水力学重点工程流体力学

水力学工程流体力学实验指引书及实验报告专业农田水利班级学号姓名河北农业大学城乡建设学院水力学教研室目录TOC\o"1-1"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc"（一）不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验PAGEREF_Toc\h1HYPERLINK\l"_Toc"（二）不可压缩流体恒定流动量定律实验PAGEREF_Toc\h4HYPERLINK\l"_Toc"（三）雷诺实验PAGEREF_Toc\h8HYPERLINK\l"_Toc"（四）文丘里实验PAGEREF_Toc\h10HYPERLINK\l"_Toc"（五）局部水头损失实验PAGEREF_Toc\h14HYPERLINK\l"_Toc"（六）孔口与管嘴出流实验PAGEREF_Toc\h17（一）不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验一．实验目规定：1.掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素实验两侧技术；2.验证恒定总流能量方程；3.通过对动水力学诸多水力现象实验分析研究，进一步掌握有压管流中动水力学能量转换特性。二．实验装置：本实验装置如图1.1所示，图中：1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.溢流板；5.稳水孔板；6.恒压水箱；7.测压计；8.滑动测量尺；9.测压管；10.实验管道；11.测压点；12.毕托管；13.实验流量调节阀。三．实验原理：在实验管路中沿管内水流方向取个过水断面，可以列出进口断面（1）至断面（）能量方程式（）取，选好基准面，从已设立各断面测压管中读出值，测出通过管路流量，即可计算出断面平均流速及，从而即可得到各断面测管水头和总水头。四．实验办法与环节：1.熟悉实验设备，分清各测压管与各测压点，毕托管测点相应关系。2.打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查泄水阀关闭时所有测压管水面与否齐平，若不平则进行排气调平（开关几次）。3．打开阀13，观测测压管水头线和总水头线变化趋势及位置水头、压强水头之间互有关系，观测当流量增长或减少时测管水头变化状况。4.调节阀13开度，待流量稳定后，侧记各测压管液面读数，同步测记实验流量（与毕托管相连通是演示用，不必测记读数）。5.再调节阀13开度1～2次，其中一次使阀门开度最大（以液面降到标尺最低点为限），按第4步重复测量。五．实验成果及规定：实验台号1.把关于常数记入表1.1表1.1关于常数登记表水箱液面高程cm,上管道轴线高程cm。测点编号1＊23456＊78＊9101112＊1314＊1516＊1718＊19管径cm两点间距cm4466413.5610291616注：（1）打“＊”者为毕托管测点（测点编号见图1.2）（2）2、3为直管均匀流段同一断面上二个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上二个测点。2.量测（）并记入表1.2。表1.2测记（）数值表（基准面选在标尺零点上）测点编号Q(cm3/s)实验次数123表1.3计算数值表（1）流速水头管径d(cm)Q=(cm3/s)Q=(cm3/s)Q=(cm3/s)A(cm2)V(cm/s)(cm)A(cm2)V(cm/s)(cm)A(cm2)V(cm/s)(cm)（2）总水头（）测点编号Q（cm3/s）实验次数1233.计算流速水头和总水头。4.绘制上述成果中最大流量下总水头线和测压管水头线（轴向尺寸参见图1.2，总水头线和测压管水头线可以绘在图1.2上）。六．成果分析与讨论:1.测压管水头线和总水头线变化趋势有何不同？为什么？2.流量增长，测压管水头线有何变化？为什么？3.测点2、3和测点10、11测压管读数分别阐明了什么问题？4.试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术办法？分析变化作用水头（如抬高或减少水箱水位）对喉管压强影响状况。5.由毕托管测量显示总水头线与实测绘制总水头线普通均有差别，试分析其因素。（二）不可压缩流体恒定流动量定律实验一．实验目规定：1.验证不可压缩流体恒定流动量方程；2.通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间有关性分析研究，进一步掌握流体动力学动量守恒特性；3.理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能力。二．实验装置：本实验装置如图2.1所示，图中：1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.水位调节阀；5.恒压水箱；6.管嘴；7.集水箱；8带活塞测压管；9.带活塞和翼片抗冲平板；10.上回水管。三．实验原理：1．仪器工作原理自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水本启动、流量大小调节由带开关流量调节器3控制。水流经供水管供应恒压水箱5，溢流水经回水管流回蓄水箱。工作水流经管嘴6形成射流，射流冲击到带活塞和翼片抗冲平板9上，并以与入射角成90°方向离开冲击平板。带活塞抗冲平板在射流冲力和测压管8中水压力作用下处在平衡状态。活塞形心水深可由测压管8测出，由此可求得射流冲力，即动量为。冲击后弃水经集水箱7汇集后，再经上水水管10流出，出口处用体积法或重量法测定流量。水流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水位，以使带活塞平板受力平衡以及减小摩擦阻力对活塞作用，本实验装置应用了自动控制反馈原理和动摩擦减阻技术，具备如下构造：带活塞和翼片抗冲平板9和带活塞套测压管8如图2.2所示，该图是活塞退出活塞套时分部件示意图。活塞中心设有一细导水管，进口端位于平板中心，出口端伸出活塞头部，出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片，在活塞套上设有窄槽。工作时，在射流冲击力作用下，水流经导水管向测压管内加水。当射流冲击力不不大于测压管内水柱对活塞压力时，活塞内移，窄槽关小，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，测管内水位减少，水压力减小。在恒定射流冲击下，经短时段自动调节，即可达到射流冲击力和水压力平衡状态、这时活塞处在半进半出、窄槽某些启动位置上，过流进测压管水量和过外溢水量相等。由于平板上设有翼片，在水流冲击下，平板带动活塞旋转，因而客服了活塞在沿轴向滑移时静摩擦力。为验证本装置敏捷度，只要在实验中恒定流受力平衡状态下，以为地增减测压管中液位高度，可发现虽然该变量局限性总液柱高度±5%，（约0.5～1mm），活塞在旋转下亦能有效客服动摩擦力而作轴向位移，开打或减小窄槽，使过高水位减少或过低水位提高，恢复到本来平衡状态。这表白该装置敏捷度高达0.5%，亦即活塞轴向动摩擦力局限性动量力5‰。2.实验基本原理恒定总流动量方程为取脱落体如图2.3所示，因滑动摩擦阻力水平分力，可忽视不计，在方向上动量方程为：即：式中：——作用在活塞圆心处水深；——活塞直径；——射流流量；——射流速度；——动量修正系数。实验中，在平衡状态下，只要测量流量、测管液柱值，由给定管嘴直径和活塞直径，便可验证动量方程并率定射流动量修正系数值。其中，测压管标尺零点已固定在活塞圆心处，标尺液面读数，即为作用在活塞圆心处水深。四．实验办法与环节：1.准备：熟悉实验装置各某些名称、构造特性、作用性能， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 关于常数。2.启动水泵：打开调速器开关，水泵启动2～3分钟后，短暂关闭2～3秒钟，以运用回水排除离心式水泵内滞留空气。3.调节测压管位置：待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调节方位，规定测压管垂直、螺丝对准十字丝中心，使活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。4.测读水位：标尺零点已固定在活塞圆心高程上。当测压管你液面稳定后，记下测压管内液面标尺读数，即值、5.测量流量：运用体积时间法，在上回水管出口处测量射流流量。流量时间规定在15～20秒以上。可用塑料桶等容器，通过活动漏斗接水，再用量筒测量其体积（亦可用重量法测量）。6.变化水头重复实验：逐次打开不同高度上溢水孔盖，变化管嘴作用水头。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按3～5环节重复进行实验。7.验证时影响：取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调节好位置，使反射水流回射角一致，记录回射角度目测值、测压管作用水深和管嘴作用水头。五．实验成果及规定：实验台号1.记录关于常数管嘴内径,活塞直径、2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数。3.取某一流量，汇出脱离体图，阐明分析计算过程。六．成果分析与讨论:1.带翼片平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片平板沿方向动量方程有无影响？为什么？2.通过细导水管分流，其出流角度与相似。试问对以上受力分析有无影响？3.滑动摩擦力可以忽视不计？试用实验来分析验证大小，记录观测成果。（提示：平衡时，向测压管内加入或取出1左右深水量，观测活塞及液位变化）。4.若不为零，会对实验成果带来什么影响？试结合实验环节7成果予以阐明。（三）雷诺实验一．实验目规定：1.通过层流、紊流流态观测和临界雷诺数测量分析，掌握圆管流态转化规律；2.进一步掌握层流、紊流两种流态运动学特性与动力学特性；3.学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究办法，并理解其实用意义。二．实验装置：本实验装置如图3.1所示，图中：1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.有色批示水供应箱；6.稳水孔板；7溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。三．实验原理：；四．实验办法与环节：1.测记本实验关于常数。2．观测两种流态。打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微启动调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成始终线。通过颜色水质点运动观测管内水流层流流态，然后逐渐开大调节阀，通过颜色水直线变化观测层流转变到紊流水力特性，待管中浮现完全紊流后，再逐渐关小调节阀，观测由紊流转变为层流水力特性。3.测定下临界雷诺数。（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐渐关小调节阀使流量减小，当流量调节到使颜色水在全管刚刚拉直成始终线状态时，即为下临界状态。每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。（2）待管中浮现临界状态时，用体积法测定流量。（3）依照所测流量计算下临界雷诺数。（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述环节重复测量不少于三次。（5）同步由水箱中温度计测记水温，从而查得水运动粘度。注意：流量不可开过大，以免引起水箱中水体紊动，若因水箱中水体紊动而干扰进口水流时，须关闭阀门，静止3～5分钟，再按环节（1）重复进行。4．测定上临界雷诺数逐渐启动调节阀，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1～2次。五．实验成果及规定：实验台号1.记录计算关于常数：管径，水温℃。运动粘度计算常数2．记录计算表格表3.1实验顺序颜色水线形态水体积V(cm3)时间T(s)流量Q(cm3/s)雷诺数Re阀门开度增（↑）或减（↓）备注注：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:1.流态鉴别为什么采用无量纲参数，而不采用临界流速？2.为什么以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判据？实测下临界雷诺数为多少？3.雷诺实验得出圆管流动下临界雷诺数为2320，而当前普通教科书中简介采用下临界雷诺数是，因素何在？4.试结合紊流机理实验观测，分析由层流过渡到紊流机理何在？5.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别？（四）文丘里实验一．实验目规定：1.通过测定流量系数，掌握应用文丘里流量计量测管道流量技术和应用气—水多管压差计量测中压差技术；2.通过实验与量纲分析，理解应用量纲分析与实验结合研究水力学问题途径，并理解文丘里流量计水流特性。二．实验装置：本实验装置如图4.1所示，图中：1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.溢流板；6.稳水孔板；7.文丘里实验管段；8.测压计气阀；9.测压计；10.滑尺；11.4管压差计；12.实验流量调节阀。三．实验原理：依照能量方程式和持续性方程式，可得不计阻力作用时文氏管过水能力关系式式中：，为两段面测压管水头差。事实上由于阻力存在，通过实际流量。今引入一无量纲系数（称为流量系数），对计算所得流量值进行修正。即　　　四．实验办法与环节：1.测记各关于常数，并检查在水阀全关时，测管液面读数与否为0，不为0时，需查处因素并予以排除。2.调节测管液面高度,使在调节阀全开时各测管液面处在滑尺读数范畴内。3.全开调节阀门,待水流稳定后,读取各测压管读数、、、,并用秒表、量筒测定流量。4.逐次关小调节阀，变化流量，量测7～10次，注意调节阀门应缓慢。5.把测量值记录在实验表格内，并进行关于计算。6.如测管内液面波动时，应测取时均值。、7.实验结束，需按环节1校核比压计与否回零。五．实验成果及规定：1.记录计算关于常数。实验台号，，水温℃，水箱液面标尺值，管轴线标尺值。2.记录计算表格表4.1登记表次数测压管读数（cm）水量（cm3）测量时间（s）h1(cm)h2(cm)H3(cm)H4(cm)表4.2计算表K=cm2.5/s次数Q（cm3/s）△h=(h1-h2+h3-h4)(cm)Re1234567893.绘制与曲线图。六．实验分析与讨论:1.本实验中，影响文丘里管流量系数大小因素有哪些？哪个因素最敏感？对本实验管道而言，若因加工粗度影响，误将值取代上述值时，本实验在最大流量下值将变为多少？2.为什么不相等？3.验证气—水多管压差计（图4.1）有下列关系：4.试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计水流特性。5.文氏管喉颈处容易产生真空，容许最大真空度为。工程中应用文氏管时，应检查其最大真空度与否在容许范畴内。据你实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？（五）局部水头损失实验一．实验目规定：1.训练掌握三点法、四点法测量局部阻力损失与局部阻力系数技能；2.通过对圆管突扩局部阻力系数包达公式和突缩局部阻力系数经验公式实验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数式途径；3.加深对局部阻力损失机理理解。二．实验装置：本实验装置如图5.1所示，图中：1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.溢流板；6.稳水孔板；7.突然扩大实验管段；8.测压计；9.滑动测量尺；10.测压管；11.突然收缩实验管段；12.实验流量调节阀。三．实验原理：写沿水流方向局部阻力先后两断面能量方程，依照推导条件，扣除沿程水体损失可得：1.突然扩大，采用三点法计算，下式中由按流长比例换算得出：实测值：理论值：2.突然缩小，采用四点法计算，下式中B点为突缩点，由换算得出，由换算得出。实测值：理论值：四．实验办法与环节：1.测记实验关于常数。2.打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中滞留气体。待水箱溢流后，检查泄水阀全关时，各测压管液面与否齐平，若不平，则需排气调平。3.打开泄水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同步用体积法测记流量。4.变化泄水阀开度3～4次，分别测记测压管读数及流量。5.实验完毕后关闭泄水阀，检查测压管液面齐平后再关闭进水阀。五．实验成果及规定：1.记录计算关于常数：实验台号，，，，，，，，，，，,2.记录计算表格表5.1登记表次数流量cm3/s测压管读数cm体积时间流量表5.2计算表次数阻力形式流量cm3/s前段面后段面(cm)(cm)(cm)E(cm)(cm)E(cm)突然扩大突然缩小六．成果分析与讨论:1.结合实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下局部损失大小关系。2.结合流动仪演示水力现象，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重要部位在哪里？如何减小局部阻力损失？3.现备有一段长度及联接方式与调节阀（图5.1）相似，内径与实验管道相似至管段，如何用亮点法测量阀门局部阻力系数？4.实验测得突缩管在不同管径比时局部阻力系数（）如下：序号12345d2/d10.20.40.60.81.00.480.420.320.180试用最小二乘法建立局部阻力系数经验公式。5.试阐明理论分析法和经验法建立有关物理量间函数关系式途径。（六）孔口与管嘴出流实验一．实验目规定：1.掌握孔口与管嘴出流流速关系、流量系数、局部阻力系数测量技术；2.通过对不同管嘴与孔口流量系数测量分析，理解进口形状对出流能力影响及有关水力要素对孔口出流能力影响。二．实验装置：本实验装置如图6.1所示，图中：1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.溢流板；6.稳水孔板；7.孔口管嘴，其图内小字标号1＃为喇叭进口管嘴，2＃为直角进口管嘴，3＃为锥形管嘴，4＃为孔口；8.防溅旋板；9.测量孔口射流收缩直径移动触头；10.上回水槽；11.标尺；12.测压管。三．实验原理：流量系数收缩系数流速系数阻力系数四．实验办法与环节：1.记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。2.打开调速器开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开1＃圆角管嘴，待水面稳定后，测记水箱水面高程标尺读数，用体积法（或重量法）测定流量（规定重复测量三次，时间尽量长些，例如在15秒以上，以求精确），测量完毕，先旋转水箱内旋板，将1＃管嘴进口盖好，再塞紧橡皮塞。3.依照上法，打开2＃管嘴，测记水箱水面高程标尺读数及流量，观测和量测直角管嘴出流时真空状况。4.依次打开3＃圆锥形管嘴，测定及。5.打开4＃孔口，观测孔口出流现象，测定及，并按下述办法测记孔口收缩断面直径随水头变化状况。6.关闭开关3，清理实验桌面及场地。7.注意事项a.实验顺序先管嘴后孔口，每次塞相片塞前，先用旋板将进口盖掉，以免水花溅开。b.量测收缩断面直径：可用孔口两边移动触头。一方面松动螺丝，先移动一边触头将其与水股切向接触，并旋紧螺丝，再移动另一边触头，使之切向接触，并选经螺丝，再将旋板开关顺时针方向关上孔口，用卡尺测量触头间距，即为射流直径，实验时将旋板置于不工作孔口（或管嘴）上，尽量减少旋板对工作孔口、管嘴干扰。c.以上实验时，注意观测各出流流股形态，并做好记录。五．实验成果及规定：实验台号1.关于常数：圆角管嘴，出口高程读数。直角管嘴圆锥管嘴，出口高程读数。孔口，六．实验分析与讨论:1.结合观测不同类型管嘴与孔口出流流股特性，分析流量系数不同因素及增大过流能力途径。表6.1项目分类圆角管嘴直角管嘴圆锥管嘴孔口水面读数体积时间流量平均流量水头面积流量系数测管读数负压水柱收缩直径收缩断面收缩系数流速系数阻力系数流股形态注：流股形态代号为：①光滑圆柱；②紊流；③圆柱形麻花状扭变；④具备侧收缩光滑圆柱；⑤其她形状。2.观测时，孔口出流侧收缩率较时有何不同？3.试分析完善收缩锐缘薄壁孔口出流流量系数有下列关系：其中为韦伯数。依照这一关系，并结合其她因素分析本实验流量系数偏离理论值（）因素。