Transcript 《水力学》实验
水 力 学 实 验 目 • • • • • • • • • • 录 静水压强量测量实验 流线演示实验 能量方程演示实验 雷诺实验 管路沿程阻力系数的测定 管路局部阻力系数的测定 水跃实验 明渠水面曲线实验 宽顶堰流量系数的测定 小桥涵水流形态与出口消能实验 水 力 学 实 验 课 静水压强量测量实验 实验原理 z p c g Z——位置水头， z p0 单位位能 p ——压强水头， 单位压能 g z p ——测压管水头，单位势能 g pA g A Z x y 静止液体内各点的测压管水头等于常数。 静止液体内各点的单位势能相等。 水 力 学 实 验 课 实验目的和要求 • 1、 通过实验加深对水静力学基本方程物理意 义的理解。加深理解位置水头、压强水头及 测管水头的概念。 2、 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 。 3、 实测静水压强，掌握静水压强的测量方法。 4、 观察真空现象，加深对真空压强、真空度 的理解。 水 力 学 实 验 课 实验仪器 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • 1.在U形管中装入需要量测重度的液体，可以是油或者是其它液体。 • 2.了解仪器组成及其用法，包括加压方法、减压方法。检查仪器是否 • • • • • 密封，检查的方法是关闭气门，在调压筒中盛以一定深度的水，将调 压筒上升高于密闭圆筒容器，待水面稳定后，看调压筒中的水面是否 下降，若下降，表明漏气，应查明原因加以处理。 3.记录仪器编号及各测压管编号，选定基准面，记录基准面到各测压 点的高度。 4.打开密闭圆筒容器上的气门，使箱内液面压强，记录1、2、3、4、 5点测压管水面高度。 5.关闭气门，升高调压筒，使箱内液面压强，待水面稳定后，观测1、 2、3、4、5点测压管水面高度。 5.降低调压筒，使箱内液面压强，待水面稳定后，观测1、2、3、4、 5点测压管水面高度。 6.实验完后将仪器恢复原状。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 返回 水 力 学 实 验 课 流线演示实验 实验原理 迹线与流线 迹线——是指某液体质点在运动过程中，不 同时刻所流经的空间点所连成的线。 流线——是指某一瞬时，在流场中绘出的一 条光滑曲线，其上所有各点的速度向量都与该 曲线相切。 流线能反映瞬时的流动方向 流线图 流线不能相交，不能为折线。 水 力 学 实 验 课 • 该仪器以气泡为示踪介质，狭缝流道中设有特定的边界流 场，用以显示不同边界条件下的内流，外流，射流元件等 多种流动图谱。当工作液体（水）由水泵驱动到流动显示 面，通过两边的回水流道流入蓄水箱时，水流中掺入了空 气。空气的多少可以由掺气量调节阀调节。掺气后的水流 再经水泵驱动到流动显示面时，形成了无数的小气泡随水 流流动，在仪器内的日光灯照射和显示面底板的衬托下， 小气泡发出明亮的折射光，清楚的显示出各种不同流场水 流流动的图像。由于流动显示面设计成多种不同的形状边 界，流动图像可以形象地显示出不同边界包括分离、尾流、 漩涡等多种流动形态及其水流内部质点运动的特性。整个 仪器由7个单元组成，每个单元都是一套独立的装置，可 以单独使用，也可以同时使用。 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 1.观察演示仪中不同水力现象的发生条件。 2. 观察流线演示，理解流线与迹线的概念。 • 3.观察演示仪中流线的疏密、曲直变化，了 解工程中断面流速分布特点及沿程变化。 水 力 学 实 验 课 实验设备 1 2 3 10 9 4 5 6 7 8 开 关 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • （1）起动。 打开旋钮，关闭掺气阀，在最大流速下使显示面两 • • • • • 侧回水流道充满水。 （2）掺气量调节。旋转掺气调节阀可改变掺气量，注意有滞后 性。调节阀应缓慢调节，使之达到最佳显示效果。掺气量不宜太 大，否则会阻断水流或产生震动。 注意事项 （1）该水泵不能在低速下长时间工作，更不允许在通电情况下 （日光灯亮）长时间处于停转状态，只有日光灯熄灭才是真正关 机。 （2）更换日光灯时，需将后罩侧面螺丝旋下，取下后罩进行更 换。 （3）操作中还应注意，开机后需停1-2分钟，待流道气体排净后 再实验。否则仪器将不再正常工作。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 本实验无具体实验数据， 主要记录实验现象，用文 字描述。 返回 水 力 学 实 验 课 能量方程演示实验 实验原理 p1 1V12 p2 2V22 Z1 Z2 hw g 2g g 2g 实际液体恒定总流的能量方程式表明：水流总是从水头大处流向水头 小处；或水流总是从单位机械能大处流向单位机械能小处。 实际液体总流的总水头线必定是一条 逐渐下降的线，而测压管水头线则可能是 下降的线也可能是上升的线甚至可能是一 条水平线。 V 2 2g 2 1 dh dH J w dL dL 测管坡度 J p dL hw 测压管水头线 水力坡度J——单位长度流程上的水头损失 d ( Z 总水头线 2 p ) g Z2 Z1 0 1 0 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 1． 观察恒定流条件下，通过管道水流的位 置势能、压强势能和动能的沿程转化规律， 加深理解能量方程的物理意义及几何意义。 2． 考察均匀流、渐变流与急变流在水流特 征及断面压强分布规律方面的差别，明确 恒定总流能量方程的运用条件。 3． 学习使用测压管、总压管测水头的实验 技能及绘制水头线的方法。 水 力 学 实 验 课 实验设备 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • 1.记录测量管道各变化部位的有关参数，如管径、管长。 • 2.打开水泵和上水阀门，使水流充满稳水箱并保持溢流状 • • • • 态。 3.打开实验管道的进水阀门和出水阀门，使水流流过实验 管道，待管道出水阀门出流后，关闭出水阀门，排去实验 管道和各测压管内的空气，并检验空气是否排完，检验的 方法是出水阀门关闭时各测压管水头为一水平线。 4.空气排完后，打开管道出水阀门并调节流量，使测压管 水头线在适当位置，待水流稳定后，观测各测压管水头线 和总水头线，用体积法或重量法测出流量。 5.改变流量，重复一次实验。 6.实验完后将仪器恢复原状。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 返回 水 力 学 实 验 课 雷诺实验 实验原理 雷诺试验 ——揭示了水流运动具有层流与紊流两种流态。 当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊地 运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。 当流速较大，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。 层流与紊流的判别 （下）临界雷诺数 雷诺数 Re k Vk d Re Vd Rek 2000 或 Re VR Rek 500 1.0 若Re<Rek，水流为层流， h f V 1.75~2.0 若Re>Rek，水流为紊流， h f V 水 力 学 实 验 课 雷诺试验 颜色水 hf 颜色水 lghf 流速由小至大 θ2 颜色水 流速由大至小 V Vk , h f V 1.0 V Vk , hf V 1.75 θ1 颜色水 O Vk Vk 2.0 lgV 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 1.观察水流的层流和紊流的运动现象。 • 2.学习测量圆管中雷诺数的方法。 • 3.点绘沿程水头损失与雷诺数的关系，求 出下临界雷诺数。 • 4.通过实验分析层流和紊流两种流动型态 下沿程水头损失随流速或雷诺数的变化规 律。 水 力 学 实 验 课 实验设备 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • • • • • • • • • 1.记录管道直径。 2.打开差压流量测量仪电源，将仪器预热15分钟。 3.打开供水泵，打开实验管道的上水调节阀门，使水箱充满水，并保持溢流状态。然后调节 尾水阀门，待水流稳定后，打开颜色水阀门，观察颜色水的变化。当颜色水在实验管道中呈 一条稳定而明显的流线时，管内即为层流流态。逐渐调节尾水阀门，使流量增大，这时颜色 水开始颤动、弯曲、具有波形轮廓，并逐渐扩散，当扩散至全管时，水流紊乱到已看不清着 色流线时，这便是紊流流态。 4.测定临界雷诺数。第3步骤完成后，关闭颜色水阀门，同时关闭出水调节阀门，打开比压 计上的止水夹，将比压计中的空气排出。并检验空气是否排完，检验的方法是管道不过流时 比压计上的两根测压管的水面应齐平。 5. 打开出水阀门，并将出水阀门调至最大，待水流稳定后测量差压和流量。如用传统方法测 量，可用量筒和秒表测量流量，用钢板尺测量比压计上两根测压管读数L1和L2，则两根测压 管的水面差为L= L1- L2。如用电测方法测量，将导水抽屉拉出开始测量，这时测量仪显示重 量、时间和差压的瞬时变化值。 6.将导水抽屉推进，本次测量结束，测量仪上显示本次测量的水的净重、测量时间和差压。 将本次测量结果记录在相应的表格中。 7.打开排水泵，将盛水容器中的水排出。待容器中的水排完或排放停止后即可开始第二次测 量。 8.逐渐关闭出水阀门，重复第5步至第7步N次,并用温度计测量水温。 9. 实验结束后将仪器恢复原状。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 返回 水 力 学 实 验 课 管路沿程阻力系数的测定 L V2 hf d 2g 实验原理 hf 雷诺数Re 相对粗糙度 r0 或相对光滑度 r0 水 力 学 实 验 课 • 对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头 • 损失为测压管水头差： 沿程水头损失也常表达为 • 在实验中测得l和断面平均流速，则可直接得到沿 程水头损失系数. 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 1. 学会测定管道沿程水头损失系数 的方 法。 2. 分析圆管恒定流动的水头损失规律， 验证在各种情况下沿程水头损失 与平均 流速 的关系以及 随雷诺数 和相对粗糙度 的变化规律。 3. 根据紊流粗糙区的实验结果，计算实 验管壁的粗糙系数 n 值及管壁当量粗糙 值，并与莫迪图比较。 水 力 学 实 验 课 实验设备 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • 1.打开差压流量测量仪电源，按测量键H ，将仪器预热15分。打 • • • • • 开供水泵，打开实验管道上的调节阀门，使管道充满水。关闭出 水调节阀门，打开测压排上的止水夹，将测压管中的空气排出。 并检验空气是否排完，检验的方法是管道不过流时两根测压管的 水面应齐平。 2.打开出水阀门，观察测压管或差压流量测量仪面板显示的压差 值为适当数值。 3.待水流稳定后测量差压和流量。如用传统方法测量，可用量筒 和秒表测量流量，用钢板尺测量两根测压管读数h1和h2，则两根 测压管的高度差为= h1- h2。如用电测方法测量，将导水抽屉拉 出开始测量，这时测量仪显示重量、时间和差压的瞬时变化值。 4.打开排水泵，将盛水容器中的水排出。待容器中的水排完或排 放停止后即可开始第二次测量。 5.调节出水阀门，重复第6步至第8步N次。 6.用温度计测量水温。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 返回 水 力 学 实 验 课 管路局部阻力系数的测定 实验原理 • 根据能量方程，局部水头损失: • 这里我们认为因边界突变造成的能量损失全部产生在1-1， 2-2两断面之间，不再考虑沿程损失。 上游断面1-1应取在 由于边界的突变，水流结构开始发生变化的渐变流段中， 下游2-2断面则取在水流结构调整刚好结束，重新形成渐 变流段的地方。总之，两断面应尽可能接近，又要保证局 部水头损失全部产生在两断面之间。经过测量两断面的测 管水头差和流经管道的流量，进而推算两断面的速度水头 差，就可测得局部水头损失。 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 1． 观察突扩管旋涡区测管水头线，以及 其它各种边界突变情况下的测管水头变化 情况，加深对局部水头损失的感性认识。 2． 掌握测定管道局部水头损失系数的方 法，并将突扩管的实测值与理论值比较， 将突缩管的实测值与经验值比较。 3．学习用测压管测量压强和用体积法测 流量的实验技能。 水 力 学 实 验 课 实验仪器 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • 1． 对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后， 启动抽水机，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒 定。 2． 检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否处于同一水平面上。如 不平，则需排气调平。 3． 核对设备编号，确认数据记录表上列出的断面管径等数据。 4． 开启下游阀门，待水流恒定后，观察测管水头的变化，正确选择实 验配件前后的量测断面，进行数据的量测，并登录到数据记录表的相应 位置。 5． 改变阀门开度，待水流恒定后，重复上述步骤，并按序登录数据。 本实验要求做三个流量。 6． 检查数据记录表是否有缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有 此情况，进行补正。 7． 计算整理实验结果，得出各实验配件局部水头损失系数实测值，并 同时列出突扩管局部水头损失系数的理论值和突缩管的经验值。 8． 对实验结果进行分析讨论。阅读思考问题，作简要回答。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 返回 水 力 学 实 验 课 水跃实验 实验原理 • 明渠水流由急流过渡到缓流所发生的水面局部跃起现象， 称为水跃。工程中常利用水跃作为一种有效的消能方式。 • 矩形断面水渠水跃共轭水深： 水 力 学 实 验 课 • 闸孔出流和堰顶溢流与下游水流的底流型 衔接方式中，水跃发生位置取决于收缩断 面水深 之共轭水深 与下游河渠水深 的差异。 分为临界水跃式衔接、远驱水跃式衔接、 淹没水跃式衔接。临界水跃恰好发生在收 缩断面处，但不稳定。远驱水跃发生在收 缩断面下游，待水深增加到下游水深的共 轭水深时发生。淹没水跃发生在收缩断面 前，此时收缩断面已被尾水淹没。 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 1． 观察水跃现象，了解水跃的结构与基 本特征。 2． 测定矩形平底明槽中自由水跃的共轭 水深与水跃长度，并验证水跃的基本方程。 3． 观察不同弗劳德数 时的水跃类型。 水 力 学 实 验 课 实验设备 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • 1． 熟悉有关设备及仪器，记录有关常数。 2． 开启进水阀门引水入槽，调节下游尾门，使水槽内分别产生 远驱式水跃、临界水跃及淹没水跃。观察不同水跃现象，并分析 研究水跃的结构与特征。 3． 待水流稳定后，量测临界水跃的共轭水深 和 及水跃长度， 并用进水管上的孔板流量计或文丘里流量计量测水槽流量。 4． 改变流量4~5次，重复进行试验。通过改变流量，观察不同 的水跃类型。 5． 实验完毕，关闭进水阀门，关泵停水，整理好仪器设备。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 返回 水 力 学 实 验 课 明渠水面曲线实验 实验原理 • 棱柱形明槽非均匀渐变流水深沿程变化的微分方程式如下： • 对正底坡（陡坡、缓坡）渠道画出正常水深线N-N和临界水深线 K-K，将水深范围分成三个区域，对临界坡、平坡、反坡渠道画出临 界水深线K-K（临界坡N-N线与C-C线重合，平坡、反坡无N-N线）， 将水深范围分成两个区域。对各类底坡、各个区域的水深沿程变化率 进行分析，即可归纳出12种类型的水面线。 水 力 学 实 验 课 各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律： N K a1 b1 c1 K i<ik K a2 N b0 c2 a3 c3 b2 i>ik i=ik b′ K c0 i=0 c′ i<0 a、c区为壅水曲线；b区为降水曲线 当h→h0时，以N-N线为渐近线； 当h→hk时，与K-K线有成垂直的趋势； 当h→∞时，以水平线为渐近线 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 演示在不同底坡情况下矩形水槽中非均匀 渐变流的几种主要水面曲线及其衔接型式。 • 加深对非均匀渐变流水面曲线的感性认识， 加深对理论知识与水面线计算方法的理解。 水 力 学 实 验 课 实验设备 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • 开启进水阀门，放水入槽；测定流量Q(为 2-3 l/s)，并算出临界水深hc • • • 及临界底坡ic值。调整上下游升降机构，使水槽坡度i=ic为临界坡，并校 核槽内水深应与hc接近，此时槽中应为临界流。放下闸门①，使其开度 小于hc，即可出现 C1 和 C3 壅水曲线。 调整上下游槽底坡度，使 i1<ic（为缓坡）和 i2>ic（为陡坡），流量Q 不变。此时在水槽上游段下部出现b1型降水曲线，在下游段的上部出现 b2降水曲线，二段曲线通过hc相衔接。沿流程用测针量测b型曲线中不 同断面的水深 hi 及各断面的距离Δs，并作详细记录。 在同样底坡 i1和 i2情况下，放下闸门①②③，使其相应的闸门开度分别 小于 h01和 h02 .此时在上游槽中可以出现a和c型壅水曲线。沿流程用 测针量测M1型壅水曲线段中不同过水断面的水深 hi 及各断面之间的距 离Δs，并作详细记录。 调整坡度及闸门高度，可得到其他水面曲线类型。观察并记录。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 1.根据实测流量计算渠道的临界水深，在流量不变的情况下，按照上述 • 实验方法和步骤演示12种水面曲线。 2.用测针测量各种不同工况下不同地方的水深，画出各种水面曲线及衔 接情况，判别水面曲线的类型。 返回 水 力 学 实 验 课 宽顶堰流量系数的测定 实验原理 • （一）堰的分类：根据堰墙厚度或顶长d与堰上水头H的比 值不同而分成三种：薄壁堰 ；实用剖面堰 ；宽顶堰 。 • （二）堰的流量公式 对图中两种堰流情况的1-1与C-C断 面写能量方程，可得收缩断面流速表示式为： 式中：H为堰上水头，v0为上游行近流速；hc0为收缩断面 C-C处水深。 经过适当假设与简化，得堰流流量公式： • 式中：b为堰宽（即槽宽），b=20cm，m为堰流的流量系 数。 水 力 学 实 验 课 水 力 学 实 验 课 实验目的及要求 • 1. 观察实用剖面堰和宽顶堰上的水流现 象，并观察下游水位对宽顶堰的淹没溢流 影响。 2. 测定非淹没宽顶堰和实用剖面堰的流 速系数f和流量系数m值，并与经验值进 行比较。 水 力 学 实 验 课 实验设备 水 力 学 实 验 课 实验步骤 • 1. 记录有关常数，如堰宽b、堰高P、设计水头Hd等，记录测针在堰顶、 槽底处的零点读数。 2. 开启进水节门对测流量用的比压计进行充水和排气泡，使比压计在使 用前处于正常状态。实验时使流量由小到大，放水入玻璃水槽；应预先 打开下游尾门，以免使水流溢出槽外。对每个流量，待水流稳定后，测 量流量计上比压计中的压差值，然后查压差与流量关系曲线得出实验流 量Q值。 3. 调节尾门，使实用堰呈非淹没溢流，仔细观察堰流现象。待水流稳定 后，用测针细致量测实用堰上游水面读数，从而计算堰上水头H值，并 量测堰趾收缩断面（C-C断面）处水面的测针读数，算出收缩水深hc0值， 应多测几次，以取平均值。以上实验应改变流量3－5次，重复进行实验。 4. 对宽顶堰实验，先使水流为非淹没堰顶溢流，仔细观察宽顶堰顶水流 先收缩后增高再跌落的溢流现象。待水流稳定后，用测针量测堰上游水 面读数以定出堰上水头H值，并量测宽顶堰顶收缩断面水深hc0值。改变 流量5-6次，重复以上实验。选择一个流量，调节下游尾门，使慢慢发 生宽顶堰淹没溢流，仔细观察淹没溢流现象，读测上游水位开始壅高时 相应下游水面的测针读数，算出下游水位超过堰顶的水深hs值。 水 力 学 实 验 课 实验数据记录 • 返回 水 力 学 实 验 课