1、實(shí)驗(yàn)十一 孔口與管嘴出流實(shí)驗(yàn)一、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。二、實(shí)驗(yàn)裝置圖二 孔口、管嘴結(jié)構(gòu)剖面圖、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)口圓柱形外管嘴收縮斷面處的

2、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)： TOC o 1-5 h z 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)

3、口直徑漸小，不易產(chǎn)生分離，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。四、實(shí)驗(yàn)

4、步驟與方法記錄實(shí)驗(yàn)常數(shù)，各孔口管嘴用橡皮塞塞緊。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。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。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

5、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。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)者實(shí)驗(yàn)臺(tái)編號(hào)實(shí)驗(yàn)日期d1=10-2m 直角管嘴 d1=孔口管嘴直徑及高程：圓角管嘴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

6、嘴實(shí)驗(yàn)記錄及計(jì)算表分類(lèi)項(xiàng)目直角進(jìn)口形管嘴園角進(jìn)口形管嘴圓錐形管嘴孔口水箱液位 H(10-2 m)體積 V( 10-6 m 3)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 (m 2)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)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^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。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。、實(shí)

7、驗(yàn)裝置裝置說(shuō)明水位測(cè)量一水位測(cè)針?biāo)粶y(cè)針結(jié)構(gòu)如圖二所示，測(cè)針桿是可以上下移動(dòng)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(lèi)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3，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 0.15mm 。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

8、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。Thompson) 經(jīng)驗(yàn)公式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(qv = 1.4 H 5/2 (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) Bh = V01 -V00式中： V01 、V00 分別為

9、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。堰、閘模型本實(shí)驗(yàn)槽中可換裝各種堰、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。三、實(shí)驗(yàn)原理1.堰的分類(lèi)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

10、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/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 + V0 2 /2g四、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

11、。 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(lèi)堰稱真空堰。 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),

12、 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。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

13、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。五、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。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（ 3? 5） H 附近處測(cè)量。六、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)臺(tái)號(hào)：實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱：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q