【水力学】-水力学实验指导讲义

22PAGEPAGE3（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； 5u型测压管； 6、通气阀； 7、加压打气球； 8、截止阀； 9、油柱； 10、水柱； 、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；D2、仪器名牌所注▽B、▽c、▽、系测点B能够、C、D标高；若同时取标尺DB零点作为静力学基本方程的基准，则▽B=ZB；▽B

=ZC；▽

=Z ；D；DB3、本仪器中所有阀门旋柄顺轴线为开。B三、实验原理1、重力作用线不可压缩流体静力学基本方程Zp

constpp0

hz 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：0S0 0w

h1hh1 2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（1.1。3、量测点静压强（用厘米水柱表示。H1）6（p=，记录水箱液面标高▽02液面标高▽H（此时▽▽。0= H2）68p0(取不同数0 0 H值，重复实验三次)3）p0(取不同数值，重复实验三0 0 H次)4、测油的比重S001）开启通气阀6，测记▽；02）6，打气加压（p00U型管中水面与油水交界面齐平，测记▽0（此过程反复进行三次）3）11（p0，0五、实验成果及要求实验台号NO实验日期：1、记录有关常数各测点的标尺读数为▽B五、实验成果及要求实验台号NO实验日期：1、记录有关常数各测点的标尺读数为▽B=▽C==▽Dγ=W21.1A|BCD、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 。0压强水头实验条件次压强水头实验条件次序水箱液 测压管面▽0液面▽HpA▽-▽pB▽-▽pCH 0H B▽-▽H CpD Hp 001p 01023p 010（次2p 0）3BD注：表中基准面选在 Zc= cm；Z= cmD4条件次序水箱液面标测压管液面条件次序水箱液面标测压管液面尺读数▽ 标尺读数▽h ▽hh ▽2= 0 H1h20H1= H 0p00U型管中1水面与油水交界面齐平23p00U型管中1水面与油面齐平23PAGEPAGE8PAGEPAGE9六、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pB0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0。4、如果测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响?5C125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；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；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（2.1中标有*的测压管，用以定性测读总水头；2、普通测压管（2.1中未标*者，用以定量测量测压管水头。13调节，流量由重量时间法量测（以后实验类同。

6、11、三、实验原理根据能量方程z

p v21 11 z

pi

ivi

2hw21 2g

i 2g

1i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。52次(大到小)19号测管液面接近标尺零点。五、实验成果及要求实验台号NO 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= cm0水箱液面高程▽= cm 上管道轴线高程= cm0间距4466间距4466413.5610291616测点编号1*2456*8*1012*14*16*18*管径cm37911131517192、量测 （Zp）并记入表2.2。表2.2 测记（Z

p）数值表 （基准面选在标尺的零点上）测点测点编号实234579 1011131517191验2次数33、计算表2.3流速水头和总水头。4、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dQ=1dQ=1（cm3/s）Q=2A（cm2）（cm3/s）v22g（cm）Q=3（cm3/s）(cm)A（cm2）V（cm/s）v22g（cm）V（cm/s）A（cm2）V（cm/s）（（2）总水头（

Zp测点编号2测点编号234579101113151719Qcm3/s实 1验2次数 3

2）2g10PAGEPAGE22PAGEPAGE23六、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。一、实验目的

（三）文丘里流量计实验1、测定文丘里流量系数；2二、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d2d24 1( 1)41d2g(Z p)(Z112p2d)hQ h22g(2g(d /d)411 2K d2 /4 1式中h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（文丘里流量系数μ）hQQh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（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NO实验日期：1、有关常数d1= cmd2=cm水箱液面标尺▽=0cm，管轴线高程标尺▽= cm2、记录计算表格3.1。3、绘制Q△h图。~次数12电测仪读数（h次数12电测仪读数（h）水量（cm3）测量时间（t）Q(cm3/s)Q(K h)Q(cm3/s)Q3456789六、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）cmd2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（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。2i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； 、滑尺； 12、上回水管。说明101、23、4用以测4用以改变测点流速。三、实验原理2ghh2guc 2ghh2g式中u 毕托管测点处的点流速；c 毕托管的校正系数；毕托管的全压水头与静压水头差。2gHu2gHhh/H式中

cu 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。26~102~5%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NO 实验日期：实验测次上、下游水位计hh毕托管测压计h测点流速测点流速系数cm1cm2Hcmcm实验测次上、下游水位计hh毕托管测压计h测点流速测点流速系数cm1cm2Hcmcmh3cm4huk hcmcm/sc h/H123六、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h和管嘴上、下游水位差H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

ReVd

4KQ K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。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）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。五、实验成果及要求实验台号NO 实验日期：1、有关常数管径d= cm 水温t= c运动粘滞度

0.01775 10.0337t0.00022t2

cm2/s计算常数K= s/cm32、记录计算表格阀门开度增（↑）或减（↓）阀门开度增（↑）或减（↓）备注下临界下临界下临界上临界实测下临界雷诺数（平均值）Re实验颜色水水量时间Q雷诺数次序形态(cm3)(s)(cm3/s)Re1完全散开弯曲断线稳定直线2完全散开稳定直线3稳定直线4完全散开六、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；3Re~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。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hf

l v2d 2g得

2gdhf

1 2gdhf

( d2

/Q)2Khfl v2 l 4 Q2K2gd5/8l另由能量方程对水平等直径园管可得h (p p)/hf 1 2四、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）1210，10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）102~3分钟，流量愈小稳定时8~10秒；2）1~3cm220cm2组；以40cm280cm2100cm2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NO：1、有关常数实验日期：园管直径d=2、记录及计算表7.1cm量测段长度l cm3、绘图分析。根据测量结果绘制lgv~lghfm的大小。在厘米纸上绘制。流量Qcm3/s流速vcm2/s水温流量Qcm3/s流速vcm2/s水温oC黏度νcm2/s雷诺数Re测压计读数cm沿程水头沿程损失hcm损失f测次体积cm3时间s123456789101112131424PAGEPAGE32PAGEPAGE31六、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。一、实验目的要求

（七）水面曲线实验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i gxkk c2Bk kx Bqq23gh

2hkk1c k n k

1/6kkR Bhkkk B2hk k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ik值。4ii（均k匀流）时的水面线。然后插入闸板2，观察闸前闸后出现的a3并将曲线绘于记录纸上。

和c型水面曲线，35ii（使底坡尽量陡些2，调节k开度，使渠道上呈现a2

、b、 c2 2

型水面曲线，并绘于记录纸上。60iik

、i0和i01，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。五、实验成果及要求实验台号NO1、记录有关常数实验日期：B= cm2、记录及计算n=L0= cm1）流量V（cm3）t(s)流量Q（cm3/s）2）计算临界底坡（以米，秒为单位）QQ（cm3/s）hAxRcB(m)k(m2)k(m)k(m)k(m)k（m）kik3、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i 的方法外，还有其他什么方法？k2、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。一、实验目的

（八）堰流实验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H堰过流能力的影响。2m和淹没系数s

的实验技能，并测定无侧收缩宽顶堰的m及值。s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； 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； 、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 Qmb 2gH

3/20淹没出流 Qmb 2gHs

3/202、堰流量系数经验公式：（1）圆角进口宽顶堰m0.360.01

3p/H1

（p

/H≥3时，m=0.36）（2）直角进口宽顶堰

1.20.75p/H 11m0.320.01

3p/H1

（p

/H≥3时，m=0.32）0.461.5p/H 113、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、1 3上游水位▽及下游水位▽。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H0：1 30 2▽-▽0 2QV0b( )Q1 2H 1 00 2H0H 0 2g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：QAhB (cm3/s)h (cm)01 00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。01 00A、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流，同时满足2.5/H10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（）4（需待5分钟左右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h/H 0.8。测记s 0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）izhou6QH值。由堰流公式确定

，式中m需根据H值由sm~f2(H)（误差不大于2%）2)4Q根据堰流计算公式可得s

Q/Q。sh2次。五、实验成果及要求s实验台号NO 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=上游堰高P1=cmcm堰顶高程▽0=cm三角堰流量公式为QAhBcm3/sh 01 00cm其中，三角堰顶高程00= cm；A= ；B=（2）计算流量系数测记表8.1六、实验分析与讨论1H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2.5/H10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？堰型三角堰上游水位▽实测堰型三角堰上游水位▽实测流量Q（cm3/s）堰上游水位▽行进流速流速水头V2/2g堰顶总水头流量系数（m）下游水H（cm）1V0(cm)0（cm）0实测值经验值堰下游水位（cm）位超顶高h(cm)s（cm）01（cm/s）直角进口圆角进口第五章有压管道中的恒定流5.2已知：预制混凝土引水管 查表（P118）n=0.01~0.013D=1m,l=40m, =0.4 D =70m,D =60.5m,D =62.0m Q上 下 管底c解：自由出流流量公式Q=μ A 2g H n取0.013co作用水头H=70-62.5=7.5m(管道形心点与上有水面的距离)oA=4D2= 4 ㎡π πcμ = 1c21 d2

假设在阻力平方区 =8g c2C=Rn

6= 110.0131

11×( )614

=61.05(m 1/s)故 =8gc2

=0.021 μ =c

11 d

=0.668Q=0.668×4×2g . 7.5=6.36（m3/s)πV=Q6.36=8.10m/s>1.2m/s 原假设成立A π45.4Z

=4.5m,l=20m,d=150mm,l

=12m,d

=150mm,=0.03sξ =2.0，ξ自网

=9.0，ξ水泵阀

1=0.3，h900

16m（）Qv 泵（2)Z122（1）解：水泵安装高度为：1Z≤h-（α+γl1

+）v2 故 =(h-Z)2g/(α+l1v21

+)s v d1

2g max v s d1=(6-4.5)×19.6/(1+0.03×0.15=2.15

+9.0+0.3)故v =1.52（m/s) Q =v

.A=1.52×πd

2=0.0269(m

/s)max

max

max

41 32gz(2)对于自流管：Q=μ 2gzc

作用水头Z=2/

2A22gcd4

2=0.018μ = 1 = 1 =0.378c d

0.03

200.15

21故Z= 0.02692

=0.83（m)0.372

0.012 19.65.6已知：d=0.4m,H=4m,Z=1.8m,l1

=8m,l2

=4m,l3

=12m求（1）Q（2）p 的断面位置及hmin vmax解1）淹没出流QμcA 2gzμ = 1

(n的取值及ξ的取值都要明确)c d

1 (0.4)1n0.013，c=1

R1= ×

6=52.41(m

1/s)