水力學實驗報告 學 院:

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　2015、12、25

　1 平面靜水總壓力實驗 1、1 實驗目的 1、掌握解析法及壓力圖法,測定矩形平面上的靜水總壓力。

　2、驗證平面靜水壓力理論。

　1、2 實驗原理

　作用在任意形狀平面上的靜水總壓力P等于該平面形心處的壓強p c 與平面面積A 的乘積: A p Pc? , 方向垂直指向受壓面。

　 對于上、下邊與水面平行的矩形平面上的靜水總壓力及其作用點的位置,可采用壓力圖法:靜水總壓力 P 的大小等于壓強分布圖的面積 ? 與以寬度 b 所構成的壓強分布體的體積。

　b P ? ?

　若壓強分布圖為三角形分布、如圖 3-2,則 H eb gH P31212?? ? 式中:e－為三角形壓強分布圖的形心距底部的距離。

　若壓強分布圖為梯形分布,如圖 3-3,則 2 12 12 12321H HH H aeab H H g P＋＋）

　＋ （? ?? ? 式中:e－為梯形壓強分布圖的形心距梯形底邊的距離。

　 圖 1-1 靜水壓強分布圖(三角形)

　圖 1-2 靜水壓強分布圖(梯形) 本實驗設備原理如圖 3-4,由力矩平衡原理。

　圖 1-3 靜水總壓力實驗設備圖 1 0L P L G ? ? ?

　其中: e L L ? ?1 求出平面靜水總壓力 10LGLP ?

　1、3 實驗設備

　在自循環水箱上部安裝一敞開的矩形容器,容器通過進水開關 K l ,放水開關 K 2 與水箱連接。容器上部放置一與扇形體相連的平衡桿,如圖 3-5 所示。

　203010405060708090100110120130140150160? ?? ? ? ? ?K 2? ? ?? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?L 0? 3-5

　? ? ? ? ? ?K 1 圖 1-4 靜水總壓力儀 1、4 實驗步驟

　1、熟悉儀器,測記有關常數。

　 2、用底腳螺絲調平,使水準泡居中。

　 3、調整平衡錘使平衡桿處于水平狀態。

　 4、打開進水閥門 K 1 ,待水流上升到一定高度后關閉。

　 5、在天平盤上放置適量砝碼。若平衡桿仍無法達到水平狀態,可通過進水開關進水或放水開關放水來調節進放水量直至平衡。

　 6、測記砝碼質量及水位的刻度數。

　 7、重復步驟 4～6,水位讀數在 100mm 以下做 3 次,以上做 3 次。

　8、打開放水閥門 K 2 ,將水排凈,并將砝碼放入盒中,實驗結束。

　1、5 實驗數據記錄及處理

　1、有關常數記錄: 天平臂距離 L 0 ＝

　cm,扇形體垂直距離(扇形半徑)L＝

　cm, 扇形體寬 b＝

　cm,矩形端面高 a 0 ＝

　cm,3 3/ 10 0 . 1 cm kg?? ＝ ?

　2、實驗數據記錄

　壓強分布形式 測次 水位讀數 H(cm) 水位讀數 ???? ???0 00

　0a H a Ha Hh(cm) 砝碼質量 m(g) 三角形分布 1

　2

　3

　4

　梯形分布 1

　2

　3

　3、實驗結果 壓強分布形式 測次 作 用 點 距 底部距離(cm) H hH h h H???? 23 作用力距支點垂 直 距 離e L L ? ?1(cm) 實 測 力 矩(N·cm)0 0mgL M ? 實測靜水總壓 力(N)10LMP ＝實 理 論 靜 水總 壓 力(N)

　誤 差(％) 三角形分布 1

　 2

　 3

　 4

　 梯形分布 1

　 2

　 3

　 100%-? ?理論值實驗值 理論值注：誤差

　1、6 注意事項

　1、在調整平衡桿時,進水或放水速度要慢。

　2、測讀數據時,一定要等平衡桿穩定后再讀。

　1、7 思考題

　1、實驗中,扇形體的其她側面所受到的壓力就是否對實驗精度產生影響？為什么？ 2、注水深度在 100mm 以上時,作用在平面上的壓強分布圖就是什么形狀？

　3、影響本實驗精度的原因就是什么？ 2

　能量方程實驗

　2、1 實驗目的

　1、觀察恒定流的情況下,與管道斷面發生改變時水流的位置勢能、壓強勢能、動能的沿程轉化規律,加深對能量方程的物理意義及幾何意義的理解。

　 2、觀察均勻流、漸變流斷面及其水流特征。

　3、掌握急變流斷面壓強分布規律。

　4、測定管道的測壓管水頭及總水頭值,并繪制管道的測壓管水頭線及總水頭線。

　2、2 實驗原理 實際液體在有壓管道中作恒定流動時,其能量方程如下 whgv pZgv pZ ? ? ? ? ? ?2 222 2 2221 1 11???? 它表明:液體在流動的過程中,液體的各種機械能(單位位能、單位壓能與單位動能)就是可以相互轉化的。但由于實際液體存在粘性,液體運動時為克服阻力而要消耗一定的能量,也就就是一部分機械能要轉化為熱能而散逸,即水頭損失。因而機械能應沿程減小。

　對于均勻流與漸變流斷面,壓強分布符合靜水壓強分布規律: Cpz ? ?? 但不同斷面的 C 值不同。

　圖 2—1 急變流斷面動水壓強分布圖 對于急變流,由于流線的曲率較大,因此慣性力亦將影響過水斷面上的壓強分布

　規律;

　 上凸曲面邊界上的急變流斷面如圖 3-7(a),離心力與重力方向相反,所以靜 動p p ? 。

　下凹曲面邊界上的急變流斷面如圖 2—1(b),離心力與重力方向相向,所以靜 動p p ? 。

　2、3 實驗設備

　實驗設備及各部分名稱如圖 2—2 所示。

　? ?? ?1 2 3 4 5 6 789CAB10? 3-8

　? ? ? ? ? ? ?? ? 圖 2—2 能量方程實驗儀 2、4 實驗步驟 1、分辨測壓管與畢托管并檢查橡皮管接頭就是否接緊。

　2、啟動抽水機,打開進水閥門,使水箱充水并保持溢流,使水位恒定。

　3、關閉尾閥 K,檢查測壓管與畢托管的液面就是否齊平。若不平,則需檢查管路就是否存在氣泡并排出。

　4、打開尾閥 K,量測測壓管及畢托管水頭。

　5、觀察急變流斷面 A 及 B 處的壓強分布規律。

　6、本實驗共做三次,流量變化由大變小。

　2、5 實驗數據記錄與處理

　水力學實驗報告 1、有關常數記錄

　d 5 ＝

　 cm, d 1 ＝

　 cm。(d 5 即 d,d 1 即 D) 2.實驗數據記錄與計算(測壓管高度單位為 cm) 測次 1 4 5 6 8 9 A 量筒內水的質量(g) 測量時間(s) 流量(m3 /s) 測壓管液面高 總壓管液面高 測壓管液面高 總壓管液面高 測壓管液面高 總壓管液面高 測壓管液面高 總壓管液面高 測壓管液面高 總壓管液面高 測壓管液面高 總側測壓管高 外側測壓管高 中間測壓管高 內側測壓管高 1

　 2

　 3

　 4

　 5

　 6

　 7

　 8

　 9

　 10

　水力學實驗報告 3、實驗結果 (1)繪制測壓管水頭線與總水頭線(任選一組)。

　? ?? ?1 2 3 4 5 6 789CAB10? 3-8

　? ? ? ? ? ? ?? ?

　 (2)計算斷面 5 與斷面 2 的平均流速與畢托管測點流速。

　2、6 注意事項

　1、尾閥 K 開啟一定要緩慢,并注意測壓管中水位的變化,不要使測壓管水面下降太多,以免空氣倒吸入管路系統,影響實驗進行。

　2、流速較大時,測壓管水面有脈動現象,讀數時要讀取時均值。

　2、7 思考題

　1、實驗中哪個測壓管水面下降最大？為什么？ 2、畢托管中的水面高度能否低于測壓管中的水面高度？ 3、在逐漸擴大的管路中,測壓管水頭線就是怎樣變化的？ 3 動量方程實驗 3、1 實驗目的

　1、測定管嘴噴射水流對平板或曲面板所施加的沖擊力。

　 2、將測出的沖擊力與用動量方程計算出的沖擊力進行比較,加深對動量方程的理解。

　3、2 實驗原理

　應用力矩平衡原理如圖 3—1,求

　射流對平面板與曲面板的作用力。

　力矩平衡方程:

　1GL FL? ,LGLF1?

　式中:F－射流作用力;L－作用力力臂;

　 G 1 －砝碼重量;L 1 －砝碼力臂。

　恒定總流的動量方程為 ?? ? ) (1 1 2 2v v Q F ? ? ?

　若令 11 2? ? ? ? ,且只考慮其中水平方向作用力,則可求得射流對平面板與曲面板的作用力公式為 ) cos 1 ( ? ? ? ? Qv F

　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轉角度。

　90 Qv ? ? ? ? ?平時，F

　 平F :水流對平面板的沖擊力 135 (1 cos135 ) 1.707 1.707 Qv Qv F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?平時，F

　 180 (1 cos180 ) 2 2 Qv Qv F ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?平時，F

　3、3 實驗設備 實驗設備及各部分名稱見圖 3—2,實驗中配有090 ? ? 的平面板與0180 ? ? 及0135 ? ? 的曲面板,另備大小量筒及秒表各一只。

　3、4 實驗步驟

　1、測記有關常數。

　 2、安裝平面板,調節平衡錘位置,使杠桿處于水平狀態。

　3、啟動抽水機,使水箱充水并保持溢流。此時,水流從管嘴射出,沖擊平板中心,標尺傾斜。加法碼并調節砝碼位置,使杠桿處于水平狀態,達到力矩平衡。記錄砝碼質量與力臂 L l 。

　4、用質量法測量流量 Q 用以計算 F 理 。

　圖 3-1 動量原理實驗簡圖

　5、改變溢流板高度,使水頭與流量變化,重復上述步驟。

　6、將平面板更換為曲面板(0135 ? ? 及0180 ? ? ),又可實測與計算不同流量的作用力。

　7、關閉抽水機,將水箱中水排空,砝碼從杠桿中取下,實驗結束。

　水箱水箱圖3-2 動量原理實驗儀開關杠桿砝碼水準氣泡平衡錘支點LL 1 3、5 實驗數據記錄

　相關常數:L＝

　 cm,管徑 d＝

　 cm

　水 的 質量(g) 時 間(s) 流 量(L/s) 流 速(m/s) 砝 碼 質量(g) 力 臂L 1 (cm) F 理

　(N) F 實

　(N)

　誤 差(％) 090 ? ?

　 0135 ? ?

　 0180 ? ?

　 3、6 注意事項

　1、量測流量后,量筒內水必須倒進接水器,以保證水箱循環水充足。

　2、測流量時,計時與量簡接水一定要同步進行,以減小流量的量測誤差。

　3、測流量一般測兩次取平均值,以消除誤差。

　3、7 思考題

　1、F 實 與 F 理 有差異,除實驗誤差外還有什么原因？ 2、流量很大與很小時各對實驗精度有什么影響？ 3、實驗中,平衡錘產生的力矩沒有加以考慮,為什么？

　4 雷諾實驗 4、1 實驗目的

　 1、觀察層流與紊流的流動特征及其轉變情況,以加深對層流、紊流形態的感性認識。

　 2、測定層流與紊流兩種流態的水頭損失與斷面平均流速之間的關系。

　 3、繪制水頭損失 h f 與斷面平均流速的對數關系曲線,即 v h f lg ~ lg 曲線,并計算圖中的斜率 m 與臨界雷諾數 Re k 。

　4、2 實驗原理

　同一種液體在同一管道中流動,當流速不同時,液體可有兩種不同的流態。當流速較小時,管中水流的全部質點以平行而不互相混雜的方式分層流動,這種形態的液體流動叫層流。當流速較大時,管中水流各質點間發生互相混雜的運動,這種形態的液體流動叫做紊流。

　 層流與紊流的沿程水頭損失規律也不同。層流的沿程水頭損失大小與斷面平均流速的 1 次方成正比,即0 . 1v h f ? 。紊流的沿程水頭損失與斷面平均流速的 1、75～2、0 次方成正比,即0 . 2 ~ 75 . 1v h f ? 。

　 視水流情況,可表示為mfkv h ? ,式中 m 為指數,或表示為 v m k h f lg lg lg ? ? 。

　 每套實驗設備的管徑 d 固定,當水箱水位保持不變時,管內即產生恒定流動。沿程水頭損失fh 與斷面平均流速 v 的關系可由能量方程導出: fhgv pZgv pZ ? ? ? ? ? ?2 222 2 2221 1 11???? 當管徑不變,2 1v v ? ,取 0 . 12 1? ? ? ?

　所以 hpZpZ h f ? ? ? ? ? ? ) ( ) (2211? ? h ? 值可以由壓差計讀出。

　在圓管流動中采用雷諾數來判別流態:?vd? Re

　式中:v－圓管水流的斷面平均流速;d－圓管直徑; ? －水流的運動粘滯系數。

　 當 Re<Re k

　(下臨界雷諾數)時為層流狀態,Re k ＝2320;

　 Re>Re k ’(上臨界雷諾數)時為紊流狀態,Re k ’在 4000~12000 之間。

　4、3 實驗設備

　 實驗設備及各部分名稱見圖 4—1 所示。

　? ?? ?? 4—1 ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ?? ? K1 2 4、4 實驗步驟

　 (一)觀察流動形態

　 將進水管打開使水箱充滿水,并保持溢流狀態;然后用尾部閥門調節流量,將閥門微微打開,待水流穩定后,注入顏色水。當顏色水在試驗管中呈現一條穩定而明顯的流線時,管內即為層流流態,如圖 1 所示。

　 隨后漸漸開大尾部閥門,增大流量,這時顏色水開始顫動、彎曲,并逐漸擴散,當擴散至全管,水流紊亂到已瞧不清著色流線時,這便就是紊流流態。

　 (二)測定 v h f ~ 的關系及臨界雷諾數

　 1、熟悉儀器,測記有關常數。

　 2、檢查尾閥全關時,壓差計液面就是否齊平、若不平,則需排氣調平。

　 3、將尾部閥門開至最大,然后逐步關小閥門,使管內流量逐步減少;每改變一次流量、均待水流平穩后,測定每次的流量、水溫與試驗段的水頭損失(即壓差)。流量 Q

　用質量法測量。用天平量測水的質量 m,根據水的密度計算出體積 V,用秒表計時間 T。流量TVQ ? 。相應的斷面平均流速AQv? 。

　 4、流量用尾閥調節,共做 10 次。當 Re<2500 時,為精確起見,每次壓差減小值只能為 3~5mm。

　 5、用溫度計量測當日的水溫,由此可查得運動粘滯系數 ? ,從而計算雷諾數?vd? Re 。

　 6、相反,將調節閥由小逐步開大,管內流速慢慢加大,重復上述步驟。

　4、5 實驗數據記錄 1、有關常數 管徑 d=

　 cm,水溫 T＝

　 °C。

　2、實驗數據及處理 測次 質量 m(g) 時間 t(s) 流量 Q(cm 3 /s) 雷諾數 流速(m/s) h ? (cm) 1

　 2

　 3

　 4

　 5

　 6

　 7

　 8

　 9

　 10

　 3.繪制水頭損失 h f 與斷面平均流速的對數關系曲線,即 v h f lg ~ lg 曲線,并計算圖中的斜率 m 與臨界雷諾數 Re k 。(用方格紙或對數紙)

　 4、6 注意事項

　 1、在整個試驗過程中,要特別注意保持水箱內的水頭穩定。每變動一次閥門開度,均待水頭穩定后再量測流量與水頭損失。

　 2、在流動形態轉變點附近,流量變化的間隔要小些,使測點多些以便準確測定臨界雷諾數。

　3、在層流流態時,由于流速 v 較小,所以水頭損失 h f 值也較小,應耐心、細致地多測幾次。同時注意不要碰撞設備并保持實驗環境的安靜,以減少擾動。

　4、7 思考問題 1、要使注入的顏色水能確切反映水流狀態,應注意什么問題？ 2、如果壓差計用傾斜管安裝,壓差計的讀數差就是不就是沿程水頭損失 h f 值？管內用什么性質的液體比較好？其讀數怎樣進行換算為實際壓強差值？ 3、為什么上、下臨界雷諾數值會有差別？ 4、為什么不用臨界流速來判別層流與紊流？ 5 管道局部水頭損失實驗 5、1 實驗目的

　 1、掌握測定管道局部水頭損失系數 ? 的方法。

　 2、將管道局部水頭損失系數的實測值與理論值進行比較。

　3、觀察管徑突然擴大時旋渦區測壓管水頭線的變化情況,以及其她各種邊界突變情況下的測壓管水頭線的變化情況。

　5、2 實驗原理

　由于邊界形狀的急劇改變,主流就會與邊界分離出現旋渦以及水流流速分布的改組,從而消耗一部分機械能。單位重量液體的能量損失就就是局部水頭損失。

　 邊界形狀的改變有水流斷面的突然擴大或突然縮小、彎道及管路上安裝閥門等。

　局部水頭損失常用流速水頭與一系數的乘積表示: gvh j22? ? 式中: ? －局部水頭損失系數,也叫局部阻力系數。系數 ? 就是流動形態與邊界形狀的函數,即 ) (Re,邊界形狀 f ? ? 。一般水流 Re 數足夠大時,可認為系數 ? 不再隨Re 數而變化,而瞧作一常數。

　 管道局部水頭損失目前僅有突然擴大可采用理論分析。并可得出足夠精確的結果。其她情況可以用實驗方法測定 ? 值,也可以通過查找經驗公式來確定 ? 值。突然擴大的局部水頭損失可應用動量方程與能量方程及連續方程聯合求解得到如下公式: 21222212）

　＝（ ? ?AAgvh j ? ? 212121112）

　＝（AAgvh j ? ? ? ?

　式中:A l 與v 1 分別為突然擴大上游管段的斷面面積與平均流速;A 2 與v 2 分別為突然擴大下游管段的斷面面積與平均流速。

　5、3 實驗設備 實驗設備及各部分名稱如圖 5—1 所示。

　? ?? ?? 5—1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? K1 2 34 5 6 7 8 9101112131415161718 192021 22 23 5、4 實驗步驟

　1、熟悉儀器,記錄有關常數。

　2、檢查各測壓管的橡皮管接頭就是否接緊。

　3、啟動抽水機,打開進水閥門,使水箱無水,并保持溢流,使水位恒定。

　4、檢查尾閥 K 全關時,測壓管的液面就是否齊平,若不平,則需排氣調平。

　5、慢慢打開尾閥 K,使流量在測壓管量程范圍內最大,待流動穩定后,記錄測壓管液面標高,用體積法測量管道流量。

　6、調節尾閥改變流量,重復測量三次。

　5、5 實驗數據記錄

　水力學實驗報告 1、有關常數記錄 D=

　 cm,d=

　 cm。水溫 t=

　、 要求測量 90°彎管的曲率半徑 R=____cm。

　2.實驗數據記錄 測次 水的質量m(g) 時間 t(s) 1 點測壓管高(cm) 3 點測壓管高(cm) 4 上點測壓管高(cm) 13 側點測壓管高(cm) 14 點測壓管高(cm) 16 點測壓管高(cm) 17 點測壓管高(cm) 18 點測壓管高(cm) 19 點測壓管高(cm) 20 點測壓管高(cm) 21 點測壓管高(cm) 1

　2

　3

　4

　5

　6

　7

　8

　水力學實驗報告 3、實驗結果 測次 突然擴大 突然縮小 90°彎頭 實?

　? 理

　誤差(%) 實?

　? 理

　誤差(%) 實?

　? 理

　誤差(%) 1

　2

　3

　4

　5

　6

　7

　8

　5、6 注意事項

　1、實驗必須在水流穩定后方可進行。

　 2、計算局部水頭損失系數時,應注意選擇相應的流速水頭;所選量測斷面應選在漸變流斷面上,尤其下游斷面應選在旋渦區的末端,即主流恢復并充滿全管的斷面上。

　5、7 思考題

　1、試分析實測 h j 與理論計算 h j ,有什么不同？原因何在？ 2、如不忽略管段的沿程損失 h f ,所測出的 ? 值比實際的偏大還就是偏小？在工程中使用此值就是否安全？

　 3、在相同管徑變化條件下,相應于同一流量,其突然擴大的 ? 值就是否一定大于突然縮小的 ? 值？ 4、不同的 Re 數時,局部水頭損失系數 ? 值就是否相同？通常 ? 值就是否為一常數？ 6 文德里流量計及孔板流量計實驗 6、1 實驗目的

　1、了解文德里與孔板流量計測流量的原理及其簡單構造。

　2、繪出壓差與流量的關系,確定文德里流量計與孔板流量計的系數 ? 。

　6、2 實驗原理

　文德里流量計就是在管道中常用的流量計。它包括收縮段、喉管、擴散段三部分,由于喉管過水斷面的收縮,該斷面水流動能加大,勢能減小,造成收縮段前后斷面壓強不同而產生的勢能差。此勢能差可由壓差計測得。

　孔板流量計原理與文德里流量計相同,根據能量方程與連續方程以及等壓面原理可得出不計阻力作用時的文德里流量計(孔板流量計)的流量計算公式: Q K h ?理 ＝ 式中 2 24 424D dK gD d??? ? ?1 21 21 21 2 3 4( ) ( )h hp ph z zh h h h ? ?? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ?（文德里）孔板

　 根據實驗室的設備條件,管道的實測流量 Q 實 可由體積法測出。

　在實際液體中,由于阻力的存在,水流通過文德里流量計(或孔板流量計)時有能量損失,故實際通過的流量 Q 實 一般比 Q 理 稍小,因此在實際應用時,上式應予以修正,實測流量與理想流體情況下的流量之比稱為流量系數,即理實QQ? ?

　6、3 實驗設備 實驗設備與各部分名稱如圖 6—1 所示。

　? ?? ?? 6—1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? K? ? ? 6、4 實驗步驟

　1、熟悉儀器,記錄有關數據。

　 2、啟動抽水機,打開進水開關,使水進入水箱,并使水箱水面保持溢流,使水位恒定。

　3、檢查尾閥全關時,壓差計的液面就是否齊平,若不平,則需排氣調平。

　 4、調節尾閥 K,依次增大流量與依次減小流量。量測各次流量相應的壓差值。共做 10 次。流量 Q 用體積法測量。用量筒量測水的體積 V,用秒表記錄時間 T。流量TVQ ?實。

　6、5 實驗數據記錄 1、相關常數:D＝

　cm;喉管 d＝

　cm。孔口 d=_____cm,水溫 t=____℃。

　測次 壓差 h ? (mm) 水的質量(g) 時間(s) 實Q

　理Q

　?

　1 孔口

　 文德里

　2 孔口

　 文德里

　3 孔口

　文德里

　4 孔口

　 文德里

　5 孔口

　 文德里

　2、繪出壓差與流量的關系曲線(兩條曲線可以畫在一張圖上)。

　6、6 注意事項 1、改變流量時,需待開關改變后,水流穩定之后(至少需 3~5 分鐘),方可記錄。

　2、當管內流量較大時,測壓管內水面會有波動現象。可讀取波動水面的最高與最低讀數的平均值做為該次讀數。

　6、7 思考題

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