水力學實驗指導書

1、一、靜水壓強實驗一、實驗目的1、加深對水靜力學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面的測壓管水頭為常數(shù)（即）。2、學習利用U形管測量液體密度。3、建立液體表面壓強，的概念，并觀察真空現(xiàn)象。4、測定在靜止液體內部A、B兩點的壓強值。二、實驗原理在重力作用下，水靜力學基本方程為：它表明：當質量力僅為重力時，靜止液體內部任意點對同一基準面的與兩項之和為常數(shù)。重力作用下，液體中任何一點靜止水壓強，為液體表面壓強。為正壓；為負壓，負壓可用真空壓強或真空高度表示： 重力作用下，靜止均質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、實驗設備在一

2、全透明密封有機玻璃箱內注入適量的水，并由一乳膠管將水箱與一可升降的調壓筒相連。水箱頂部裝有排氣孔，可與大氣相通，用以控制容器內液體表面壓強。若在U形管壓差計所裝液體為油，通過升降調壓筒可調節(jié)水箱內液體的表面壓強，如圖1-1所示。圖 11 四、實驗步驟1、熟悉儀器，測記有關常數(shù)。2、將調壓筒旋轉到適當高度，打開排氣閥，使水箱內的液面與大氣相通，此時液面壓強。待水面穩(wěn)定后，觀察各U形壓差計的液面位置，以驗證等壓面原理。3、關閉排氣閥，將調壓閥升至某一高度。此時水箱內的液面壓強。觀察各測壓管的液面高度變化并測記液面標高。4、繼續(xù)提高調壓筒，再做兩次。5、打開排氣閥，使之與大氣相通，待液面穩(wěn)定后再關閉

3、（此時不要移動調壓筒）。6、將調壓筒降至某一高度。此時。觀察各測壓管的液面高度變化，并測記標高，重復兩次。7、將調壓筒升至適當位置，打開排氣閥，實驗結束。五、注意事項1、升降調壓筒時，應輕拉輕放，每次調壓高度不宜過大。2、在測記測壓管液面標高時，一定要待液面穩(wěn)定后再測讀數(shù)。若未變而測壓管水面持續(xù)變化時，則表明閥門漏氣，應采取修復措施。六、思考題1、什么情況下3、4兩根測壓管的高度相同？2、液面標高與相等嗎？為什么？3、調壓筒的升降為什么能改變容器的液面壓強？4、實驗時，密封容器內的水面能不能低于A點，為什么？二、流線演示實驗一、實驗目的1、應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

4、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識。2、應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)象的感性認識。二、實驗設備和儀器流線可以形象地顯示各種水流形態(tài)及其水流內部質點運動的特性。而通過各種演示設備就可以演示出流線。常用的有煙風洞、氫氣泡顯示設備，及流動演示儀等?，F(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

5、通電源，打開開關。2、用調節(jié)進氣量旋鈕，調節(jié)氣泡大小。（二）演示內容型：顯示圓柱繞流等的流線，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產(chǎn)生旋轉方向相反的旋渦，并流向下游。型：顯示橋墩、機翼繞流的流線。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

6、也產(chǎn)生卡門渦街，并可觀察水流繞過機翼時的運動狀態(tài)。型：顯示逐漸收縮、逐漸擴散及通過孔板（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；在逐漸擴散段可看到邊界層層分離而產(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)；孔板后水流逐漸擴散，并在主流區(qū)周圍形成較大的旋渦回流區(qū)。型：顯示管道突然擴大和突然收縮時的管道縱剖面上的流線圖像。1、在突然擴大段出現(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、在直角轉變處，流線彎曲，越靠近彎道內側流速越小，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節(jié)進氣閥的進氣量，

7、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系？2、指出演示設備中的急變流區(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？對繞流物體有什么影響？三、能量(伯努利)方程實驗一、實驗目的1、觀察恒定流的情況下，當管道斷面發(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：它表明：液體在流動的過程中，液

8、體的各種機械能（單位位能、單位壓能和單位動能）是可以相互轉化的。但由于實際液體存在粘性，液體運動時為克服阻力而要消耗一定的能量，也就是一部分機械能轉化為熱能而散逸，即水頭損失。因而機械能應沿程減少。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：或但不同斷面的C值不同。圖 31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斷面上的壓強分布規(guī)律：上凸曲面邊界上的急變流斷面如圖 31(a),離心力與重力方向相反，所以。下凹曲面邊界上的急變流斷面如圖 31(b),離心力與重力方向相同，所以。三、實驗設備實驗設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

9、是否接緊。2、啟動抽水機，打開進水閥，使水箱充水并保持溢流，使水位恒定。3、關閉尾閥，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，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，測定沿流各過水斷面的平均位置高度z、測壓管高度、流速水頭及總水頭H值。3、尾閥開啟一定要緩慢，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)，影響實驗進行。4、流速較大時，測壓管水面有

10、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、在逐漸擴大的管路中，測壓管水頭線是怎樣變化的？四、動量方程實驗一、實驗目的1、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行比較，加深對動量方程的理解。二、實驗原理應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：，式中：射流作用力；作用力力臂；砝碼重量；砝碼力臂。圖 4-1恒定總流的動量方程為，若令=1，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：式中：管嘴的流量；

11、管嘴的流速；射流射向平面或曲面板后的偏轉角度。時， 水流對平面板的沖擊力；時，時，三、實驗設備實驗設備及各部分名稱見圖41。四、實驗步驟1、測記有關常數(shù)；2、安裝平面板，調節(jié)平衡錘位置，使杠桿處于水平狀態(tài)；3、啟動抽水機，使水箱充滿水并保持溢流。此時；，水流從管嘴射出，沖擊平板中心，標尺傾斜。加砝碼并調節(jié)砝碼位置，使杠桿處于水平狀態(tài)，達到力矩平衡。記錄砝碼質量和力臂。4、用體積法測量流量用以計算；5、重復上述步驟一次；6、將平面板更換為曲面板（及）又可實測和計算不同流量的作用力；7、關閉抽水機，將水箱中的水排空，砝碼從杠桿上取下，實驗結束。五、注意事項及要求1、量測流量后，量筒內的水必須倒進接

12、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、與有差異，除實驗誤差外還有什么原因？2、流量很大與很小時，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、實驗目的1、觀察層流和紊流的流動特征及轉變情況，以加深對層流、紊流形態(tài)的感性認識。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系。3、繪制水頭損失和斷面平均流速的對數(shù)關系曲線，并計算圖中的斜率和臨界雷諾數(shù)。二、實驗原理同一種液體在同一管道中流動，當流速不同時，液體在運行中有兩種

13、不同的流態(tài)。當流速較小時，管中水流的全部質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。當流速較大時，管中水流各質點間發(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系式用表示，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；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。每大實驗設備的管徑一定，當水箱水位保持不變時，管內即產(chǎn)生恒定流，沿程水頭損失與斷面平均流速的關系可由能量方程導出：當管徑不變時，取，所以 。（）值由壓差計讀取。在圓管流動中采用雷蔚為大觀

14、數(shù)來判別流態(tài)：；式中：系數(shù)；水流的運動粘滯系數(shù)；圓管直徑；流量當（下臨界雷諾數(shù)）時為層流狀態(tài)，；當（上臨界雷諾數(shù)）時為層流狀態(tài)，在400012000之間。三、實驗設備實驗設備及相應部分的名稱見圖5-1所示圖51 雷諾實驗儀四、實驗步驟1. 觀察流動狀態(tài)將進水管打開使水箱充滿水，并保持溢流狀態(tài)；然后用尾閥調節(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，并逐漸擴散，當擴散至全管，水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. 測定的關系及臨

15、界雷諾數(shù)1) 熟悉儀器，測記有關常數(shù)。2) 檢查尾閥全關時，壓差計液面是否齊平，若不平，則需排氣調平。3) 將尾部閥門開至最大，然后逐步關小閥門，使管內流量逐步減少；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。相應的斷面平均流速。4) 流量用尾閥調節(jié)，共做1015次。當2500時，為精確起見，每次壓差減小值只能為35mm。5) 用溫度計量測當日的水溫，由此可查得運動粘滯系數(shù)，從而計算雷諾數(shù)。6) 相反，將調節(jié)閥由小逐步開大，管內流速慢慢加大，重復上述步驟。五、注意事項1在整個試驗過程中，要特別

16、注意保持水箱內的水頭穩(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)轉變點附近，流量變化的間隔要小些，使測點多些以便準確測定臨界雷諾數(shù)。3在層流流態(tài)時，由于流速v較小，所以水頭損失值也較小，應耐心、細致地多測幾次。同時注意不要碰撞設備并保持實驗環(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值?管內用什么性質的液體比較好?其讀數(shù)怎樣進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?六、管道沿程水頭損失實驗一、實驗目的1、掌握

17、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)的對數(shù)關系曲線。二、實驗原理對通過一等直徑管道中的恒定水流，在任意兩過水斷面11、22上寫能量方程，可得同時，我們知道沿程水頭損失的表達式：則沿程水頭損失系數(shù)為一般可認為與相對粗糙度及雷諾數(shù)有關。即。三、實驗設備實驗設備及部分名稱如圖 61所示。四、實驗步驟1、熟悉實驗設備，記錄有關常數(shù)。2、啟動抽水機，打開進水閥門，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。3、檢查尾閥K全關時，壓差計的液面是否齊平，苦不平，則需要排氣調平。4、調節(jié)尾閥K，使流量在壓差計量程內達到最大，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

18、漸關閉尾閥K，依次減少流量，量測各次流量和相應的壓差值。共做1015次。6、用溫度計測記本次實驗的水溫t。并查得相應的值，從而可計算出相應于每次流量下的雷諾數(shù)值。五、注意事項1、每次關閉尾閥K時要緩慢關閉，在層流時，壓差為35mm，在紊流時，壓差要適當大些。2、由于水流紊動原因，壓差計液面有微小波動，當流速較大時，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。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值？2、隨著管道使用年限的增加，關系曲線有什么變化？3、本實驗中的物理量有d、l、Q、和水溫t，其

19、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，應如何進行實驗？ 七、管道局部水頭損失實驗一、實驗目的1、掌握測定管道局部水頭損失系數(shù)的方法。2、將管道局部水頭損失系數(shù)的實測值勤與理論值進行比較；3、觀察管么突然擴大時旋渦區(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：式中：

20、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=邊界形狀）。一般水流數(shù)足夠大時，可認系數(shù)不再隨數(shù)而變化，而看作一常數(shù)。管道局部水頭損失目前僅有突然擴大可采用理論分析，并可得足夠精確的結果。其他情況則需要用實驗的方法測定值。突然擴大的局部水頭損失可應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：，式中：A1和v1分別為擴大段上游的斷面積和平均流速，A2和v2分別為突然擴大下游管段的斷面積和平均流速。三、實驗設備實驗設備及部分名稱如圖 71所示。四、實驗步驟1、熟悉儀器，記錄有關常數(shù)。2、檢查各測壓管的橡皮管接頭是否接緊。3、啟動抽水機，打開進水閥門，使水箱充水，并保

21、持溢流，使水位恒定。4、檢查尾閥K全關時，測壓管的液面是否齊平，若不平，則需要排氣調平。5、慢慢打開尾閥K，使流量在測壓管量程范圍內最大，待流動穩(wěn)定后，記錄測壓管液面標高，用體積法測量流量。6、調節(jié)尾閥改變流量，重復三次。五、注意事項1、實驗必須在水流穩(wěn)定后方可進行。2、計算局部水頭損失系數(shù)時，應注意選擇相應的流速頭，所選量測斷面應選在漸變流段面上，尢其下游斷面應選在漩渦區(qū)的未端，即主流恢復并充滿全管的斷面上。六、思考題1、試分析實測與理論計算有什么不同，原因何在？2、如果忽略管段的沿程損失，所測出的值比實際的偏大還是偏??？在工程中使用此值是否安全？3、在相同管徑變化條件下，相應于同一流量，其突然擴大的值是否一定大于突然縮小的值？4、不同的數(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、實驗目的 1了解文德里和孔板流量計測流量的原理及其簡單構造。 2繪出壓差與流量的關系，確定文德里流量計和孔板流量計的系數(shù)。二、實驗原理 文德里流量計