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1水力学实验指导书.doc

1水力学实验指导书

Alfred俊豪
2017-11-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《1水力学实验指导书doc》,可适用于高等教育领域

水力学实验指导书第一节静水压强实验一、实验目的与要求观察在重力作用下液体中任意两点A、B的位置高度(水头)、测压管高度zppHHz(),(或真空度)和测压管水头验证静水压强公式。加深理解水静力学,,基本方程式的物理意义和几何意义理解位置水头、压强水头及测压管水头等基本概念学习使用液体压力计测压强测量当(为大气压强)、、ppp,pp,pp,aaaa时的A、B两点的绝对压强和相对压强。测定表面压强的真空度加深对真空压强、真空度的理解学习测量液体比重的方法。二、实验装置静水压强实验装置如图所示。######ZZPZZZhhZ酒A精ZB图静水压强实验装置图水箱测压管升降调压筒气门。三、实验原理水静力学讨论静水压强的特性、分布规律及如何根据静水压强的分布规律来确定静水总压力。,一,静水压强的特性流体静止时不承受切应力一旦受到切应力时就产生变形。从这个定义出发可以认为在静止的液体内部所有的应力都是正交应力。因此静水压强具有两个特性:静水压强的方向与受压面垂直并指向受压面任一点静水压强的大小和受压面的方向无关或者说作用于同一点上的各方向的静水压强大小相等。,二,静水压强的基本方程在重力作用下处于静止状态下的不可压缩均质液体其基本方程为pp,,,ZZC(常数),,式中Z单位重量液体相对于基准面的位置高度称位能或位置水头p单位重量液体的压能或压强水头,静止液体中任意两点的静水压强p,p,液体的容重。该方程表明静止液体中任意一点的单位位能和单位压能之和为常数。该方程也可以写为p,p,h上式表明在静止液体中液面下任一点的静水压强等于液面压强与从该点到液面的单位面积上的液体重量之和。液面压强遵循巴斯加原理将等值地传递到液体内部所有各点上。所以表面压强为一定值时静水压强是水深的函数即只随水深变化。四、实验方法与步骤p,p打开箱顶气门使箱内水面压强(p大气压强)观察各测压管水面位置aa找出等压面。关闭箱顶气门升高调压筒使P>Pa等水面稳定后记录各测压管读数改变P重复次。降低调压筒使P<Pa当水面稳定后记录各测管读数。改变P重复次。记录A、B点到基准面的高度Z、Z则测压管水头为ABpAZ,HA,pBZ,HB,比较每次测的H值可以验证测压管水头是否相同。将测出的测压管水面高程差乘以液体容重可以算出箱内水表面压强P值(相对压强)并验证静水压强公式计算其他液体的容重,pZZZZ,,()(),,,,ZZ,,,,(),ZZ,,式中水的容重酒精的容重。,,五、实验成果及要求实验装置台号NOA点标高读数:Z=A表静水压强实验记录计算表单位:cm,Nm测压管标高读数计算结果状测Z,Z'态次ZZZZZZZZpZZpZZ,AAZ,Zp大于pap小于pa六、实验分析与讨论用实验结果说明重力作用下静止液体压强的基本规律。表面压强P的改变基准面线位置的改变对A、B两点的位置水头与压强水头有什么影响对真空度有什么影响相对压强与绝对压强、相对压强与真空度是什么关系如何选择等压面水平面与测压管相交的面是不是等压面确定等压面的充分条件有哪些第二节能量方程,伯诺里方程,实验一、实验目的与要求验证不可压缩液体恒定总流的能量方程通过对水动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水动力学的能量转换特性绘出各断面测压管水头线和总水头线以及理想液体总水头线。通过分析比较加深对能量守恒与转换定律的理解并建立起沿程水头损失和局部水头损失的概念掌握流速、流量、压强等水动力学水力要素的实验量测技能。二、实验装置实验装置如图所示。图自循环伯诺里方程实验装置图自循环供水器实验台可控硅无级调速器溢流板稳水孔板恒压水箱测压计滑动测量尺测压管实验管道测压点毕托管实验流量调节阀。说明:本仪器测压管有两种:毕托管测压管(表中标*的测压管)用以测读毕托管探头对准点的总水头pupv',须注意一般情况下与断面总水头不同(因一H,Z()HZ(),H,g,g般)它的水头线只能定性表示总水头变化趋势。u,v普通测压管(表中未标*的测压管)用以定量量测测压管水头。实验流量用阀调节流量由体积时间法(量筒、秒表另备)、重量时间法(电子称另备)或电测法测量(以下实验雷同)。三、实验原理根据能量守恒与转换原理验证能量方程。运动着的水流具有三种形式的能量:位能、压能和动能。在运动过程中这三种形式的机械能可以互相转化但是总的机械能是守恒的。实际液体恒定总流的能量方程可写为pvpv,,z,zhwgg,,式中z总流过水断面上单位重量液体所具有的平均位能又称为位置水头p过水断面上单位重量液体所具有的平均压能它反映了过水断面上各点平均动,p水压强所对应的压强高度()称为测压管水头z,,v过水断面上单位重量液体所具有的平均动能一般称为流速水头gh单位重量液体从一个过水断面流至另一过水断面克服水流阻力做功所损失的w平均能量一般称为水头损失。在水力学中习惯上把单位重量液体所具有的总机械能(位能、压能、动能的总和)称为总水头并以H表示即pv,Hz,g,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()至另一断面(i)的能量方程式(i,,,??,n)pvpv,,iiiz,zhiw,igg,,pz取选好基准面从已设置的各断面的测压管中读出值,,,,?,,,n,,v测出通过管路的流量即可计算出断面平均流速v及从而可得到各断面测管水头g和总水头。四、实验方法与步骤熟悉实验设备分清那些测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。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(例如连通管受阻、漏气或夹气泡等)并加以排除直至调平。打开阀观察思考)测压管水头线和总水头线的变化趋势)位置水头、压强水头之间的相互关系)测点、测管水头同否,为什么,)测点、测管水头是否不同,为什么,)当流量增加或减少时测管水头如何变化,调节阀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)。改变流量次重复上述测量。其中一次阀门开度大到使号测管液面接近标尺零点。五、实验成果及要求(实验记录计算表格见下表)六、实验分析与讨论简述能量方程应用的条件和应注意的事项。测压管测量的是绝对压强还是相对压强,测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同,为什么,实验中你看到了充满水流的管子中发生了真空现象打开测孔管中的水不外流甚至进气请你作出解释。实验装置台号NO水箱液面高程上管道轴线高程,,cm,,cmz表不可压缩液体恒定流伯诺里方程实验记录计算表单位:cm,cms******测点编号*管径两点间距断面面积Qpz第,一,v测g次pv,zg,Qpz第,二,v测g次pv,zg,第三节孔口、管嘴出流实验一、实验目的与要求观察典型孔口及管嘴出流时的流动现象及圆柱形管嘴的局部真空测定孔口与管嘴出流时的流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析了解进口形状对出流能力的影响及相关水力要素对孔口出流能力的影响。二、实验装置本实验装置如图所示。图孔口、管嘴出流实验装置图图孔口、管嘴出流实验装置由供水系统、恒定水头水箱、回水箱系统组成。在恒定水头水箱的侧壁上安装管嘴(或开有孔口)。实验装置侧壁式孔口出流实验设备孔口与管嘴均位于水箱的侧壁上孔内径均为d水箱由供水管供水箱内设有溢流板以保持水头恒定设有稳水栅以保证水流均匀。孔口和管嘴用橡皮塞控制出流。三、实验原理液体从孔口以射流状态流出流线不能在孔口处急剧改变方向而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面收缩断面积A与孔口断面积A的关系为A=A称为收缩,,cc系数。Q,Av,,,AgH,,AgHccQ,,流量系数:,,,AgHAdcc,,,收缩系数:Adv,c流速系数:,,,,,gH,,,,阻力系数:,薄壁孔口出流非淹没出流的收缩断面上相对压强均为零。对上游断面和收缩断面CC运用能量方程即可得到收缩断面流速:v,gH,,gHc,,c,v,v式中H,H如不计行近流速水头ggv,,gH也可写为:。c流量公式为:Q,Av,,,AgH,,AgHcc圆柱形外伸管嘴出流管嘴出流的局部损失由两部分组成即孔口的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失水头损失大于孔口出流。但是管嘴出流为满流收缩系数为ε,因此流量系数仍比孔口大其出流公式为:v,,gHQ,,AgH,,AgH。管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释由于收缩断面在管嘴内压强要比孔口出流时的零压低必然会提高吸出流量的能力。四、实验方法与步骤测量管嘴〔孔口〕的尺寸。记录实验常数孔口和管嘴用橡皮塞塞紧。接通电源打开水泵开关给水箱供水至溢流后打开孔口观察孔口出流现象测定水头H及Q用卡尺测记孔口出流收缩断面直径应多测几次以取其平均值为d算出收缩断面面积A。然后改变孔口出流的作用水头(可减少进口流量)观察cc孔口收缩断面直径随水头变化的情况。测量完毕用橡皮塞将孔口塞紧。再打开圆柱形管嘴待水面稳定后测记水头H测定流量Q(要求重复测量三次时间尽量长些以求准确)观察和量测直角管嘴出流时的真空情况。进行以上实验时为了在量测过程中保持水头恒定避免相互干扰量测哪个孔口就开启哪个孔口以免溢流水头不恒定影响实验精度。在实验过程中注意观察出流的流股形态并做好记录。,,,,将实测的孔口和管嘴的流量系数值与的经验值(薄壁孔口=管嘴=)进行比较并分析引起差别的原因。关闭水泵开关清理实验桌面及场地。五、实验成果及要求(实验记录计算表格见下表)六、实验分析与讨论观测圆柱形管嘴与孔口出流的流股特征分析流量系数不同的原因及增大过流能力的途径。dd,,观察时孔口出流的侧收缩率较时有何不同,HH,为什么同样直径与同样水头条件下管嘴的流量系数值比孔口的大,能做出定量分析吗,实验装置台号NOD=cmA=cm孔口孔口D=cmA=cm管咀管咀表孔口、管嘴出流实验记录计算表V项测HTVdcQ测Q测=Q理=AgH=μεtQ理目次(cm)(s)(cm)(cm)(cms)(cms)孔口管嘴第四节毕托管测速实验一、实验目的与要求通过对管嘴淹没出流点流速系数的测量掌握用毕托管测量点流速的技能了解普朗特型毕托管的构造和适用性并检验其量测精度进一步明确传统流体力学量测仪器的现实作用。二、实验装置本实验装置如图所示。图毕托管测速实验装置图自循环供水器实验台可控硅无级调速器水位调节阀恒压水箱管嘴毕托管尾水箱与导轨测压管测压计滑动测量尺(滑尺)上回水管。说明:经淹没管嘴将高低水箱水位差的位能转换成动能并用毕托管测出其点流速值。测压计的测压管、用以测量高、低水箱位置水头测压管、用以测量毕托管的全压水头和静压水头水位调节阀用以改变测点的流速大小。三、实验原理u,cg,h,k,hk,cg式中u毕托管测点处的点流速c毕托管的校正系数h毕托管全压水头与静水压头差。,u,,g,H联解上两式可得,h,,,c,H式中u测点处流速由毕托管测定,测点流速系数,ΔH管嘴的作用水头。四、实验方法与步骤准备()熟悉实验装置各部分名称、作用性能搞清构造特征、实验原理()用医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管、相联通()将毕托管对准管嘴距离管嘴出口处约,cm上紧固定螺丝。开启水泵顺时针打开调速器开关将流量调节到最大。排气待上、下游溢流后用吸气球(如医用洗耳球)放在测压管口部抽吸排除毕托管及各连通管中的气体用静水匣罩住毕托管可检查测压计液面是否齐平液面不齐平可能是空气没有排尽必须重新排气。测记各有关常数和实验参数填入记录表格。改变流速操作调节阀并相应调节调速器使溢流量适中共可获得三个不同恒定水位与相应的不同流速。改变流速后按上述方法重复测量次。完成下述实验项目:()分别沿垂向和沿流向改变测点的位置观察管嘴淹没射流的流速分布()在有压管道测量中管道直径相对毕托管的直径在,倍以内时误差在,以上不宜使用。试将毕托管头部深入到管嘴中予以验证。实验结束时按上述的方法检查毕托管比压计是否齐平。五、实验成果及要求实验装置台号NO校正系数:c,kcms,表毕托管测速实验记录计算表单位:cm,cms实上、下游水位计毕托管测压计测点流速测点流速系数验备注,h,,c测,hhhh,h,Hukh,,,H次六、实验分析与讨论利用测压管测量点压强时为什么要排气,怎样检验排尽与否,毕托管的动压头h和管嘴上、下游水位差H之间的大小关系怎样,为什么,,所测的流速系数说明了什么,,,据激光测速仪检测距孔口,cm轴心处其点流速系数为试问本,实验的毕托管精度如何,如何率定毕托管的修正系数c,普朗特毕托管的测速范围为,ms轴向安装偏差要求不应大于度试说明原因。(低流速可用倾斜压差计)为什么在光、声、电技术高度发展的今天仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器,第五节文丘里流量系数测定实验一、实验目的要求通过测定流量系数掌握文丘里流量计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问题的途径进而掌握文丘里流量计的水力特性。二、实验装置本实验装置如图所示。图文丘里流量计实验装置图自循环供水器实验台可控硅无级调速器恒压水箱溢流板稳水孔板文丘里实验管段测压计气阀测压计滑尺多管压差计实验流量调节阀。在文丘里流量计的两个测量断面上分别有个测压孔与相应的均压环连通经均压环均压后的断面压强由气,水多管压差计测量(亦可用电测仪量测)。三、实验原理根据能量方程和连续性方程可得不计阻力作用时的文丘里流量计过水能力关系式,d,QgZpZpKh()(),,,,,,d(),d,,,,Kdgddcms,,,,,(),,,,pp,,,hZZ()(),,式中h两断面测压管水头差。Q,由于阻力的存在实际通过的流量Q恒小于。今引入一无量纲系数,,(,称Q,Q为流量系数)对计算所得流量值进行修正,Q,,Q,,K,h另由水静力学基本方程可得气,水多管压差计的h为,h,h,hh,h四、实验方法与步骤测记各有关常数。h,hh,h打开电源开关全关阀检核测管液面读数是否为不为时需查出原因并予以排除。全开调节阀检查各测管液面是否都处在滑尺读数范围内,否则按下列步序h,h,cm调节:拧开气阀将清水注入测管、待打开电源开关充水待连通管无气泡渐关阀并调开关至即速拧紧气阀。h,h,cm全开调节阀门待水流稳定后读取各测压管的液面读数h、h、h、h并用秒表、量筒测定流量。逐次关小调节阀改变流量,次重复步骤注意调节阀门应缓慢。把测量值记录在实验表格内并进行有关计算。如测管内液面波动时应取时均值。实验结束须按步骤校核压差计是否回零。五、实验成果及要求实验装置台号NO,一,有关常数d,cmd,cm水温t,,cms,水箱液面标尺值,cm管轴线高程标尺值,cm。,,Kcms,,二,记录计算表格表文丘里流量计实验记录表单位:cm,cm,s测压管读数测水量测量时间次hhhh表文丘里流量计实验计算表单位:cms,cm,测Q,,,h,h,hh,hQRe,QKh,,(),Q次(三)绘制Q,h与R,μ曲线图。e六、实验分析与讨论本实验中影响文丘里流量计流量系数大小的因素有哪些,哪个因素最敏感,对本实验的管道而言若因加工精度影响误将(d)cm值取代上述d值时本实验在最大流量下的μ值将变为多少,,为什么计算流量与实际流量Q不相等,Q试证气,水多管压差计有下列关系:pp()()ZZhhhh,,,,,,试应用量纲分析法阐明文丘里流量计的水力特性。文丘里流量计喉颈处容易产生真空允许最大真空度为,m水柱。工程中应用文丘里流量计时应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少,第六节动量定律实验一、实验目的与要求实测射流对平板或曲面板施加的作用力并与用理论公式计算的作用力相比较以验证恒定总流的动量方程式通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研究进一步掌握水动力学的动量定理了解活塞式动量定律实验仪原理、构造进一步启发与培养创造性思维的能力。二、实验装置本实验装置如图所示。图动量定律实验装置图自循环供水器实验台可控硅无级调速器水位调节阀恒压水箱管嘴集水箱带活塞的测压管带活塞和翼片的抗冲平板上回水管。自循环供水装置由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器控制。水流经供水管供给恒压水箱溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴的水流形成射流冲击带活塞和翼片的抗冲平板并以与入射角成的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深h可由测压管测得由此可求得水流的冲力即力F冲击后的弃水经集水c箱汇集后再经上回水管流出最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。为了自动调节测压管内的水位以使带活塞的平板受力平衡并减少摩擦阻力对活塞的影响本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术其构造如下:带活塞和翼片的抗冲平板和带活塞套的测压管如图所示该图是活塞退出活塞套时的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a进口端位于平板中心出口端深处活塞头部出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片b活塞套上设有窄槽c。ybfxcaQPDx图图工作时在射流冲击力作用下水流经导水管a向测压管内加水。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时活塞内移窄槽c关小水流外溢减少使测压管内水位升高水压力增大。反之活塞外移窄槽开大水流外溢增多测管内水位降低水压力减小。在恒定射流冲击下经短时段的自动调整即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上过a流进测压管的水量和过c外溢的水量相等。由于平板上设有翼片b在水流冲击下平板带动活塞旋转因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。为验证本装置的灵敏度只要在实验中的恒定流受力平衡状态下人为地增减测压管中的液位高度可发现即使改变量不足总液柱高度的‰(约,mm)活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移开大或减小窄槽c使过高的水位降低或过低的水位提高恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达亦即‰。活塞轴向动摩擦力不足总动量力的三、实验原理恒定总流动量方程为,,,,F,,Q(,v,,v)取脱离体如图所示因滑动摩擦阻力水平分力可以忽略不计故f,FxXx方向的动量方程化为,F,,pA,,,hD,,Q(,,v)xccx即,,,Qv,,hD,xc式中作用在活塞形心处的水深hc活塞的直径DQ射流流量射流的速度vx动量修正系数。,实验中在平衡状态下只要测得流量Q和活塞形心水深h由给定的管嘴直径dc和活塞直径D代入上式便可率定射流的动量修正系数β值并验证动量定律。其中测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处因此液面标尺读数即为作用在活塞圆心处的水深。四、实验方法与步骤准备熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能记录有关常数。开启水泵打开调速器开关水泵启动,分钟后关闭,秒钟以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气。调整测压管位置待恒压水箱满顶溢流后松开测压管固定螺丝调整方位要求测压管垂直、螺丝对准十字中心使活塞转动松快然后旋转螺丝固定好。测读水位标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后记下测压管内液面的标尺读数即h值。c测量流量用体积法或重量法测流量时每次时间要求大于秒若用电测仪测流量时则需在仪器量程范围内均须重复测三次再取均值。改变水头重复实验逐次打开不同高度上的溢水孔盖改变管嘴的作用水头。调节调速器使溢流量适中待水头稳定后按,步骤重复进行实验。验证对F的影响取下平板活塞使水流冲击到活塞套内调整好位置v,xx,h使反射水流的回射角度一致记录回射角度的目估值、测压管作用水深和管嘴作用水c头。H五、实验成果及要求实验装置台号NO管嘴内径d=cm活塞直径D=cm表动量定律实验记录及计算表单位:cm,s,N体积时间管嘴作用水活塞作用水流量流速动量力动量修正系测次VT头H头hQvF数βc六、实验分析与讨论,实测(β平均值)与公认值(β,,)符合与否,如不符合试分析原因。带翼片的平板在射流作用下获得力矩这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响,为什么,通过细导水管的分流其出流角度与v相同试问对以上受力分析有无影响,滑动摩擦力f为什么可以忽略不计,试用实验来分析验证f的大小记录观察结xx果。(提示:平衡时向测压管内加入或取出mm左右深的水观察活塞及液位的变化)。若不为零会对实验结果带来什么影响,试结合实验步骤的结果予以说明。vx第七节雷诺实验一、实验目的与要求观察水流的层流、紊流的运动现象及其转换特征测定临界雷诺数掌握圆管流态判别准则在对数纸上绘出水头损失h和雷诺数Re的关系曲线求出下临界雷诺数f对实验结果进行分析证实层流和紊流两种流态沿程水头损失随流速变化规律不同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、实验装置本实验装置如图所示。图自循环雷诺实验装置图自循环供水器实验台可控硅无级调速器恒压水箱有色水水管稳水孔板溢流板实验管道实验流量调节阀。供水流量由无级调速器调控使恒压水箱始终保持微溢流的程度以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板可使稳水时间缩短到,分钟。有色水经有色水水管注入实验管道可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染有色指示水采用自行消色的专用色水。三、实验原理流体有层流及紊流两种流动型态。层流的特点是流体的质点互不混掺成线状运动运动要素不呈现脉动现象。在紊流中流体的质点互相混掺其运动轨迹是曲折混乱的运动要素发生脉动现象。介于两者之间是过渡状态流动。雷诺实验证实了层流与紊流的沿程水头损失规律不同。层流的沿程水头损失大小与h,v紊流的沿程水头损失与流速的m次方成比例即流速的一次方成正比例即fmm=。h,vf雷诺实验的结果发现临界流速与流体的物理性质(动力粘滞系数)及管径有密切关系并提出一个表征流动形态的无量纲数雷诺数(Reynoldsnumber)。vdQK,Re,,,KQ,d,,,,d式中园管水流的断面平均流速d圆管直径水流的运动粘滞系数。v,流态开始转变时的雷诺数叫做临界雷诺数但实验由层流开始向紊流过渡和紊流向层流过渡流态开始转变时的雷诺数是不同的前者叫做上临界雷诺数后者叫做下临界雷诺数。大量的实验证明园管中的流动下临界雷诺数是一比较稳定的数值'R,~R,()上临界雷诺数(或更大)变化范围很大数值很不ekek稳定。因此把下临界雷诺数Re作为判别流态的标准。当水流的雷诺数大于Re时就kkvRRe,Re,,是紊流小于Re时就一定是层流。对明渠水流。kk,四、实验方法与步骤测记本实验的有关常数。观察两种流态。打开开关使水箱充水至溢流水位经稳定后微微开启调节阀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。测定下临界雷诺数。()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()待管中出现临界状态时用体积法或电测法测定流量()根据所测流量计算下临界雷诺数并与公认值()比较偏离过大需重测()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次()同时用水箱中的温度计测记水温从而求得水的运动粘滞系数。,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。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有色水线刚开始散开时即为上临界状态测定上临界雷诺数,次。五、实验成果及要求实验装置台号NO管径d=cm水温t=运动粘滞系数,,,cmstt计算常数K=scm表雷诺实验记录计算表实验时间T流量Q阀门开度增()颜色水线形态水体积V(cm)雷诺数Re备注次序(s)(cms)或减()Re,实测下临界雷诺数(平均值):k注:颜色水形态指:稳定直线稳定略弯曲、旋转、断续直线抖动完全散开等。六、实验分析与讨论流态判据为何采用无量纲参数而不采用临界流速,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,雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是原因何在,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,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,第八节沿程水头损失实验一、实验目的与要求掌握测定管道沿程水头损失系数的方法。,学会应用气,水压差计及电测仪测量压差的方法。验证不同流区中沿程水头损失h与断面平均流速v的关系、沿程水头损失系数,f随雷诺数Re以及相对粗糙度的变化规律。绘制沿程水头损失系数与雷诺数Re的对数关系曲线并与莫迪图对比分析其,合理性进一步提高实验成果分析能力。二、实验装置本实验装置如图所示。FFFF()()FF()()()()图自循环沿程水头损失实验装置图自循环高压恒定全自动供水器实验台回水管水压差计测压计实验管道水银压差计滑动测量尺测压点实验流量调节阀供水管与供水阀旁通管与旁通阀稳压筒。根据压差测法不同有两种型式:型式压差计测压差。低压差用水压差计量测高压差用水银多管式压差计量测。装置图如图所示。型式电子量测仪测压差。低压差仍用水压差计量测而高压差用电子量测仪(简称电测仪)量测。与型式比较该型唯一不同在于水银多管式压差计被电测仪(图)所取代。本实验装置配备有:自动水泵与稳压器自循环高压恒定全自动供水器由离心泵、自动压力开关、气水压力罐式稳压器等组成。压力超高时能自动停机过低时能自动开机。为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影响离心泵的输水是先进入稳压器的压力罐经稳压后再送向实验管道。FF接测点接测点图电子量测仪压力传感器排气旋钮连通管主机旁通管与旁通阀由于本实验装置所采用水泵的特性在供小流量时有可能时开时停从而造成供水压力的较大波动。为了避免这种情况出现供水器设有与蓄水箱直通的旁通管(图中未标出)通过分流可使水泵持续稳定运行。旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门即旁通阀实验流量随旁通阀开度减小(分流量减小)而增大。实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要阀门之一。稳压筒为了简化排气并防止实验中再进气在传感器前连接由只充水(不满顶)之密封立筒构成。电测仪由压力传感器和主机两部分组成。经由连通管将其接入测点(图)。压差读数(以厘米水柱为单位)通过主机显示。三、实验原理由达西公式Lvh,,fdg得gdhgdhh,fff,,(dQ),K,LLvQK,,gdL另由能量方程对水平等直径圆管可得h,(p,p),f压差可用压差计或电测仪量测。对于多管式水银压差计有下列关系,p,p*mh,,(,)(h,hh,h),,hfm,,ww,h,h,hh,hm式中γ、γ分别为水银和水的容重h为汞柱总差。mwm四、实验方法与步骤准备对照装置图和说明搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理检查蓄水箱水位是否够高及旁通阀是否已关闭。否则予以补水并关闭阀门记录有关实验常数:工作管内径d和实验管长L(标志于蓄水箱)。准备启动水泵。本供水装置采用的是自动水泵接通电源全开阀打开供水阀水泵自动开启供水。准备调通量测系统。*由右图知据水静力学基本方程及等压面原理有pyhhh,,,,()()wmh()()()hhhhhyp,,,,,,wmwh,pp,hmh,,,,,hhhhh()()f,,wwyy,,hm夹紧水压计止水夹打开出水阀和进水阀(逆时针)关闭旁通阀(顺时针)启动水泵排除管道中的气体。全开阀关闭阀松开水压计止水夹并旋松水压计之旋塞F排除水压计中的气体。随后关阀开阀使水压计的液面降至标尺零指示附近即旋紧F。再次开启阀并立即关闭阀稍候片刻检查水压计是否齐平如不平则需重调。水压计齐平时则可旋开电测仪排气旋钮对电测仪的连接水管通水、排气并将电测仪调至“”显示。实验装置通水排气后即可进行实验测量。在阀、阀全开的前提下逐次开大出水阀每次调节流量时均需稳定,分钟流量愈小稳定时间愈长测流时间不小于,秒测流量的同时需测记水压计(或电测仪)、温度计(温度表应挂在水箱中)等读数:mmHO(夏季)Δh,mmHO(冬季)量程范围内层流段:应在水压计Δh,测记,组数据。紊流段:夹紧水压计止水夹开大流量用电测仪记录h值每次增量可按Δh,fcmHO递增直至测出最大的值。阀的操作次序是当阀、阀开至最大后hfh逐渐关阀直至显示最大值。f结束实验前应全开阀关闭阀检查水压计与电测仪是否指示为零若均为零则关闭阀切断电源。否则表明压力计已进气需重做实验。检查数据记录表是否有缺漏,是否有某组数据明显地不合理,若有此情况进行补正。为了提高实验精度便于分析整理实验点尽可能多一些。要求改变流量不少于次。用温度计测记本次实验的水温。并查得相应的运动粘度v值或用下列公式计算v,v值:从而计算出相应于每次流量下的Re值。tt五、实验成果及要求,一,实验成果记录及计算实验成果记录及计算见下表,二,绘图分析绘制,曲线并确定指数关系值m的大小。在厘米纸上以为横坐标lghlgvlgvf以为纵坐标点绘所测的,关系曲线根据具体情况连成一段或几段直lghlghlgvff线。求厘米纸上直线的斜率m将从图上求得的m值与已知各流区的m值(即层流m=lglghh,ffm,lglgvv,光滑管流区m=粗糙管紊流m=紊流过渡区<m<)进行比较确定流区。六、实验分析与讨论为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失,实验管道安装成向下倾斜是否影响实验成果,据实测m值判别本实验的流区。实际工程中钢管中的流动大多为光滑紊流或紊流过渡区而水电站泄洪洞的流动大多为紊流阻力平方区其原因何在,管道的当量粗糙度如何测得,本次实验结果与莫迪图吻合与否,试分析其原因。实验装置台号NO园管直径d=cm量测段长度L=cm常数K,,gdL,cms表沿程水头损失实验记录计算表<比压计、电测仪读数cmRe体积时间流量Q流速V水温粘度ν雷诺数沿程水头损失h沿程水头损失系数f测次,,cmscmscmscmsRcmλhheRe第九节局部水头损失实验一、实验目的与要求学习用测压管测量压强和用体积法测流量的实验技能掌握测定管道局部水头损失系数的方法,通过圆管突然扩大、突然缩小局部水头损失的经验公式的实验验证与分析熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径观测管经突然扩大时旋涡区测压管水头线的变化情况和水流情况以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况加深对局部水头损失机理的理解。二、实验装置本实验装置如图所示。图自循环局部水头损失实验装置图自循环供水器实验台可控硅无级调速器恒压水箱溢流板稳水孔板突然扩大实验管段测压计滑动测量尺测压管突然收缩实验管段实验流量调节阀。实验管道由小大小三种已知管径的管道组成共设有六个测压孔测孔,和,分别测量突扩和突缩的局部阻力系数。其中测孔位于突扩界面处用以测量小管出口端压强值。三、实验原理由于边界形状的急剧改变水流就会与边界分离出现旋涡以及水流流速分布的改组从而消耗一部分机械能。单位重量液体的能量损失就是水头损失。边界形状的改变有水流断面的突然扩大或突然缩小、弯道及管路上安装阀门等。局部水头损失常用流速水头与一系数的乘积表示。vh,,jg式中:,局部水头损失系数。系数,是流动形状与边界形状的函数即,=f(Re边界形状)。一般水流Re数足够大时可认为系数不再随Re数而变化而看作常数。,突然扩大,,,,pvpv,,实测hZZh,,,,,,jef,,,,,gg,,,,,,v,h,,ejeg,,A'理论,,,,,eA,,,v,,,h,jccg式中由按流长比例换算得出。hhf,f,突然缩小,,,,pv,pv,实测hZhZh,,,,,,jsfBfB,,,,,,gg,,,,,,,v,h,sjsg,,A,经验,,,,,sA,,,v,,,h,jssg式中B点为突缩点h由h换算得出h由h换算得出。fB,f,fB,f,四、实验方法与步骤测记实验有关常数。打开电子调速器开关使恒压水箱充水排除实验管道中的滞留气体。待水箱溢流后检查泄水阀全关时各测压管液面是否齐平若不平则需排气调平。打开泄水阀至最大开度待流量稳定后测记测压管读数同时用体积法或用电测法测记流量。改变泄水阀开度,次分别测记测压管读数及流量。实验完成后关闭泄水阀检查测压管液面是否齐平,否则需重做。五、实验成果及要求实验装置台号NOdDcm,,dddDcm,,,,ddDcm,,,lcm,lcm,,,lcm,lcm,lcm,,,BB,lcm,,,,,,AA,,,,,,,,,,,,,,seAA,,,,表局部水头损失实验记录表测压管读数(cm)测体积时间流量次(cm)(s)(cms)表局部阻力损失实验计算表单位:cms,cm前断面后断面阻力h测次流量ξ备注,,vvj形式EEgg突然扩大突然缩小六、实验分析与讨论结合实验成果分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。结合流动仪演示的水力现象分析局部阻力损失机理何在,产生突扩与突缩局部阻力损失的主要部位在哪里,怎样减小局部阻力损失,现备有一段长度及联接方式与调节阀(图)相同内径与实验管道相同的直管段如何测量阀门的局部阻力系数,实验测得突缩管在不同管径比时的局部阻力系数(Re>)如下,序号ddξ试用最小二乘法建立局部阻力系数的经验公式。试说明用理论分析法和经验法建立相关物理间函数关系式的途径。第十节水面曲线实验一、实验目的与要求观察棱柱体渠道中非均匀渐变流的十二种水面曲线。掌握十二种水面曲线的生成条件。观察在不同底坡情况下矩形水槽中非均匀渐变流的几种主要水面曲线及其衔接型式。加深对非均匀渐变流水面曲线的感性认识加深对理论知识与水面线计算方法的理解。二、实验装置本实验装置如图所示。图水面曲线实验装置图自循环供水器实验台可控硅无级调速器溢流板稳水孔板变坡水槽闸板底坡水准泡变坡轴承长度标尺闸板锁紧轮垂向滑尺带标尺的升降杆升降机构。为改变明槽底坡以演示十二种水面曲线本实验装置配有新型高比速直齿电机躯动的升降机构。按下的升降开关明槽即绕轴承摆动从而改变水槽的底坡。坡度值由升降杆的标尺值()和轴承与升降机上支点水平间距(L)算得平坡可依底坡,z水准泡判定。实验流量由可控硅无级调速器调控并用重量法(或体积法)测定。槽身设有两道闸板用于调控上下游水位以形成不同水面线型。闸板锁紧轮用以夹紧闸板使其定位。水深由滑尺量测。三、实验原理十二种水面曲线分别产生于五种不同底坡。因而实验时必须先确定底坡性质其中需测定的也是最关键的是平坡和临界坡。平坡可依水准泡或升降标尺值判定。临界底坡应满足下列关系:,gk,ikCB,kk,,Bhkkkh,qg,kC,RkknBhkkR,kBhkk,式中、C、B、h和R分别为明槽临界流时的湿周、谢才系数、槽宽、水深和水力半kkkkk径n为糙率。(以上公式单位均取米秒)i,i临界底坡确定后保持流量不变改变渠槽底坡就可形成陡坡()缓坡k,i,i()平坡()和逆坡()分别在不同坡度下调节闸板开度则可得i,i,k到不同型式的水面曲线。四、实验方法与步骤测记设备有关常数。开启水泵调节调速器使供水流量最大待稳定后测量过槽流量重测两次取其均值。计算临界底坡i值。ki,i操纵升降机构至所需的高程读数使槽底坡度观察槽中临界流(均匀流)k时的水面曲线。然后插入闸板观察闸前和闸后出现的C型和C型水面曲线并将曲线绘于记录纸上。i,i操纵升降机构使槽底坡度出现(使底坡尽量陡些)插入闸板,调节开度使k渠道上同时呈现S、S、S水面曲线并绘于记录纸上。,i,i操纵升降机构使槽中分别出现(使底坡尽量接近于)、i,和i,k插入闸板调节开度使槽中分别出现相应的水面曲线并绘在记录纸上。(缓坡时闸板开启适度能同时呈现M、M、M水面曲线)。实验结束关闭水泵。注:在以上实验时为了在一个底坡上同时呈现三种水面曲线要求缓坡宜缓些陡坡宜陡些。五、实验成果及要求实验装置台号NOB,cmn,L,cm(两支点间距)表临界底坡记录计算表体积V(m)时间t(s)流量Q(ms)临界水深(m)hk断面面积(m)Ak湿周(m)xk水力半径(m)Rk谢才系数(ms)Ck水面宽(m)Bk临界底坡ik六、实验分析与讨论判别临界流除了采用i方法外还有其他什么方法,c分析计算水面曲线时急流和缓流的控制断面应如何选择,为什么,在进行缓坡或陡坡实验时为什么在接近临界底坡情况下不容易同时出现三种水面线的流动型式,请利用本实验装置独立构思测量活动水槽糙率n的实验方案。(假定水槽中流动为阻力平方区)第十一节堰流实验一、实验目的与要求(掌握测定堰流流量系数m的方法并与经验值进行比较了解流量系数m的物理意义。(观察淹没堰流的水流形态和特征。(点绘实用堰流流量系数m与水头H的关系曲线。二、实验装置本实验装置如图所示。图堰流实验玻璃水槽装置图整套实验设备和仪器由进水调节阀、玻璃水槽、三角量水堰、溢流坝、下游尾门、测针、活动测针、刻度尺组成见上图。实验在矩形玻璃水槽中进行槽中安装WES标准实用剖面堰。水槽上游安装三角量水堰用来测定水槽流量Q槽尾设尾门以控制下游水位用活动测针沿轨道移动以量测上下游水位。槽中也可安装平板闸门形成闸下出流进行水跃实验。三、实验原理堰流流量公式:对图中堰流情况的与CC断面写能量方程可得收缩断面流速表示式为:图实用剖面堰溢流v,g(H,h),,g(H,h)ccc,,v,HH式中为流速系数,为堰上总水头H为堰上水头v为上游趋近流速,gh为收缩断面CC处水深。c经过适当假设与简化得堰流流量公式:Q,mbgHQm,bgH式中b为堰宽(即槽宽)m为堰流的流量系数。实验时改变槽中不同的流量即可测得相应于不同流量时的堰顶水头H值。然后计算出H(含行近流速水头)。利用上式计算出相应于不同堰顶水头H的m值从而可以点绘出m与水头H的关系曲线。堰的流量系数公式实用高堰流量系数当PH,为高堰。WES标准剖面堰的流量系数公式为:dH()m,mdHd四、实验方法与步骤(放水之前用活动测针测出堰前槽底高程及堰顶高程则堰高P=,底堰顶堰顶。底(打开进水调节阀和尾门保持堰流为自由出流待水流稳定后测读水槽首部三角堰上游水面测针读数则三角堰水头:h=,根据Q,H曲线查Q或根据三角堰流量公式:Q,hcms计算Q值(式中h以cm计)。(调节尾门使实用堰呈非淹没溢流仔细观察堰流现象。待水流稳定后用测针细致量测实用堰上游水面读数从而计算堰上水头H值并量测堰趾收缩断面(CC断面)处水面的测针读数算出收缩水深h值应多测几次以取平均值。以上实验应改变流量c次重复进行实验。计算行近流速v和包括行近流速水头的堰上水头H。v,Q,HH,v,bhg式中b槽宽α=。(按堰流流量公式计算流量系数m值。(实验完成后可关小尾门抬高下游水位观察淹没堰流的水流形态。五、实验成果及要求实验记录及计算见表。实验装置台号NO三角堰零点读数,cm玻璃水槽宽b,cm实用堰零点读数,cm实用堰高P,cm实表WES型堰流量系数记录与计算表行近流三角量水堰实用堰堰前行实测按经速水头堰上全水面水面测近流速流量验公堰上堰上v水头读数流量Q读数测V系数式计次水头水头H(cm)g(cms)′(cms)m算m测h(cm)H(cm)(cm)(cm)(cm)六、实验分析与讨论,)H附近处测量测堰上水头H值时堰上游水位测针读数为何要在堰壁上游(读,有哪些因素影响实测流量系数的精度,如果行近流速水头略去不计对实验结果会产生多大影响,如何从水流现象上判断堰流是否淹没,从m随H的变化趋势说明其变化原因,第十二节水跃实验一、实验目的与要求观察水跃现象了解水跃的结构与基本特征。检验平坡矩形明槽自由水跃共轭水深理论关系的合理性并将实测值与理论计算值进行比较。测定跃长检验跃长经验公式的可靠性。了解水跃的消能效果。F比较不同佛如德数时的水跃类型。r二、实验装置本实验装置同图。三、实验原理明槽水流由小于临界水深的急流过渡到大于临界水深的缓流所发生的水面局部跃起现象称为水跃。图示为一闸孔出流后形成的水跃上部为激烈翻腾的表面旋滚底部为流速急剧的主流二者之间的交界面上流速梯度很大产生漩涡和质量交换水流内部产生剪切摩擦与混掺因而消耗能量较大。水利工程中常利用水跃作为一种有效的消能方式。,,,跃前水深用表示跃后水深用表示。hh跃前与跃后两断面间的距离称为水跃长度用L表示。j(一)平底棱柱形明槽中的水跃函数为:Q,yA,J(h)cgA式中A为过水断面面积y为过水断面的重c,心在水面下的深度。跃前水深和跃后水深h,,应满足水跃方程式为:hQQ,,yA,yAccgAgA此式说明在平底棱柱形明槽中对于某一流量Q存在着具有相同的水跃函数J(h)的两个水深这一对水深就是共轭水深。(二)平底矩形断面明槽中的水跃共轭水深关系式为:,,,qq,,hh,,,h,(,)h,(,)或,,,ghgh也可以写为:,,,hh,,,h,(F,)h,(F,)或rr式中,F和F为跃前断面与跃后断面的佛如德数。rr(三)矩形断面明槽中的水跃长度公式为:,,,l,h,j,,适用于,F,,,r,,,,l,(h,h),,j,,,l,(F,)h,适用于F,,jrr,(四)矩形断面明槽中水跃的消能量可用下式表示:vv,,,,,EHHhh,,,,(),()jgg经化简后为:,,,,,,Ehhhh,,(,)j,,,,F水跃消能效率用,EH表示H为跃前断面的比能也可以写成的函数关rj系式:(F,)r',,(F,)(F)rr由此可知跃前水流佛如德数越大消能效率越高。该装置还可演示远驱、临界和淹没三种水跃以及按不同而区分的五种型态水跃(波Fr状水跃弱水跃不稳定水跃稳定水,,Fr,,Fr,,Fr跃强水跃)。,,Fr,Fr各种水跃特征如下:波状水跃:水面有突然波状升高无表面旋滚消能效率低波动距离远。弱水跃:水跃高度较小跃区紊动不强烈跃后水面较为平稳其消能效率低于。不稳定水跃:流态不稳定水跃振荡跃后水面波动较大且向下游传播较远。稳定水跃:水跃稳定跃后水面较平稳消能效率达,是底流消能较理想的流态。强水跃:流态汹涌表面旋滚强烈下游波动较剧烈影响较远消能效率可达以上但消能工的造价高。一般当Fr>时因底流消能工更贵宜改用挑流或其他形式消能。四、实验方法与步骤熟悉有关设备及仪器记录有关常数。开启进水阀门引水入槽调节下游尾门使水槽内分别产生远驱式水跃、临界水跃及淹没水跃。观察不同水跃现象并分析研究水跃的结构与特征。,,,待水流稳定后量测临界水跃的共轭水深和及水跃长度L并用进水管上的hhj孔板流量计或文丘里流量计量测水槽流量。改变流量~次重复进行试验。通过改变流量观察不同F数的水跃类型。r实验完毕关闭进水阀门关泵停水整理好仪器设备。五、实验成果及要求实验装置台号NO三角堰零点读数,cm玻璃水槽宽b,cm实用堰零点读数,cm实用堰高P,cm实表明渠水跃测记表三角量水堰单宽水跃实测值(cm)水跃计算值(cm)跃前断水面流量测流量q堰上面佛氏读数Q测次(cmh′h″L水头h′h″Ljj(cm数Frh(cm)sm)(cm)s),,,,vhh,,,(F,),,以为横坐标以为纵坐标按公式绘F,rr,,hh,gh制理论曲线然后将实验数据点绘于同一图中进行比较和分析讨论。根据不同流量时几组共轭水深值计算水跃消能,E和消能效率,',,EH分jj,,F析与的关系。r,,,根据实验的和计算水跃长度并和实测水跃长度数值进行比较。hh六、注意事项(因为临界水跃现象很不稳定特别是跃后水面波动较大测量时应同时确定水跃的跃前、跃后断面的位置并迅速量测。(同一断面上水深会有不同实测时一般取数点测量水深取其平均。(量测水跃长度时常采用带颜色毛线的立杆来判断跃尾的位置。将立杆在跃尾附近前后移动一旦杆上毛线全部指向下游时即为跃尾断面也可用其它方法判定。七、实验分析与讨论,,,在一定流量下调节尾门使水跃推前或移后分析这种变动对跃长L和跃高a=hhj有何影响,当尾门开度一定改变流量时跃长与共轭水深有何改变,为什么,如何更好地判断跃前和跃后水深的位置,水跃长度应如何定,试分析远驱式水跃、临界水跃和淹没水跃哪种消能率高而且冲刷距离短,

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