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土木建筑工程学院水力学实验指导书余耀编写适用专业 ：基岩、交通土建、建筑工程贵州大学二00七年八月前 言水力学是以水为主要对象研究液体运动规律以及应用这些规律解决实际工程问题的科学，它是介于基础科学与工程技术之间的一门技术科学。在自然界中，与水流运动有关的水力学问题非常普遍，所以水利水电工程，给水排水工程，环境工程，土木建筑工程，交通工程等专业都将水力学作为必修课之一。水力学实验在水力学学科的发展中占有重要的地位，是水力学课程中一个不可缺少的重要教学环节。通过实验可以使学生观察实际水流现象，增强感性认识；验证水力学的基本理论，帮助学生深化课堂教学内容，巩固理论知识和提高分析问题的能力；了解水力学学科的发展前沿，培养学生开拓、创新的能力；掌握一定的实验技能；培养学生分析实验数据、整理实验结果和编写实验报告的能力和严谨踏实的科学作风，为进一步从事科学研究以及开拓新技术领域奠定坚实的基础。目 录1实验一：流体静力学实验42实验二：不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺里方程)实验11 3实验三：雷诺实验16 4实验四：文丘里流量计实验20 实验一：流体静力学实验实验学时：1学时实验类型：（验证）实验要求：（必修）一、实验目的1掌握用测压管测量流体静压强的技能；2。验证不可压缩流体静力学基本方程；3通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实 际问题的能力。二、实验内容 验证在重力作用下不可压缩流体静力学方程基本方程，通过实验测出各断面的压强，油的容重。三、 实验原理、方法和手段 1在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 或 式中： Z被测点在基准面以上的位置高度 被测点的静水压强。用相对压强表示，以下同； 水箱中液面的表面压强；液体容重；H被测点的液体深度 另对装有水油(图12及图13)U型测管，应用等压面可得油的比重S。有下列关系：据此可用仪器(不用另外尺)直接测得S。 2、采用加压法、减压法来测定各断面的压强，油的容重四、实验组织运行要求根据本实验的特点，要求和具体条件，主要是采用以老师讲解，学生自主训练为主的开放式教学五、实验条件流体静力学实验仪、钢直尺、烧杯等。六、实验步骤1搞清仪器组成及其用法。图11流体静力学实验装置图1测压管；2带标尺测压管；3连通管；4真窄测压管；5U型测压管 6通气阀；7加压打气球；8截止阀； 9油柱；l0水柱；11减压放水阀。包括： 1）各阀门的开关； 2 )加压方法 关闭所有阀门(包括截止阀)，然后用打气球充气；3 )减压方法 开启筒底阀ll放水； 4 )检查仪器是否密封，加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。 若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。2记录仪器号No及各常数(记入表1.1)。3量测点静压强(各点压强用厘米水柱高表示)。 1)打开通气阀6(此时=O)，记录水箱液面标高。和测管2液面标高 (此时=)； 2)关闭通气阀6及截止阀8，加压使之形成O，测记及 “； 3)打开放水阀11，使之形成0(要求其中一次，即 O)，微调放气螺母使U形管中水面与油水交界面齐平(图12)，测记及 (此过程反复进行3次)； 3)打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀ll降压(PoO)，使U形管中的水面与油面齐平(图13)，测记及 (此过程亦反复进行3次)。6实验成果及要求1)记录有关常数。 实验装置台号No 各测点的标尺读数为： = cm，= cm， = cm，= Ncm3。 2)分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，并选择一基准检验同一静止液体内的任意二点C、D的(Z+)是否为常数。 3)求出油的容重。 r。= Ncm3 4)测出4#测压管插入小水杯水中深度。 cm七、思考题 1同一静止液体内的测压管水头线是根什么线? 2当p。0123P00(其中一次PB0 且U型管中水面与油水交界面齐平1S0=R0= N/cm323P00且U型管中水面与油面齐平123 九、其它说明做实验时，加压不能太用劲，免得把水和油压出来。容器的密闭性能要保持良好状态，实验时仪器底座要水平。实验二：不可压缩流体恒定流能量方程(伯诺里方程)实验实验学时：1学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的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实验分析研讨，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、实验内容测量水在流动时，各断面的压力、流速、流量。绘制测压管水头线和总水头线。三、实验原理、方法和手段在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面(1)至另一断面(i)的能量方程式(i=2，3，n)取，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出 的值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速及，从而即可得到各断面测压管水头和总水头。四、实验组织运行要求根据本实验的特点，要求和具体条件，主要是采用以老师讲解，学生自主训练为主的开放式教学。五、实验条件能量方程实验仪，测压板，秒表，量筒等。六、实验步骤1.熟悉实验设备。分清哪些测压管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。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；6.恒压水箱；7测压计；8滑动测量尺；9测压管；10.实验管道；11测压点；12毕托管；13实验流量调节阀。2.打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因(例连通管受阻、漏气或夹气泡等)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)测压管水头同否? 为什么? 4)测点(10)、(11)测压管水头是否不同? 为什么? 5)当流量增加或减少时测压管水头如何变化?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，不必测记读数)。5改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测压管液面接近标尺零点。6实验成果及要求1)记录有关常数 实验装置台号No均匀段D1 = cm 缩管段D2 = cm 扩管段D3 = cm水箱液面高程 cm 上管道轴线高程= cm表21管径记录表测点编号1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管径cm两点间距cm4466413.5610291616注：1.测点6、7所在断面内径为D2，测点16、17为D3，其余均为D1。2标“*”者为毕托管测点(测点编号见表21)。 3测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，lO、ll为弯管非均匀流段同一断面上的两个测压点。2)量测()并记入表22。3) 计算流速水头和总水头。4) 绘制上述成果中最大流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P（轴向尺寸参见表2.1，总水头线和测压管水头线绘制在同一坐标上）提示：1P-P线依表22数据绘制，其中测点10、11、13数据不用； 2E-E线依表23(2)数据绘制，其中测点10、11数据不用； 3在等直径管段E_E与P-P平行。七、思考题 1测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同?为什么? 2流量增加，测压管水头线有何变化?为什么?3测点2、3和测点10、1l的测压管读数分别说明了什么问题?4毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试 分析其原因。八、实验报告表2.1管径记录表测点编号1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管径cm两点间距cm4466413.5610291616表2.2测记（Z+）数值表 （基准面选在标尺的零点上）测点编号234579101113151719QCm3/s实验次序123表2.3计算数值表（1） 流速水头管径d（cm）Q= (cm3/s)Q= (cm3/s)Q= (cm3/s)A(cm2)(cm/s)cmA(cm2)(cm/s)A(cm2)(cm/s)（2）总水头 单位：cm测点编号Q（cm3/s）实验次序123九、其它说明测量数据前一定要将管道和测压管内的气体排出。实验三：雷诺实验实验学时：1学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的 1观察层流、紊流的流态及其转换特征； 2测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则； 3学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实 用意义。二、实验内容观察层流、紊流，测定下临界雷诺数Re ，通过雷诺数Re来判定水在管道中的流态。三、实验原理、方法和手段实际流体中存在着两种不同的流动型态，即层流和紊流。层流的特点是当 流速较小时流体的质点互不混掺成线状运动，没有脉动现象。紊流的特点是液体中的质点互相混掺，其运动轨迹曲折混乱，运动要素发生脉动现象。介于二者之间的是层流向紊流的过渡流动状态，称为层流向紊流的过渡。流动型态的判别标准是雷诺数，对于园管流动，雷诺数用下式计算： 四、实验组织运行要求根据本实验的特点，要求和具体条件，主要是采用以老师讲解，学生自主训练为主的开放式教学。五、实验条件雷诺实验仪，红色液体，秒表，量筒等六、实验步骤 1 熟悉雷诺实验仪，测记本实验的有关常数。自循环雷诺实验装置图 图411 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有色水水管； 6稳水孔板；7溢流板；8实验管道；9实验流量调节阀。 2观察两种流态。 打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。3测定下临界雷诺数。 (1) 将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；(2) 待管中出现临界状态时，用体积法测定流量；(3) 根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大，需重测；(4) 重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；(5) 同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。注意： a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；c、随出水流量减小，应适当调小开关(右旋)，以减小溢流量引发的扰动。4测定上临界雷诺数。 逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数l2次。5、实验成果及要求1)记录、计算有关常数： 实验装置台号No管径d = cm 水温t= 运动粘度 = cm2/s 计算常数 K= scm32)整理、记录计算表七、思考题1 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?实测下临界雷诺数为多少? 2雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍 采用的下临界雷诺数是2000，原因何在? 3试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在? 4分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异?八、实验报告表41 雷诺实验记录计算表实验次序颜色水线形态水体积v(cm3)时间T(s)流量Q(cm3/s)雷诺数Re阀门开度增()或减()备注实测下临界雷诺数(平均值)注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。九、其它说明1. 在测量过程中，一定要保持水箱内的水位恒定。每变动一次水阀，须待水头稳定后再测量流量。2. 出水阀门必须从大到小逐渐关闭。3. 在流动型态转变点附近，流量变化的间隔要小些，使测点多些，以便准确测定下临界雷诺数。实验四：文丘里流量计实验实验学时：1学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1 通过测定流量系数，掌握文丘里流量计量测管道流量的技术和应用气水多管压差计量测压差的技术；2 通过实验与量纲分析，了解应用量纲分析与实验结合研究水力学闯题的途径，进而掌握文丘里流量计的水力特性。二、实验内容应用气水多管压差计，测量文丘里流量计的压差，流量Q，雷诺数，流量系数。三、实验原理、方法和手段当流体通过文丘里流量计时，由于圆管道段和喉道段的断面面积不同而产生压差，通过的流量不同，其压差的大小也不同，所以可根据压差的大小来测定流量。 根据能量方程式和连续性方程式，可得不计阻力作用时的文丘管过水能力关系式：式中：两断面面积测压管水头差。由于阻力的存在，实际通过的流量Q一定小于Q/。今引入一无量纲系数（称为流量系数），对计算所得流量值进行修正。即 另外，由水静力学基本方程可得气水多管压差计的为：=四、实验组织运行要求根据本实验的特点，要求和具体条件，主要是采用以老师讲解，学生自主训练为主的开放式教学。五、实验条件文丘里实验仪，气水多管压差计，电测仪，秒表，量筒等。六、实验步骤1.熟悉文丘里实验仪，测记各有关常数。 图51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测压计气阀；9测压计；10滑尺；11多管压差计； 12实验流量调节阀。 2打开电源开关，全关阀12，检核测压管液面读数=是否为0，不为0时，需查出原因并予以排除。 3全开调节阀12检查各测管液面是畲都处在滑尺读数范围内?否则，按下列 步序调节：拧开气阀8，将清水注入测管2、3，待h2