土木水力学实验指导书

《流体力学》实验指导书流体力学实验室编适用专业：土木青岛理工大学环境与市政工程学院2015年04月目　　　录21\n目录…………………………………………………………i实验一　　静水压强实验……………………………………1实验二　　能量方程演示实验………………………………3实验三　　文丘里流量计……………………………………4实验四　　动量方程演示实验………………………………11实验五　　水流流态实验……………………………………12实验六　　沿程阻力水头损失实验…………………………14实验七　　局部水头损失实验………………………………18实验八旋涡演示实验……………………………………24实验九水跃演示实验……………………………………25实验十流谱与流线演示实验……………………………25实验一静水压强实验一、实验目的：21\n１、测定静止液体内任意一点的静水压强２、在重力作用下静止液体中任何一点的势能都相等３、测定酒精的重度值二、实验原理：1、根据水静力学基本方程：P=P0+h式中：P—液体中任意一点的压强，（Pa）；P0—表面压强，（Pa）；—液体的重度，（9800N/m3）；　　　　　h—对应计算的液体淹没深度，（cm）。2、势能公式：式中：Z—位置水头；—压强水头。三、实验装置：　　如图图一①放气阀；②密闭容器；③直尺；④针管；⑤阀门四、实验步骤：21\n１．读取A、B两点的刻度２．打开容器上的阀门①。容器内表面压强P0=Pa，各测压管液面齐平３．关闭阀门①，打开阀门⑤，用针管向容器②内输水，此时P0﹥Pa，关闭阀门⑤，读各测压管液面标高▽１，▽２，……▽７　记入表中，P0﹥Pa做三次４．打开阀门①使容器内表面压强P0=Pa，检查各测压管液面是否齐平，否则重新排气５．关闭①打开⑤，用针管抽出容器内的水，容器表面压强P0﹤Pa，改变容器中的水位重复三次，每次将各测压管液面位置读数记入表中。五、注意事项１．读取测压管水位时，视线必须和液面同在一个水平面上，避免产生误差。２．用针管向容器内注水或抽水时要缓慢进行，以免损坏针管。３．如发现各测压管水位不断改变，说明容器或测压管有漏气，需要修理。六、记录表格和计算参考表（以厘米计）　　　　　▽A=▽B=实验次数测压管、U型管水位标尺读数▽1▽2▽3▽4▽5▽6▽7P0﹥Pa123P0﹤Pa456计算参考表计算项目P0（相对）N/m2P0（绝对）N/m2PA（相对）N/m2PA（绝对）N/m2PB（相对）N/m2PB（绝对）N/m2酒精容重计算公式计算结果P0﹥Pa１２３P0﹤Pa４５６21\n思考题：１．试从实验数据中证明２．实验数据中▽3－▽２；▽3－▽１；▽５－▽４这三者是否相等？是否合理？为什么？３．▽1▽2▽3……▽７这几根玻璃管中哪根的水位与容器中水位相同？为什么？实验二能量方程演示实验一、实验目的：通过实验观察水流势能和动能。水头损失沿程变化情况。从而验证能量方程式及能量转化的规律。二、实验原理：由能量守恒及转化规律，在稳定流、缓变流的条件下对任意过水断面写能量方程：式中：Z—位置水头；—压强水头；—流速水头；—任意两断面间的水头损失。三、实验装置：21\n　图二①变断面管道　②测压牌　③测压管　④水箱　⑤阀门　⑥进水管　⑦溢流管一、实验步骤：１．关闭出水阀，打开进水阀门，检查水在静止时所有测压管液面是否齐平，如液面齐平，表示空气排净，否则重新排气。２．打开出水阀⑤，观察各测压管和测速管液面沿水流方向的变化情况。二、注意事项：１．阀门⑤必须缓慢开启，并注意测压管水位变化情况，不许测压管水位过分下降，以致空气倒吸入仪器而需要重新排气。２．观察各测压管水头线和总水头线沿程变化情况。三、思考题：１．各测压管中哪一根管子的水面下降最大？为什么？２．增大流量各管的水位是怎么变化的？实验三　文丘里流量计一、实验目的：１．率定文丘里流量计的流量系数２．验证能量方程的正确性二、实验原理：1、理论流量文丘里流量计入口为I—I断面、喉部（收缩处）为II—II断面，由于流量计水平放置，列两断面能量方程（如下图）21\n由连续性方程　　　令解（１）（２）两式可得计算流量公式如下：式中：断面间不考虑水头损失通过的流量；　=0.00796775(m2.5/s)其中：Q理论-----文丘里管所测流量,（m3/s）。d1-----进水管直径DN50,（m）。d2-----文丘里水管直径DN25,（m）。g-----重力加速度9.8（m/s2）。2、实际流量其中：Q实际-----三角堰(60º)所测流量,（L/s）。α1-----三角堰流量系数0.009。H-----三角堰水深,（厘米，cm）。因为实际上所取两断面间存在着水头损失，所以实际流量略小于流量系数，小于１。三、实验装置：21\n图三①进水阀　②文丘里管　③出水阀　④放气阀　⑤U型水银差压计⑥测针　⑦三角堰堰箱四、实验步骤：１．打开进水阀，关闭出水阀，检查水银液面是否齐平，否则重新排气。２．打开出水阀，用测针读数三角堰水面水位▽，计算H=▽-▽0(▽0为堰顶高程)，再由H—Q曲线查出或用流量公式计算。１．从水银差压计读取h1,h2２．逐渐开大（或关小）阀门，重复５次五、注意事项：１.实验结束，关闭出水阀看水银差压计液面是否齐平，否则重新排气。2.每次调节出水阀时应缓慢，避免水银进入管道。　　　　3.读水银差压计h1,h2，水银液面跳动，应取时均值，两管同时读。　　　　4.查H-Q曲线与相应堰箱号数对应。六、记录表格和计算表格１.记录表格=mm次数水银差压计读数（厘米）测针读数(厘米)实测流量（升／秒）　　h1h2▽h=h1-h2１２３４５21\n２.计算表格次数K=K实测流量流量系数米2.5/秒米.0。5米3/秒米3/秒１２３４５四、思考题：１．I-I断面和II-II断面哪个压强大？为什么？２．实验所得是否与同时增减？是否合理？为什么？１．实验求得的值是否小于１？是否合理？为什么？21\n实验四动量方程演示实验一、实验目的：通过射流对平板所施加作用力及水箱的反作用力的测定，验证恒定流动量方程。二、实验装置：图七1.阀门2.喷嘴3.转动轴承4.挡板5.平衡阀门6.水箱一、实验原理：取喷嘴出口断面１－１，射流表面，以及沿平板出流的截面２－２为控制面，对X轴列动量方程：式中：Rx—平板对水流的作用力，其反作用力即为水流对平板的作用力，二者大小相等，方向相反　　　　—喷嘴出口平均流速在x轴的投影　　　　—２－２控制面平均流速在x轴的投影，　　　　求得Rx，对转轴取矩，得计算力矩M式中：L1—水流冲击点至转轴的距离　　　d—喷嘴的内径—喷嘴出口的平均速度21\n添加砝码得到实测力矩M0式中：G—砝码重量　　　L２—砝码作用点到转轴的距离二、实验步骤：１．在拉链端部加一50克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持原始铅垂位置，记下砝码重量G,并用重量法实测流量２．改变砝码重量（150克力），重复步骤（１）３．改变砝码重量（200克力），重复步骤（１）三、注意事项１．应缓慢开启和调节阀门四、成果分析：１．分析用动力矩所求得的力和实测力之间产生误差的原因２．实验表格喷嘴直径d=cmW0=gL1=cmL2=cmNO.G(Kg)(Kg)W(Kg)T(s)Q(cm3/s)(m/s)(Kg)(Kg.m)123实验五水流流态实验一、实验目的：1．观察层流与紊流流态2．测定下临界雷诺数Rec二、实验装置：21\n　　　　　　　　　　　　　　　　图九1.水箱2.颜色水盒3.控制颜色水阀4.测压管5.稳水板6.溢流管7.进水管8.玻璃管9.阀门10.量杯11.温度计12.秒表一、实验步骤：1．打开进水管7的阀门，使水箱进水；2．微开阀门9并将颜色水阀门3微开；3．继续开大阀门使玻璃观众颜色水由一条红线到消失（有层流到紊流）；4．逐渐关闭阀门9至刚能观察到红色颜色线，有紊流到层流下临界状态（阀门不得反向调节），用量杯测流量，测水温；5．重复3、4，共做五次。二、实验原理：1．根据测得的水温tºC,由书上表1-3查出运动粘性系数γ值或用下式计算（cm2/s）2．玻璃管8的直径d=cm，并计算玻璃管过水断面面积ω=cm23．由计算断面平均流速4．计算下临界雷诺数Rec=五、记录及计算表格：d=cm21\n实测次数实测项目计算项目水温℃时间（s）体积V（cm3）流量Q（cm3/s）平均流速V（cm/s）运动粘性系数υ（cm2/s）下临界雷诺数RecRec平均值12345六、思考题：1．为什么测定下临界雷诺数而不测定上临界雷诺数？2．观察水流流态时，应观察玻璃管的哪一段？为什么？实验六管路沿程水头损失实验一、实验目的：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及λ随雷诺RC的变化规律。二、实验装置：图十1.比压计2.排气阀3.测压孔4.出水阀5.进水阀6.水堰箱三、实验原理：圆管沿程水头损失的计算公式21\n=λ或λ=式中d_______管道直径（cm）；L_______测量段长度；hf_______断面平均流速；λ_______沿程水头损失系数.四、实验步骤：1．预习实验指导书，明确实验要求。熟悉本实验仪器设备，掌握本次实验测量流量和水头损失所采用的方法。2．记录有关的仪器设备常数，检查比压计内液面是否齐平，若有气泡重新排气。3．按顺序调节出水阀4改变流量，测量的次的流量和相应的水头损失值。流量应先放到最大，再逐步由大到小比较合适。每改变一次流量，须等1~2分钟，使水流稳定后再进行测量。水流紊动使比压计的水面波动，应记录水面的时均值。4．为了提高实验精度，便于分析整理，实验点应尽量多一些，要求改变流量不少于10次，改变时可用比压计读数差的改变来控制出水阀。5．实验开始及结束时分别测量水温一次，加以平均，作为实验水温。6．实验过程中进水阀5全开后不要再动。五、记录及计算表格（见下页）管道直径d=5cm过水断面面积ω=19.6cm测量段长度L=6—4.3cm三角堰顶高程=0.4cm水温t=℃运动粘性系数v=cm2/s六、思考题：1．对同一管道、同一流量范围内实验，欲得到较大的雷诺数，实验是在冬天还是在夏天进行？2．测压管内水面为什么波动？3．流量减少后，测压管内水面比减少前会升高还是降低？hf会加大还是减小？为什么？沿程水头损失实验计算表21\n次数三角堰液面测针读数▽（cm）H=▽-▽0（cm）Q（l/s）V（cm/s）Re(×104)V2/2g(cm)比压计读数（cm）水头损失hf=h1-h2（cm）h1h212345678910将λ和Re关系绘在双对数格纸上。21\n21\n实验七管路局部水头损失系数的测定一、实验目的：测定管道突然扩大的局部水头损失，观察突然缩小的局部水头损失。二、实验装置：　　图十一1.进水阀2.出水阀3.排气阀4.测压牌5.量水堰三、实验原理：当水流的边界发生急剧变化是，就有局部水头损失hm。局部水头损失是由于边界层分离和流速分布的改组造成的，突然扩大和突然缩小便是局部水头损失的例子。突然扩大比突然缩小时的回流和流速分布的改组要严重，因而突然扩大的局部水头损失大于突然缩小的局部水头损失，对于突然扩大的管段建立能量方程可得（忽略两断面间沿程水头损失）即因为Z1=Z2，并令a1=a2=1，g=0.98kg/cm2·s2式中势能项可从压管中读出，动能项用量水堰，读水位再由H=-（21\n为三角堰顶高程），由相应的H-Q曲线查的流量Q，算出管道断面面积W和平均流速V=，从而可计算hm。因或，式中：S1、S2为实测的突然扩大的局部水头损失系数，理论局部水头损失系数为S1=（1-W1/W2）2，S2=（W2/W1-1）2一、实验步骤：1．排气：（1）打开进水阀1和出水阀2及排水阀3；（2）关闭出水阀2使管内的空气较好的排出；（3）打开出水阀2同时关闭进水阀1及排气阀3；（4）关闭出水阀2，打开进水阀1，观察各测压管液面是否齐平，否则重新排气；2．开大出水阀2（实验中进水阀保持全开，不再改变），待水流稳定2分钟左右，读三角堰液面高程，计算H=-，由H-Q曲线查得Q。3．测读细管和粗管的测压管水头，读数时细管取得最低值，粗管取最高值。二、实验记录和计算表格d1=5.0cmd2=10.0cm局部水头损失实验计算表测针读数▽cmHcmQl/sV（cm/s）cmcm测压管水头差（cm）Hm（cm）ξV1V2h1h2水头损失△h=h1-h2ξ1ξ2六、思考题：1．突然扩大时，测压管为什么会上升？2．实测突然扩大局部水头损失系数与理论值有误差的原因？21\n1．观察整个实验装置各测压管变化情况，为什么有这样变化？实验八旋涡演示实验一、实验目的：本实验装置采用二相注原理，利用吸入的空气作流线，观察水、气流绕过各种形状物体时流动图形，有卡门涡街，弯道二次流及突然扩大，突然收缩的流线变化。二、实验装置：　　　　　　　　　　　　　图十二分三组观察：（一）组是弯道流，当液体流经90º拐角时会产生二次流、旋涡区，拐弯光滑水头损失小。（二）组是圆柱体委产生交叉排列转动方向相反，周期性的漩涡称为卡门涡街。另一种是前圆后方的桥墩形，可以看到尾流死区大，尾流旋涡成对出现。（三）组：突然扩大、收缩和光滑过渡流线的变化，观察旋涡分布及变化情况。三、实验步骤：1．先打开（一）组（即弯道流）球阀，然后接通电源可看到管道弯道流动图形；2．打开（二）组，关闭（一）组，依次打开（三）组关闭（二）组。实验九　水跃演示实验21\n一、实验目的１．观察水跃现象的特征２．测定自由式水跃的共轭水深和水跃长度二、实验设备（见图五）三、实验步骤１．打开进水阀④使有机玻璃水槽进水２．调节下游活动尾门，控制尾部水位使之在水槽中适当的位置产生自由式水跃３．观察水跃现象的特征４．量测水跃共轭水深和水跃长度四、实验表格三角堰测针读数▽厘米三角堰堰顶H流量厘米／秒跃前断面（厘米）跃后断面（厘米）水跃长度（厘米）水面读数槽底读数水深水面读数槽底读数水深跃前断面读数跃后断面读数长度实验十　流谱及流线演示实验21\n一、实验目的用带有泡沫的变压器油加在油槽中经过导叶栅后形成许多平行的流线，以观察其绕经不同固体壁面的变化。二、实验原理液体流线仪是研究液流在模型试件出口和入口的流线变化，特别是当试件的突扩、突缩而发生流线的扭曲现象和旋涡、死区等。另外，根据教学的需要可以定作补充各种模型试件，以观察流线在绕经不同固体壁面时的变化。三、实验装置实验装置由油泵、供油箱、回油箱、油盘调整螺栓、支架、供油管等组成（见图十四）。油盘的倾斜度可通过前端调整螺栓调整。实验装置带有园柱、机翼、突扩（反放为突缩）模型试件。图十四流谱及流线演示实验装置四、实验步骤1、接通电源。2、开始时箱中可多放些油，开动油泵后，首先将供油管上的铜阀旋松，放出管路中空气，直到流线清晰为止。并通过调整油盘前端的调整螺栓改变油盘的倾斜，以改变油的流速。3、进行实验模型的组合更换。21