水力学实验指导书样本

本科教学实验指引书水力学实验易文敏编写李克锋四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室

前言水力学实验课基本任务是：观测分析水流现象，验证所学理论，学会和掌握科学实验办法和操作技能，培养整顿实验资料和编写实验报告能力。在进行实验过程中，要注意培养自己动手能力和独立工作能力。使每个实验者有观测现象，进行操作和组织实验机会，并能独立进行整顿分析实验成果，受到实验技能基本训练。各项实验分别简介了每个实验目、原理、实验设备、环节、注意事项，以及可供实验者编写实验报告时参照表格。规定做好实验后，实验者要独立认真完毕一份实验报告，准时交指引教师批阅。为了使实验者能进一步地掌握和巩固关于实验内容，每个实验项目结尾都列有一定数量思考题，供实验者进一步进一步思考，并规定在实验报告中作出书面回答，随实验报告交指引教师审视批改。

实验一静水压强一、实验目：实测容器中静水压强;测定X液体容重；通过实验，掌握静水压强基本办法和理解测压计应用。二、实验设备：如图所示，1管和2管、3管和4管、5管和6管构成三支U型管，其中5管和6管构成U型管装X液体，别的U型管装水。1管、3管和5管与大气连通，2管、4管和6管与水箱顶部连通。3管和4管构成U型管底部与水箱A点连通，1管和2管构成U型管底部与水箱B点连通。水箱底部与调压筒连通。三、实验原理：运用调压筒升降来调节水箱内液体表面压强和液体内各点压强。依照静水压强基本公式：p=p0+h可得pA=水(▽3-▽A)pB=水(▽1-▽B)由于2、4、6管与水箱顶部连通，因此2、4、6管液面压强与水箱液面压强相似，于是可得：p0=水(▽1-▽2)=水（▽3-▽4）=X（▽5-▽6）X=水或X=水若水箱内气体压强p0≠pa,则p1≠p2、p3≠p4、p5≠p6。当p０<pa时，则水箱液体表面真空度pk=水（▽2-▽1）用水柱高来表达为：hk=▽2-▽1四、实验环节：认真阅读实验目规定、实验原理和注意事项。熟悉仪器，记录常数。第一种状态，将调压筒放到最底位置，放开水箱顶部弹簧夹，使水箱内部气压等于大气压，然后夹上弹簧夹，使水箱内部气体与外界大气隔断。分三次调高调压筒。每次调高后，等到水位稳定后，记录各测压管水位读数。第二种状况，将调压筒放到最高位置，放开水箱顶部弹簧夹，使水箱内部气压等于大气压，然后夹上弹簧夹，使水箱内部气体与外界大气隔断。分三次调低调压筒。每次调低后，等到水位稳定后，记录各测压管水位读数。登记表格(仅供参照)▽A=8.5cm▽B=0cm状态测次测压管液面高程读数（cm）▽1▽2▽3▽4▽5▽6p0′>pa123p0′<pa123计算成果表：(仅供参照)状态测次A点相对压强PA(N/cm2)pA=水（▽3-▽A）B点相对压强PB(N/cm2)PB=水（▽1-▽B）X液体容重(N/cm3)′=水水箱气体真空度hk（cm）hk=▽2-▽1p0′>pa123p0′<pa123五、注意事项：升降调压筒时，不能用力过猛，以免损坏仪器。测读测压管水面高程时应迅速、精确，并一律以自由液面凹面中心点位置为准。观测时，要保持眼睛、凹面中心点及刻度尺刻度三者在同一水平面上，以排除读数误差。六、思考题：简述如何测定容器内液体任意点静水压强。在什么状态下，U型管两边液面在同一水平面上。在实验中，调压筒作用是什么？实验二能量方程验证明验一、实验目：实测有压输水管路中数据，绘制管路测压管水头线和总水头线，以验证能量方程并观测测压管水头线沿程随管径变化状况。掌握“体积法”测流量办法。观测弯道水流压强分布规律。二、实验设备：实验装置由实验桌、供水系统、回水系统、量测装置、实验管道等构成。其中实验管道由直管、手收缩渐变管、扩散渐变管、弯管构成，在管道内安装有微型比托管，并有连通管与测压管相连接，实验管道壁上开有测压孔，同样有连通管与测压管相连接。三、实验原理：在直管、渐变管壁上开测压孔所测数值即是测压孔所在位置断面测压管水头，即z+。将各断面测压管水头水位沿流向连接起来，即是测压管水头线。用体积法可测出管道通过流量，运用持续性方程可计算出各断面平均流速和流速水，将各断面测压管水头与该断面流速水头相加，即可得到该断面总水头。各断面总水头连线，即为总水头线。微型比托管所测水头为比托管管嘴所在位置总水头。四、实验环节：熟悉实验设备后，打开尾阀，接通电源，启动供水系统。等到供水稳定后，用吸耳球排除测压管中气体。关闭尾阀，观测测压管中水位与否在同一水平面上，判断与否排完气体。打开尾阀，调节流量，使测压管水位在恰当高度。等到水位稳定后，开始测量。管道断面直径、面积表：断面编号1234567直径(cm)1.91.91.91.4511.451.9面积(cm2)2.842.842.841.650.781.652.84水头数据登记表：(仅供参照)断面编号1234567测压管水头毕托管所测总水头流量测定记录：(仅供参照)关于常数：量测水箱水平面积A=145cm2。测次量测水箱体积V（cm3）时间t(s)流量Q（cm3/s）平均流量Q（cm3/s）初高H1(cm)终高H2(cm)净高△H（cm）12计算成果表：(仅供参照)断面编号1234567断面平均流速v(cm/s)流速水头(cm)测压管水头z+(cm)总水头z++(cm)五、注意事项：流量不要太大，以免有些测压管水位过低，影响读数，甚至引起管道吸进空气，影响实验。一定要在水流恒定后才干量测。实验结束后，一定要关闭电源，拔掉电源插头。流速较大时，测压管水位有波动，读数时要读取时均值。实验时一定要注意安全用电。六、思考题计算1断面和5断面比托管所测点流速。绘制测压管水头线和总水头线。比较比托管所测总水头和用平均流速计算出总水头之间大小。分析水流在直道和弯道处测压管水头在各部位大小状况。实验三文丘里实验一、实验目：测定文丘里管流量系数μ值。绘制文丘里管流量Q与压差计压差△h之间关系曲线。学习、理解自动量测系统用法。二、实验设备：实验装置由实验桌、供水系统、回水系统、文丘里管等构成，其中文丘里管由收缩段、喉管和扩散段构成。在收缩段和喉管上开有测压孔，并与测压管连通。实验装置此外配备有自动测压和流量自动量测系统。三、实验原理：一方面列出1断面和2断面能量方程式，并设a1≈1,a2≈1，且不考虑两断面之间水头损失，则有：+=+(1)∵v1A1=v2A2∴v2=v1代入（1）式得：=[()2-1]V1=理论流量：QT=A1V1=A1QT=CTCT为文丘里理论常数。由于实际液体在运动中存在水头损失，故实际通过流量Q与理论流量QT有误差，因此把Q/QT叫做文丘里管流量系数，用μ表达：μ=四、实验环节：熟悉实验指引书，理解实验目、原理和设备构造。打开尾阀，接通水泵电源，给水箱供水。关闭尾阀，排除管道和测压管中气体，直到测压管水位读数相等。打开尾阀，使管道通过较大流量，且测压管水位均能读数。等到水流稳定后，开始测定测压管水位和流量，并记录。控制尾阀，减小流量，使测压管水位差减小4cm测次不不大于6次后，且压差分布均匀，实验可以结束。关闭电源。流量数据登记表：(仅供参照)量测水箱水平面积：A=145cm2测次量测水箱时间s流量Qcm3/s测压管水头初高cm终高cm净高cm体积cm3h1(cm)h2(cm)123456文丘里管断面直径、面积：d1=1.9cmd2=1cmA1=cm2A2=cm2计算成果表：(仅供参照)测次测压管压差△h(cm)文丘里管理论常数CT理论流量QT（cm3/s）实际流量Q(cm3/s)文丘里管流量系数μ1234567五、注意事项：在实验中，一定要注意用电安全。在操作过程中，动作不要过大、过猛，以免损坏仪器。使用自动量测系统时，一定要按教师规定进行操作。六、思考题：分析文丘里流量计所测理论流量与实际流量之间大小，并分析其因素。文丘里管能否倒装，并阐明因素。绘制Q-h关系曲线。实验四孔口与管嘴出流实验一、实验目：观测典型孔口及管嘴出流时流动现象及园柱形管嘴局部真空。测定孔口及管嘴出流时流量系数μ值。二、实验设备：实验装置由供水系统、恒定水头水箱、回水系统和量测系统构成。在恒定水头水箱侧壁上安装管嘴（或开有孔口）。此外配有秒表一字只。三、实验原理：孔口(管嘴)出流计算公式：vc==φQ=Ac×vc=εAφ=μAμ=式中为孔口出流时收缩断面处平均流速，H为孔口中心线上水头，Q为流量，Ac为收缩断面面积。四、实验环节：1.接通电源，启动水泵，给水箱供水。2.等到水位稳定后，逐个开通孔口（管嘴），认真观测出流现象，并测量水头及流量。园柱管嘴出流时，测量其收缩断面处真空度。量测水箱水平面积A=100cm2初高(cm)终高(cm)净高(cm)时间(s)流量(cm3/s)水头(cm)流量系数μ断面尺寸备注孔口（收缩）d=1.2cm孔口（喇叭）d=1.2cm孔口（方孔）1.2×1.2cm2管嘴（园柱）d=1.2cm管嘴（收缩）d=1.2cm五、注意事项：接通、关闭电源时要注意安全。实验时，动作要轻，不能用力过猛，以免损坏仪器。六、思考题：比较各孔口及管嘴流量系数大小，并阐明因素。实验五动量方程实验一、实验目：实测射流对平板或曲板作用力，并验证恒定流动量方程式。二、实验设备：实验装置如图所示，由实验桌、有压供水系统、喷流装置、天平、流量量测装置和回水系统构成。三、实验原理：恒定总流动量方程为：∑F=ρQ(β2v2x-β1v1x)水流从喷嘴中，以速度射向平面（或曲面），当水流被阻挡后来，对称分开，若不考虑摩擦力作用，水流将以同样大小速度离开平面（或曲面），即v1和v2大小相等，但方向不同。射流状况如图所示：当水流以流速v从喷嘴口射出，通过一种射流高度z到达平面（或曲面）后，其流速将变为v1，其关系是：=+z即v1=依照以上状况可得动量方程：R=ρQ(v1-v2cosα)由于ρ=，v1=v2=并设β2=1、β1=1，可得：R=Q(1-cosα)(α为流入方向与流出方向夹角)V=(A为喷嘴口断面面积)四、实验环节：认真阅读实验目、原理和注意事项。熟悉实验设备构造。调平天平。关闭流量调节阀。接通电源，打开水泵。稍等半晌后，调节调压阀，排除压力水箱中气体，并将水压调。用定位件固定天平，在天平A端加上砝码。缓慢打开流量调节阀。调节流量大小，使天平平衡，稍等半晌后测定流量。增长砝码，再次测量。关闭流量调节阀，关闭电源，结束实验。数据登记表：(仅供参照)喷嘴口直径d=0.8cm喷嘴口面积A=cm2喷嘴口距平(曲)面板距离z=cm测量水箱水平面积S=200cm2α=度测次砝码重量G(g)水位初高h1(cm)水位终高h2(cm)水位净高Δh(cm)时间t(s)流量Q(cm3/s)V(cm/s)V1(cm/s)R(N)12345五、注意事项：在开水泵前，一定要关闭流量控制阀，以免损坏天平。控制流量时，一定要缓慢。实验做完后，要先关流量控制阀，再关水泵。实验时一定要注意用电安全。六、思考题：为什么控制流量时，一定要缓慢?比较实测作用力与计算作用力大小，分析其因素。实验六雷诺实验一、实验目：观测水流流态，即层流和紊流现象。测定临界雷诺数。二、实验设备：实验装置如图所示，由实验桌、供水系统、实验管道、流量量测系统、流线批示装置和回水系统构成。三、实验原理：实际液体有两种不同运动型态，即层流和紊流。当流速较小时，各流层液体质点是有条不紊运动，互不混杂，这种型态流动叫做层流。当流速较大时，各流层液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态流动叫做紊流。水流型态由其流动时雷诺数决定，雷诺数Re=式中，v—管中平均流速，d—管径，υ—运动粘滞系数。υ=(T水温)据前人实验资料得知，下临界雷诺数比较稳定，Re=。而上临界雷诺数变化很大，约在5000~0之间。因而普通以为：Re<为层流Re>为紊流四、实验环节：熟悉实验批示书。接通电源，启动水泵给水箱供水。到水箱里水开始溢流后，轻轻打开尾阀，使管道通过小流量，再打开批示剂开关，使颜色水流入管道。重复缓慢增大（或减小）流量，仔细观测层流和紊流现象。从大到小（或从小到大）缓慢调节流量，在临界流速时（即流态开始转换时），测定其雷诺数。实验完毕后，先关闭批示剂开关，然后关闭水泵，拔掉电源。实验登记表：(仅供参照)管径d=cm水温T=℃测量水箱水平面积A=cm2测次量测水箱时间T(℃)流量Q(cm3/s)流速v(cm/s)雷诺数Re状态初高H1(cm)终高H2(cm)净高△H(cm)体积（cm3）12345678910五、注意事项：调节流量时，一定要慢，且要单方向调节（即从大到小或从小到大），不能忽大忽小。批示剂开关开度要恰当，不要过大或过小。判断临界流速时，一定要精确。不要震动水箱、水管，以免干扰水流。实验时一定要注意用电安全。六、思考题为什么调节流量时，一定要慢，且要单方向调节。要提高实验精度，应当注意哪些问题？实验七管流沿程阻力实验实验目：测定有压管流沿程水头损失及沿程阻力系数λ值。绘制lghf——lgv和lgRe——lgλ关系曲线，拟定hf=Kvn中n值。二、实验设备：实验设备如图所示：实验装置由实验桌、供水系统、实验管道、流量量测水箱和回水管构成。其中在实验管道上开有两个测压孔，并安装有测压管，测压孔距离为L。三、实验原理：列出1、2断面能量方程：z1++=z2+++hf由于管道直径不变，因此两断面流速水头相等，于是有：hf=(z1+)-（z2+）=Δh即1、2两断面间沿程水头损失等于两断面间测压管水头差。依照达西公式hf=λ于是λ=hf=Δh式中，λ—管道沿程阻力系数，d—实验管管径，hf——1、2两断面间沿程水头损失，L——1、2两断面间距离，v—管中平均流速，g—重力加速度。用体积法测定管道通过流量Q，由于管径已知，因此求得平均流速v。由此可以计算出沿程阻力系数λ。水流在不同流区及不同流态下，其沿程水头损失与断面平均流速关系是不同。在层流状态下，沿程水头损失与断面平均流速成正比；在紊流状态下，沿程水头损失与断面平均流速1.75~2次方成正比。四、实验环节：认真阅读实验批示书，熟悉实验目和规定。熟悉实验装置构造。接通电源，启动水泵给水箱供水，打开尾阀。等到水开始溢流后，排除测压管中气体。在关闭尾阀条件下，检查两根测压管液位与否在同一平面上，从而判断气体与否排完。把尾阀开到最大，这时实验管道通过流量最大，测压管液位差最大（即压差最大）。水流稳定后，开始测量流量和压差，并记录。减小尾阀开度，减小实验流量，压差减小量控制在4cm左右（即压差比上次减小2cm）.重复实验,每次压差下降要均匀，直到流量为0.检查数据无误后,关闭电源,结束实验.数据登记表：(仅供参照)管径d=cm实验段长度L=70cm水温T=℃测量水箱面积S=145cm测次量测水箱时间t(s)流量Q(cm3/s)流速v(cm/s)测压管λRe初高H1（cm）终高H2(cm)净高(cm)h1(cm)h2(cm)123456789101112注：初高H1、终高H2是指测量水箱里水位。测次123456789101112LoghfLogvLogRelogλ五、注意事项：实验操作时，动作一定要轻，不要用力过猛，以免损坏仪器。压差下降要均匀，便于绘制曲线，提高实验精度。水位波动时，读取时均值。整顿资料时，一定要注意单位统一。实验时一定要注意用电安全。六、思考题：分析最大流量和最小流量流态及流区。为什么调节流量时，压差下降要均匀。绘制loghf-logv和logRe-logλ曲线。实验八管流局部阻力实验一、实验目：测定圆管突然扩大局部水头损失，掌握管流局部水头损失测定办法。验证圆管突然扩大、突然缩小局部水头损失理论公式。绘制测压管水头曲线。二、实验设备：实验装置由实验桌、供水系统、实验管道、测压管、流量量测水箱和回水系统等构成。其中实验管道由细管到粗管突然扩大某些、粗管到细管突然缩小某些和弯道某些构成。三、实验原理：在实际管流中，由于管径变化或构造局部突变，使流动构造从新调节，并产生旋涡，使能量产生损失。如管道直径突然扩大或缩小、急弯、岔口等状况。由能量方程可知，管流突然扩大局部水头损失即是图中1——1断面到2——2断面水头损失，hj实=(z1++)-(z2++)式中α1、α2取1，测压管水头(z1+)、(z2+)从测压管中直接读取。流速水头、则依照体积法所测流量Q和管径d1和d2算出流速v1、v2从而得到。管流突然扩大局部水头损失理论公式：hj理=(1-)2=[1-()2]2ζ理=(1-)2=[1-()2]2由能量方程可知，管道突然缩小局部水头损失即是图中1——1断面到2——2断面能量损失hj实=(z1++)-(z2++)式中αα取1，测压管水头(z1+)、(z2+)直接在测压管中读取，流速水头、则依照体积法所测流量Q和管径d1、d2计算出流速v1、v2后，从而得到。经验公式hj=ζζ=0.5(1-)式中ζ叫做局部水头损失系数。四、实验环节：熟悉实验批示书、实验装置。打开尾阀，接通电源，启动水泵，给水箱供水。等到水箱开始溢水后，关闭尾阀，排除管道、测压管中气体，并观测测压管中水位与否在同一水平面上。打开尾阀，使管道通过水流，并调节流量大小，使测压管水位在恰当高度。测量各断面测压管水头，用测量水箱测定流量。检查数据无误后，变化流量，再次测量。关闭水泵，拔掉电源，结束实验。五、注意事项：实验时，一定要安全用电。操作时，用力不要过猛，以免损坏仪器。计算时，要注意断面位置。测压管水头数据表：(仅供参照)测次管号123456781管径(cm)测压管水头(cm)管号910111213141516管径测压管水头(cm)管号1718192021222324管径测压管水头(cm)2管号12345678管径测压管水头(cm)管号910111213141516管径测压管水头(cm)管号17181920212223管径测压管水头(cm)流量测定数据表：(仅供参照)测次测量水箱水位(cm)时间t(s)流量(cm3/s)平均流量Q(cm3/s)备注初高H1终高H2净高△HQ1Q21测量水箱水平面积A=145cm22管流突然扩大局部水头损失计算表：(仅供参照)细管直径d1=1.4cm粗管直径d2=2.5cm局部阻力系数ζ=测次(cm)(Z+)1(cm)+(Z+)1(cm)(cm)(Z+)2(cm)+(Z+)2(cm)hj理hj实12管流突然缩小局部水头损失计算表：(仅供参照)粗管直径d1=2.5cm细管直径d2=1.4cm局部阻力系数ζ=测次(cm)(Z+)1(cm)+(Z+)1(cm)(cm)(Z+)2(cm)+(Z+)2(cm)hj理hj实12六、思考题比较管流突然扩大实测局部水头损失和理论局部水头损失大小，并分析其因素。为什么管流突然扩大2——2断面要取粗管上测压管水头最高断面？实验九明渠断面流速分布测定一、实验目：理解比托管构造和测速原理，掌握用比托管测点流速办法。理解旋浆流速仪用法。绘制明渠断面垂线流速分布曲线图。二、实验设备：实验装置由实验水槽、比托管（或旋浆流速仪）等构成。水槽宽b=60厘米，水槽底坡i=0，水槽前端安装有量水堰，为了调节水深，水槽尾部安装有尾门。三、实验原理：比托管测流速原理比托管前端和侧面都开有测压孔，分别由两根不相通细管接入测压管。由于比托管前端对水流阻挡，使水流到达比托管前端面时，流速变为零，动能所有转化为压能，故比托管前端测压孔所测水头为该点总水头。比托管侧面测压孔与水流方向垂直，对流速影响很小（忽视不计），因此所测水头为该点测压管水头。依照比托管前端孔所测总水头和侧面孔所测测压管水头，可以算出该点流速水头，即h1-h2=v=h1比托管前端孔所测总水头(z++)h2比托管侧面孔所测测压管水头(z+)故v=在实验中，为了更精确地测定，咱们使用可倾斜比压计，如倾斜比压计倾斜角为α，则在计算流速时，所测压差应乘sinα。由于比托管对水流干扰和测压孔位置不同，故需乘上比托管校正系数µ，普通为0.98——1，因而点流速为v=µ旋桨流速仪测流速原理旋桨和水流相对运动，桨叶受到垂直于旋桨径向作用力，作用于每只桨叶力对桨轴力矩，使桨叶绕轴旋转，流速是旋桨转动速率或转动周期函数。计数法测流速时，流速与脉冲数之间关系为：v=K+Cv——流速。N——施测时间。K——流速系数，旋桨每转动1/2周水流质点迈进距离。C——旋桨起动流速值。周期法测流速时，流速与脉冲周期之间关系为：v=2K+CT——旋桨每转动一周时间。四、实验环节认真阅读实验批示书，理解实验目。熟悉比托管（旋桨流速仪）实际构造和用法。打开水槽进水阀门，将水槽水深控制在15——20cm左右。调平比托管测压排基座。用自来水（或真空泵）给比托管排气，气体排完后，在测压管上方放入某些空气。将比托管管头放入静水中，检查测压管读数与否相等，如果相等，则阐明比托管和连通管中气体已经排完，用弹簧夹夹好排气管。否则将继续排气。将比托管放到要测定位置上，管头正对水流方向。将管头放到槽底，等到测压管水位稳定后读取水位值和比托管高程值。升高比托管高程2cm，再读数，直到水面。五、注意事项实验中，比托管管头不能露出水面。比托管管头一定要正对水流方向。一定要等到测压管液面稳定后才读数。六、思考题使用比托管时，为什么要排气？施测过程中，为什么比托管管头不能露出水面？测流速时，比托管管头为什么要正对水流方向？绘制断面垂线上流速分布曲线。比托管测流速登记表（仅供参照）测点编号施测点高程▽(cm)比压计读数压差△h(cm)点流速v备注h1(cm)h2(cm)比压计倾角α=校正系数μ=槽宽B=实验十水面曲线演示实验实验目：在变坡有机玻璃矩型水槽中，演示棱柱体渠道中非均匀渐变流重要几种水面曲线及其衔接形式。实验设备：实验水槽总长米，宽米，由两段构成，中间由转动铰连接。水槽两端安装有电动升降机和坡度批示器。槽中安装有闸门。实验原理：在流量、矩形断面、尺寸为一定明渠中，临界底坡计算公式：hk=式中hk为临界水深，q为单宽流量。ik==式中Rk、xk、Ck为渠中水深为临界水深时所相应水力半径、湿周、谢才系数。为了区别各种坡型，则需一方面拟定临界底坡。在已知流量状况下，依照试算法或图解法求临界水深hk，然后计算出临界底坡ik。此外可以依照断面平均流速和微波相对速度大小来判断水流流态。当v<vw时，水流为缓流。v=vw时，水流为临界流。v>vw时，水流为急流。在水流为均匀流状态下，水流为临界流时，水槽底坡为临界底坡。水面曲线依照水深划分为三个区，即当实际水深不不大于正常水深和临界水深时为a区，当实际水深在正常水深和临界水深之间时为b区，当实际水深不大于正常水深和临界水深时为c区。依照底坡状况分为五类，即1、2、3、0、〝′〞。由于临界坡度时K——K先与N——N线重叠，平坡和反坡时N——N线无限远。因此可归纳为12种类型水面曲线。水面曲线类型和名称列表如下：水槽底坡状况水面曲线符号a区b区c区i>0i<ika1b1c1i>ika2b2c2i=ika3c3i=0b0c0i<0b′c′水面曲线类型壅水曲线降水曲线壅水曲线实验环节：取掉水槽中建筑物，接通电源，启动水泵，给水槽供水。等到水流稳定后（均匀流），点击水面，观测水波形态，并重复调节水槽坡度，当微波向上游传播绝对速度为零时，水流为临界流，水深为临界水深，水槽坡度为临界坡度，并记录。放下闸门，插入水中。水流稳定后