水力学实验报告课件.docx
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水力学实验报告课件
水力学实验报告
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2015.12.25
1平面静水总压力实验
1.1实验目的
1.掌握解析法及压力图法,测定矩形平面上的静水总压力。
2.验证平面静水压力理论。
1.2实验原理
作用在任意形状平面上的静水总压力P等于该平面形心处的压强pc与平面面积A的乘积:
,
方向垂直指向受压面。
对于上、下边与水面平行的矩形平面上的静水总压力及其作用点的位置,可采用压力图法:
静水总压力P的大小等于压强分布图的面积和以宽度b所构成的压强分布体的体积。
若压强分布图为三角形分布、如图3-2,则
式中:
e-为三角形压强分布图的形心距底部的距离。
若压强分布图为梯形分布,如图3-3,则
式中:
e-为梯形压强分布图的形心距梯形底边的距离。
图1-1静水压强分布图(三角形)图1-2静水压强分布图(梯形)
本实验设备原理如图3-4,由力矩平衡原理。
图1-3静水总压力实验设备图
其中:
求出平面静水总压力
1.3实验设备
在自循环水箱上部安装一敞开的矩形容器,容器通过进水开关Kl,放水开关K2与水箱连接。
容器上部放置一与扇形体相连的平衡杆,如图3-5所示。
图1-4静水总压力仪
1.4实验步骤
1.熟悉仪器,测记有关常数。
2.用底脚螺丝调平,使水准泡居中。
3.调整平衡锤使平衡杆处于水平状态。
4.打开进水阀门K1,待水流上升到一定高度后关闭。
5.在天平盘上放置适量砝码。
若平衡杆仍无法达到水平状态,可通过进水开关进水或放水开关放水来调节进放水量直至平衡。
6.测记砝码质量及水位的刻度数。
7.重复步骤4~6,水位读数在100mm以下做3次,以上做3次。
8.打开放水阀门K2,将水排净,并将砝码放入盒中,实验结束。
1.5实验数据记录及处理
1.有关常数记录:
天平臂距离L0=cm,扇形体垂直距离(扇形半径)L=cm,
扇形体宽b=cm,矩形端面高a0=cm,
2.实验数据记录
压强分布形式
测次
水位读数H(cm)
水位读数
(cm)
砝码质量m(g)
三角形分布
1
2
3
4
梯形分布
1
2
3
3.实验结果
压强分布形式
测次
作用点距底部距离(cm)
作用力距支点垂直距离(cm)
实测力矩(N·cm)
实测静水总压力(N)
理论静水总压力(N)
误差(%)
三角形分布
1
2
3
4
梯形分布
1
2
3
1.6注意事项
1.在调整平衡杆时,进水或放水速度要慢。
2.测读数据时,一定要等平衡杆稳定后再读。
1.7思考题
1.实验中,扇形体的其他侧面所受到的压力是否对实验精度产生影响?
为什么?
2.注水深度在100mm以上时,作用在平面上的压强分布图是什么形状?
3.影响本实验精度的原因是什么?
2能量方程实验
2.1实验目的
1.观察恒定流的情况下,与管道断面发生改变时水流的位置势能、压强势能、动能的沿程转化规律,加深对能量方程的物理意义及几何意义的理解。
2.观察均匀流、渐变流断面及其水流特征。
3.掌握急变流断面压强分布规律。
4.测定管道的测压管水头及总水头值,并绘制管道的测压管水头线及总水头线。
2.2实验原理
实际液体在有压管道中作恒定流动时,其能量方程如下
它表明:
液体在流动的过程中,液体的各种机械能(单位位能、单位压能和单位动能)是可以相互转化的。
但由于实际液体存在粘性,液体运动时为克服阻力而要消耗一定的能量,也就是一部分机械能要转化为热能而散逸,即水头损失。
因而机械能应沿程减小。
对于均匀流和渐变流断面,压强分布符合静水压强分布规律:
但不同断面的C值不同。
图2—1急变流断面动水压强分布图
对于急变流,由于流线的曲率较大,因此惯性力亦将影响过水断面上的压强分布规律;
上凸曲面边界上的急变流断面如图3-7(a),离心力与重力方向相反,所以。
下凹曲面边界上的急变流断面如图2—1(b),离心力与重力方向相向,所以。
2.3实验设备
实验设备及各部分名称如图2—2所示。
图2—2能量方程实验仪
2.4实验步骤
1.分辨测压管与毕托管并检查橡皮管接头是否接紧。
2.启动抽水机,打开进水阀门,使水箱充水并保持溢流,使水位恒定。
3.关闭尾阀K,检查测压管与毕托管的液面是否齐平。
若不平,则需检查管路是否存在气泡并排出。
4.打开尾阀K,量测测压管及毕托管水头。
5.观察急变流断面A及B处的压强分布规律。
6.本实验共做三次,流量变化由大变小。
2.5实验数据记录与处理
1.有关常数记录
d5=cm,d1=cm。
(d5即d,d1即D)
2.实验数据记录与计算(测压管高度单位为cm)
测次
1
4
5
6
8
9
A
量筒内水的质量(g)
测量时间(s)
流量(m3/s)
测压管液面高
总压管液面高
测压管液面高
总压管液面高
测压管液面高
总压管液面高
测压管液面高
总压管液面高
测压管液面高
总压管液面高
测压管液面高
总侧测压管高
外侧测压管高
中间测压管高
内侧测压管高
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3.实验结果
(1)绘制测压管水头线和总水头线(任选一组)。
(2)计算断面5和断面2的平均流速和毕托管测点流速。
2.6注意事项
1.尾阀K开启一定要缓慢,并注意测压管中水位的变化,不要使测压管水面下降太多,以免空气倒吸入管路系统,影响实验进行。
2.流速较大时,测压管水面有脉动现象,读数时要读取时均值。
2.7思考题
1.实验中哪个测压管水面下降最大?
为什么?
2.毕托管中的水面高度能否低于测压管中的水面高度?
3.在逐渐扩大的管路中,测压管水头线是怎样变化的?
3动量方程实验
3.1实验目的
1.测定管嘴喷射水流对平板或曲面板所施加的冲击力。
2.将测出的冲击力与用动量方程计算出的冲击力进行比较,加深对动量方程的理解。
3.2实验原理
应用力矩平衡原理如图3—1,求射流对平面板和曲面板的作用力。
力矩平衡方程:
图3-1动量原理实验简图
式中:
F-射流作用力;L-作用力力臂;
G1-砝码重量;L1-砝码力臂。
恒定总流的动量方程为
若令,且只考虑其中水平方向作用力,则可求得射流对平面板和曲面板的作用力公式为
式中:
Q-管嘴的流量;v-管嘴流速;
-射流射向平面或曲面板后的偏转角度。
:
水流对平面板的冲击力
3.3实验设备
实验设备及各部分名称见图3—2,实验中配有的平面板和及的曲面板,另备大小量筒及秒表各一只。
3.4实验步骤
1.测记有关常数。
2.安装平面板,调节平衡锤位置,使杠杆处于水平状态。
3.启动抽水机,使水箱充水并保持溢流。
此时,水流从管嘴射出,冲击平板中心,标尺倾斜。
加法码并调节砝码位置,使杠杆处于水平状态,达到力矩平衡。
记录砝码质量和力臂Ll。
4.用质量法测量流量Q用以计算F理。
5.改变溢流板高度,使水头和流量变化,重复上述步骤。
6.将平面板更换为曲面板(及),又可实测和计算不同流量的作用力。
7.关闭抽水机,将水箱中水排空,砝码从杠杆中取下,实验结束。
3.5实验数据记录
相关常数:
L=cm,管径d=cm
水的质量(g)
时间(s)
流量(L/s)
流速(m/s)
砝码质量(g)
力臂L1(cm)
F理
(N)
F实
(N)
误差(%)
3.6注意事项
1.量测流量后,量筒内水必须倒进接水器,以保证水箱循环水充足。
2.测流量时,计时与量简接水一定要同步进行,以减小流量的量测误差。
3.测流量一般测两次取平均值,以消除误差。
3.7思考题
1.F实与F理有差异,除实验误差外还有什么原因?
2.流量很大与很小时各对实验精度有什么影响?
3.实验中,平衡锤产生的力矩没有加以考虑,为什么?
4雷诺实验
4.1实验目的
1.观察层流和紊流的流动特征及其转变情况,以加深对层流、紊流形态的感性认识。
2.测定层流与紊流两种流态的水头损失与断面平均流速之间的关系。
3.绘制水头损失hf和断面平均流速的对数关系曲线,即曲线,并计算图中的斜率m和临界雷诺数Rek。
4.2实验原理
同一种液体在同一管道中流动,当流速不同时,液体可有两种不同的流态。
当流速较小时,管中水流的全部质点以平行而不互相混杂的方式分层流动,这种形态的液体流动叫层流。
当流速较大时,管中水流各质点间发生互相混杂的运动,这种形态的液体流动叫做紊流。
层流与紊流的沿程水头损失规律也不同。
层流的沿程水头损失大小与断面平均流速的1次方成正比,即。
紊流的沿程水头损失与断面平均流速的1.75~2.0次方成正比,即。
视水流情况,可表示为,式中m为指数,或表示为。
每套实验设备的管径d固定,当水箱水位保持不变时,管内即产生恒定流动。
沿程水头损失与断面平均流速v的关系可由能量方程导出:
当管径不变,,取
所以
值可以由压差计读出。
在圆管流动中采用雷诺数来判别流态:
式中:
v-圆管水流的断面平均流速;d-圆管直径;-水流的运动粘滞系数。
当Re Re>Rek’(上临界雷诺数)时为紊流状态,Rek’在4000~12000之间。 4.3实验设备 实验设备及各部分名称见图4—1所示。 4.4实验步骤 (一)观察流动形态 将进水管打开使水箱充满水,并保持溢流状态;然后用尾部阀门调节流量,将阀门微微打开,待水流稳定后,注入颜色水。 当颜色水在试验管中呈现一条稳定而明显的流线时,管内即为层流流态,如图1所示。 随后渐渐开大尾部阀门,增大流量,这时颜色水开始颤动、弯曲,并逐渐扩散,当扩散至全管,水流紊乱到已看不清着色流线时,这便是紊流流态。 (二)测定
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