水力學(xué)試驗指導(dǎo)書

1、一、靜水壓強實驗一、實驗?zāi)康?、加深對水靜力學(xué)基本方程物理意義的理解，驗證靜止液體中，不同點對于同一基準(zhǔn)面的測壓管水頭為常數(shù)（即 Z 衛(wèi)二C）0pg2、學(xué)習(xí)利用U形管測量液體密度。3、 建立液體表面壓強Po Pa , Po :： Pa的概念，并觀察真空現(xiàn)象。4、測定在靜止液體內(nèi)部A、 B兩點的壓強值。二、實驗原理在重力作用下，水靜力學(xué)基本方程為：z P = C它表明：當(dāng)質(zhì)量力僅為重力時，靜止液體內(nèi)部任意點對同一基準(zhǔn)面的Z與衛(wèi)兩pg項之和為常數(shù)。重力作用下，液體中任何一點靜止水壓強p 二 Po ，gh，Po為液體表面壓強。Po Pa為正壓；Po舟Pa為負(fù)壓，負(fù)壓可用真空壓強Pv或真空高度hv表示

2、:Pv Pa Pabshv _Pg重力作用下，靜止均質(zhì)液體中的等壓面是水平面。利用互相連通的同一種液體的等壓面原理，可求出待求液體的密度。三、實驗設(shè)備在一全透明密封有機(jī)玻璃箱內(nèi)注入適量的水，并由一乳膠管將水箱與一可升降的調(diào)壓筒相連。水箱頂部裝有排氣孔ki,可與大氣相通，用以控制容器內(nèi)液 體表面壓強。若在U形管壓差計所裝液體為油， 心由：水，通過升降調(diào)壓筒可 調(diào)節(jié)水箱內(nèi)液體的表面壓強，如圖1-1所示。圖 1 1四、實驗步驟1、熟悉儀器，測記有關(guān)常數(shù)。2、將調(diào)壓筒旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)高度，打開排氣閥k1，使水箱內(nèi)的液面與大氣相通， 此時液面壓強Po二Pa。待水面穩(wěn)定后，觀察各U形壓差計的液面位置，以驗證 等

3、壓面原理。3、關(guān)閉排氣閥k1，將調(diào)壓閥升至某一高度。此時水箱內(nèi)的液面壓強Po Pa 觀察各測壓管的液面高度變化并測記液面標(biāo)高。4、繼續(xù)提高調(diào)壓筒，再做兩次。5、打開排氣閥k1，使之與大氣相通，待液面穩(wěn)定后再關(guān)閉 k1 （此時不要移 動調(diào)壓筒）6、將調(diào)壓筒降至某一高度。此時P。： Pa。觀察各測壓管的液面高度變化, 并測記標(biāo)高，重復(fù)兩次。7、將調(diào)壓筒升至適當(dāng)位置，打開排氣閥 ki，實驗結(jié)束。五、注意事項1、升降調(diào)壓筒時，應(yīng)輕拉輕放，每次調(diào)壓高度不宜過大。2、在測記測壓管液面標(biāo)高時，一定要待液面穩(wěn)定后再測讀數(shù)。若Po未變而 測壓管水面持續(xù)變化時，則表明閥門漏氣，應(yīng)采取修復(fù)措施。六、思考題1、什么情

4、況下3、4兩根測壓管的高度相同？2、液面標(biāo)高'、'、4 - '、3與' 6 - ' 5相等嗎？為什么？3、調(diào)壓筒的升降為什么能改變?nèi)萜鞯囊好鎵簭?Po ？4、實驗時，密封容器內(nèi)的水面能不能低于 A點，為什么？、流線演示實驗一、實驗?zāi)康?、應(yīng)用流動演示儀演示各種不同邊界條件下的水流形態(tài)，以觀察在不同邊 界條件下的流線、旋渦等，增強對流體運動特性的認(rèn)識。2、應(yīng)用流動演示儀演示水流繞過不同形狀物體的駐點、尾流、渦街現(xiàn)象及 非自由射流等，增強對這些現(xiàn)象的感性認(rèn)識。、實驗設(shè)備和儀器流線可以形象地顯示各種水流形態(tài)及其水流內(nèi)部質(zhì)點運動的特性。而通過各種演示設(shè)備就可以演

5、示出流線。 常用的有煙風(fēng)洞、氫氣泡顯示設(shè)備，及流動演示儀等。現(xiàn)以流動演示儀為例加以說明。圖2-1為流動演示儀的示意圖，該儀器用有機(jī)玻璃制成，通過在水流中摻 氣的方法，演示不同邊界條件下的多種水流現(xiàn)象， 并顯示相應(yīng)的流線。整個儀器有不同的單元組成。每個單元都是一套獨立的裝置， 可以單獨使用，亦可同時使用。三、實驗步驟（一）、操作程序1、接通電源，打開開關(guān)。2、用調(diào)節(jié)進(jìn)氣量旋鈕，調(diào) 節(jié)氣泡大小。（二）演示內(nèi)容I型：顯示圓柱繞流等的71"D1”一; i 3LCD1型II型山舉流線，該單元裝置能十分清楚地顯示出流體在駐點處的停滯現(xiàn)象、邊界層分離狀態(tài)分離狀況及卡門渦街現(xiàn)象。1、駐點：觀察流經(jīng)圓

6、柱前端駐點處的小氣泡運動特性，可圖2-1了解流速與壓強沿圓柱周邊的變化情況。2、邊界層分離：流線顯示了圓柱繞流邊界層分離現(xiàn)象，可觀察邊界層分離點的位置及分離后的回流形態(tài)。3 、卡門渦街：即圓珠柱的軸與水流方向垂直，在圓柱的兩個對稱點上產(chǎn)生 邊界層分離， 然后不斷交替在圓柱下游兩側(cè)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦， 并流向下 游。U型：顯示橋墩、機(jī)翼繞流的流線。該橋墩為圓珠筆頭方尾的繞流體。水流在橋墩后的尾流區(qū)內(nèi)也產(chǎn)生卡門渦 街，并可觀察水流繞過機(jī)翼時的運動狀態(tài)。川型：顯示逐漸收縮、逐漸擴(kuò)散及通過孔板（或丁壩）縱剖面上的流線圖像。1 、在逐漸收縮段，流線均勻收縮，無旋渦產(chǎn)生；在逐漸擴(kuò)散段可看到邊界 層層分

7、離而產(chǎn)生明顯的漩渦。2、在孔板前，流線逐漸收縮，匯集于孔板的過流孔口處，只在拐角處有一 小旋渦出現(xiàn)；孔板后水流逐漸擴(kuò)散，并在主流區(qū)周圍形成較大的旋渦回流區(qū)。W型：顯示管道突然擴(kuò)大和突然收縮時的管道縱剖面上的流線圖像。1、在突然擴(kuò)大段出現(xiàn)強烈的旋渦區(qū)。2 、在突然收縮段僅在拐角處出現(xiàn)旋渦。3 、在直角轉(zhuǎn)變處，流線彎曲，越靠近彎道內(nèi)側(cè)流速越小，由于水流通道很 不暢順，回流區(qū)范圍較廣。四、注意事項此處注意調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的進(jìn)氣量，使氣泡大小適中，流動演示更清晰。五、思考題1 、旋渦區(qū)與水流能量損失有什么關(guān)系？2、指出演示設(shè)備中的急變流區(qū)。3、空化現(xiàn)象為什么常常發(fā)生在旋渦區(qū)中？4、卡門渦街具有什么特征？對繞

8、流物體有什么影響?三、能量（伯努利）方程實驗一、實驗?zāi)康?、觀察恒定流的情況下，當(dāng)管道斷面發(fā)生改變時水流的位置勢能、壓強勢能、動能的沿程轉(zhuǎn)化規(guī)律，加深對能量方程的物理意義及幾何意義的理解。2、觀察均勻流、漸變流斷面及其水流特征。3、掌握急變流斷面壓強分布規(guī)律。4、測定管道的測壓管水頭和總水頭值，并繪制管道的測壓管水頭線及總水 頭線。二、實驗原理實際液體在有壓管道中作恒定流動時，其能量方程如下:Zi2山 i±Vi_g 2g2.P2 '. -L，2V2:?g 2ghw它表明：液體在流動的過程中，液體的各種機(jī)械能（單位位能、單位壓能和單位 動能）是可以相互轉(zhuǎn)化的。但由于實際液體存在

9、粘性，液體運動時為克服阻力而要消耗一定的能量，也就是一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而散逸， 即水頭損失。因而 機(jī)械能應(yīng)沿程減少。對于均勻流和漸變流斷面，其壓強分布符合靜水壓強分布規(guī)律:z 上二C或p = Po 訕g但不同斷面的C值不同。圖3 1對于急變流，由于流線的曲率較大，因此慣性力亦將影響過水?dāng)嗝嫔系膲?強分布規(guī)律：上凸曲面邊界上的急變流斷面如圖3 1(a),離心力與重力方向相反，所以P動：:：p靜。下凹曲面邊界上的急變流斷面如圖3 1(b),離心力與重力方向相同，所以P動P靜。三、實驗設(shè)備圈魄豊方榷買驗儀實驗設(shè)備及各部分名稱如圖32所示四、實驗步驟1、分辯測壓管與畢托管檢查橡膠管接頭是否接緊。2

10、、啟動抽水機(jī)，打開進(jìn)水閥，使水箱充水并保持溢流，使水位恒定。3、關(guān)閉尾閥k，檢查測壓管和畢托管的液面是否齊平。若不平，則需要檢 查管路中是否存在氣泡并排出。4、打開尾閥k，量測測壓管及畢托管水頭。5、觀察急變流斷面A和B處的壓強分布規(guī)律。6、本實驗共做三次。五、實驗要求及注意事項1、在管流流量Q固定不變的情況下，觀察管段內(nèi)流體在不同位置的測壓 管水頭線；2、 在某一級穩(wěn)定流情況下，測定沿流各過水?dāng)嗝娴钠骄恢酶叨葄、測壓2管高度、流速水頭丄及總水頭H值。pg2g3、尾閥k開啟一定要緩慢，并注意測壓管中的水位的變化，不要使測壓管 水面下降太多，以免空氣倒吸入管路系統(tǒng)，影響實驗進(jìn)行。4、流速較大時

11、，測壓管水面有脈動現(xiàn)象，讀數(shù)要讀取均值。六、思考題1、實驗中哪個測壓管水面下降最大？為什么？2、畢托管中的水面高度能否低于測壓管中的水面高度？3、在逐漸擴(kuò)大的管路中，測壓管水頭線是怎樣變化的?四、動量方程實驗、實驗?zāi)康?、測定管嘴噴射水流對平板或曲面板所施加的沖擊力。2、將測出的沖擊力與動量方程計算出的沖擊力進(jìn)行比較，加深對動量方程的理解。二、實驗原理應(yīng)用力矩平衡原理如圖 4-1，求射流對平面和曲面板的作用力 力矩平衡方程：圖 4-1FL 二 GL,，式中：F 射流作用力；L 作用力力臂；G 砝碼重量；J 砝碼力臂。恒定總流的動量方程為7 F = 8( ,2 - -iVj)，若令 j= 1=1

12、，且只 考慮其中水平方向作用力，則可求得射流對平 面板和曲面板的作用力公式為：F 八Qv(1 cos：)式中：Q 管嘴的流量；v管嘴的流速；一射流射向平面或曲面板后的偏轉(zhuǎn)角度。 “ =90時，F(xiàn)平=-QvF平一水流對平面板的沖擊力； =135 時，F(xiàn) 八Qv(1 -cos135 ) =1.707Qv =1.707F平-=180 時，F(xiàn) = 1Qv(1-cos180 ) = 2Qv = 2F平三、實驗設(shè)備實驗設(shè)備及各部分名稱見圖4 100 4- 2動原理實驗倶?biāo)?、實驗步驟1、測記有關(guān)常數(shù)；2、安裝平面板，調(diào)節(jié)平衡錘位置，使杠桿處于水平狀態(tài)；3、啟動抽水機(jī)，使水箱充滿水并保持溢流。此時；，水流從管

13、嘴射出，沖 擊平板中心，標(biāo)尺傾斜。加砝碼并調(diào)節(jié)砝碼位置，使杠桿處于水平狀態(tài)，達(dá)到力 矩平衡。記錄砝碼質(zhì)量和力臂L,。4、用體積法測量流量Q用以計算F理；5、重復(fù)上述步驟一次;6、將平面板更換為曲面板（： =135 '及 二180 ）又可實測和計算不同流 量的作用力;7、關(guān)閉抽水機(jī)，將水箱中的水排空，砝碼從杠桿上取下，實驗結(jié)束五、注意事項及要求1、量測流量后，量筒內(nèi)的水必須倒進(jìn)接水器，以保證水箱循環(huán)水充足；2、測流量時，計時與量筒接水與離開均需要同步進(jìn)行，以減小流量的量測 誤差；3、測流量一般測取兩次，取平均值，以消除誤差。六、思考題1、F實與F理有差異，除實驗誤差外還有什么原因？2、流

14、量很大與很小時，各對實驗精度有什么影響？3、實驗中，平衡錘產(chǎn)生的力矩沒有加以考慮，為什么？五、雷諾實驗一、實驗?zāi)康?、觀察層流和紊流的流動特征及轉(zhuǎn)變情況，以加深對層流、紊流形態(tài)的感 性認(rèn)識2、測定層流和紊流兩種流態(tài)的水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系。3、繪制水頭損失hf和斷面平均流速的對數(shù)關(guān)系曲線，并計算圖中的斜率 和臨界雷諾數(shù)Re二、實驗原理同一種液體在同一管道中流動，當(dāng)流速不同時，液體在運行中有兩種不同的流態(tài)。當(dāng)流速較小時，管中水流的全部質(zhì)點以平行而不互相混雜的方式分層流 動，這種形態(tài)的游體流動稱為層流。當(dāng)流速較大時，管中水流各質(zhì)點間發(fā)生相互 混雜的運動，這種形態(tài)的液體流動稱為紊流。層流與

15、紊流的沿程水頭損失規(guī)律不一樣，根據(jù)試驗，水頭損失與斷面平均 流速之間的關(guān)系式用hf二kvm表示，層流狀態(tài)時，沿程水頭損失大小與斷面平均 流速的1次方成正比，即hf nV10 ;而在紊流狀態(tài)時，沿程水頭損失大小與斷面 平均流速的1.752.00次方成正比，即hf 乂 v1.750020。每大實驗設(shè)備的管徑一定，當(dāng)水箱水位保持不變時，管內(nèi)即產(chǎn)生恒定流,沿程水頭損失hf與斷面平均流速v的關(guān)系可由能量方程導(dǎo)出:2 2P1 丄丄 P«2v2ZZ2g 2g2ghf當(dāng)管徑不變時，V1二V2，取：1 .0，所以) (Z2P2)（h ）值由壓差計讀取。在圓管流動中采用雷蔚為大觀數(shù)來判別流態(tài):ReVd

16、4Q = kQ ；式中：k 系數(shù);'-水流的運動粘滯系數(shù)；d 圓管直徑；Q 流量當(dāng)Rec（下臨界雷諾數(shù)）時為層流狀態(tài)，R =2320 ;（上臨界雷諾數(shù)）時為層流狀態(tài)，Rec在400012000之間。三、實驗設(shè)備實驗設(shè)備及相應(yīng)部分的名稱見圖5-1所示色水卡詞恤水機(jī) =:P去圖51雷諾實驗儀四、實驗步驟1. 觀察流動狀態(tài)將進(jìn)水管打開使水箱充滿水，并保持溢流狀態(tài)；然后用尾閥調(diào)節(jié)流量，將 閥門以極慢速打開，待水流穩(wěn)定后，注入有色指示劑。當(dāng)有色指示劑在試驗管中 呈現(xiàn)一條穩(wěn)定而且明顯的流線時，管內(nèi)即為層流流態(tài)。隨后漸漸開大尾閥門，增大流量，這時有色指示劑開始顫動、彎曲，并逐漸擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散至全管，水

17、流紊亂到已看不清有以指示劑著色的流線時，此時即為紊流流態(tài)。2. 測定hfv的關(guān)系及臨界雷諾數(shù)1）熟悉儀器，測記有關(guān)常數(shù)。2）檢查尾閥全關(guān)時，壓差計液面是否齊平，若不平，則需排氣調(diào)平3）將尾部閥門開至最大，然后逐步關(guān)小閥門，使管內(nèi)流量逐步減少；每改變一次流量，均待水流平穩(wěn)后，測定每次的流量、水溫和試驗段的水頭損失（即 壓差）。流量Q用體積法測量。用量筒量測水的體積 V,用秒表計時間T。流量 Q =V。相應(yīng)的斷面平均流速v = Q。TA4）流量用尾閥調(diào)節(jié)，共做1015次。當(dāng)Re<2500時，為精確起見，每次壓差減小值只能為35mm。數(shù)Re5）用溫度計量測當(dāng)日的水溫,由此可查得運動粘滯系數(shù)-，

18、從而計算雷諾vd6）相反，將調(diào)節(jié)閥由小逐步開大，管內(nèi)流速慢慢加大，重復(fù)上述步驟五、注意事項1 在整個試驗過程中，要特別注意保持水箱內(nèi)的水頭穩(wěn)定。每變動一次閥 門開度，均待水頭穩(wěn)定后再量測流量和水頭損失。2 在流動形態(tài)轉(zhuǎn)變點附近，流量變化的間隔要小些，使測點多些以便準(zhǔn)確 測定臨界雷諾數(shù)。3 .在層流流態(tài)時，由于流速v較小，所以水頭損失hf值也較小，應(yīng)耐心、 細(xì)致地多測幾次。同時注意不要碰撞設(shè)備并保持實驗環(huán)境的安靜，以減少擾動。六、思考題1 .要使注入的顏色水能確切反映水流狀態(tài)，應(yīng)注意什么問題 ？2 .如果壓差計用傾斜管安裝，壓差計的讀數(shù)差是不是沿程水頭損失hf值?管內(nèi)用什么性質(zhì)的液體比較好？其讀

19、數(shù)怎樣進(jìn)行換算為實際壓強差值？3 .為什么上、下臨界雷諾數(shù)值會有差別？4 .為什么不用臨界流速來判別層流和紊流 ？d 2g六、管道沿程水頭損失實驗一、實驗?zāi)康?、掌握測定管道沿程水頭損失系數(shù)的方法；2、繪制沿程水頭損失與雷諾數(shù)Re的對數(shù)關(guān)系曲線。二、實驗原理對通過一等直徑管道中的恒定水流，在任意兩過水?dāng)嗝? 1、2 2上寫能量方程，可得hf =(ziP2 / -g)同時，我們知道沿程水頭損失的表達(dá)式:hfI v2則沿程水頭損失系數(shù)為(Zi » / 呵)-(Z2 P2 / ?g)hfl vl v2d 2gd 2g一般可認(rèn)為'與相對粗糙度dS及雷諾數(shù)Re有關(guān)。即'=f(

20、S,Re)。 d三、實驗設(shè)備實驗設(shè)備及部分名稱如圖 6 1所示圖沿程水頭損失實驗儀四、實驗步驟1、熟悉實驗設(shè)備，記錄有關(guān)常數(shù)。2、啟動抽水機(jī)，打開進(jìn)水閥門，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。3、檢查尾閥K全關(guān)時，壓差計的液面是否齊平，苦不平，則需要排氣調(diào)平4、調(diào)節(jié)尾閥K，使流量在壓差計量程內(nèi)達(dá)到最大，待水流穩(wěn)定后記錄壓差 計讀數(shù)，水溫和量測其流量，流量用體積法量測。5、逐漸關(guān)閉尾閥K,依次減少流量，量測各次流量和相應(yīng)的壓差值。共做 1015 次。6、用溫度計測記本次實驗的水溫 t。并查得相應(yīng)的值，從而可計算出相 應(yīng)于每次流量下的雷諾數(shù) Re值。五、注意事項1、每次關(guān)閉尾閥K時要緩慢關(guān)閉，在層

21、流時，壓差為 35mm,在紊流時, 壓差要適當(dāng)大些。2、由于水流紊動原因，壓差計液面有微小波動，當(dāng)流速較大時，尢為顯著。 需待水流穩(wěn)定時，讀取，讀取上、下波動范圍的平均值。3、 測記水溫，求雷諾數(shù)時用開始和終了兩次水溫的平均值求. o六、思考題1、如將實驗管道傾斜安裝，壓差計中的讀數(shù)差是不是沿程水頭損失 hf值?2、隨著管道使用年限的增加， Re關(guān)系曲線有什么變化？3、本實驗中的物理量有d、I、Q、hf和水溫t，其中哪些物理量的量測精 度對'值的誤差影響最大？4、如生產(chǎn)需要，擬測定工業(yè)塑料管的值，應(yīng)如何進(jìn)行實驗？七、管道局部水頭損失實驗、實驗?zāi)康?、掌握測定管道局部水頭損失系數(shù)的方法。

22、2、將管道局部水頭損失系數(shù)的實測值勤與理論值進(jìn)行比較；3、觀察管么突然擴(kuò)大時旋渦區(qū)測壓管水頭線的變化情況，以及其他各種邊 界突變情況下的測壓管水頭線的變化情況。二、實驗原理由于邊界形狀的急劇改變，主流就會與邊界分離出現(xiàn)旋渦以及水流流速分 布的改組，從而消耗一部分機(jī)械能。單位重量液體的能量損失就是局部水頭損失邊界形狀的改變有水流斷面的突然擴(kuò)大或突然縮小，彎道及管路上安裝閥 門等。局部水頭損失常用流速水頭與一系數(shù)的乘積表示:hj2g式中：一局部水頭損失系數(shù)，也叫局部阻力系數(shù)。系數(shù)是流動形態(tài)與邊界形 狀的函數(shù)，即'=f（Re,邊界形狀）。一般水流Re數(shù)足夠大時，可認(rèn)系數(shù) 不再隨Re數(shù)而變化，

23、而看作一常數(shù)管道局部水頭損失目前僅有突然擴(kuò)大可采用理論分析，并可得足夠精確的結(jié)果。其他情況則需要用實驗的方法測定值。突然擴(kuò)大的局部水頭損失可應(yīng)用動量方程與能量方程及連續(xù)方程聯(lián)合求解得到如下公式:2Vi2g= (1-Ai)2式中：Ai和Vi分別為擴(kuò)大段上游的斷面積和平均流速， A2和V2分別為突然擴(kuò) 大下游管段的斷面積和平均流速。三、實驗設(shè)備實驗設(shè)備及部分名稱如圖 7 1所示四、實驗步驟1、熟悉儀器，記錄有關(guān)常數(shù)。2、檢查各測壓管的橡皮管接頭是否接緊3、啟動抽水機(jī)，打開進(jìn)水閥門，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定4、檢查尾閥K全關(guān)時，測壓管的液面是否齊平，若不平，則需要排氣調(diào)平。5、慢慢打開尾閥

24、K,使流量在測壓管量程范圍內(nèi)最大，待流動穩(wěn)定后，記 錄測壓管液面標(biāo)高，用體積法測量流量。6、調(diào)節(jié)尾閥改變流量，重復(fù)三次。五、注意事項1、實驗必須在水流穩(wěn)定后方可進(jìn)行。2、計算局部水頭損失系數(shù)時，應(yīng)注意選擇相應(yīng)的流速頭，所選量測斷面應(yīng) 選在漸變流段面上，尢其下游斷面應(yīng)選在漩渦區(qū)的未端，即主流恢復(fù)并充滿全管 的斷面上。六、思考題1、試分析實測hj與理論計算hj有什么不同，原因何在？2、如果忽略管段的沿程損失hf，所測出的.值比實際的偏大還是偏?。吭?工程中使用此值是否安全？3、 在相同管徑變化條件下，相應(yīng)于同一流量，其突然擴(kuò)大的值是否一定 大于突然縮小的值？4、不同的Re數(shù)時，局部水頭損失系數(shù) 值是否相同？通常 值是否為一常數(shù)？八、文德里流量計及孔板流量計實驗一、實驗?zāi)康? 了解文德里和孔板流量計測流量的原理及其簡單構(gòu)造。2 繪出壓差與流量的關(guān)系，確定文德里流量計和孔板流量計的系數(shù)J。二、實