1.本实验的仪器是精密的电光仪器，为保证仪器安全，认真阅读实验指导书，实验时严格遵守操作规程；2.使用电子伏特表时，必须注意表的量程；3.为了计算建筑物底面上的渗透压力，应多测一些靠近底面上的电压分布值，尤其是轮廓线的转折点，一般都要测到；4.在测等势线时，在靠近建筑物处测点分置的密一些。 实验8.1波浪要素测定实验 一：实验目的和要求1.试验目的（1）观察实验槽中各种波浪现象，加深对波浪运动的感性认识；（2）验证浅水推进波的椭圆余摆线理论和立波流量；（3）掌握测量波浪要素的试验方法。2.试验要求（1）观察波动现象以及水质点的运动轨迹，并绘图描述之；（2）测定浅水推进波和立波的波浪要素；（3）根据实验测定的数值，用理论公式计算圆周、波速和超高，并和实测置进行比较。 二：试验原理与计算公式波浪要素是决定波浪形态的主要尺度，其中有：波浪要素的计算公式： 关于浅水推进波：式中H——水深关于浅水立波：当浅水推进波受到直立墙壁阻挡以后，产生大小相等方向相反的反射波，原始推进波与反射波叠加形成立波。关于立波的特点请参考课本，这里不再重复。 四：实验步骤与方法1.步骤：1.1记录有关常数：槽深、水深、静水面标高；1.2开动造波机，使波浪槽中产生推进波，观察波现象，并向水中放入若干示踪球，借以观察水质点的运动轨迹，并绘图描述之。2.方法试验方法包括两类：目测法和电测法。 五：注意事项1.水位传感器再试验后，仍需再次率定一次，看与实验前率定的线形是否一致；2.运用电测法进行试验时，要认真仔细，对电测仪器要在指导老师的许可下进行操作，不要乱动；3.测量波高和超高的有关数据，要在同一断面进行。'