水力學實驗報告學 院： 班 級： 姓 名： 學 號： 第三組同學： 姓 名： 學 號： 姓 名： 學 號： 姓 名： 學 號： 2015.12.251 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pc與平面面積A的乘積：，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和以寬度b所構成的壓強分布體的體積。若壓強分布圖為三角形分布、如圖3-2，則式中：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其中：求出平面靜水總壓力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Kl，放水開關K2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。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K1，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46，水位讀數在100mm以下做3次，以上做3次。8.打開放水閥門K2，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L0 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a0 cm，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(cm)砝碼質量m(g)三角形分布1234梯形分布1233.實驗結果壓強分布形式測次作用點距底部距離（cm)作用力距支點垂直距離(cm)實測力矩(Ncm）實測靜水總壓力（N）理論靜水總壓力（N）誤差(）三角形分布1234梯形分布1231.6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，扇形體的其他側面所受到的壓力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是什么形狀？3.影響本實驗精度的原因是什么？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、單位壓能和單位動能)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。對于均勻流和漸變流斷面，壓強分布符合靜水壓強分布規律：但不同斷面的C值不同。圖21 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。下凹曲面邊界上的急變流斷面如圖21(b)，離心力與重力方向相向，所以。2.3實驗設備實驗設備及各部分名稱如圖22所示。圖22 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是否齊平。若不平，則需檢查管路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1.有關常數記錄 d5 cm， d1 cm。（d5 即d，d1 即D）2. 實驗數據記錄與計算（測壓管高度單位為cm）測次145689A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123456789103.實驗結果(1)繪制測壓管水頭線和總水頭線（任選一組）。 (2)計算斷面5和斷面2的平均流速和畢托管測點流速。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31，求射流對平面板和曲面板的作用力。力矩平衡方程： 圖3-1 動量原理實驗簡圖,式中：F射流作用力；L作用力力臂； G1砝碼重量；L1砝碼力臂。恒定總流的動量方程為若令，且只考慮其中水平方向作用力，則可求得射流對平面板和曲面板的作用力公式為式中：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。 ：水流對平面板的沖擊力 3.3實驗設備實驗設備及各部分名稱見圖32，實驗中配有的平面板和及的曲面板，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。記錄砝碼質量和力臂Ll。4.用質量法測量流量Q用以計算F理。5.改變溢流板高度，使水頭和流量變化，重復上述步驟。6.將平面板更換為曲面板(及)，又可實測和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。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L1（cm）F理(N)F實(N)誤差（）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.觀察層流和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hf和斷面平均流速的對數關系曲線，即曲線，并計算圖中的斜率m和臨界雷諾數Rek。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。紊流的沿程水頭損失與斷面平均流速的1.752.0次方成正比，即。 視水流情況，可表示為，式中m為指數，或表示為。 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。沿程水頭損失與斷面平均流速v的關系可由能量方程導出：當管徑不變，取所以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：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ReRek(上臨界雷諾數)時為紊流狀態，Rek在400012000之間。4.3實驗設備 實驗設備及各部分名稱見圖41所示。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，水流紊亂到已看不清著色流線時，這便是紊流流態。 (二)測定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、水溫和試驗段的水頭損失(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。相應的斷面平均流速。 4.流量用尾閥調節，共做10次。當Re2500時，為精確起見，每次壓差減小值只能為35mm。 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。 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（cm3/s）雷諾數流速(m/s)(cm)123456789103. 繪制水頭損失hf和斷面平均流速的對數關系曲線，即曲線，并計算圖中的斜率m和臨界雷諾數Rek。（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和水頭損失。 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hf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，壓差計的讀數差是不是沿程水頭損失hf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和紊流？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，以及其他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：式中：局部水頭損失系數，也叫局部阻力系數。系數是流動形態與邊界形狀的函數，即。一般水流Re數足夠大時，可認為系數不再隨Re數而變化，而看作一常數。 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。其他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：式中：Al和v1分別為突然擴大上游管段的斷面面積和平均流速；A2和v2分別為突然擴大下游管段的斷面面積和平均流速。5.3實驗設備實驗設備及各部分名稱如圖51所示。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）123456783.實驗結果測次突然擴大突然縮小90彎頭誤差(%)誤差(%)誤差(%)123456785.6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hj與理論計算hj，有什么不同？原因何在？2.如不忽略管段的沿程損失hf，所測出的值比實際的偏大還是偏小？在工程中使用此值是否安全？ 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是否相同？通常值是否為一常數？6 文德里流量計及孔板流量計實驗6.1實驗目的1.了解文德里和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，確定文德里流量計和孔板流量計的系數。6.2實驗原理 文德里流量計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