水力学实验(文华)

水力学实验莫逎榕编华中科技大学文华学院城建学部2012.6目录流体静力学实验………………2局部水头损失实验……………5文丘里流量计实验……………15孔口、管嘴实验………………18雷诺实验………………………21

流体静力学实验1.1.实验目的1．观察测点的测压管水头（位置水头与压强水头之和），加深对静压强公式的理解2．求未知液体的密度1.2.实验装置图1.1是一种静水压强实验仪。管1和管2的一端与盛水容器联通，另一端通大气。它们的液面应该平齐。如果管1和管2的液面高于容器内的液面，则容器内的密封气体的压强p0高于大气压pa。管3是容器的连通管，其液面应该与容器液面平齐。容器内的气体压强p0可以改变。打开阀门K2，挤压加压打气球，则p0升高。加压结束后要注意关闭K2。如果要降低p0，则打开阀门K2,用吸气球将容器内部的气体抽出。管5、管6是真空管。管7、管8是U形管，内部盛水，并且在管8的水柱水面上灌入油液，油柱高度H可用尺子测量。本实验将要测量油液的密度其密度为P'。1.3.实验原理流体静力学的基本方程是pz+ =常数 （1.1）Pg密封水箱的两个测点C和D的位置高低不同，但管1、管2液面高程是相同的，这就是说明静止液体内任意一点的位置水头与压强水头之和（称为测压管水头）是相同的。盛有某种未知密度液体的U形管，其液柱高差是由于压差p0-pa引起的，故有P-p=Pg（z-z）=P'gH+pg（z-z-H）TOC\o"1-5"\h\z0a 2 3 8 7（1.2）E=（z2一z3）一（z8一z7）+1（1.2）\o"CurrentDocument"P H水的密度P是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度P'。式中的z2和z3可以直接读出，管7和管8没有刻度，z8-z7可用尺子测量管7和管8的高差，这样就可求出（z8-z7）。值得注意的是，当管8的油面高于管7的水面时，（Z8-Z7）为正，当管8的油8 7 8 7面低于管7的水面时，（z8-z7）为负。1.4实验步骤用直尺测量管8中油柱的高度。关闭阀门K],K3，打开K2，挤压加压打气球，使密封水箱的液面气体压强p0逐渐增加，当管1、管2的液面上升至相当的高度时，关闭阀门K2。观察密封水箱的密封效果：加压时，管1、管2的液面也随上升。加压结束后，管1、管2的液面应停止在某一高程位

置，不再变化。如果密封效果不好，管1、管2的液面将不停地下降，这就说明水箱漏气。应设法处理。读取管1、管2和管3的液面高程读数，用尺子测量管8与管7液面高差(z8-z7)并填入数据表。注意(z8-z7)有正负。87改变密封气体的压强，重复上面的步骤进行测量。本实验测量4组数据，其中，p0>pa和p0<pa的情况分别测量2组数据。图1.2静水压强实验数据表数据整理及误差分析流体力学实验的数据整理是件复杂的工作，为此，可编制数据处理系统供实验课使用图1..2是本室研制的数据处理系统的静水压强实验数据表界面。实验装置中的未知液体的密度值为827kg/m3。由数据表看出，测量误差很小。思考题1．在什么情况下，管2，3的液面平齐？2．当管2，3的液面平齐时，管7管9的液面是否平齐？为什么？4.观察管7和管8的液柱，如果判断油的密度P'和水的密度P哪个较大？局部水头损失实验2.1实验目的测量管流中突扩管和突缩管的局部水头损失2.2实验装置稳压水箱并确定局部损失系数。测压管读数板尾阀A回水管进水管2.1实验目的测量管流中突扩管和突缩管的局部水头损失2.2实验装置稳压水箱并确定局部损失系数。测压管读数板尾阀A回水管进水管 U 局部水头损尖实验仪 U图2.1局部损失实验装置图2.1所示的局部水头损失实验仪，由水泵、稳压水箱、实验管段，局部损失（截面实扩、截面突缩）管件、6支测压管。稳压水箱设置有溢流板。当产生溢流时，水面总是稍高于溢流板顶部，水位保持恒定，如果没有发生溢流，则水位就可能不为恒定。实验管道由三个管段组成。各段的管道直径在实验台的标牌上显示。图中的A处，管道截面发生突然扩大，而在B处，截面发生突然缩小。管道突扩处A设有气阀K,用于排除突扩处可能产生并滞留不动的气泡。管道的尾阀用于控制水流量。管道上设置6个测压孔，位置如图所示。这些测孔的压强通过软管传输到测压管，测压管水柱液面高程可用读数板的标尺测量。2.3实验原理对局部损失管件的上、下游某断面应用伯努利方程，就可以求得局部水头损失，现分别予以说明。突扩管：对于测压管1，2所在截面伯努利方程为，则有：

z+j+十=zz+j+十=z-+—1Pg2g 2Pgv2v2h++=h+t-+h+h12g2 2gjAv2f12v2+h+hjA f12(2.1)式中，截面1、2的压强水头用水柱高曾和h2表示。h.A是截面突扩处的局部水头损失。hf121 2 jA f12是截面1、2之间的沿程水头损失。hf12无法直接测量。截面1、2之间的管长l12是截面2、3之间的管长l23一半，hf12应该等于截面2、3之间的沿程水头损失hf23的一半。而截面2、3之间的沿程水头损失hf23就等于压差水头，即水柱高度之差，hf23=h1-h2。由式(2.1)得到截面突然扩大的局部水头损失的计算式：2.2)h=匚一^=1 2+h—h—0.5(h—h2.2)jA 2g 2g1 2 2 3水柱高度用尺子量测。速度可以用流量除以截面积得到。流量可用两种方法获得。一种是直接读取流量计的显示值，另一种是用体积法测量流量，用量筒接水，接水体积除以接水时间就得到流量。流量不大时，流量计的测量值误差较大，本实验用体积法测量流量。截面突然扩大的局部水头损失匚的经验公式为：TOC\o"1-5"\h\z:=(令—1)2 (2.3)2将经验值和实测值相比较，就可以估算测量误差。突缩管：对于截面4、5之间的水流应用伯努利方程：p v2p v2z+4+—=z+4+亠+h+h4Pg2g 5pg2g jBf45(2.4)v2 v2h+4=h+5+h+h42g 52g jB f45截面4、5之间的沿程水头损失hf45等于截面4、B之间的沿程水头损失hf4B与截面B、5之间的沿程损失hfB5之和。3、4、B、5、6之间的距离由如下关系式：l4B=0.5l34，lB5=l56，因fB5 4B 34B556而hf4B等于截面3、4之间的沿程水头损失的一半，hfB5等于截面5、6之间的沿程水头损失,v2 v2—v2TOC\o"1-5"\h\zh=匚一^=4 5+h—h—0.5(h—h)—(h—h) (2.5)jB 2g 2g 4 5 3 4 5 6实缩管的局部损失系数的经验公式为:=0.5(1—Ar) (2.6)4比较实测值和经验值，就可以测量误差。测量内容：流量(用体积法)，h1，h2，h3，h4，h5和仪，共测量5~6组数据。1 2 3 4 5 62.4实验步骤接通电源启动水泵。缓慢打开进水管的阀门，让水徐徐进入水箱，水位慢慢提升。同时打开试验管段的尾阀至最大。水流稳定时，水箱水位应略高于溢流板5mm左右。

仔细观察管道的突扩处A,突缩处B,以及测压管内是否出现气泡，若有气泡，应设法排除。4．用体积法测量水流量。一人接水另一人计时。注意接水和计时保持同步。记录各测压管的读数。由于表面张力作用，测压管的水柱表面呈现弯月形，读数时眼光平视，读取弯月形液面最低点的高程读数。关小尾阀，使流量变小，继续进行测量。调节阀门时，等待1~2分钟，水流稳定后方可读数。本实验共测量5~6组数据。图2.2局部损失数据表6．实验结束后，关闭水泵，切断电源。擦干净桌上的渍水。用拖把清理地面积水。保持良好的实验环境。2.5实验数据处理利用数据处理系统计算各种数据。只要将流量，测压管水柱高度填入表格，系统自动算出各种局部损失系数。2.6思考题实验过程中，实验管段和测压管是否出现气泡？出现气泡时逆如何处理？对于本装置，按经验公式计算出来的局部损失系数是多少？将经验公式的计算值与你的实测值比对，误差多大？你认为误差的原因由哪些？

文丘里流量计实验3.1实验目的测量文丘里流量计的流量系数3.2实验装置稳压水箱nuDDDnnDDDnnDDDU测压计9尾阀回水管进水管■H—稳压水箱nuDDDnnDDDnnDDDU测压计9尾阀回水管进水管■H— LJ 文丘里疣量计实验仪 LI图3.1文丘里流量计实验装置图3.1是本实验仪置，它由水泵、实验管段、测压计组成。流量的测量采用手工体积法，即将水接入量筒，用秒表记下接水时间，体积除以时间就得到流量。现对装置介绍如下：1．供水器由离心泵，进水管，回水管组成。离心式水泵将水经由进水管输入稳压水箱稳压水箱设有溢流板，其作用是：当水箱内的水发生溢流时，水位能保持恒定。如果水泵的压强较高，稳压水箱的水面就出现波动，此时应关小进水管上设有的进水阀门，使压强降低，波动消失。文丘里流量计和孔板流量计文丘里流量计安装在实验管段上。图3.2是文丘里流量计示意图。文丘里管由收缩段、喉部、扩散段组成，各部分的直径标于实验台的标牌中。图中，测压孔1开设于收缩段上游，测压孔4开设于喉部。1、4的压差用复合压差计测量。

文丘里流量计属于节流式流量计。文丘里管的截面积发生变化，强制地改变局部地方的管流速度和压强，测量其压差就可以计算管道流量。文丘里流量计收缩段段的收缩角为20°~25°，折角处圆滑，尽量接近流线型。喉部是文丘里流量计的断面最小的部位，此处的流线曲率半径相当大，流动可视为缓变流，扩散角一般为5°~15°。文丘里流量计是测量流量的仪器，在使用之前，要预先测量它的流量系数，称为流量计的标定。3.3实验原理文丘里流量计安装实验管段的中部。对于图3.2所示的测压管1，4所在断面应用努利方程(相应的参数用下标1，4表示)，则有厶+pgv2v2厶+pgv2v22gpg—4-2g3.1)利用连续性方程卩”产V4A4，上式可化为3.2)i'2(p-p)/3.2)TOC\o"1-5"\h\zV二 + 41-(d/d)44 1压差用复合测压计测量，则有：P=P-pg(z—z)+pg(z—z)+pg(z—z)1 4 4 0 3 2 1 0p一p=pg(z+z一z一z) (3.3)1 4 13 2 412g(h+h一h一h)V= 13 2 44 1-(d/d)44 1速度与截面积相乘就得到流量，上面的计算中没有考虑粘性的影响，因此，流量的表达式可修正为八， 兀d2J2g(h+h—h—h)3.4)Q二UAV二卩4 132 43.4)444 1—(d/d)4444 1式中，U称为文丘里管的流量系数，工艺精良的文丘里流量计的流量系数U达0.99以上。标定文丘里流量计的流量系数U的方法是：用体积法测出流量Q,读取测压管的液柱高度。利用式(3.4)确定U的值。3.4实验步骤1．启动水泵，向水箱充水，关闭尾阀。观察各测压管，如果发现有气泡，应设法将其排除。2．合理调节进水阀、尾阀，使流量稳定，测压管的液面高度适中。记录各测压管的液柱高度。用体积法测量管流的流量。流量要求改变6次。改变流量时，要等待2〜3分钟，水流稳定后方可读数。测量内容：流量（体积法），4支测压管的水柱高度：坷，h2,h3,h4。共测量5〜6组数据。3.5数据表图3.3是数据表的界面。由表中看出，1、5组数据的流量系数偏小。产生误差的原因，可能是水流尚未稳定就开始读数。高度读数刻度只精确到mm,用人工判读也产生误差。此外，水柱液面常发生波动，其高度不易确定。图3.3文丘里流量计实验数据表3.6思考题卩的值可能大于1吗？影响卩取值的因素有哪些？请叙述实验操作过程中出现的技术问题及处理方法。请对你的实验结果进行分析。4孔口、管嘴实验4.14.1实验目的测量孔口，管嘴的流量系数4.2实验装置稳压水箱回水管进水管回水管水泵

水箱回水管进水管回水管水泵

水箱孔口、管嘴实验仪图4.1孔口、管嘴流量系数测定实验装置图4.1是孔口、管嘴实验装置图。水箱里有溢流挡板，用以保持水位恒定。从管嘴、孔口射出的水流落到接水槽，流向出水口。2、3为管嘴，4为用于切换管嘴或孔口。2、3为管嘴，4为用于切换管嘴或孔口。203001O40D1•圆角管嘴Z直角管嘴3203001O40D1•圆角管嘴Z直角管嘴3.锥形管嘴4.孔口1•圆角管嘴2.直角管嘴3.锥形管嘴4•孔口E=l.0=0.98-1.0s=0.63-0.64心0.9-0.98!>=0.82!?=0.9-0.96=0.97-0.98牛0.9-0.98/J=0.82/J=0.9^-0.96/J=0.9-0.9605-0.25^=0.5J=0.09-0.25J=0.060-0.062图4.3管嘴、孔口结构图图4.2管嘴、孔口布置图管嘴、孔口的结构形状对水头损失有影响。图4.3是3种管嘴和一个孔口的结构图。图中还列出了射流出口的面积收缩系数、速度系数、流量系数和局部损失系数实验值的变化范围。图4.4图4.4电子流量计控制面板本实验流量计测量流量。图4.4是流量计的控制面板。流量显示值的单位是mils，即10-6m3/s。流量计在使用前必须调零。4.3实验原理图4.5表示孔口和管嘴的流动图案。我们先推导孔口的流量公式。设水流从孔口流出，射流的断面C-C的面积最小，该断面称为射流的喉部。喉部截面积AC与孔口面积A之比£称为面积收缩系数，即A=£A。在Cc喉部附近，流线的曲率半径很大，流动可视为渐变流，对于水箱液面0-0和射流喉部断面C-C应用伯努利方程，则有图4.5图4.5孔口和管嘴的流动图案4.1)z+匕=z+仝+Q+G二4.1)0Pg cPg 2gvc= 2gH=帖2gH (4.2)c心+匚7.3)式(4.2)中的H是孔口的作用水头，即孔口中心与水面的高差。Q称为速度流量系数，通常,P=0.97〜0.987.3)Q=AV=£AV= t2gH=pA：2gHcc c式中，A是孔口的面积，卩(=£Q)为孔口的流量系数。测出流量Q和水头H,按上式计算孔口的流量系数P的实验值。管嘴自由出流时，水流虽然也出现收缩，但喉部位于管嘴内部。喉部的流速大，压强小。真空压强有利于管嘴出流。对水箱液面0-0和管嘴出口水流断面1-1应用伯努利方程，则有

pp v2Z+a=z+a+（a+匚）

0Pg1Pg 2g这里，v是管口的流速。用H管嘴中心与水面的高差。v的计算式可写成v= 2gH=A；2gH+Q（4.4）4.5）Q=AV=叭（4.4）4.5）Q=AV=叭2gH=叭'丽4.6)卩（=9）称为管嘴的流量系数。测出流量Q和水头H，按上式计算管嘴的流量系数卩的实验值。上面提到，管嘴内部的真空压强有利于管嘴出流，因而管嘴的流量系数大于孔口的流量系数。本实验设有3种管嘴，每一种管嘴的流量系数都用类似办法测定，但其流量系数各不相同。其中进口为圆角的管嘴流量系数最大，圆锥管嘴其次，直角管嘴最大。而孔口比管嘴的流量系数都要小。7.4实验步骤1．关闭孔口和管嘴，开启水泵，向水箱充水。2．转动防水挡板至1号管嘴，然后拔出1号圆角管嘴的软胶塞子，再将防水挡板旋转离开管嘴口，水箱的水箱便形成管嘴出流。记录管嘴出流时的水箱水位。4．将电子流量计的测量按钮旋转至圆角管嘴指示处，记录流量。5．将防水挡板转动至1号管嘴口，堵塞管嘴口后拔出软胶塞子。转动防水挡板至1号直角管嘴，进行类似操作，读取直角管嘴出流时的水位。阙欢流量计的按钮至直角管嘴指示处，记录直角管嘴出流的流量。进行类似操作，测量圆锥管嘴出流的水位和流量。进行类似操作，测量出流时的水位和流量。孔口出流实验需测量孔口射流喉部的直径。方法是：孔口出流时，移动孔口两侧的滑块，使其刚好抵触孔口射流的边缘。固定住滑块。然后旋转防水挡板堵住孔口，塞紧孔口的软胶塞子。水泵进水阀门。关闭电机。测量孔口射流最小截面的直径。方法是：打开游标卡尺，使之贴近孔口两侧的固定滑块，读出两个滑块之间的距离。这就是孔口射流喉部的直径d。参见图4.6。6．测量结束。测量内容：流量（体积/时间），孔口、管嘴出流时的水面高程和流量。4.5数据表及实验结果分析孔口、管嘴的实验数据参见图4.7。各种参数与图4.3的数据吻合。管嘴的出口面积没有发生收缩，d等于管嘴直径，收缩系数均为1。孔口的射流最小断C面的直径为dc，收缩系数按£=（dc/d）2计算，而流速系数按申=卩/匕计算。孔口射流喉部直径d不易测出，常常出现较大误差。c图4.7管嘴、孔口出流实验数据表7.6思考题1．孔口的流速系数不可能大于1.0，为什么？2．管嘴和孔口的截面积相同。管嘴的流量系数大于的孔口的流量系数，为什么？3.各种管嘴的流量系数为什么不相同？雷诺实验5.1实验目的观察红色液线所演示的流态。确定管流临界雷诺数。5.2实验装置图8.1是雷诺实验的装置。本实验装置由水泵、稳压水箱、试验管段、红色液线注射器组成。稳压水箱向管道提供恒定水流。管段的尾阀用于控制流量大小。在水箱的上部设有红色液体容器，其下部的出口连接一条细软管，再接入注射针头。红色液体的流量由一个小阀门控制，使用时可适度打开，不适用时立刻关闭。5.3实验原理由流体力学知道，水流速度大，亦即雷诺数大时，流态为紊流。水流速度小时，亦即雷诺数小时，流态为层流。层流与紊流的临界状态的雷诺数称为临界雷诺数。当速度由大到小变化时，雷诺数从大变小，流态从紊流变为层流，其临街雷诺数称为下临界雷诺数，大约是Re=2300。当速度由小到大变化时，雷诺数从小变大，流态从层流变为紊流，其临界雷诺数称为上临界雷诺数，上临界雷诺数比较大，有些实验的上临界雷诺数为10,000多，有些实验的上临界雷诺数高达50,000。

本实验主要目的是观察两种流态，并测定下临界雷诺数。同时也实验性地测量上临界雷诺数，看能否得到一个确定值。本实验需要得到水流速度，以便计算水流雷诺数，速度等于流量除以截面积，因此实际测量的内容是流量。本实验的流量较小，不能使用流量计。一本的流量计测量小流量时，误差很大。测量流量使用量筒、秒表测量。改变流量时，要等待几分钟，流动稳定后方可测量。小流量的测量比较费时。充水时间往往超过1分钟。稳压水箱尾阀回水管进水管

t—尾阀回水管进水管

t—图5.1雷诺实验装置计算管流雷诺数时，需用到水的运动粘度。运动粘度与水温有关。本实验用温度传感器测量水温。水的运动粘度V可以查表，也可以用经验公式求：8.5)1.775xlO-8.5)V= 1+0.0337t+0.0002212式中，水温t单位是。C,V的单位是m2/so5.4实验步骤1．启动水泵，向水箱流水，待水位稳定后才全开尾阀，以便冲洗管道，排除管内气体2•微微打开尾阀，使流量慢慢增加。慢慢打开红色液体的阀门，使红色液体流出。观察小流量的红色液线形状。流量较小时，如果能看到红色