1、實(shí)驗(yàn)十一 孔口與管嘴出流實(shí)驗(yàn)1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.量測(cè)孔口與管嘴出流的流速系數(shù)、流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)局部阻力系數(shù)及圓柱形管嘴內(nèi) 的局部真空度。2.分析圓柱形管嘴的進(jìn)口形狀（圓角和直角）對(duì)出流能力的影響及孔口與管嘴過(guò)流能力不同的原因。2、 實(shí)驗(yàn)裝置1 / 11圖二 孔口、管嘴結(jié)構(gòu)剖面圖3、 實(shí)驗(yàn)原理在恒壓水頭下發(fā)生自由出流時(shí)孔口管嘴的有關(guān)公式為: 實(shí)驗(yàn)測(cè)得上游恒壓水位及各孔口、管嘴的過(guò)流量，利用以上5個(gè)公式，從而得出不同形狀斷面的孔口、管嘴在恒壓、自由出流狀態(tài)下的各水力系數(shù)。根據(jù)理論分析，直角進(jìn)口圓柱形外管嘴收縮斷面處的真空度為hv = Pv/g = 0.75H 本實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)測(cè)出直角進(jìn)口圓柱形外管

2、嘴收縮斷面處的真空度，打開(kāi)直角進(jìn)口管嘴射 流，即可觀測(cè)到，測(cè)管處水柱迅速降低，hv = 0.6 0.7H。說(shuō)明直角進(jìn)口管嘴在進(jìn)口處產(chǎn)生 較大真空。但與經(jīng)驗(yàn)值0.75H。相比，真空度偏小，其原因主要是有機(jī)玻璃材料的直角進(jìn)口銳緣難以達(dá)到象金屬材料那樣的強(qiáng)度。觀察孔口及各管嘴出流水柱的流股形態(tài)：打開(kāi)各孔口管嘴，使其出流，觀察各孔口及管嘴水流的流股形態(tài)，因各種孔口、管嘴的形 狀不同，過(guò)流阻力也不同，從而導(dǎo)致了各孔口管嘴出流的流股形態(tài)也不同：圓角管嘴出流水 柱為光滑圓柱，直角管嘴為圓柱形麻花狀扭變，圓錐管嘴為光滑圓柱，孔口則為具有側(cè)收縮 的光滑圓柱；圓錐管嘴雖亦屬直角進(jìn)口，但因進(jìn)口直徑漸小，不易產(chǎn)生分離

3、，其側(cè)收縮斷面面積接近出 口面積（值以出口面積計(jì)），故側(cè)收縮并不明顯影響過(guò)流能力。另外，從流股形態(tài)看，橫 向脈動(dòng)亦不明顯，說(shuō)明漸縮管對(duì)流態(tài)有穩(wěn)定作用（工程或?qū)嶒?yàn)中，為了提高工作段水流的穩(wěn) 定性，往往在工作段前加一漸縮段，正是利用漸縮的這一水力特性）。能量損失小，因此其值與圓角管嘴相近。觀察孔口出流在d/H 0.1時(shí)與在d/H 0.1時(shí)側(cè)收縮情況：開(kāi)大流量，使上游水位升高，使d/H 0.1，測(cè)量此時(shí)的收縮斷面直徑dc的值，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)d/H 0.1時(shí)dc 增大，并接近于孔徑d，這叫作不完全收縮，此時(shí)由實(shí)驗(yàn)測(cè)知，也增大，可達(dá)0.7左右。4、 實(shí)驗(yàn)步驟與方法1.記錄實(shí)驗(yàn)常數(shù)，各孔口管嘴用橡皮塞塞緊。2.

4、打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān)，使恒壓水箱充水，至溢流后，再打開(kāi)圓柱形管嘴（先旋轉(zhuǎn)旋板擋住管嘴， 然后拔掉橡皮塞，最后旋開(kāi)旋板），待水面穩(wěn)定后，測(cè)定水箱水面高程標(biāo)尺讀數(shù)，用體積法 或數(shù)顯流量計(jì)（兩種方法皆可）測(cè)定流量，測(cè)量完畢，先旋轉(zhuǎn)水箱內(nèi)的旋板，將管嘴進(jìn)口蓋 好，再塞緊橡皮塞。3.打開(kāi)圓錐形管嘴，測(cè)記恒壓水箱水面高程標(biāo)尺讀數(shù)及流量，觀察和量測(cè)圓柱形管嘴出流時(shí)的真空情況。4.打開(kāi)孔口，觀察孔口出流現(xiàn)象，測(cè)量水面高程標(biāo)尺讀數(shù)及孔口出流流量，測(cè)記孔口收縮 斷面的直徑（重復(fù)測(cè)量3次）。改變孔口出流的作用水頭（可減少進(jìn)口流量），觀察孔口收縮斷面的直徑隨水頭變化的情況。量測(cè)孔口收縮斷面直徑的方法：用孔口兩邊的移動(dòng)觸頭。先

5、松動(dòng)螺絲，移動(dòng)一邊觸頭將其 與水股切向接觸，并旋緊螺絲，再移動(dòng)另一邊觸頭，使與水股切向接觸，并旋緊螺絲。再將 旋板開(kāi)關(guān)以順時(shí)針?lè)较蜿P(guān)上孔口，用卡尺測(cè)量觸頭間距，即為射流直徑。實(shí)驗(yàn)時(shí)將旋板置于 不工作的孔口或管嘴上，盡量減少旋板對(duì)工作孔口、管嘴的干擾。5.關(guān)閉水泵，清理實(shí)驗(yàn)桌面及場(chǎng)地。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱 實(shí)驗(yàn)臺(tái)編號(hào) 實(shí)驗(yàn)者 實(shí)驗(yàn)日期 孔口管嘴直徑及高程：圓角管嘴d1= 10-2m 直角管嘴d1= 10-2m出口高程 Zl= 10-2m圓錐形管嘴錐形管嘴d3= 10-2m 孔口 d4= 10-2m出口高程z3 = Z4 = 10-2m孔口管嘴實(shí)驗(yàn)記錄及計(jì)算表 分類項(xiàng)目直角進(jìn)口形管嘴園角

6、進(jìn)口形管嘴圓錐形管嘴孔口水箱液位H(10-2m)體積V（ 10-6 m3)時(shí)間t(s)流量Q (10-6 m3/s )平均流量（10-6 m3 / s )作用水頭H。 (10-2 m )面積A（ m2 )流量系數(shù)測(cè)壓管讀數(shù)h (m)真空度hv (m )收縮直徑dc (m )收縮斷面Ac (m2)收縮系數(shù)S流速系數(shù)阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)十四 堰流實(shí)驗(yàn)1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀察不同/H的有坎、無(wú)坎寬頂堰或?qū)嵱醚叩乃鳜F(xiàn)象，以及下游水位變化對(duì)寬頂堰過(guò)流能力的影響。2.掌握測(cè)量堰流流量因數(shù)m實(shí)驗(yàn)技能，并測(cè)定無(wú)側(cè)收縮寬頂堰的m值。二、實(shí)驗(yàn)裝置裝置說(shuō)明1.水位測(cè)量一水位測(cè)針 水位測(cè)針結(jié)構(gòu)如圖二所示，測(cè)針桿是可以上下移動(dòng)

7、的標(biāo)尺桿，測(cè)量時(shí)固定在支架套筒中， 套筒上附有游標(biāo)，測(cè)量讀數(shù)類似游標(biāo)卡尺，精度一般為0.1毫米。測(cè)針桿尖端為與水面接觸 點(diǎn)，測(cè)量過(guò)程中，不宜松動(dòng)支座或旋動(dòng)測(cè)針。在測(cè)量時(shí)，測(cè)針尖應(yīng)自上而下逐漸接近水面， 當(dāng)水位略有波動(dòng)時(shí)，可多次測(cè)量取平均值。測(cè)量恒定水位時(shí)，測(cè)針可直接安裝，如圖一中測(cè)針3，也可通過(guò)測(cè)針筒間接安裝，如測(cè)針與測(cè)針筒6。堰上下游與三角堰量水槽水位分別用測(cè)針3與6量測(cè)。移動(dòng)測(cè)針3可在槽頂導(dǎo)軌上移動(dòng)，導(dǎo)軌的縱向水平度在安裝調(diào)試后應(yīng)不大于0.15 mm。1. 明渠流量測(cè)量堰 明渠流為無(wú)壓流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)室中通常用薄壁堰測(cè)量流量。小流量（qv 0.1 m3/s)采用 三角形薄壁堰，大流量則用矩形薄壁

8、堰。由于堰的造價(jià)低，使用簡(jiǎn)單、直觀、精度保證，在明渠流中使用十分廣泛。本實(shí)驗(yàn)采用直角三角形薄壁堰。直角三角形薄壁堰如圖三所示。它的流量計(jì)算公式常用下列湯普森（Thompson)經(jīng)驗(yàn)公式qv = 1.4 H5/2 (m3/s)式中H單位以m計(jì)，適用范圍0.05 m H 2H, B(34)H。測(cè)量位置在堰上游 (3-5) H處 為消除堰加工誤差，對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置中的三角形薄壁堰進(jìn)行了流量率定，采用以下公式計(jì)算qv = A(h)B h = V01 -V00式中：V01、V00分別為三角堰堰頂水位（實(shí)測(cè)）和堰頂高程（實(shí)驗(yàn)時(shí)為常數(shù)）。A、B為率定常數(shù)，直接標(biāo)明于設(shè)備銘牌上。2.堰、閘模型 本實(shí)驗(yàn)槽中可換裝各

9、種堰、閘模型。通過(guò)更換不同堰體，可演示各種堰流現(xiàn)象及其 下游水面銜接型式。包括有側(cè)收縮無(wú)坎及其它各種常見(jiàn)寬頂堰流、底流、挑流、面流 和戽流等現(xiàn)象。此外，還可演示平板閘下出流、薄壁堰流。讀者在完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng) 目外，可任選其中一種或幾種作實(shí)驗(yàn)觀察，以拓寬感性知識(shí)面。3、 實(shí)驗(yàn)原理1.堰的分類 根據(jù)堰墻厚度或頂長(zhǎng)與堰上水頭H的比值不同而分成三種：薄壁堰（/H0.67);實(shí)用堰（0.67/H2.5);寬頂堰（2.5/H 3 時(shí)，m=0.36)式中P1一為上游堰高； H 為堰上作用水頭。（2）直角進(jìn)口寬頂堰 m = 0.32 + 0.01*（3-P1/H )/(0.46+0.75P1/H) (當(dāng)P1/

10、H 3 時(shí)，m=0.32)1.堰上總作用水頭2.本實(shí)驗(yàn)需測(cè)記渠寬b,上游渠底高程2、堰頂高程0、寬頂堰厚度、流量qv及上游水位1。進(jìn)而按下列各式計(jì)算確定上游堰高P1、行近流速V0、堰上作用水頭H和總作用水頭H0:P1=0-2V0 = qv/b(1-2)H = 1-0H0 = H + V02/2g4、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.薄壁堰演示2.三角形薄壁堰安裝于三角堰量水槽5首部，用于測(cè)量小流量。 矩形薄壁堰用于測(cè)量較大流量。實(shí)驗(yàn)演示可觀察水舌的形態(tài)，從中了解曲線型實(shí)用堰的堰面曲線形狀。觀察水舌形狀時(shí)應(yīng)使水舌下方與大氣相通。根據(jù)水舌的形狀不難理解，如果所設(shè)計(jì)的堰面低于水舌下緣曲線，堰面就會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，故此類堰稱真

11、空堰。真空堰能提高流量因數(shù)，但堰面易遭空蝕破壞。若堰面稍突入水舌下緣曲線，堰面受到正壓，故稱非真空實(shí)用堰。因流量不同，水舌形狀不同，因而所謂真空堰或非真空堰，都是相對(duì)一定流量而言的。 WES堰在設(shè)計(jì)水頭作用下為非真空堰。 WES曲線型實(shí)用堰演示如圖四，當(dāng)下游水位較低時(shí)，過(guò)堰水流在堰面上形成急流，沿流程高度降低，流速增大， 水深減小，在堰腳附近斷面水深最小(hc), 流速最大。該斷面稱為堰下游的收縮斷面。在收縮斷面后的平坡渠道上，形成H3型水面曲線，并通過(guò)水躍與尾門(mén)前的緩流相銜接。3. 寬頂堰演示 本實(shí)驗(yàn)裝置配有無(wú)坎、直角進(jìn)口和圓角進(jìn)口三種寬頂堰模型，可供不同教學(xué)要求選用。寬頂堰 調(diào)節(jié)流量使過(guò)流

12、符合寬頂堰條件2. 5/H10。當(dāng)4/H10時(shí)，如圖五所示，為寬頂堰堰流的典型形態(tài)。當(dāng)2. 5/H10，由于堰頂水流的沿程損失，對(duì)過(guò)水能力有明顯影響，已不能忽略，這已屬于明渠范疇了。 寬頂堰出流又分自由出流和淹沒(méi)出流二種流態(tài)：若下游水位不影響堰的過(guò)流能力，稱為自由出流；在流量不變條件下，若上游水位受下游水位頂托而抬升，這時(shí)下游水位已影響堰的過(guò)流能力，稱為淹沒(méi)出流。判別淹沒(méi)出流的條件是hs/H0 0.8。hs為下游水位超過(guò)堰頂?shù)母叨取？烧{(diào)節(jié)尾門(mén)改變尾水位高度，以形成自由出流或淹沒(méi)出流實(shí)驗(yàn)流態(tài)。無(wú)坎寬頂堰 俯視圖如圖六。兩側(cè)模型分別被浸濕了的吸盤(pán)緊緊吸附于有機(jī)玻璃槽壁上。由于側(cè)收縮 的影響，在一定

13、的流量范圍內(nèi)水流呈現(xiàn)兩次跌落的形態(tài)，如圖七所示，與寬頂堰形態(tài)相似。 工程中平底河道的閘墩、橋墩的流動(dòng)均屬此種堰型。5、 實(shí)驗(yàn)步驟及方法1.安裝堰模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，可任意選擇直角進(jìn)口寬頂堰、圓角進(jìn)口寬頂堰、WES型標(biāo)準(zhǔn)剖面實(shí)用堰、矩形薄壁堰、無(wú)坎寬頂堰中的一種，安裝在明槽內(nèi)的相應(yīng)位置。2.啟動(dòng)、流量調(diào)節(jié)與測(cè)量：插上電源，大流量用閥13調(diào)節(jié)，流量微調(diào)用閥10調(diào)節(jié)。流量 用三角堰量水槽5與三角堰水位測(cè)針6測(cè)量。3.水位調(diào)節(jié)與測(cè)量。尾水位用尾門(mén)7和升降輪8調(diào)節(jié)，上、下游水位及槽底、堰頂高程用移動(dòng)測(cè)針3測(cè)量。上游水位1應(yīng)在（35) H附近處測(cè)量。6、 實(shí)驗(yàn)成果及要求1.記錄有關(guān)信息及實(shí)驗(yàn)常數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱： 實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)：實(shí)驗(yàn)者： 實(shí)驗(yàn)日期：渠寬b= 10-2m； 寬頂堰厚度= 10-2m；上游渠底局程2= 10-2m； 堰頂高程0 = 10-2m；上游堰高P1 =0 -2 = 10-2m；三角堰流量公式為qv = A(h)B h = 01 -00其中，三角堰頂高程00 = 10-2m； A=； B= 直