水力学实验指导讲义及报告.doc

'（一）流体静力学实验一、实验目的要求1、掌握用测压管测量静水中点压强的技能；2、验证不可压缩流体静力学基本方程；3、测某种油的容重。二、实验装置本实验装置如图1.1所示图1.1流体静力学实验仪器装置图1、测压管；2、带标尺的测压管；3、连通管；4、真空测压管；5、u型测压管；6、通气阀；7、加压打气球；8、截止阀；9、油柱；10、水柱；11、减压放水阀。说明1、所有测压管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；2、仪器名牌所注▽B、▽c、▽D、系测点B能够、C、D标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则▽B=ZB；▽B=ZC；▽B=ZD；；3、本仪器中所有阀门旋柄顺轴线为开。三、实验原理1、重力作用线不可压缩流体静力学基本方程z被测点在基准面以上的位置高度；p被测点的静水压强； γ液体的容重；h被测点的液体深度。另对有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面可得油的比重由下列关系：图1.2图1.3据此仪器（不令用尺）直接测得S0四、实验方法与步骤1、搞清仪器组成及其用法1）各阀门的开关；2）加压方法关闭所有阀门，然后用打气球充气；3）减压方法开启底阀11放水；检查仪器是否密封加压后检测测管1、2、5液面高澄是否恒定。若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。2、记录仪器号及各项常数（记入表1.1）。3、量测点静压强（用厘米水柱表示）。1）打开通气阀6（此时p0=0），记录水箱液面标高▽0和测压管2液面标高▽H（此时▽0=▽H）。2）关闭通气阀6季截止阀8，加压使之形成。测记▽0及▽H。(取不同数值，重复实验三次)3）打开放水阀11，使之形成，测记▽0及▽H。(取不同数值，重复实验三次)4、测油的比重1）开启通气阀6，测记▽0；2）关闭通气阀6，打气加压（），微调放气螺母使U型管中水面与油水交界面齐平，测记▽0及▽H。（此过程反复进行三次） 1）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（），使U型管的水面与油面齐平，测记▽0及▽H。（此过程反复进行三次）五、实验成果及要求实验台号实验日期：1、记录有关常数各测点的标尺读数为▽B=▽C=▽D=γW=2、计算表1.1。根据数据表分别求出各次测量时A|、B、C、D、点的压强，并选择一基准验证静水压强基本方程式。3、计算表1.2。求出油的容重。 1.1水静压强测量记录及计算单位：cm实验条件次序水箱液面▽0测压管液面▽H压强水头测压管水头▽H-▽0▽H-▽B▽H-▽C1123（其中一次）123注：表中基准面选在Zc=cm；ZD=cm 表1.2油容重测量记录及计算表格条件次序水箱液面标尺读数▽0测压管液面标尺读数▽Hh1=▽H-▽0h2=▽0-▽H且U型管中水面与油水交界面齐平1==N/cm323且U型管中水面与油面齐平123 六、实验分析与讨论：1、同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？2、当时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。3、若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定。4、如果测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响?5、过C点作一水平面，相对于1、2、5管及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？ （二）不可压缩流体恒定流能量方程实验一、实验目的要求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象的分析讨论，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2.1所示图2.1自循环伯诺里方程实验装置图1、自循环供水器；2、实验台；3、可控硅无级调速器；4、溢流板；5、稳水孔板；6、恒压水箱；7、测压计；8、实验管道测压点；9、测压管；10、滑动测量尺；11、比托管；12、实验流量调节阀。说明本仪器测压管有两种：1、毕托管测压管（表2.1中标有*的测压管），用以定性测读总水头；2、普通测压管（表2.1中未标*者），用以定量测量测压管水头。实验流量用阀13调节，流量由重量时间法量测（以后实验类同）。 三、实验原理根据能量方程四、实验方法与步骤1、熟悉实验设备，区分毕托管与普通测压管并了解其功能；2、打开供水开关，使箱充水至溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平；如不平，检查故障原因并加以排除，直至调平。3、打开阀13，观察思考：1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位置水头、压强水头之间的相互关系；3）测点2、3测管水头是否相同？为什么？4）测点12、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，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（毕托管供演示用，不必测记）。5、改变流量2次(大到小)，重复上述测量。其中一次阀门开度达到使19号测管液面接近标尺零点。五、实验成果及要求实验台号实验日期：1、测记有关常数均匀段D1=cm缩管段D2-=cm扩管段D3=cm水箱液面高程▽0=cm上管道轴线高程=cm表2.1管径记录表测点编号1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管径cm间距4466413.5610291616 2、量测（）并记入表2.2。表2.2测记（）数值表（基准面选在标尺的零点上）测点编号234579101113151719Qcm3/s实验次数1231、计算表2.3流速水头和总水头。2、绘制上述成果中最大流量下的总水头线和测压管水头线。 表2.3能量方程实验计算数值表（1）流速水头管径d(cm)Q1=（cm3/s）Q2=（cm3/s）Q3=（cm3/s）A（cm2）V（cm/s）（cm）A（cm2）V（cm/s）（cm）A（cm2）V（cm/s）（cm）（2）总水头（）测点编号234579101113151719Qcm3/s实验次数123 六、成果分析及讨论1、根据实验分析测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？2、根据本实验研究分析，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、由毕托管测量显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都有差异，分析其原因。 （三）文丘里流量计实验一、实验目的1、测定文丘里流量系数；2、通过实验与量纲分析，了解应用量纲分析与实验结合研究水力学问题的途径，进而掌握文丘里流量计的水力特性。二、实验装置本实验的装置如图3.3所图3.1文丘里流量计实验装置图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、溢流板；6、稳水孔板；7、文丘里实验管段；8、测压计；9、实验流量调节阀。三、实验原理根据能量方程和连续性方程，可得不计阻力时的文氏管过水能力关系式式中为两断面测压管水头差。由于阻力的存在，实际通过的流量Q恒小于Q／,引入一无量纲系数（文丘里流量系数μ） 四、实验方法与步骤1、测记各有关常数。2、打开电源开关，全开尾量调节阀9，排出管道内气体后再全关阀9。3、旋开电位仪上的两排气旋钮至溢水后关闭并旋紧。电测仪调零。4、全开尾量调节阀9待水流稳定后，读取电测仪读数（若有波动取平均值），并用秒表、小桶测定流量，并把测量值记入表格内。5、逐次关小阀门，改变流量7-9次，重复步骤4，注意缓慢调节阀门。6、实验结束全关阀9，观察电测仪是否归零。不归零重新实验。五、实验成果及要求实验台号实验日期：1、有关常数d1=cmd2=cm水箱液面标尺▽0=cm，管轴线高程标尺▽=cm1、记录计算表格3.1。3、绘制Q~△h图。 表3.1文丘里流量系数计算表K=cm2.5/s次数电测仪读数（）水量（cm3）测量时间（t）Q(cm3/s))(cm3/s)123456789六、实验分析与讨论1、本实验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验而言，若因加工精度影响，误将（d2-0.01）cm值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多少？2、为什么计算流量Q＇与理论流量Q不相等？*3、试用量纲分析法阐明文丘里流量计的水力特性。4、文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空值6~7mH2O。工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度是否在允许的范围内。根据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈处最大真空值为多少？ （四）毕托管测速实验一、实验目的要求1、测量管嘴淹没出流点流速及点流速系数，掌握用毕托管测量点流速的技能。2、了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其量测精度，进一步i明确传统流体力学量测一起的作用。二、实验装置本实验装置如图4.1所示图4.1毕托管实验装置图1、自循环供水器；2、实验台；3、可控硅无级调速器；4、水位调节阀；5、恒压水箱；6、管嘴；7、毕托管；8、尾水箱与导轨；9、测压管；10、测压计；11、滑尺；12、上回水管。说明测压计10的测压管1、2用以测量高低水箱的位置水头；测压管3、4用以测量测量毕托管的全压水头和静压水头。水位调节阀4用以改变测点流速。三、实验原理 式中毕托管测点处的点流速；毕托管的校正系数；毕托管的全压水头与静压水头差。联解上两式可得式中毕托管测点处的点流速；测点的流速系数；管嘴的作用水头。四、实验方法和步骤1、准备1）熟悉实验装置各部分名称测压管、作用性能，搞清构造特征、实验原理。2）用医塑管将上下游水箱测点分别与测管1、2相连通；3）将毕托管对准管嘴，距离管嘴2~3cm处，上紧固螺丝。2、开启水泵顺时针打开调速器开关3，将流量调至最大。3、排气待上下游溢流后，用吸气球在测压管口吃抽吸，排出毕托管及连通管中的气体，用静水匣罩住毕托管，检查测压计液面是否齐平，如不平，重新进行排气。4、测记有关实验常数和实验参数，填入实验表格。5、改变流速三次，重复测量。6、完成下述实验项目：1）分别沿垂向及流向改变测点的位置，观察管嘴的淹没射流流速分布。2）在有压管到测量中，管道直径相对毕托管的直径在6~10倍以内时误差在2~5%以上不宜使用。试将毕托管头部深入到管嘴中，加以验证。7、实验结束时，按步骤3检查毕托管的比压计是否齐平。 五、实验成果及要求实验台号实验日期：表4.1记录计算表校正系数=cm0.5/s实验测次上、下游水位计毕托管测压计测点流速cm/s测点流速系数cmcmcmcmcmcm123六、实验分析与讨论1、利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样减验排净与否？2、毕托管的动压水头和管嘴上、下游水位差之间的大小关系怎样？为什么？3、为什么在光、声、电技术高度发展的今天仍用毕投管这一传统的测速仪器？ （五）雷诺实验一、实验目的要求1、观察层流、紊流的流态及转换特征；2、测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则。二、实验装置本实验装置如图5.1所示图5.1自循环雷诺装置实验图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、有色水管6、稳水孔板；7、溢流板；8、实验管道；9、实验流量调节阀。三、实验原理四、实验方法和步骤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，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管道中， 使颜色水流成一条直线。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，使管中出现完全紊流，再逐渐关小调节阀使流量减小。当流量调节到颜色水在管中刚呈现出一条稳定直线时，即下临界状态。2）在该状态稳定后，用重量量测法测定流量；3）根据实测流量计算下临界雷诺数，并于公认值（2320）比较，偏离过大，需重测。4）重新打开调节阀，使之形成紊流，按照上述步骤再重复测量2次。注意：1）测记水箱水温；2）每调节阀门一次需稳定几分钟。3）在关小阀门的过程中，只需渐小，不许开大。4、测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀门，使管中水流由层流过渡到紊流，当颜色水刚开始散开的时候，即为上临界状态，测定一次。五、实验成果及要求实验台号实验日期：1、有关常数管径d=cm水温t=c运动粘滞度cm2/s计算常数K=s/cm32、记录计算表格表5.1实验次序颜色水形态水量(cm3)时间(s)Q(cm3/s)雷诺数Re阀门开度增（↑）或减（↓）备注1完全散开弯曲断线稳定直线下临界2完全散开稳定直线下临界3稳定直线下临界4完全散开上临界实测下临界雷诺数（平均值）六、实验分析与讨论 *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，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数是多少？3、分析层流和紊流在运动性特性上和动力学特性方面有何差异?（六）沿程水头损失实验 一、实验目的要求1、加深了解园管层流和紊流的沿程水头损失随断面平均流速变化的规律；2、掌握管道严惩阻力系数的量测技术和应用气—水压差计及电测仪测量压差的方法；3、将测得的Re~λ关系值与莫迪图对比，分析其合理性，进一步提高实验成果分析能力。二、实验装置本实验的装置如图6.1所示。图6.1沿程水头损失实验装置图1、自循环高压恒定全自动供水器；2、实验台；3、回水管；4、水压差计；5、测压计；6、实验管道；7、电子测压仪；8、、侧滑动测量；9、测压点；10、实验流量调节阀；11、供水管与供水阀；12、旁通管与旁通阀；13、水封器。说明水压差计可用于测量低压差；电测仪进行高压差量测。本实验装置配有：1、自动水泵与稳压器由离心泵、自动压力开关、气—水压力罐是稳压器组成。自动水泵在压力过大时会停止工作。2、旁通管与旁通阀 由于水泵的特性，本实验设有分流装置旁通管及旁通阀用以调节水压及流量，旁通阀是本实验重要的阀门之一。3、为简化排气并防止实验中再进气而设置。使用前检查内部水位是否高于1/2，否则将筒的倒置充水。三、实验原理由达西公式得另由能量方程对水平等直径园管可得四、实验方法与步骤1、实验装置进行排气1）对照装置图和说明搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查水箱水位是否够高及旁通阀12是否已关闭。否则予以补水并关闭旁通阀；记录有关实验常数（工作管内径迹实验管道长看水箱铭牌）。2）接通电源启动水泵，全开供水阀11，全关旁通阀12，打开尾量调节阀10，反复开关尾量调节阀10几次，排出实验管道中的气体。3）关闭尾量调节阀10，将旁通阀半开，旋开电位仪上两排气旋钮，待溢水后再关闭旋紧。然后全开旁通阀，电测仪调零。2、实验量测1）逐次开大尾量调节阀10，每次调节流量时需稳定2~3分钟，流量愈小稳定时间愈长。先记录压差及水温，再测流量，测流时间不小于8~10秒；2）压差在1~3cm时，测量2组数据；而后压差以20cm左右递增量测2组；以40cm左右递增量测2组；以80cm左右递增量测2组，以100cm左右递增测2组，以200cm左右递增测1组。3、实验结束时全关尾量调节阀10，检查电测仪是否归零。否则，需重新实验。五、实验成果及要求 实验台号：实验日期：1、有关常数园管直径d=cm量测段长度cm2、记录及计算表7.13、绘图分析。根据测量结果绘制曲线，并确定指数关系m的大小。在厘米纸上绘制。 表7.1沿程水头损失记录及计算表格常数K=cm5/s2测次体积cm3时间s流量Qcm3/s流速vcm2/s水温oC黏度νcm2/s雷诺数Re测压计读数cm沿程水头损失沿程水头损失系数Re<23201234567891011121314 六、实验分析与讨论1、根据实测m值判别本实验的流区。2、管道的当量粗糙度如何测得？3、本次实验结果与莫迪图吻合与否？是分析其原因。 （七）水面曲线实验一、实验目的要求1、观察棱柱体渠道中非均匀渐变流的十二种水面曲线。2、掌握十二种水面曲线的生成条件及衔接方式。二、实验装置本实验装置如图7.1所示图10.1水面曲线实验装置图1、自循环供水器；2、实验台；3、可控硅无级调速器；4、溢流板；5、稳水孔板；6、变坡水槽；7、闸板；8底坡水准泡；9、变坡轴承；10、长度标尺；11、闸板锁紧轮；12、垂向滑尺；13、带标尺的升降杆；14、升降机构。三、实验原理十二种水面曲线分别产生于五种不同的底坡。因而实验时必须先确定底坡的性质，其中平坡和临界坡最为关键。平坡可依据标尺或水准泡确定。临界坡应满足下列关系： 临界坡确定后，保持流量不变，改变渠槽底坡，调节闸板开度，则可得到不同型式的水面曲线。四、实验方法与步骤1、测记实验设备常数；2、开启水泵，调节调速器使供水流量最大，待稳定后测量过槽流量，测两次去平均值。3、计算临界底坡值。4、操纵升降降机构，至所需高程读数，使槽底坡度，观察槽中临界流（均匀流）时的水面线。然后插入闸板2，观察闸前闸后出现的和型水面曲线，并将曲线绘于记录纸上。5、操纵升降机构，使槽底坡度出现（使底坡尽量陡些），插入闸板2，调节开度，使渠道上呈现、、型水面曲线，并绘于记录纸上。6、操纵升降机构，使槽中分别出现、和，插入闸板1，调节开度，使槽中分别出现相应的水面曲线，并绘于记录纸上。7、实验结束，关闭水泵。注：在以上实验时，为了在一个底坡上同时呈现三种水面曲线，要求缓坡易缓些，陡坡宜陡些。五、实验成果及要求实验台号实验日期：1、记录有关常数B=cmn=L0=cm2、记录及计算1）流量水体积V（cm3）时间t(s)流量Q（cm3/s）2）计算临界底坡（以米，秒为单位）Q（cm3/s）hk(m)Ak(m2)xk(m)Rk(m)ck(m)Bk（m）ik 3、定性绘制本实验槽中水面曲线并注明线型。 六、实验分析与讨论1、判别临界流出了采用的方法外，还有其他什么方法？2、分析计算水面曲线时，急流和缓流的控制断面应如何选择？为什么？3、在进行缓坡或陡坡实验时，为什么在接近临界底坡的情况下，不容易同时出现三种水面线的流动型式？4、请利用本实验装置，独立构思量活动水槽糙率n的实验方案。 （八）堰流实验一、实验目的1、观察不同的有坎、无坎宽顶堰或实用堰的水流现象，以及下游水位变化对堰过流能力的影响。2、掌握测量堰流系数m和淹没系数的实验技能，并测定无侧收缩宽顶堰的m及值。二、实验设备如下图所示图8.1堰流实验装置图1、有机玻璃实验水槽；2、稳水孔板；3、测针；4、实验堰；5、三角量水堰；6、三角堰水位测针；7、多孔尾门；8、尾门升降轮；9、支架；10旁通阀微调阀门；11、旁通管；12、供水管；13、供水流量调节阀门；14、水泵；15、蓄水箱。三、实验原理1、堰流流量公式：自由出流淹没出流2、堰流量系数经验公式：（1）圆角进口宽顶堰（当p1/H≥3时，m=0.36）（2）直角进口宽顶堰（当p1/H≥3时，m=0.32）3、淹没系数值，参考教材。本实验需测记渠宽b，上游渠底高程▽2、堰顶高程▽0、宽顶堰厚度δ 、流量Q、上游水位▽1及下游水位▽3。还应检验是否符合宽顶堰条件2.5≤δ/H≤10。进而按下列各式计算上游堰高P1、行进流速v0、堰上水头H、总水头H0：▽0-▽2其中实验流量Q由三角堰量水槽5测量，三角堰的流量公式为：(cm3/s)(cm)式中：、分别为三角堰堰顶水位（实测）和堰顶高程（实验时为常数）。A、B为率定常数，由设备制成后率定，标明于设备铭牌上。四、实验方法与步骤（以宽顶堰为例）1、把设备个常数给予实验表格中；2、根据实验要求流来能够，调节阀门13和下游尾门开度，使之形成堰下自由出流，同时满足的条件。待水流经稳定后，观察宽顶堰自由出流的流动情况，定性绘出其水面线图。3、用测针测量堰的上下游水位。（在实验过程中不允许旋动测针针头。）4、待三角堰和测针筒中水位完全稳定后（需待5分钟左右），测记测针针筒中的水位5、改变进水阀门的开度，测量4—6个不同流量下的实验参数。6、调节尾门，抬高下游水位，使宽顶堰成淹没出流（满足）。测记流量Q＇及上下游的水位。改变流量重复2次。7、测算淹没系数。方法有二种：1）根据不izhou6测记Q＇与H值。由堰流公式确定，式中m需根据H值由自由出流实验绘制的m~f2(H)曲线确定，也可有经验公式计算得出。（误差不大于2%）2)完成步骤4后，已测得自由出流下的Q值。后调节尾门使之形成淹没出流，此时由于流量没有改变，因淹没出流的影响，上游水位必高出原水位，为便于比较，可减小过水流量，待堰上由水位回复到原自由出流水位，测定此时的流量Q＇，根据堰流计算公式可得。 参照以上方法，改变hs重测2次。五、实验成果及要求实验台号实验日期：1、对堰流流量系数m实测值与经验值进行比较（最大误差不得超过2%）2、对宽顶堰淹没出流的实测淹没系数与经验值进行比较，误差为1.6%。3、完成下列实验报表：（1）记录有关常数渠槽b=cm宽顶堰厚度cm上游堰底高程▽2=cm堰顶高程▽0=cm上游堰高P1=cm三角堰流量公式为cm3/scm其中，三角堰顶高程=cm；A=；B=（2）计算流量系数测记表8.1六、实验分析与讨论1、量测堰上水头H值时，堰上游水位测针读数为何要在堰壁上游（3~4）H附近测读？2、为什么宽顶堰要在的范围内进行测量？3、有哪些因素影响实测流量系数的精度？如果行进流速水头忽略不计，对实验结果会产生多大影响？ 表8.1宽顶堰流量系数测记表堰型三角堰上游水位▽01（cm）实测流量Q（cm3/s）堰上游水位▽1（cm）行进流速V0（cm/s）流速水头V02/2g(cm)堰顶总水头H0（cm）流量系数（m）堰下游水位（cm）下游水位超顶高hs(cm)hs/h0淹没系数σs实测值经验值实测值经验值直角进口圆角进口'