水力学实验指导书

PAGEPAGE1水力学实验Name:Time:

前言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。

实验1能量方程验证实验一、实验目的：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。掌握“体积法”测流量的方法。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、实验管道等组成。其中实验管道由直管、收缩渐变管、扩散渐变管、弯管组成，在管道内安装有微型毕托管，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+。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。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头，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。微型毕托管所测的水头为毕托管管嘴所在位置的总水头。四、实验步骤：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，用洗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。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1234567直径(cm)面积(cm2)水头数据记录表：(仅供参考)断面编号1234567测压管水头毕托管所测总水头流量测定记录：(仅供参考)测次体积V（cm3）时间t(s)流量Q（cm3/s）平均流量Q（cm3/s）1234计算结果表：(仅供参考)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能量测。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、思考题绘制测压管水头线和总水头线。利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验排净与否？七、误差来源分析实验2文丘里实验一、实验目的：测定文丘里管流量系数μ值。绘制文丘里管的流量Q与压差计压差△h之间的关系曲线。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。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：+=+(1)∵v1A1=v2A2∴v2=v1代入（1）式得：=[()2-1]V1=理论流量：QT=A1V1=A1QT=CTCT=A1CT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=四、实验步骤：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。控制尾阀，减小流量，使测压管水位差减小4cm左右，等到水流稳定后，继续测定。测次大于6次后，且压差分布均匀，实验可以结束。关闭电源。流量数据记录表：(仅供参考)注：流量Q先大后小。测次体积V(cm3)时间s流量Qcm3/s测压管水头h1(cm)h2(cm)123456文丘里管断面直径、面积：d1=cmd2=cmA1=cm2A2=cm2流速v1=(cm/s)流速v2=(cm/s计算结果表：(仅供参考)测次测压管压差△h=h1-h2(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μ=123456五、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，一定要按老师要求进行操作。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的大小，并分析其原因。实测的μ值大于1还是小于1？绘制Q-△h关系曲线。每次测出的流量系数μ值是否是常数？若不是则与哪些因素有关？七、误差来源分析本实验的操作过程较为简单，实验误差有读数误差。实验3管流沿程阻力实验实验目的：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。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。三、实验原理：列出1、2断面的能量方程：z1++=z2+++hf由于管道直径不变，所以两断面流速水头相等，于是有：hf=(z1+)-（z2+）=Δh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hf=λ=Δh于是λ=Δh式中，λ—管道沿程阻力系数，d—实验管管径，Δh=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。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：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。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。减小尾阀的开度，减小实验流量，压差的减小量控制在4cm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。重复实验,每次压差下降要均匀，检查数据无误后,关闭电源,结束实验。注：流量Q先大后小。数据记录表：(仅供参考)管径d=cm实验段长度L=cm水温T=℃测次体积V(cm3)时间t(s)流量Q(cm3/s)流速v(cm/s)测压管Δh=hf(cm)λRe=64/λh1(cm)h2(cm)12345678测次12345678LoghfLogvLogRelogλ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。整理资料时，一定要注意单位的统一。实验时一定要注意用电安全。六、思考题：为什么调整流量时，压差下降要均匀。绘制loghf-logv和logRe-logλ曲线。七、误差来源分析实验4管流局部阻力实验一、实验目的：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。验证圆管突然扩大、突然缩小局部水头损失的理论公式。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，使流动结构重新调整，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=(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。管流突然扩大局部水头损失的理论公式：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hj实=(z1++)-(z2++)式中α1α2取1，测压管水头(z1+)、(z2+)直接在测压管中读取，流速水头、则根据体积法所测流量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、实验步骤：熟悉实验指示书、实验装置，记录管道直径D和d。打开尾阀，接通电源，开启水泵，给水箱供水。等到水箱开始溢水后，关闭尾阀，排除管道、测压管中的气体，并观察测压管中的水位是否在同一水平面上。打开尾阀，使管道通过水流，并调节流量大小，使测压管水位在适当的高度。测量各断面的测压管水头，用体积法测定流量。检查数据无误后，改变流量，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，要注意断面的位置。流量测定数据表：(仅供参考)测次体积V(cm3)时间t(s)流量(cm3/s)平均流量Q(cm3/s)Q1Q212管流突然扩大局部水头损失计算表：(仅供参考)细管直径d1=cm粗管直径d2=cm理论局部阻力系数=ζ=流速v1==(cm/s)流速v2==(cm/s)测次(cm)(Z+)1(cm)H1=+(Z+)1(cm)(cm)(Z+)2(cm)H2=+(Z+)2(cm)hj理hj实=(H1-H2)12管流突然缩小局部水头损失计算表：(仅供参考)粗管直径d1=cm细管直径d2=cm理论局部阻力系数ζ=0.5(1-)=ζ=流速v1=(cm/s)流速v2=(cm/s)测次(cm)(Z+)1(cm)H1=+(Z+)1(cm)(cm)(Z+)2(cm)H2=+(Z+)2(cm)hj理hj实=(H1-H2)12六、思考题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.在相同管径变化条件下，相应于同一流量，其突然扩大的ζ值是否一定大于突然缩小的ζ值？七、误差来源分析误差主要来源于流量测定时产生的误差以及读数误差，另外，改变流量时，没有等流量稳定就开始读数也会产生较大误差。实验5明渠断面流速分布测定(毕托管)一、实验目的：了解毕托管的构造和测速原理，掌握用毕托管测点流速的方法。求得毕托管系数。二、实验设备：实验装置由实验水槽、毕托管等组成。水槽宽b=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：毕托管测流速原理毕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。由于毕托管前端对水流的阻挡，使水流到达毕托管的前端面时，流速变为零，动能全部转化为压能，故毕托管前端测压孔所测水头为该点总水头。毕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。根据毕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h1-h2=v=h1毕托管前端孔所测总水头(z++)h2毕托管侧面孔所测测压管水头(z+)故v=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。由于毕托管对水流的干扰和测压孔位置的不同，故需乘上毕托管的校正系数µ，一般为0.98——1，因此点流速为v=µ四、实验步骤认真阅读实验指示书，了解实验目的。熟悉毕托管的实际构造和使用方法。打开水槽进水阀门，将水槽水深控制在15——20cm左右。调平毕托管测压排基座。用自来水（或真空泵）给毕托管排气，气体排完后，在测压管上方放入部分空气。将毕托管管头放入静水中，检查测压管读数是否相等，如果相等，则说明毕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。将毕托管放到要测定的位置上，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毕托管高程值。升高毕托管高程2cm，再读数，直到水面。五、注意事项实验中，毕托管管头不能露出水面。毕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。测读时，视线应垂直于比压计的倾斜面，读取弯液面的最低点读数，当测管中的水面上下脉动时，读取平均值。六、思考题测流速时，毕托管管头为什么要正