水力学实验指导书.docx
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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
水力学与山区河流开发保护国家重点实验室
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。
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。
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:
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+ρgh可得
pA=ρg水(▽3-▽A)
pB=ρg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=ρg水(▽1-▽2)=ρg水(▽3-▽4)=ρgX(▽5-▽6)
ρgX=
ρg水或ρgX=
ρg水
3.若水箱内气体压强p0≠pa,则p1≠p2、p3≠p4、p5≠p6。
当p0 用水柱高来表示为: hk=▽2-▽1 四、实验步骤: 1.认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。 2.熟悉仪器,记录常数。 3.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=8.5cm▽B=0cm 状态 测次 测压管液面高程读数 (cm) ▽1 ▽2 ▽3 ▽4 ▽5 ▽6 p0′>pa 1 2 3 p0′ 1 2 3 计算结果表: (仅供参考) 状态 测次 A点相对压强 PA(N/cm2) pA=ρg水(▽3-▽A) B点相对压强 PB(N/cm2) PB=ρg水(▽1-▽B) X液体容重 (N/cm3) ρg′= ρg水 水箱气体真空度hk(cm) hk=▽2-▽1 p0′>pa 1 2 3 p0′ 1 2 3 五、注意事项: 1.升降调压筒时,不能用力过猛,以免损坏仪器。 2.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.简述如何测定容器内液体任意点的静水压强。 2.在什么状态下,U型管两边的液面在同一水平面上。 3.在实验中,调压筒的作用是什么? 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: 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+ 。 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。 2.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 1 2 3 4 5 6 7 直径(cm) 1.9 1.9 1.9 1.45 1 1.45 1.9 面积(cm2) 2.84 2.84 2.84 1.65 0.78 1.65 2.84 水头数据记录表: (仅供参考) 断面编号 1 2 3 4 5 6 7 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 量测水箱 体积 V(cm3) 时间 t(s) 流量Q(cm3/s) 平均流量Q(cm3/s) 初高H1(cm) 终高H2(cm) 净高 △H(cm) 1 2 计算结果表: (仅供参考) 断面编号 1 2 3 4 5 6 7 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: 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。 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: 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: + = + (1) ∵v1A1=v2A2∴v2=v1 代入 (1)式得: = [( )2-1] V1= 理论流量: QT=A1V1=A1 QT=CT 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= 四、实验步骤: 1.熟悉实验指导书,了解实验目的、原理和设备结构。 2.打开尾阀,接通水泵电源,给水箱供水。 3.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。 4.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4cm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 量测水箱 时间 s 流量Q cm3/s 测压管水头 初高 cm 终高 cm 净高 cm 体积 cm3 h1(cm) h2(cm) 1 2 3 4 5 6 文丘里管断面直径、面积: d1=1.9cmd2=1cmA1=cm2A2=cm2 计算结果表: (仅供参考) 测次 测压管压差 △h(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 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.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。 2.文丘里管能否倒装,并说明原因。 3.绘制Q-h关系曲线。 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: 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= =φ Q=Ac×vc=εAφ =μA μ= 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: 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=100cm2 初高 (cm) 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 备注 孔口 (收缩) d=1.2cm 孔口 (喇叭) d=1.2cm 孔口 (方孔) 1.2×1.2 cm2 管嘴 (园柱) d=1.2cm 管嘴 (收缩) d=1.2cm 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。 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。 三、实验原理: 恒定总流的动量方程为: ∑F=ρQ(β2v2x-β1v1x) 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: 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: = +z即v1= 根据以上情况可得动量方程: R=ρQ(v1-v2cosα) 由于ρ= ,v1=v2= 并设β2=1、β1=1,可得: R= Q (1-cosα)(α为流入方向与流出方向的夹角) V= (A为喷嘴口断面面积) 四、实验步骤: 1.认真阅读实验目的、原理和注意事项。 2.熟悉实验设备构造。 3.调平天平。 关闭流量调节阀。 4.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。 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=200cm2α=度 测次 砝码 重量 G(g) 水位 初高 h1(cm) 水位 终高 h2(cm) 水位 净高 Δh(cm) 时间 t(s) 流量 Q(cm3/s) V (cm/s) V1 (cm/s) R (N) 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.为什么控制流量时,一定要缓慢? 2.比较实测作用力与计算作用力的大小,分析其原因。 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。 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= 式中,v—管中平均流速,d—管径,υ—运动粘滞系数。 υ= (T水温) 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: 1.熟悉实验指示书。 2.接通电源,开启水泵给水箱供水。 3.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=cm2 测次 量测水箱 时间T (℃) 流量Q (cm3/s) 流速v (cm/s) 雷诺数 Re 状态 初高H1(cm) 终高H2(cm) 净高 △H(cm) 体积 (cm3) 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.为什么调整流量时,一定要慢,且要单方向调整。 2.要提高实验精度,应该注意哪些问题? 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。 2.绘制lghf——lgv和lgRe——lgλ关系曲线,确定hf=Kvn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。 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 于是λ= hf= Δh 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。 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.认真阅读实验指示书,熟悉实验目的和要求。 2.熟悉实验装置的结构。 3.接通电源,开启水泵给水箱供水,打开尾阀。 4.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。 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=70cm水温T=℃ 测量水箱面积S=145cm2 测次 量测水箱 时间 t(s) 流量Q (cm3/s) 流速v (cm/s) 测压管 λ Re 初高H1(cm) 终高H2(cm) 净高(cm) h1(cm) h2(cm) 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。 测次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Loghf Logv LogRe logλ 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。 实验八管流局部阻力实验 一、实验目的: 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: 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=(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]2 ζ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
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- 水力学 实验 指导书