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水力学实验指导书


本科教学实验指导书

水力学实验
易文敏 编写 李克锋

四川大学水利水电学院 高速水力学国家重点实验室

1

水力学实验课的基本任务是: 观察分析水流现象, 验证所学理论, 学会和掌握科学实验的方法和操作技能, 培养整理实验资料和编写实 验报告的能力。 在进行实验的过程中, 要注意培养自己的动手能力和独立工作的 能力。使每个实验者有观察现象,进行操作和组织实验的机会,并能 独立进行整理分析实验成果,受到实验技能的基本训练。 各项实验分别介绍了每个实验的目的、原理、实验设备、步骤、 注意事项,以及可供实验者编写实验报告时参考的表格。要求做好实 验后,实验者要独立认真完成一份实验报告,按时交指导教师批阅。 为了使实验者能深入地掌握和巩固有关实验内容, 每个实验项目 的结尾都列有一定数量的思考题,供实验者进一步深入思考,并要求 在实验报告中作出书面回答,随实验报告交指导教师审阅批改。

2

实验一 静水压强
一、实验目的: 1. 实测容器中的静水压强; 2. 测定 X 液体的容重; 3. 通过实验,掌握静水压强的基本方法和了解测压计的应用。 二、实验设备:

测压排

调 压 筒 2 3 4 5 6

B

如图所示,1 管和 2 管、3 管和 4 管、5 管和 6 管组成三支 U 型管,其中 5 管和 6 管组 成的 U 型管装 X 液体,其余 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 管组成的 U 型管的底部与水箱的 A 点连通,1 管和 2 管组成的 U 型管的底部与水箱的 B 点连通。水箱底部与调压筒连通。 三、实验原理: 利用调压筒的升降来调节水箱内液体表面压强和液体内各点的压强。 1. 根据静水压强基本公式:p=p0+ρ g h 可得 pA=ρ g水(▽3-▽A) pB=ρ g水(▽1-▽B) 2. 由于 2、4、6 管与水箱顶部连通,所以 2、4、6 管液面压强与水箱液面压强相同,于是 可得: p0=ρ g水(▽1-▽2)= ρ g水(▽3-▽4)=ρ g X(▽5-▽6)
3

ρ g X= 3.

?3 ? ? 4 ?5 ? ? 6

ρ g水

或ρ g X=

?1 ? ? 2 ρ g水 ?5 ? ?6

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=ρ g水(▽2-▽1)

用水柱高来表示为:hk=▽2-▽1 四、实验步骤: 1. 2. 3. 认真阅读实验目的要求、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,放开水箱顶部的弹簧夹,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。 4. 第二种状况, 将调压筒放到最高位置,放开水箱顶部的弹簧夹,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。 记录表格(仅供参考) ▽A= 8.5 cm ▽B= 0 cm 状态 测次 ▽1 1 p0′>pa 2 3 1 p0′<pa 2 3 计算结果表:(仅供参考) A 点相对压强 状态 测 次 B 点相对压强 X 液体容重 3 (N/cm ) ρ g′= 水箱气体 真空度 hk (cm) hk=▽2-▽1 ▽2 测压管液面高程读数 (cm) ▽3 ▽4 ▽5 ▽6

PA(N/cm )
2

PB(N/cm )
2

pA=ρ g水(▽3-▽A) PB=ρ g水(▽1-▽B) 1

?1 ? ? 2 ρ g水 ?5 ? ?6

p0′>pa

2 3 1

p0′<pa

2 3

4

五、注意事项: 1. 2. 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、准确,并一律以自由液面的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的刻度三者在同一水平面上,以排除读数误差。 六、思考题: 1. 2. 3. 简述如何测定容器内液体任意点的静水压强。 在什么状态下,U 型管两边的液面在同一水平面上。 在实验中,调压筒的作用是什么?

5

实验二

能量方程验证实验

一、实验目的: 1. 实测有压输水管路中的数据, 绘制管路的测压管水头线和总水头线, 以验证能量方程并 观察测压管水头线沿程随管径变化的情况。 2. 掌握“体积法”测流量的方法。 3. 观察弯道水流压强分布规律。 二、实验设备:

水箱

尾 阀 量测 水箱 溢流管 回水管 水箱 抽水机 供水管

实验装置由实验桌、供水系统、回水系统、量测装置、实验管道等组成。其中实验管道 由直管、手收缩渐变管、扩散渐变管、弯管组成,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: 1. 在直管、 渐变管壁上开的测压孔所测的数值即是测压孔所在位置断面的测压管水头, 即 z+ 2.

p 。将各断面的测压管水头水位沿流向连接起来,即是测压管水头线。 ?g

用体积法可测出管道通过的流量,利用连续性方程可计算出各断面的平均流速和流速 水,将各断面的测压管水头与该断面流速水头相加,即可得到该断面的总水头。各断面 的总水头的连线,即为总水头线。 3. 微型比托管所测的水头为比托管管嘴所在位置的总水头。 四、实验步骤: 1. 熟悉实验设备后,打开尾阀,接通电源,启动供水系统。 2. 等到供水稳定后,用吸耳球排除测压管中的气体。关闭尾阀,观察测压管中的水位是否 在同一水平面上,判断是否排完气体。 3. 打开尾阀,调节流量,使测压管水位在适当高度。等到水位稳定后,开始测量。 管道断面直径、面积表: 断面编号 直径(cm) 面积(cm )
2

1 1.9 2.84

2 1.9 2.84

3 1.9 2.84

4 1.45 1.65

5 1 0.78

6 1.45 1.65

7 1.9 2.84

6

水头数据记录表:(仅供参考) 断面编号 测压管水 头 毕托管所 测总水头 流量测定记录:(仅供参考) 有关常数:量测水箱水平面积 A=145cm2。 测次 初高 H1(cm) 1 2 计算结果表:(仅供参考) 断面编号 断面平均流速 v(cm/s) 流速水头 1 2 3 4 5 6 7 量测水箱 终高 H2(cm) 净高 △H(cm) 体积 3 V(cm ) 时间 t(s) 流量 Q 平均流量 Q 3 3 (cm /s) (cm /s) 1 2 3 4 5 6 7

v2 (cm) 2g
测压管水头 z+

p (cm) ?g
总水头

p v2 z+ + (cm) ?g 2 g
五、注意事项: 1. 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。 2. 一定要在水流恒定后才能量测。 3. 实验结束后,一定要关闭电源,拔掉电源插头。 4. 流速较大时,测压管水位有波动,读数时要读取时均值。 5. 实验时一定要注意安全用电。 六、思考题 1. 计算 1 断面和 5 断面比托管所测点流速。 2. 绘制测压管水头线和总水头线。 3. 比较比托管所测总水头和用平均流速计算出的总水头之间的大小。 4. 分析水流在直道和弯道处的测压管水头在各部位的大小情况。

7

实验三 文丘里实验
一、实验目的: 1. 测定文丘里管流量系数μ 值。 2. 绘制文丘里管的流量 Q 与压差计压差△h 之间的关系曲线。 3. 学习、了解自动量测系统的使用方法。 二、实验设备:

测压管 水箱 2 尾阀 溢流管 量测 水箱 回水管 水箱 抽水机 供水管

实验装置由实验桌、供水系统、回水系统、文丘里管等组成,其中文丘里管由收缩段、喉管 和扩散段组成。在收缩段和喉管上开有测压孔,并与测压管连通。实验装置另外配备有自动 测压和流量自动量测系统。 三、实验原理: 首先列出 1 断面和 2 断面的能量方程式,并设 a1≈1,a2≈1,且不考虑两断面之间的水头损 失,则有:
2 p1 v12 p 2 v 2 + = + ?g 2 g ?g 2 g

(1)



v1A1=v2A2

∴ v2=v1

A1 A2

代入(1)式得:

A 2 p1 ? p2 v12 = [( 1 ) -1] ?g 2 g A2

8

V1=

2g [( A1 2 ) ? 1] A2

p1 ? p2 ?g

理论流量:QT=A1V1=A1

2g [( A1 2 ) ? 1] A2

p1 ? p2 ?g

QT=CT ?h CT 为文丘里的理论常数。由于实际液体在运动中存在水头损失,故实际通过的流量 Q 与理论流量 QT 有误差,所以把 Q/QT 叫做文丘里管流量系数,用μ 表示: μ =

Q QT

四、实验步骤: 1. 2. 3. 4. 熟悉实验指导书,了解实验目的、原理和设备结构。 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的气体,直到测压管的水位读数相等。 打开尾阀,使管道通过较大流量,且测压管的水位均能读数。等到水流稳定后,开始测 定测压管水位和流量,并记录。 5. 控制尾阀,减小流量,使测压管水位差减小 2cm 左右,等到水流稳定后,继续测定。 6. 测次大于 6 次后,且压差分布均匀,实验可以结束。 7. 关闭电源。 流量数据记录表:(仅供参考) 量测水箱水平面积:A=145cm2 测次 初高 cm 1 2 3 4 5 6 文丘里管断面直径、面积:d1= 1.9 cm d2= 1 cm A1= cm
2

量测水箱 终高 cm 净高 cm 体积 cm3

时间 s

流量 Q cm3/s

测压管水头 h1(cm) h2(cm)

A2=

cm

2

9

计算结果表:(仅供参考) 测次 1 2 3 4 5 6 7 五、注意事项: 1. 在实验中,一定要注意用电安全。 2. 在操作过程中,动作不要过大、过猛,以免损坏仪器。 3. 使用自动量测系统时,一定要按老师要求进行操作。 六、思考题: 1. 2. 3. 分析文丘里流量计所测理论流量与实际流量之间的大小,并分析其原因。 文丘里管能否倒装,并说明原因。 绘制 Q-h 关系曲线。 测压管压差 △h(cm) 文丘里管理论 常数 CT 理论流量 3 QT(cm /s) 实际流量 3 Q(cm /s) 文丘里管流量 系数μ

10

实验四

孔口与管嘴出流实验

一、实验目的: 1. 观察典型孔口及管嘴出流时的流动现象及园柱形管嘴的局部真空。 2. 测定孔口及管嘴出流时的流量系数μ 值。 二、实验设备:

孔口及管嘴位置

水箱

溢流管 量测 水箱 回水管 水箱 抽水机 供水管

实验装置由供水系统、恒定水头水箱、回水系统和量测系统组成。在恒定水头水箱的侧 壁上安装管嘴(或开有孔口) 。另外配有秒表一字只。 三、实验原理: 孔口(管嘴)出流的计算公式:vc=

1 1??

2 gH =φ

2 gH

Q=Ac×vc=ε Aφ

2 gH =μ A 2 gH

μ =

Q A 2 gH

式中为孔口出流时收缩断面处的平均流速,H 为孔口中心线上的水头,Q 为流量,Ac 为收缩断面的面积。 四、实验步骤:

11

1. 接通电源,开启水泵,给水箱供水。 2. 等到水位稳定后,逐个开通孔口(管嘴) ,认真观察出流现象,并测量收缩断面尺寸(孔 口) 、水头及流量。园柱管嘴出流时,测量其收缩断面处的真空度。 量测水箱水平面积 A= 100 cm2 初高 (cm) 孔口 (收缩) 孔口 (喇叭) 孔口 (方孔) 管嘴 (园柱) 管嘴 (收缩) 五、注意事项: 1. 接通、关闭电源时要注意安全。 2. 实验时,动作要轻,不能用力过猛,以免损坏仪器。 六、思考题: 1. 比较各孔口及管嘴的流量系数大小,并说明原因。 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 d=1.2cm d=1.2cm 1.2×1.2 cm2 d=1.2cm d=1.2cm 备注

12

实验五 动量方程实验
一、实验目的: 实测射流对平板或曲板的作用力,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 组成。

天平

平板 喷嘴

压力表 测量 水箱 阀门 水箱 流量控制阀 水 泵 调压阀 压力水箱

三、实验原理: 恒定总流的动量方程为: ∑F=ρ Q(β 2v2x-β 1v1x) 水流从喷嘴中,以速度射向平面(或曲面) ,当水流被阻挡以后,对称分开,若不考虑 摩擦力的作用,水流将以同样大小的速度离开平面(或曲面) ,即 v1 和 v2 的大小相等,但方 向不同。射流情况如图所示:

α

2

当水流以流速 v 从喷嘴口射出,经过一个射流高度 z 到达平面(或曲面)后,其流速将变为 v1,其关系是:

13

v 2 v12 = +z 2g 2g



2 v1= v ? 2 gz

根据以上情况可得动量方程: R=ρ Q (v1 -v2cosα ) 由于ρ =

? 2 ,v1=v2= v ? 2 gz 并设β 2=1、β 1=1,可得: g
? 2 Q v ? 2 gz (1-cosα ) g
Q A
(α 为流入方向与流出方向的夹角)

R=

V= 四、实验步骤: 1. 2. 3. 4.

(A 为喷嘴口断面面积)

认真阅读实验目的、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。稍等片刻后,调节调压阀,排除压力水箱中的气体,并将水压调 到 0.03Mpa 左右。 5. 用定位件固定天平,在天平 A 端加上砝码。 6. 缓慢打开流量调节阀。调整流量大小,使天平平衡,稍等片刻后测定流量。 7. 增加砝码,再次测量。 8. 关闭流量调节阀,关闭电源,结束实验。 数据记录表:(仅供参考) 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= 200 cm2 测 次 1 2 3 4 5 五、注意事项: 1. 在开水泵前,一定要关闭流量控制阀,以免损坏天平。 2. 控制流量时,一定要缓慢。 3. 实验做完后,要先关流量控制阀,再关水泵。 4. 实验时一定要注意用电安全。 六、思考题: 1. 2. 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的大小,分析其原因。
14

α = V (cm/s)

度 V1 (cm/s) R (N)

砝码 重量 G(g)

水位 初高 h1(cm)

水位 终高 h2(cm)

水位 净高 Δ h(cm)

时间 t(s)

流量 3 Q(cm /s)

实验六 雷诺实验
一、实验目的: 1. 观察水流的流态,即层流和紊流现象。 2. 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、流线指示装置和 回水系统组成。

指示剂

水箱 颜色水流线(层流状态下) 尾阀 溢流管 量测 水箱 回水管 水箱 抽水机 供水管

三、实验原理: 实际液体有两种不同的运动型态,即层流和紊流。 当流速较小时,各流层的液体质点是有条不紊运动,互不混杂,这种型态的流动叫做层流。 当流速较大时,各流层的液体质点形成涡体,在流动过程中,互相混掺,这种型态的流动叫 做紊流。 水流的型态由其流动时的雷诺数决定, 雷诺数 Re=

vd ?
(T 水温)

式中,v—管中平均流速,d—管径,υ —运动粘滞系数。 υ =

0.01775 1 ? 0.0337 T ? 0.00022 T 2

据前人实验资料得知,下临界雷诺数比较稳定,Re=2000。而上临界雷诺数变化很大,约在 5000~20000 之间。因此一般认为: Re<2000 为层流 Re>2000 为紊流 四、实验步骤:
15

1. 2. 3.

熟悉实验指示书。 接通电源,开启水泵给水箱供水。 到水箱里的水开始溢流后,轻轻打开尾阀,使管道通过小流量,再打开指示剂开关,使 颜色水流入管道。 4. 反复缓慢增大(或减小)流量,仔细观察层流和紊流现象。 5. 从大到小(或从小到大)缓慢调整流量,在临界流速时(即流态开始转换时) ,测定其 雷诺数。 6. 实验完毕后,先关闭指示剂开关,然后关闭水泵,拔掉电源。 实验记录表:(仅供参考) 管径 d= cm 水温 T= ℃ 测量水箱水平面积 A= 测 次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 五、注意事项: 1. 调整流量时,一定要慢,且要单方向调整(即从大到小或从小到大) ,不能忽大忽小。 2. 指示剂开关的开度要适当,不要过大或过小。 3. 判断临界流速时,一定要准确。 4. 不要震动水箱、水管,以免干扰水流。 5. 实验时一定要注意用电安全。 六、思考题 1. 2. 为什么调整流量时,一定要慢,且要单方向调整。 要提高实验精度,应该注意哪些问题? cm2 时间 T (℃) 流量 Q 3 (cm /s) 流速 v (cm/s) 雷诺 数 Re

量测水箱 初 高 H1(cm) 终高 H2(cm) 净高
△H(cm)

体积 3 (cm )

状态

16

实验七 管流沿程阻力实验
一、 实验目的: 1. 测定有压管流沿程水头损失及沿程阻力系数λ 值。 n 2. 绘制 lghf——lgv 和 lgRe——lgλ 关系曲线,确定 hf=Kv 中的 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 组成。其中在实验管道上开有两个测压孔,并安装有测压管,测压孔的距离为 L。

水箱

L
尾阀 溢流管 量测 水箱 回水管 水箱 抽水机 供水管

三、实验原理: 列出 1、2 断面的能量方程:
2 p1 ?v12 p 2 ?v 2 z1+ + = z2+ + +hf ?g 2 g ?g 2 g

由于管道直径不变,所以两断面流速水头相等,于是有: hf=( z1+

p1 p )-(z2+ 2 )=Δ h ?g ?g

即 1、2 两断面间的沿程水头损失等于两断面间的测压管水头差。 根据达西公式

v2L hf=λ 2 gd
于是 λ =

2 gd 2 gd hf= 2 Δ h 2 v L v L

式中,λ —管道沿程阻力系数,d—实验管管径,hf——1、2 两断面间的沿程水头损失, L——1、2 两断面间的距离,v—管中平均流速,g—重力加速度。
17

用体积法测定管道通过的流量 Q,由于管径已知,所以求得平均流速 v。由此可以计算 出沿程阻力系数λ 。 水流在不同的流区及不同的流态下,其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。 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 的平均流速的 1.75~2 次方成正比。 四、实验步骤: 1. 2. 3. 4. 认真阅读实验指示书,熟悉实验目的和要求。 熟悉实验装置的结构。 接通电源,开启水泵给水箱供水,打开尾阀。 等到水开始溢流后,排除测压管中的气体。在关闭尾阀的条件下,检查两根测压管的液 位是否在同一平面上,从而判断气体是否排完。

5. 把尾阀开到最大,这时实验管道通过的流量最大,测压管的液位差最大(即压差最大) 。 水流稳定后,开始测量流量和压差,并记录。 6. 减小尾阀的开度,减小实验流量,压差的减小量控制在 2cm 左右(即压差比上次减小 2cm). 水流稳定后,再开始测量水温、流量和压差,并记录。 7. 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. 数据记录表: (仅供参考) 管径 d= cm 实验段长度 L = 70 cm 水温 T= ℃

测量水箱面积 S=145cm2 量测水箱 测 次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 注:初高 H1、终高 H2 是指测量水箱里的水位。
18

初高 H1 (cm)

终高 H2 (cm)

净高 (cm)

时 间 t(s)

流量 Q (cm3/s)

流速 v (cm/s)

测压管 h1(cm) h2(cm) λ Re

测次 Loghf Logv LogRe logλ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

五、注意事项: 1. 实验操作时,动作一定要轻,不要用力过猛,以免损坏仪器。 2. 压差下降要均匀,便于绘制曲线,提高实验精度。 3. 水位波动时,读取时均值。 4. 整理资料时,一定要注意单位的统一。 5. 实验时一定要注意用电安全。 六、思考题: 1. 分析最大流量和最小流量的流态及流区。 2. 为什么调整流量时,压差下降要均匀。 3. 绘制 loghf-logv 和 logRe-logλ 曲线。

19

实验八
一、实验目的:

管流局部阻力实验

1. 测定圆管突然扩大的局部水头损失,掌握管流局部水头损失的测定方法。 2. 验证圆管突然扩大、突然缩小局部水头损失的理论公式。 3. 绘制测压管水头曲线。 二、实验设备:

测压管 水箱

尾阀
2 2 1 1

溢流管 量测 水箱 回水管 水箱 抽水机 供水管

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组成。 其中实验管道由细管到粗管的突然扩大部分、粗管到细管的突然缩小部分和弯道部分组成。 三、实验原理: 在实际管流中, 由于管径的变化或结构局部的突变, 使流动结构从新调整, 并产生旋涡, 使能量产生损失。如管道直径的突然扩大或缩小、急弯、岔口等情况。 由能量方程可知,管流突然扩大的局部水头损失即是图 中 1——1 断面到 2——2 断面的水头损失,

hj 实=(

z 1+

p1 ? 1v12 p ? v2 + )-(z2+ 2 + 2 2 ) ?g ?g 2g 2g

20

式中α 1、α 2 取 1,测压管水头(z 1+

p1 p )、( z2+ 2 )从测压管中直接读取。流速水头 ?g ?g

2 ? 1v12 ? 2 v2 、 则根据体积法所测流量 Q 和管径 d1 和 d2 算出流速 v1、v2 从而得到。 2g 2g

管流突然扩大局部水头损失的理论公式:

hj 理= ζ

(1-

A1 2 v12 d 2 2 v2 ) =[1-( 1 ) ] 1 A2 2 g d2 2g

理=(1-

A1 2 d 2 2 ) =[1-( 1 ) ] A2 d2

由能量方程可知, 管道突然缩小的局部水头损 失即是图中 1——1 断面到 2——2 断面的能量损 失

2 2

hj 实=(z +
1

p1 ? 1v12 p ? v2 + )-(z2+ 2 + 2 2 ) ?g 2 g ?g 2g p1 p )、(z2+ 2 )直 ?g ?g

式中α α 取 1,测压管水头(z1+

d1

d2

接在测压管中读取,流速水头

2 ? 1v12 ? 2 v2 、 则根据体 2g 2g

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=ζ
2 v2 2g

ζ =0.5(1-

A2 ) A1

式中ζ 叫做局部水头损失系数。 四、实验步骤: 1. 熟悉实验指示书、实验装置。 2. 打开尾阀,接通电源,开启水泵,给水箱供水。 3. 等到水箱开始溢水后,关闭尾阀,排除管道、测压管中的气体,并观察测压管中的水位

21

是否在同一水平面上。 4. 打开尾阀,使管道通过水流,并调节流量大小,使测压管水位在适当的高度。 5. 测量各断面的测压管水头,用测量水箱测定流量。 6. 检查数据无误后,改变流量,再次测量。 7. 关闭水泵,拔掉电源,结束实验。 五、注意事项: 1. 实验时,一定要安全用电。 2. 操作时,用力不要过猛,以免损坏仪器。 3. 计算时,要注意断面的位置。 测压管水头数据表:(仅供参考) 测次 管号 管径(cm) 1 测压管水头(cm) 管号 管径 测压管水头(cm) 管号 管径 测压管水头(cm) 管号 管径 测压管水头(cm) 管号 2 管径 测压管水头(cm) 管号 管径 测压管水头(cm) 17 18 19 20 21 22 23 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 17 18 19 20 21 22 23 24 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8

22

流量测定数据表:(仅供参考) 测 次 1 测量水箱水位(cm) 初高 H1 终高 H2 净高△H 时间 t(s) 流量(cm /s) Q1 Q2
3

平均流量 Q (cm /s)
3

备注 测量水箱 水平面积 2 A=145cm

2

管流突然扩大局部水头损失计算表:(仅供参考) 细管直径 d1= 1.4 cm 粗管直径 d2= 2.5cm 局部阻力系数ζ =
(Z+

v12 测 2g

(cm)

(Z+

p

?

)1

v12 p +(Z+ ? 2g
(cm)

)1

2 v2 2g

p

?

)2

2 v2 p +(Z+ ? 2g

)2

hj 理 hj 实

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

1 2 管流突然缩小局部水头损失计算表:(仅供参考) 粗管直径 d1=2.5 cm 细管直径 d2=1.4 cm
2 v2 2g

局部阻力系数ζ =

测 次

v12 2g
(cm)

(Z+

p

?

)1

v12 p +(Z+ ? 2g
(cm)

)1

(Z+

p

?

)2

2 v2 p +(Z+ ? 2g

)2

hj 理 hj 实

(cm)

(cm )

(cm)

(cm)

1 2 六、思考题 1. 比较管流突然扩大的实测局部水头损失和理论局部水头损失的大小,并分析其原因。 2. 为什么管流突然扩大的 2——2 断面要取粗管上测压管水头最高的断面?

23

实验九
一、实验目的:

明渠断面流速分布测定

1. 了解比托管的构造和测速原理,掌握用比托管测点流速的方法。 2. 了解旋浆流速仪的使用方法。 3. 绘制明渠断面垂线的流速分布曲线图。 二、实验设备: 实验装置由实验水槽、比托管(或旋浆流速仪)等组成。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。

测 针

量水堰 比托管 玻璃水槽 尾门

测 针 筒

三、实验原理: 1. 比托管测流速原理 比托管前端和侧面都开有测压孔, 分别由两根不相通的细管接入测压管。 由于比托管前 端对水流的阻挡,使水流到达比托管的前端面时,流速变为零,动能全部转化为压能,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(忽略不计) ,所以所测水头为该点测压管水头。 根据比托管前端孔所测总水头和侧面孔所测测压管水头, 可以算出该点的流速水头, 即
24

h1-h2=

v2 2g

v= 2g (h1 ? h2 ) h1 比托管前端孔所测总水头(z+

p

?

+

v2 ) 2g
p
)

h2 比托管侧面孔所测测压管水头(z+

?

故 v= 2g (h1 ? h2 ) 在实验中,为了更准确地测定,我们使用可倾斜比压计,如倾斜比压计的倾斜角为α , 则在计算流速时,所测压差应乘 sinα 。由于比托管对水流的干扰和测压孔位置的不同,故 需乘上比托管的校正系数 ?,一般为 0.98——1,因此点流速为 v=? 2g (h1 ? h2 ) sin ? 2. 旋桨流速仪测流速原理 旋桨和水流的相对运动, 桨叶受到垂直于旋桨径向的作用力, 作用于每只桨叶的力对桨 轴的力矩,使桨叶绕轴旋转,流速是旋桨转动速率或转动周期的函数。 1) 计数法测流速时,流速与脉冲数之间的关系为: v=K

N +C t

2)

v——流速。 N——施测时间。 K——流速系数,旋桨每转动 1/2 周水流质点前进的距离。 C——旋桨起动流速值。 周期法测流速时,流速与脉冲周期之间的关系为: v=2K

1 +C T

T——旋桨每转动一周的时间。 四、实验步骤 1. 认真阅读实验指示书,了解实验目的。 2. 熟悉比托管(旋桨流速仪)的实际构造和使用方法。 3. 打开水槽进水阀门,将水槽水深控制在 15——20cm 左右。 4. 调平比托管测压排基座。 5. 用自来水(或真空泵)给比托管排气,气体排完后,在测压管上方放入部分空气。 6. 将比托管管头放入静水中,检查测压管读数是否相等,如果相等,则说明比托管和连通 管中的气体已经排完,用弹簧夹夹好排气管。否则将继续排气。 7. 将比托管放到要测定的位置上,管头正对水流方向。 8. 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

25

1. 实验中,比托管管头不能露出水面。 2. 比托管管头一定要正对水流方向。 3. 一定要等到测压管液面稳定后才读数。 六、思考题 1. 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? 2. 测流速时,比托管管头为什么要正对水流方向? 3. 绘制断面垂线上的流速分布曲线。 比托管测流速记录表(仅供参考) 测点 编号 施测点高程 ▽(cm) 比压计读数 h1(cm) h2(cm) 压差△h (cm) 点流速 v 备注

比压计倾角α = 校正系数μ = 槽宽 B=

26

实验十

水面曲线演示实验

一、实验目的: 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的主要几种水面曲线及其 衔接形式。 二、实验设备:

坡度标尺

水槽

坡度标尺

升 降 机 进 水

升 降 机

出 水

实验水槽总长米,宽米,由两段组成,中间由转动铰连接。水槽两端安装有电动升降机 和坡度指示器。槽中安装有闸门。 三、实验原理: 在流量、矩形断面、尺寸为一定的明渠中,临界底坡的计算公式: hk= 3

q2 g

式中 hk 为临界水深,q 为单宽流量。

ik=

gAk gx = 2k 2 ?C k Rk Bk ?C k Bk

式中 Rk、xk、Ck 为渠中水深为临界水深时所对应的水力半径、湿周、谢才系数。 为了区别各种坡型,则需首先确定临界底坡。在已知流量的情况下,根据试算法或图解 法求临界水深 hk,然后计算出临界底坡 ik。 另外可以根据断面平均流速和微波相对速度的大小来判断水流的流态。 当 v<vw 时,水流为缓流。

v=vw 时,水流为临界流。
27

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,水槽的底坡为临界底坡。 水面曲线根据水深划分为三个区, 即当实际水深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,当实际水深小于正常水深和临界水深时为 c 区。根据底坡情况分为五类,即 1、2、3、0、〝′〞。由于临界坡度时 K——K 先与 N——N 线重合,平坡和反坡时 N——N 线无限远。所以可归纳为 12 种类型的水面曲线。 水面曲线的类型和名称列表如下: 水槽底坡情况 a区 水面曲线符号 b区 c区

i<ik i>0 i>ik i=ik i=0 i<0
水面曲线类型

a1 a2 a3

b1 b2

c1 c2 c3

b0 b′
壅水曲线 降水曲线

c0 c′
壅水曲线

四、实验步骤: 1. 取掉水槽中的建筑物,接通电源,开启水泵,给水槽供水。 2. 等到水流稳定后(均匀流) ,点击水面,观察水波的形态,并反复调整水槽坡度, 当微波向上游传播的绝对速度为零时,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。 3. 放下闸门,插入水中。水流稳定后,观察 a3 和 c3 曲线。

c

i=ik

4.

取掉闸门,调整上下游槽底坡度,使上游坡度(为缓坡) ,下游坡度(为陡坡) 。水 槽上游段尾端出现型降水曲线,在水槽下游段前端出现 b1、b2 型降水曲线。

28

N1 N2 i1<ik

N1

i2>ik

5.

在上下段都安上闸门,使开度都小于实际水深和临界水深,这时会出现 a1、a2、c1、 c2 水面曲线。

a1 N1

c1 水跃 N1 N2

a2 c2 水跃 a2

i1<ik i2>ik

6.

打开闸门,将上段水槽底坡调为 0,下段水槽底坡调为逆坡,这时会出现 b0、b′ 型水面曲线。

29

b'

1

i2<0

7.

插入闸门,这时会出现 c0、c′型水面曲线。

水跃

水跃 ˊ ˊ

1

i2<0

五、注意事项 1. 实验时,动作要轻,以免损坏有机玻璃水槽。特别在插入和抽出闸门时一定要轻。 2. 在调节水槽坡度时,升降开关不能从升到降(或降到升) ,中间一定要暂停。

30

实验十一

水电比拟法渗流实验

一、实验目的: 用水电比拟法测定建筑物基础渗流区的等势线(或流线) ,绘制流网。 二、实验设备:
220v 220v

电信号发生器

毫伏表

铜片

铜片

有机玻璃 边缘

水工建筑物基 础模型

实验盘
探针

实验装置由实验盘、 电信号发生器和毫伏表组成。 其中实验盘安装有水工建筑物基础模 型,在模型的上下游安有铜片,模型和其它边缘由有机玻璃制作。有机玻璃实验盘底部粘贴 有坐标纸。 三、实验原理: 渗流在符合达西定律的条件下, 可以用拉普拉斯方程来描述。 电流在导体中的流动规律 也可以用拉普拉斯方程来描述。因此,渗流与电流之间存在比拟关系,利用这种比拟关系, 量测出电场中的物理量来求解渗流场中的水力要素的实验方法叫做水电比拟法。 电流与渗流现象的比拟个关系: 电流 电势:U 电流密度:i 导电率:σ 欧姆定律:i=-σ 渗流 测压管水头:H 渗流流速:u 渗流系数:K

dU dl

达西定律:u=-K

dH dl

电势的拉普拉斯方程:

水头的拉普拉斯方程:

? 2U ? 2U ? 2U + + =0 ?x 2 ?y 2 ?z 2

?2H ?2H ?2H + + =0 ? x 2 ?y 2 ?z 2

31

电流强度:I

渗流量:Q

从表中可以看出, 只要将电流场与渗流场二者保持几何相似, 导电性质和渗流性质相似, 以及边界条件相似,则在电场中测量的物理量即可得出渗流场中相应的水力要素。 在实验盘模型的上、下游铜片上加上电压,模拟水工建筑物上、下游的水位差。 四、实验步骤: 1. 熟悉实验指示书,点清实验用品。 2. 在坐标纸上,按比例画出实验盘的边界(包括模型的形状及尺寸) 。 3. 给实验盘加水 1——2cm 左右,并调平实验盘(即水深一样) 。 4. 把模型的上游铜片与电信号发生器的正极连通, 下游铜片与电信号发生器的负极连 通。毫伏表的负极(黑夹子)与下游铜片连通。 5. 等老师检查无误后,接通电源,并将电信号发生器的输出电压调到 10V。 6. 利用毫伏表的探针测出等势线(要求每隔 1V 测一条等势线,每条线上不少于 5 个 点) 。 7. 测完 8 条等势线后,利用等势线与流线之间正交原理,绘制出流网。 8. 实验完后,拆掉连线,倒掉实验盘中的水,清理实验用品。 坐标表:
点号 电压

1 x y x

2 y x

3 y x

4 y x

5 y x

6 y x

7 y

1v 2v 3v 4v 5v 6v 7v 8v 9v 五、注意事项: 1. 测试过程中,不能调整电信号发生器的输出电压。 2. 测点要均匀。 3. 测点要一边记录,一边绘在坐标纸上。 六、思考题: 1. 为什么要调平实验盘? 2. 试过程中,探针为什么要垂直于水面?

32



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