水力学(流体力学)实验指导书

1、水力学（流体力学）实验指导书编著：刘凡 河北工程大学目录1、静水压强实验-3-5页 2 平面静水总压力实验- - 6-9页3、文丘里流量计实验-10-12页4、雷诺实验-12-14页5、管道沿程水头损失实验-15-16页6、局部管道水头损失实验-17-19页7、流线演示实验-20-21页8、伯努利实验-20-21页9、涡流系列演示实验-22-24页实验一 静水压强实验一、 实验目的 1、 加深对水静力学基本方程物理意义的理解，验证静止液体中，不同点对于同一基准面的测压管水头为常数（即z+）。2、 学习利用形管测量液体（油）的密度。3、 建立液体表面压强>，<的概念，并观察真空现象。

2、4、 测定在静止液体内部A、B两点的压强值二、 实验设备在一全透明有机玻璃箱内注入适量的水，并由一乳胶管将水箱与一可升降的调压筒相连。水箱顶部装有排气阀，可与大气相通，用以控制容器内液体表面压强。U形管压差计所装液体为油，<，通过升降调压筒可调节水箱内液体的表面压强，另升降调压筒下降时，吸管可将量杯中水吸上来可验证有机玻璃箱为负压，如图所示。静水压强仪设备图三、 实验原理在重力作用下，水静力学基本方程为表明：当质量力仅为重力时，静止液体内部任意点对同一基准面的与两项之和为常数。重力作用下，液体中任一点静水压强，为液体表面压强。>为正压；<为负压，负压可用真空压强或真空高度表示

3、：重力作用下，静止均质液体中的等压面是水平面。利用互相连通的同一种液体的等压面原理，可求出待求液体的密度。四、 实验步骤1、 熟悉仪器，选基准面，测记A、B点高度数值并记录。2、 将调压筒放置适当高度，打开排气阀、K2、K3，使水箱内的液面与大气相通，此时液面压强=。待水面稳定后，观察各U形压差计的液面位置，以验证等压面原理。关闭排气阀和与量杯相通的阀门K2，与测压管相通的阀门K3打开不变。3、将调压筒缓慢加压升至某一高度，此时水箱内液面压强>。U形管出现压差，在加压的同时，观察右侧A、B管的液柱上升情况，以及各测压管的液面高度变化并测记各测压管的液面标高，记录数据。4、继续提高调压筒，

4、重复两次。5、 打开排气阀、K2使之与大气相通，将调压筒移动到适当的位置，待液面稳定后再关闭，与量杯相通的阀门K2打开不变。6、 将调压筒降低至某一高度。此时<。观察各测压管的液面高度变化并测记各测压管的液面标高，记录数据。并观察量杯吸水管中的变化即负压（真空）现象，重复两次。7、 将调压筒升至适当位置，打开排气阀，实验结束。五、数据处理及要求选基准面： 记录A、B两点高程： A= B=实验数据记录表实验条件序号 测压管液面（）123456Za+Pa/rZb+Pb/rP0=pa 1P0>pa123P0<pa123要求：1.计算在三种情况下A 点B点绝对压强、相对压强。2.计算

5、在三种情况下水箱自由面上的压强。3.测定油的密度，对两种实验结果进行比较。4.通过观察现象和测量结果验证A,B两点Z+P/r=C实验二 平面静水总压力实验一、实验目的1、掌握解析法及压力图法，测定矩形平面上的静水总压力。2、验证平面静水压力理论。二、实验设备在自循环水箱上部安装一敞开的矩形容器，容器通过进水开关，放水开关与水箱相连。容器上部放置一扇形体相连的平衡杆，如图1所示。图1 静水总压力实验仪三、实验原理 作用在任意形状平面上的静水总压力等于该平面形心处的压强与平面面积的乘积：（方向垂直指向受压面）。 对于上、下边与水面平行的矩形平面上的静水总压力及其作用点的位置，可采用压力图法。 静水

6、总压力的大小等于压强分布图的面积和以宽度所构成的压强分布的体积。若压强分布图为三角形分布，如图2，则式中：为三角形压强分布图的形心距底部的距离。 若压强分布图为梯形分布，如图2, 图3，则式中：e为梯形压强分布图的形心距梯形底边的距离。图2本实验设备原理如图4所示，则由力矩平衡原理其中 ； 求出平面静水总压力 图4 静水总压力实验设备简图四、实验步骤1、熟悉仪器，测记有关常数。2、用底脚螺丝调平，使水准泡居中。3、调整平衡锤使平衡杆处于水平状态。4、打开进水阀门，待水流上升到一定高度后关闭。5、在天平盘上放置适量砝码。若平衡杆仍无法达到水平状态，可通过进水开关或放水开关状态，可通过进水开关或放

7、水开关来调节进放水量直至平衡。6、测记砝码质量及水位的刻度数并记录。7、重复步骤46，水位读数在100mm以下做3次，以上做3次。8、打开放水阀门，排干净，并将砝码放入盒中。实验结束。五、注意事项1、加水或放水时，要注意观察杠杆所处的状态。2、砝码每套专用，测读砝码要看清其所注克数。六、数据处理及要求常数： 天平臂距离L0= cm; 扇形体垂直距离L= cm 扇形体宽度b= cm; a= cm;数据记录表格压强分布形式测次水位读数砝码质量H(cm)M(g)三角形分布123梯形分布H(cm)H1(cm)H2(cm)123计算表格压强分布形式测次作用点距底部距离(cm)作用力距支点垂直距离(cm)

8、实测力距(N*cm) 实测静水总压力(N)理论静水总压力(N)相对值 eL1=L-eMg*Lop实=Mg*Lo/L1P理P实/P理三角形分布123梯形分布123作用点距离e及理论静水总压力P理计算结果如下：三角形分布：e1= P1= e2= P2= e3= P3=梯形分布: e1= P1= e2= P2= e3= P3=实验三 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.通过实验测定文丘里流量计系数。3.分析实验值的准确性，并绘出压差与流量的关系曲线。二、实验设备（见实验装置）三、实验原理文丘里流量计是在管道中常用的流量计。它包括收缩段、喉管、扩散段三部分。由

9、于喉管过水断面的收缩，该断面水流动能加大，势能减小，造成收缩段前后断面压强不同而产生的势能差。此势能差可由传感压差计测得。列上述能量方程如下：（不计水头损失） (1) 根据连续性方程得: (2)令解两式可得计算流量的公式如下：式中： 为两断面测压管水头差，也即测压计内的液面高差h流量计算公式：式中： ；管道的实测流量，根据实验室的设备条件，可由体积法测出。在实际液体中，由于阻力的存在，水流通过文丘里流量计时有能量损失，故实际通过的流量一般比稍小，因此在实际应用时，上式应予以修正，实测流量与理论流量之比称为流量系数，即四、实验步骤1.熟悉仪器，记录有关数据。 记录仪器常数d1、d2，并算出k值。

10、 检查测压计液面是否水平，如果不在同一水面上，必须将橡皮管内空气排尽，使两测压管的液面处于水平状态，方能进行实验。 全部开启出水阀门。进行实验(1)启动抽水机，打开进水开关，使水进入水箱，并使水箱水面保持溢流，使水位恒定。(2)检查实验过程中橡皮管内是否进入空气泡并挤压排气。(3)开启进水阀门调至一较大流量，使测压计高差达到最大值，作为第一个实验点，测读并记录传感器上流量计压差h的读数。(4)用秒表和重量法测定流量，记下时间t和重量。(5)逐渐关小进水流量，测读h，m和t，如此共进行6-8次。五、注意事项每次调节流量应比较缓慢，调节完后，实验过程中不可再动前后进出水阀。六、数据记录与处理仪器常

11、数： d1 cm； d2 cm; 桶重= cm2。5/s 实验次 数测压管高差h=h1-h2重量m体积v时间s理论流量cm3/s实际流量cm3/s流量系数kpacmgcm3 t=Q实/Q理12345678 求： 流量系数平均=七、思考题：1.文丘里流量计在安装时，是否必须保证水平？如不水平倾斜放置，上述流量公式是否仍可应用? K值是否改变？ 2绘制理论Q、实际Q与h关系曲线图。实验四 雷诺实验一、实验目的1、观察层流和紊流的流动特征及其转变情况，以加深对层流、紊流形态的感性认识。2、测定层流与紊流两种流态与断面平均流速之间的关系。3. 通过实验计算临界雷诺数二、实验设备(见实体实验装置)三、实

12、验原理同一种液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可有两种不同的流态。在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均流速V，这时候如果微启带色水阀门，带色水就会与无色水在管路中沿轴线同步向前流动，带色水呈一条带色直线，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的带色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出现流动质点的横向脉动，使色线完全扩散与无色水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。 在圆管流动中采用雷诺数来判别流态：由于雷诺数： (其中：= Q /A ， ; )式中： d 管径（cm）

13、 流体流速（cm/s） 流体的运动粘度（cm 2/s） Q 流 量 （cm3/s）A管路的横截面积（cm 2） V-重量法测量体积（cm3 ）T-时间（s） 当(下临界雷诺数)时为层流状态，； (上临界雷诺数)时为紊流状态，在之间。四、实验步骤1.启动水泵，向稳压水箱加水。水箱水满之后，将进水阀门关小，使水箱的水位保持有一定的溢流。 2.微开出水阀门，使实验管中的水流有稳定而较小的流速。3.微开颜色水液罐下的小阀门，使色液从细管中不断流出，此时，可能看到管中的色液液流与管中的水流同步在直管中沿轴线向前流动，色液呈现一条细直流线，这说明在此流态下，流体的质点没有垂直于主流的横向运动，有色直线没有

14、与周围的液体混杂，而是层次分明的向前流动。此时的流体即为层流。（若看不到这种现象，可再逐渐关小阀门，直到看到有色直线为止）4.逐渐缓慢开大阀门至一定开度时，可以观察到有色直线开始出现脉动，但流体质点还没有达到相互交换的程度，此时，即象征为流体流动状态开始转换的临界状态（上临界点），当时的流速即为上临界流速。 5.继续开大阀门，即会出现流体质点的横向脉动，继而色线会被全部扩散与水混合，此时的流态即为紊流。此后，如果把阀门逐渐关小，关小到一定开度时，又可以观察到流体的流态从紊流转变到层流的临界状态（下临界点）。继续关小阀门，试验管中会再次出现细直色线，流体流态转变为层流。6.在两种临界状态下分别用

15、小桶、秒表即重量法测量体积，计录时间和重量m，水温。 7.按以上步骤反复重复测量3次。将测试结果记入实验记录表中。8.计算临界雷诺数Rek五、注意事项1、水箱水满之后，进水阀门一定要关小，使水箱的水位保持有一定的溢流，界面一定要平稳成为恒定流。2、颜色水阀门一定要调劲量小。3、测量重量时间不要过小。六、实验数据计算和处理 常数： 管径d= cm; 断面面积A= cm 2水温 t = 度； 粘滞系数= cm 2/s 临界状态测次重量g时间s体积g/cm3 流量cm3/s临界流速cm/s临界雷诺数平均值m tVQ=V/t=Q/ARe上临界1 23下临界1 23实验五 管道沿程水头损失实验一、实验目

16、的1、测定稳定均匀流在不同流速时沿程水头损失系数的方法，并分析其规律。2、了解不同流态时沿程阻力系数和雷诺数的关系。3、绘制沿程水头损失系数与雷诺数的对数关系曲线。二、实验设备(见实体实验装置)三、实验原理对通过一等直径管道中的恒定水流，在任意两过水断面、上写能量方程，可得由此表明，两测压管内液柱的高差，就是L长度的沿程水头损失hf。 式中：d：实验管内径（m） L：两测点距离（m） ：流速（m/s）通过实验得到，再通过计量水箱测量出流体的流量，计算出流体的流速，既可求得沿程阻力系数： 在实验中，通过配合调节实验管道入口处和出口处阀门，改变管内流速时，测压管中的液柱高差也随之变化，由此可得出一

17、系列的流速和相应的沿程水头损失。把所测实验数据换算为对数值，四、实验步骤1.熟悉实验设备装置的结构及其流程记录有关常数。2.检查传感压差计的连接管中是否有气，液面是否齐平，若不平，则需排气调平。3.启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。4.调节尾阀，使流量在压差计量程范围内达到最大，待水流稳定后记录压差计读数，水温和量测其流量，流量用体积法量测。5.逐渐关闭尾阀，依次减小流量，量测各次流量和相应的压差值，共6-8次。6.用温度计测记本次实验的水温，并查得相应的值，从而可计算出相应于每次流量下的雷诺数值。五、数据记录与处理有关常数：管径 d= cm ； 管长l= cm ；

18、 断面面积A= cm 2 粘滞系数= cm 2/s 水温= 序号测压管压差Hf= h1- h2重量 m体积V 时间t流量Q=V/t流速=Q/A 阻力系数雷诺数RelgRelg100kpcmgcm3scm3/Scm/s12345678六、结果要求：用坐标纸或对数纸绘制lg100lgRe曲线，并进行成果分析及小结实验六 管道局部水头损失实验一、实验目的1.掌握测定管道局部水头损失系数的方法。2.将管道局部水头损失系数的实测值与理论值进行比较。3.观察管径突然扩大时漩涡区测压管水头线的变化情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况。二、实验设备(见实体实验装置)三、实验原理由于边界形状

19、的急剧改变，主流就会与边界分离出现漩涡以及水流流速分布的改组，从而消耗一部分机械能。单位重量液体的能量损失就是局部水头损失。局部水头损失：管道局部水头损失目前仅有突然扩大可采用理论分析。其它情况则需要用实验方法测定值。突然扩大的局部水头损失可应用动量方程与能量方程及连续方程联合求解得到如下公式：， ， 式中：和分别为突然扩大上游管段的断面面积和平均流速；和分别为突然扩大下游管段的断面面积和平均流速。1、突然扩大：（理论上） 定时采用三点法计算，由于水柱高差中既存在局部阻力，又含有沿程阻力，所以可通过设置在突扩前后各测点读取数值后，经流长比例换算后，可得出。计算实测：hw=hj+hf1-2； h

20、j= hwh23/22、突然收缩经验值：，实验用四点法计算，同样，在读得突缩管段的水头损失后，按流长比例换算，分别将两端沿程损失除去，由此得：hj= hw- hf4-5= hw-（h34/2+h56）四、实验步骤1.熟悉仪器，记录有关常数。2.检查各测压管的橡皮管是否有气泡及接头是否接紧，如有气泡应先反复将管内及橡皮管内气泡排出。3.检查尾阀全关时，测压管的液面是否齐平，若不平，则需排气调平。4.启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。5.慢慢打开尾阀，使流量在测压管量程范围内最大，待流动稳定后，记录测压管液面标高，用重量法测量管道流量，记录体积V,时间t。6.调节尾阀改

21、变流量，重复测量68次。五、数据记录与处理有关常数：大管直径 D= cm; 大管断面面积A1= cm 2小管直径d= cm; 小管断面面积A2= cm 2记录数据表格测次重量 m体积cm3 时间S 流量cm3/s测压管读数cmgVtQh1h2h3h4h5h61234567计算处理表格状态测次实测流量流速1流速水头流速2流速水头测压管高差cm局部损失cm阻力系数阻力系数Qcm3/s1cm/s2cm/sh23h34h56hj理 实测突然扩大1 2 34567突然缩小1234567六、结果要求：1、分别列出突然扩大与突然缩小局部损失计算公式并计算。2、实测突然扩大阻力系数与理论阻力系数比较。实验七

22、流线演示实验一、 实验目的1、 应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以观察在不同边界情况下的流线、旋涡等，增强对流体运动特性的认识。2、 应用流动演示仪表演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡衔现象及非自由射流等，增强对这些现象的感性认识。二、 实验设备与仪器流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。而通过各种演示设备就可以演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。现以后者为例加以说明。图1为流动演示仪的示意图。该仪器用有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示出不同边界条件下的多种水流想象，并显示相应的流线。整个仪器由7个单元组成，每个单元都是

23、一套独立的装置，可以单独使用，亦可以同时使用。图1 流动演示仪三、 实验步骤（一） 操作程序接通电源，打开开关。（二） 演示内容型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装置能十分清晰地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状况及卡门旋涡现象。1、 驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。2、 边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离点的位置及分离后的回流形态。3、 卡门涡衔：即圆柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游两侧产生旋转方向旋涡，并流向下游。型：显示桥墩、机翼绕流的流线。该桥墩为圆头方

24、尾的绕流体。水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡衔，并可观察水流绕过机翼时的流动状况。型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板的过流（或丁坝）纵剖面上的流线图像。1、 在逐渐收缩段、流线均匀收缩，无旋涡产生；在逐渐扩散段可看到边界层分离现象而产生明显的旋涡。2、 在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有小旋涡出现；孔板后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。1、 在突然扩大段出现强烈的旋涡区。2、 突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。3、 在直角转弯处，流线弯曲，越靠近弯道内侧，流速越小，由于流道很不顺畅，回流区范围

25、较广。实验八 伯努利方程实验一、实验目的 1、观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析，加深对能量方程的理解。 2、掌握一种测量流体流速的方法。3、验证静压原理。二、实验装置实验台包含有稳压水箱、实验管路、毕托管、静压测点、测压管、压差板、控制阀门和计量水箱(见实体实验装置)三、实验原理不停运动着的一切物质，所具有的能量也在不停转化。在转化过程中，能量从一种形式转化为另外一种形式，即遵守能量守恒定律。流体的流动遵循伯努里能量方程。即 数式中： Z 位置水头 速度水头 压力水头其中能量损失是由沿程摩擦损失和局部能量损失两部分组成。 四、验证原理1. 验证静压原理：启动

26、水泵，等水灌满管道后，关闭供水和尾部两端阀门，这时观察能 量方程实验管上各个测压管的液柱高度相同，这是因为实验管内的水没有流动，也就没有流动损失，因此静水头的连线为一平行于基准线的水平线， 即在静止不可压缩均布重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和保持不变，并且测点的高度和测点的前后位置无关。2验证能量守恒定律测速：能量方程实验管上的每一组测压管都相当于一个皮托管 ，可测得管内任一点的流体点速度，本实验台已将测压管开口位置设在能量方程实验管的轴心，故所测得压强为轴心处的，即最大速度。 轴心速度： 式中： 任一断面毕托管与静压测点之间压差。平均流速： 式中： 实验断面截面积；根据体积法

27、用计量水箱所测流量。 根据以上公式计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速添入表格，可验证出连续性方程。对于不可压缩流体稳定的流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。五、操作步骤 1打开供水阀门使水箱溢流后，检查出水阀门关闭后所有测压管水面是否齐平，若不平并加以排气调平。2打开出水阀门观察测压管线和总水头线的变化及位置水头，压强水头之间的关系，观察当流量增加或减少时测压管水头变化情况。3调节流量最大，最下及中间值3次，待流量稳定后，每次测量并记录不同管径测压管的读数，同时用秒表，小桶重量法测流量。六、数据记录与处理 常数： 均匀管d1= ; 细管d2= ;粗管d3= A1= ; A2= ;A3= 水箱液面高程= cm 上管道轴线高程= cm （基准面选在标尺的零点上，表中1-16的读数代表测点编号）1、 实验数据记录： 管径记录表测定编号oA1、2 B3、4C5、6D7、8E9、10 F11、12 G13、14 H15、16管径d(cm) 测点间距离(cm) 各测点读数表测定编号h1h2h3h4h5h6h7h8h9h10h11h12h13h14h15h16实验次数 流速