實驗一流體靜力學綜合型實驗

一、實驗目的和要求

1.掌握用測壓管測量流體靜壓強的技能；

2.驗證不可壓縮流體靜力學基本方程；

3.測定油的密度；

4.通過對諸多流體靜力學現象的實驗觀察分析，加深流體靜力學基本概念理

解，提高解決靜力學實際問題的能力。

二、實驗裝置

1.實驗裝置簡圖

實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。

圖.1流體靜力學綜合型實驗裝置圖

1.測壓管2.帶標尺測壓管3.連通管4.通氣閥5.加壓打氣球

6.真空測壓管7.截止閥8.U型測壓管9.油柱10.水柱II.減壓放水閥

說明：下述中的儀器部件編號均指實驗裝置圖中的編號，如測管2即為圖1中

“2.帶標尺測壓管”。后述各實驗中述及的儀器部件編號也均指相應實驗裝置圖中

的編號。

2.裝置說明

(1)流體測點靜壓強的測量方法之一一一測壓管

流體的流動要素有壓強、水位、流速、流量等。壓強的測量方法有機械式測量

方法與電測法，測量的儀器有靜態與動態之分。測量流體點壓強的測壓管屬機械式

靜態測量儀器。測壓管是一端連通于流體被測點，另一端開口于大氣的透明管，適

用于測量流體測點的靜態低壓范圍的相對壓強，測量精度為1mm。測壓管分直管

型和“U”型。直管型如圖1中管2所示，其測點壓強〃=.〃，6為測壓管液面至

測點的豎直高度?！癠”型如圖中管1與管8所示。直管型測壓管要求液體測點的絕

對壓強大于當地大氣壓，否則因氣體流入測點而無法測壓；“U”型測壓管可測量液

體測點的負壓，例如管1中當測壓管液面低于測點時的情況；“U”型測壓管還可測

量氣體的點壓強，如管8所示，一般“U”型管中為單一液體(本裝置因其它實驗

需要在管8中裝有油和水兩種液體)，測點氣壓為〃=[%△〃，A/7為“U”型測壓管

兩液面的高度差，當管中接觸大氣的自由液面高于另一液面時△/)為“+”，反之M

為由于受毛細管影響，測壓管內徑應大于820mm。本裝置采用毛細現象弱

于玻璃管的透明有機玻璃管作為測壓管，內徑為8mm,毛細高度僅為1mm左右。

(2)恒定液位測量方法之-----連通管

測量液體的恒定水位的連通管屬機械式靜態測量儀器。連通管是一端連接于被

測液體，另一端開口于被測液體表面空腔的透明管，如管3所示。對于敞口容器中

的測壓管也是測量液位的連通管。連通管中的液體直接顯示了容器中的液位，用

mm刻度標尺即可測讀水位值。本裝置中連通管與各測壓管同為等徑透明有機玻璃

管。液位測量精度為1mm。

(3)所有測管液面標高均以帶標尺測壓管2的零點高程為基準；

(4)測點B、C、D位置高程的標尺讀數值分別以%、Vc、VD表示，若同時取

標尺零點作為靜力學基本方程的基準，則VB、▽(：、▽口亦為ZB、ZC、

(5)本儀器中所有閥門旋柄均以順管軸線為開。

3.基本操作方法：

(1)設置Po=O條件。打開通氣閥4,此時實驗裝置內壓強po=O。

(2)設置p0>0條件。關閉通氣閥4、放水閥11,通過加壓打氣球5對裝置打氣,

可對裝置內部加壓，形成正壓；

(3)設置pov0條件。關閉通氣閥4、加壓打氣球5底部閥門，開啟放水閥11

放水，可對裝置內部減壓，形成真空。

(4)水箱液位測量。在po=O條件下讀取測管2的液位值，即為水箱液位值。

三、實驗原理

1.在重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程

z4--=C或〃=〃0+pgh

pg

式中：

Z——被測點相對基準面的位置高度；

P一一被測點的靜水壓強(用相對壓強表示，以下同)；

P0——水箱中液面的表面壓強；

P——液體密度；

h一一被測點的液體深度.

2.油密度測量原理

方法一：測定油的密度&,簡單的方法是利用圖1實驗裝置的U型測壓管8,

再另備一根直尺進行直接測量。實驗時需打開通氣閥4,使po=O。若水的密度應

為已知值，如圖2所示，由等壓面原理則有

圖2油的密度測量方法一圖3油密度測量方法二

方法二：不另備測量尺，只利用圖1中測管2的自帶標尺測量。先用加壓打氣

球5打氣加壓使U型測壓管8中的水而與油水交界面齊平，如圖3(a)所示，有

PQI=Pwg%=P°gH

再打開減壓放水閥11降壓，使U型測壓管8中的水面與油面齊平，如圖3(b)

所示，有

Po2=-P,gh=P°gH-PwgH

聯立兩式則有

p..."+為

四、實驗內容與方法

1.定性分析實驗

(1)測壓管和連通管判定。

按測壓管和連通管的定義，實驗裝置中管1、2、6、8都是測壓管，當通氣閥

關閉時:管3無自由液面，是連通管。

(2)測壓管高度、E強水頭、位置水頭和測壓管水頭判定。

測點的測壓管高度卻為壓強水頭2,不隨基準面的選擇而變，位置水頭z和

PR

測壓管水頭z+3隨基準面選擇而變。

Pg

(3)觀察測壓管水頭線。

測壓管液面的連線就是測壓管水頭線。打開通氣閥4,此時〃0=0,那么管

1、2、3均為測壓管，從這三管液面的連線可以看出，對于同一靜止液體，測管水

頭線是一根水平線。

(4)判別等壓面。

關閉通氣閥4,打開截止閥7,用打氣球稍加壓，使.為0.02m左右，判別

Pg

下列幾個平面是不是等壓面；

a.過C點作一水平面，相對管1、2、8及水箱中液體而言，這個水平面是不

是等壓面？

b.過U型管8中的油水分界面作一水平面，對管8中液體而言，這個水平面

是不是等壓面？

c.過管6中的液面作一水平面，對管6中液體和方盒中液體而言，該水平面

是不是等壓強？

根據等壓面判別條件：質量力只有重力、靜止、連續、均質、同一水平面?？?/p>

判定上述b、c是等壓面。在a中，相對管1、2及水箱中液體而言，它是等玉面，

但相對管8中的水或油來講，它都不是同一等壓面。

(5)觀察真空現象。

打開放水閥11減低箱內壓強，使測管2的液面低于水箱液面，這時箱體內po<O,

再打開截止閥7,在大氣壓力作用下，管6中的液面就會升到一定高度，說明箱體

內出現了真空區域(即負壓區域)。

(6)觀察負壓下管6中液位變化

關閉通氣閥4,開啟截止閥7和放水閥11,待空氣自管2進入圓筒后，觀察管

6中的液面變化。

2.定量分析實驗

(1)測點靜壓強測量。

根據基本操作方法，分別在Po=O、Po>O、P3<0與PB<0條件下測量水箱液

面標局％和測壓管2液面標用VH,分別確定測點A、8、C、。的壓強PA、p8、Pc、

pDo

(2)油的密度測定拓展實驗

按實驗原理，分別用方法一與方法二測定油的容重。

實驗數據處理與分析參考五。

五、數據處理及成果要求

1.記錄有關信息及實驗常數

實驗設備名稱：實驗臺號：

實驗者：實驗日期：

222

各測點高程為：VB=xlO-m>Vc=xlO-m.VD=xlO-m

基準面選在zc=x10_2m>ZD=x10-2m

2.實驗數據記錄及計算結果(參表1,表2)

3.成果要求

(1)回答定性分析實驗中的有關問題。

(2)由表中計算的zc+正、z0+」殳，驗證流體靜力學基本方程。

PgPg

(3)測定油的密度，對兩種實驗結果作以比較。

六、分析思考題

1.相對壓強與絕對壓強、相對壓強與真空度之間有什么關系？測壓管能測量

何種壓強？

2.測壓管太細，對測壓管液面讀數造成什么影響？

3.本儀器測壓管內徑為0.8X10-2m,圓筒內徑為2.0X101m,儀器在加氣增

壓后，水箱液面將下降麻測壓管液面將升高從實驗時，若近似以po=O時的水箱

液面讀值作為加壓后的水箱液位值，那么測量誤差5/H為多少？

七、注意事項

1.用打氣球加壓、減壓需緩慢，以防液體溢出及油柱吸附在管壁上；打氣后

務必關閉打氣球下端閥門，以防漏氣。

2.真空實驗時，放出的水應通過水箱頂部的漏斗倒回水箱中。

3.在實驗過程中，裝置的氣密性要求保持良好。

表1流體靜質遍測是記錄及計算表

壓強水頭測壓管水頭

水箱液面測壓管

次

實驗條件。液面VH

序V2

/(10Jm)/(10Jm)PX

/(IOTII)/(IO:m)/(102m)

po=O

po>O

po<O

:其中一次

pB<0)

實驗二恒定總流伯努利方程綜合性實驗

一、實驗目的和要求

1.通過定性分析實驗，提高對動水力學諸多水力現象的實驗分析能力；

2.通過定量測量實驗，進一步掌握有壓管流中動水力學的能量轉換特性，

驗證流體恒定總流的伯努利方程，掌握測壓管水頭線的實驗測量技能與

繪制方法；

3.通過設計性實驗，訓練理論分析與實驗研究相結合的科研能力。

二、實驗裝置

1.實驗裝置簡圖

實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。

圖1伯努利方程綜合性實驗裝置圖

1.自循環供水器2.實驗臺3.可控硅無級調速器3.溢流板5.穩水孔板

6.恒壓水箱7.實驗管道8.測壓點①?。9.彎針畢托管10.測壓計

II.滑動測量尺12.測壓管①?g13.實驗流量調節閥14.回水漏斗

15.穩壓筒16.傳感器17.智能化數顯流量儀

2.裝置說明

⑴流量測量一一智能化數顯流量儀

智能化數顯流量儀系統包括實險管道內配套流量計、穩壓筒15、高精密傳

感器16和智能化數顯流量儀17（含數字面板表及A/D轉換器）。該流量儀為管

道式瞬時流量儀，測量精度一級。

流量儀的使用方法，需先排氣調零，待水箱溢流后，間歇性全開、全關管道

出水閥13數次，排除連通管內氣泡。再全關閥13,待穩定后將流量儀調零。測

流量時，水流穩定后，流量儀所顯示的數值即為瞬時流量值（以下實驗類同）。

若需詳細了解流量儀性能請見說明書。

（2）測流速一一彎針管畢托管

彎針管畢托管用于測量管道內的點流速，原理見實驗教材第2章為

減小對流場的干擾，本裝置中的彎|

針直徑為（|）1.6xl.2mm（外徑x內

徑）。實驗表明只要開孔的切平面與I迎流面

來流方向垂直，彎針管畢托管的彎〃JJ開小孔

U

管端

角從90。~180。均不影響測流速精封閉

度，如圖2所示。圖2彎針管畢托管類型

（3）本儀器測壓點有兩種：

1）畢托管測壓點，圖1中標號為①、⑥、⑧、。、?、?、@（后述加*

表示），與測壓計的測壓管連接后，用以測量畢托管探頭對準點的總水頭值，近

似替代所在斷面的平均總水頭值，可用于定性分析，但不能用于定量計算；

2）普通測壓點，圖1中標號為②、③、④、⑤、⑦、⑨、⑩、?、?、

?>0，與測壓計的測壓管連接后，用以測量相應測點的測壓管水頭值。

（4）測點⑥*、⑦所在喉管段直徑為由，測點?*、（D所在擴管段直徑為小，

其余直徑均為小。

3.基本操作方法

（1）測壓管與穩壓筒的連通管排氣。打開開關供水，使水箱充水，待水箱

溢流，間歇性全開、全關管道出水閥13數次，直至連通管及實驗管道中無氣泡

滯留即可。再檢查調節閥關閉后所有測壓管水面是否齊平，如不平則需查明故障

原因(例連通管受阻、漏氣或夾氣泡等)并加以排除，直至調平。

(2)恒定流操作°全開調速器，此時水箱保持溢流，閥門13開度不變情況

下，實驗管道出流為恒定流。

(3)非恒定流操作。調速器開、關過程中，水箱6無溢流情況下，實驗管

道出流為非恒定流。

(4)流量測量。實驗流量用閥13調節，記錄智能化數顯流量儀的流量值。

三、實驗原理

1.伯努利方程。在實驗管路中沿管內水流方向取〃個過水斷面，在恒定流

動時，可以列出進口斷面⑴至另一斷面(/)的伯努利方程式

Z+互+皿".+&+筮

Pg2gpg2g

取3=公=%...=1,選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出Z+上值,

Pg

測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速u及絲，從而可得到各斷面

2g

測管水頭和總水頭。

2.過流斷面性質。均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規律,

即在同一斷面上z+2=C，但在不同過流斷面上的測壓管水頭不同,

Pg

Z1+a±Z2+五；急變流斷面上2+上~工。。

Pg-PgPg

四、實驗內容與方法

1.定性分析實驗

(1)驗證同一靜止液體的測壓管水頭線是根水平線。

閥門全關，穩定后，實驗顯示各測壓管的液面連線是一根水平線。而這時的

滑尺讀數值就是水體在流動前所具有的總能頭。

(2)觀察不同流速下,某一斷面卜水力要素變化規律.

以測點⑧*、⑨所在的斷面為例，測管⑨的液面讀數為該斷面的測壓管水頭。

測管⑧*連通畢托管，顯示測點的總水頭。實驗表明，流速越大，水頭損失越大,

水流流到該斷面時的總水頭越小，斷面上的勢能亦越小。

⑶驗證均勻流斷面上，動水壓強按靜水壓強規律分布。

觀察測點②和③，盡管位置高度不同，但其測壓管的液面高度相同，表明

z+—^―=Co

Pg

(4)觀察沿流程總能坡線的變化規律。

加大開度，使接近最大流量，若穩定后各測管水位如圖3所示，圖中A-A

為管軸線。

圖3測壓管水位示例

縱觀帶畢托管的測點①*、⑥*、⑥*、。*、Q*、?*、?*的測管水位(實

驗時可加入雷諾實驗用的紅色水，使這些管呈紅色，如圖3中以較深顏色表示

的測壓管)，可見各測管的液面沿流程是逐漸降低而沒有升高的，表明總能量沿

流程只會減少，不會增加，能量損失是不可能逆轉的。

(5)觀察測壓管水頭線的變化規律。

總變化規律：縱觀測壓點②、④、⑤、⑦、⑨、Q、。、?、。的測壓管

水位，可見沿流程有升也有降，表明測壓管水頭線沿流程可升也可降。

沿程水頭損失：從②、④、⑤點可看出沿程水頭損失的變化規律，等徑管道

上，距離相等，沿程損失相同。

勢能與動能的轉換：以測點⑤、⑦、⑨為例，測點所在流段上高程相等，管

徑先收縮后擴大，流速由小增大再減小。測管⑤到測管⑦的液位發生了陡降，表

明水流從測點⑤斷面流到測點⑦斷面時有部分壓力勢能轉化成了流速動能。而測

管⑦到測管⑨測管水位回升了，這正和前面相反，說明有部分動能又轉化成了壓

力勢能。這就清楚驗證了動能和勢能之間是可以互相轉化的，因而是可逆的。

位能和壓能的轉換：以測點⑨與。所在的兩斷面為例，由于二斷面的流速

水頭相等，測點⑨的位能較大，壓能（測管液位離管軸線的高度）很小，而測

點?的位能很小，壓能卻比⑨點大，這就說明了水流從測點⑨斷面流到測點G

斷面的過程中，部分位能轉換成了壓能。

（6）利用測壓管水頭線判斷管道沿程壓力分布。

測壓管水頭線高于管軸線，表明該處管道處于正壓下；測壓管水頭線低于管

軸線，表明該處管道處于負壓下，出現了真空。高壓和真空狀態都容易使管道破

壞。實驗顯示（參圖3）,測點⑦的測管液面低于管軸線，說明該處管段承受負

壓（真空）；測壓管⑨的液位高出管軸線，說明該處管段承受正壓。

2.定量分析實驗一一伯努利方程驗證與測壓管水頭線測量分析實驗

實驗方法與步驟：在恒定流條件下改變流量2次，其中一次閥門開度大到使

?號測管液面接近可讀數范圍的最低點，待流量穩定后，測記各測壓管液面讀

數，同時測記實驗流量（畢托管測點供演示用，不必測記讀數）。實驗數據處理

與分析參考第五部分內容。

3.設計性實驗一一改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的實驗研究

為避免引水管道的局部負壓，可采取的技術措施有⑻減小流星；（b）增大喉

管管徑；⑹降低相應管線的安裝高程；（d）改變水箱中的液位高度。下面分析后

兩項。

對于措施（c）,以木實驗裝置為例（參圖4）,可在水箱出口先接一下垂90°

彎管，后接水平段，將喉管的高程降至基準高程0—0,使位能降低，壓能增大,

從而可能避免點⑦處的真空。該項措施常用于實際工程的管軸線設計中。

論分析與實驗研究相結合的方法，確定改變作用水頭（如抬高或降低水箱的水位）

對管中某斷面壓強的影響情況。

本設計性實驗要求利用圖1實驗裝置，設計改變水箱中的液位高度對喉管真

空度影響的實驗方案并進行自主實驗。

理論分析與實驗方法提示：

取基準面0-0如圖4所示，圖中1-1、2-2、3-3分別為計算斷面1、2、3,計

算斷面1的計算點選在液面位置，計算斷面2、3的計算點選在管軸線上。水箱

液面至基準面0-0的水深為伍改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的問題,

實際上就是隨力遞增還是遞減的問題，可由6仁2+4）/e〃加以判別。

Pg

列計算斷面1、2的伯努利方程（取02=8=1）有

h=z、+3-+上1+h

wl-2

~Pg2g

(1)

I乙

因八1-2可表示成"wl-2-11.2

2g

式中金1.2是管段1—2總水頭損失因數，當闞門開度不變時，在內的有限變

化范圍內，可設金1.2近似為常數。

乂由連續性方程有

武二(4)4時

2gd22g

故式(1)可變為

7+久2吟

3小一Q)

式中u；/2g可由斷面1、3伯努利方程求得，即

/2=23+(1+4；|.3)^-(3)

2g

￡1.3是全管道的總水頭損失因數，當閥門開度不變時，在力的有限變化范圍內，

可設金1.3近似為常數。

由此得或=上工，代入式⑵有

2g1+前

Z2+4=/L[(9+￡L2](生耳(4)

P841+"

則e(z/pjpg)=]_(4?)'+第2(5)

、6h-1+&3

若](4/4)，+￡.2>0,則斷面2上的Z?+以隨/7同步遞增，反之，則遞

1+"3~Pg

減。若接近于0,則斷面2上的z,+正隨力變化不明顯。

■pg

實驗中，先測”常數。332、力和Z3各值，然后針對?本實驗裝置的恒定流情

況，測得某一大流量下Z2+三、u"2g、5/2g等值，將各值代入式(2)、⑶，

pg

可得各管道阻力因數金1.2和金1.3。再將其代入式⑸得。⑵十個/可),由此可得出

ch

改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的結論。

最后，利用變水頭實驗可證明該結論是否正確。

五、數據處理及成果要求

L記錄有關信息及實驗常數

實驗設備名稱：實驗臺號：

實驗者：實驗日期：

22

均勻段di=xl0m喉管段d2=xl0m擴管段d3=

xl0-2m

水箱液面高程Vo二xlO2m上管道軸線高程Vz二xlO2m

（基準面選在標尺的零點上）

2.實驗數據記錄及計算結果

表1管徑記錄表

②⑥*⑧*⑩Q*Q*

測點編號①*④⑤

③⑦⑨?G

管徑dWm

兩點間距

4466413.561029.51616

Z/10-2m

表2測壓管水頭加流量測記表（其中九二4+.，單位102m,，為測點編號）

P8

實

驗qv

hi加hhi加h\ohn瓜3h\i力19

次5/(10-6m3/s)

數

1

2

表3計算數值表

（1）流速水頭

%1=M/八=201.3Qvi=Vl/f2=

管徑d/(10-6mVs)/(10-6m3/s)

2

/10mAV//2gAVu]2g

422422

/10m/(10'm/s)/10-2m/10m/(10-m/s)/lCr2m

⑵總水頭”（其中4=4+.+等，單位10f，，為測點編號）

Pg2g

實驗Qv

HiHAthH?H9以3“15H\7“19

次數/(10-6m3/s)

1

2

3.成果要求

（1）回答定性分析實驗中的有關問題。

(2)計算流速水頭和總水頭。見表3

(3)繪制上述成果中最大流量下的總水頭線和測壓管水頭線。(軸向尺寸參

見圖5,總水頭線和測壓管水頭線可以繪在圖5上)。如圖6所示

圖5繪制測壓管水頭線坐標圖

(4)完成設計性實驗

六、分析思考題

L測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什么？

2.閥門開大，使流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？

3.由畢托管測量的總水頭線與按實測斷面平均流速繪制的總水頭線一般都

有差異，試分析其原因。

4.為什么急變流斷面不能被選作能量方程的計算斷面？

七、注意事項

1.各自循環供水實驗均需注意：計量后的水必須倒回原實驗裝置的水斗內，

以保持自循環供水(此注意事項后述實驗不再提示)。

2.穩壓筒內氣腔越大，穩壓效果越好。但穩壓筒的水位必須淹沒連通管的

進口，以免連通管進氣，否則需擰開穩壓筒排氣螺絲提高筒內水位；若穩壓筒的

水位高于排氣螺絲口，說明有漏氣，需檢查處理。

3.傳感器與穩壓筒的連接管要確保氣路通暢，接管及進氣口均不得有水體進

入，否則需清除。

4.智能化數顯流量儀開機后需預熱3~5分鐘。

實驗三文丘里綜合型實驗

一、實驗目的和要求

1.了解文丘里流量計的構造、原理和適用條件，率定流量因數仗

2.掌握應用氣~水多管壓差計量測壓差的方法；

3.通過確定文丘里流量計最大允許過流量的設計性實驗，體驗理論分析和

實驗相結合的研究過程。

二、實驗裝置

1.實驗裝置簡圖

實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。

1.自循環供水器2.實驗臺3.水泵電源開關4.恒壓水箱5.溢流板

6.槍水孔板7.稔壓筒8.智能化數顯流量儀9.傳感器10.文丘里流量計

11.壓差計氣閥⑵壓差計13.滑尺14.實驗流量調節閥

2.裝置說明

（1）壓差測量裝置

1）氣-水壓差計

為一倒U型管如圖2所示，在倒U型管中保留一段空氣，兩端各接測壓點,

測量時，管內液柱的高差即為壓強差。在測量中，氣-水壓差計應該豎直放置。

當數值相對較大時，可用連續串聯多個氣■水壓差計的方

法來增大量程;數值較小時可傾斜U型管來放大測量值。

本實驗裝置中，采用雙U型的氣-水多管壓差計，如圖1

中的壓差計12所示，壓差量程為0~lmH2O,測量精度

為1mm。

2）流量測量一一智能化數顯流量儀

智能化數顯流量儀系統包括實驗管道內配套流量

計、穩壓筒、高精密傳感器和智能化數顯流量儀（含數

字面板表及A/D轉換器）。該流量儀為管道式瞬時流量

儀，測量精度一級。

流量儀的使用方法參見伯努利方程實驗，需先排氣調零，流量儀所顯示的數

值為瞬時流量值。

（2）文丘里流量計結構與布置（參圖3）。在結構上，要求管徑比山川】在

0.25?0.75之間，通常采用山/山=0.5；其擴散段的擴散角4也不宜太大，一般不

大于5。?7。；在測量斷面上布置多個測壓孔和均壓環。在布置上，要求文丘里流

量計上游/】在10倍管徑山的距離以內，下游"在6倍管徑山以內，均為順直管

段，以免水流產生漩渦而影響其流量因數。

連接管嘴

圖3文丘里流量計結構圖

（2）文丘里流量計結構參數。本實驗裝置中a=3.45?！?.1。；di;（1.4±0.03）

2；（）2；；；

xWmd2=0.7±0.015xlOmd2/di=0.5±0.015/i=0.45ml2=0.54m,

各均壓環上測壓孔數為4個。

3.基本操作方法

(1)排氣方法。打開開關供水，使水箱充水，待水箱溢流，間歇性全開、全

關管道出水閥數次，直至連通管及實驗管道中無氣泡滯留即可，排氣后測管液面

讀數名一機+的一屆為0,此時智能化數顯流量儀顯示為零。

(2)調節多管測壓計。全開調節閥14檢查各測管液面是否都處在滑尺讀數范

圍內？否則，按下列步序調節：(a)關閥14,擰開氣閥11,待各測壓管中液位

穩定后，將清水注入壓差計12中編號為2、3的測管內，使62=加。0.24m：(b)擰

緊氣閥11,全開閥14.若壓差計12中編號為1、3的測壓管液面上升過高，可

微微松開相應的氣閥11,液面將自動降低，可使測管讀數控制在測讀范圍內，

速擰緊氣閥11即可。

(3)測壓管水頭差△/)測量

讀取氣一水多管壓差計12各測壓管的液面讀數仇、比、加、64,Ah=hi-h2

+63-64c

(4)流量測量。記錄智能化數顯流量儀的流量值。

(5)真空度測量。智能化數顯流量儀正端顯示為流量，負端顯示為壓差水柱。

利用流量儀的這一智能化特性可測量文丘里喉頸處的真空度。實驗時，將傳感器

低壓端用連通管連接于文丘里流量計喉頸處，傳感器高壓端接通大氣，并調整傳

感器放置高度，使高壓端口與文丘里流量計喉頸處的測點齊平。此時，即可實驗

測量測點的真空度。

三、實驗原理

根據能量方程式和連續性方程式，可得不計阻力作用時的文氏管過水能力關

系式

A〃=（z+a）-（z,+%

pg~pg

式中：為兩斷面測壓管水頭差；

A為文丘里流量計常數，對給定管徑是常數。

由于阻力的存在，實際通過的流量拆恒小于％今引入一個無量綱因數〃

=外/%'（〃稱為流量因數），對計算所得流量值進行修正。

即qv=/Liqy="k瓜1

另由靜水力學基本方程可得氣一水多管壓差計的她為

Ah=/71——62+萬3—64

四、實驗內容與方法

1.定量分析實驗一一文丘里流量計流量因數的測量與率定

實驗方法與步驟：參照基本操作方法，改變流量4?6次，分別測量壓差和

流量。數據處理及結果分析參第五部分內容。

2.設計性實驗一一文丘里流量計最大允許過流量的理論分析與實驗

文丘里流量計管喉頸處容易產生真空，最大允許過流量受真空度限制，最大

允許真空度為6~7mH20,否則易造成空化與空蝕破壞。工程上應用文丘里流量

計時，應檢驗其最大真空度是否在允許范圍之內。

本實驗要求通過理論分析，設計實驗方案，針對圖1實驗裝置，通過實驗測

量相應參數，確定文丘里流量計真空值不大于6mH20條件下供水箱的最大作用

水頭Ho及最大流量外。

理論分析提示：

應用伯努利方程，選基準面和計算斷面如圖4,取e=對計算斷面

1-1與3-3有

2

"。=一"（1+八修卷）(10)

圖4文丘里流量計管流水力計算

對計算斷面2-2,3-3,有

互+J-（3）2二一力+（1+乙_3）4（華產（ID

根據經驗，式中管段的總水頭損失因數，一和，2.3在流速達到某一較大值以

上時便近似為常數，可在閥門全開的大流量下實驗測得。進而由斷面的允許直空

度正及五3、，2.3等值代入式（1。）、口1）便可確定最大作用水頭坊及最大流量W。

P8

五、數據處理及成果要求

1.記錄有關信息及實驗常數

實驗設備名稱：_________________實驗臺號：_________

實驗者：______________________實驗日期：_________

di=xlO'2md2=xlO_2m水溫t=°C,

0.01775XI0-4

y=--------------------------------xlO-4m2/s,

1+0.0337/+0.000221/2

水箱液面高程▽。=xlO-^m管道軸線高程％xlO-2m

（基準面選在標尺的零點上）

2.實驗數據記錄及計算結果（參表1,表2）

3.成果要求

按相關實驗項目的要求，完成方案設計、測量與成果分析。

六、分析思考題

1.文丘里流量計有何安裝要求和適用條件？

2.本實險中，影響文丘里流量計流量因數大小的因素有哪些？哪個因素最

敏感？對本實驗的管道而言，若因加工精度影響，誤將（為一0.01）xlO-2m值

取代上述刈值時，本實驗在最大流量下的〃值將變為多少？

3.為什么計算流量.'與實際流量處不相等？

4.應用量綱分析法，闡明文丘里流量計的水力特性。

七、注意事項

參見伯努利方程實驗。

表1記錄表

測壓管讀數(IO2m)

次流量分

h\fl2hi

數/(10-6m3/s)

/10-2m/10-2mZ10-2m/10-2m

1

2

3

4

5

6

表2計算表K=xlO-5m25/s

次翁A/?=h\~〃2+43—04

Req；

2

數/(106m3/s)/10-m/(106m3/s)吸

1

2

3

4

5

6

實驗四局部水頭損失實驗

一、實驗目的和要求

1.學習掌握三點法、四點法測量局部阻力因數的技能，并將突擴管的實測

值與理論值比較，將突縮管的實測值與經驗值比較；

2.通過閥門局部阻力因數測量的設計性實驗，學習二點法測量局部阻力因

數的方法。

二、實驗裝置

1.實驗裝置簡圖

實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。

圖1局部水頭根失實驗裝置簡圖

1.自循環供水器2.實驗臺3.可控硅無級調速器4.恒壓水箱5.溢流板

6.穩水孔板7.圓管突然擴大8?氣閥9.測壓計10.測壓管①?⑥II.滑動測量

尺

12.圓管突然收縮13.實驗流量調節閥14.回流接水斗15.下問水管

16.穩壓筒17.傳感器18.智能化數顯流量儀

2.裝置說明

（1）實驗管道由圓管突擴、突縮等管段組成，各管段直徑已知。在實驗管

道上共設有六個測壓點，測點①一③和③一⑥分別用以測量突擴和突縮的局部阻

力因數。其中測點①位于突擴的起始界面處，這里引用公認的實驗結論“在突

擴的環狀面積上的動水壓強近似按靜水壓強規律分布”，認為該測點可用以測量

小管出口端中心處壓強值。

氣閥8用于實驗開始時排除管中滯留氣體。

(2)流量測量一一智能化數顯流量儀

智能化數顯流量儀系統包括實驗管道內配套流量計、穩壓筒、高精密傳感器

和智能化數顯流量儀(含數字面板表及A/D轉換器)。該流星儀為管道式瞬時流

量儀，測量精度一級。

流量儀的使用方法參見伯努利方程實驗，需先排氣調冬，流量儀所顯示的數

值為瞬時流量值。

.3.基本操作方法

(1)排氣。啟動水泵待恒壓水箱溢流后，關閉實驗流量調節閥13,打開閥8

排除管中滯留氣體。排氣后關閉閥8,并檢查測壓管各管的液面是否齊平，若不

平，重復排氣操作，直至齊平，智能化數顯流量儀調零。

(2)測壓管水頭用測壓計測量，基準面可選搖在滑動測量尺零點上。

(3)流量測量。實驗流量用閥13調節，記錄智能化數顯流量儀的流量值。

三、實驗原理

流體在流動的局部區域，如流體流經管道的突擴、突縮和閘門等處(圖2),

由于固體邊界的急劇改變而引起速度分布的變化，甚至使主流脫離邊界，形成旋

渦區，從而產生的阻力稱為局部阻力。由于局部阻力作功而引起的水頭損失稱為

局部水頭損失，用力表示。局部水頭損失是在一段流程上，甚至相當長的一段流

程上完成的，如圖2,斷面1至斷面2,這段流程上的總水頭損失包含了局部水

頭損失和沿程水頭損失。若用力(二12..)表示第，斷面的測壓管水頭，即有

112

II12

突縮閘門

圖2局部水頭損失

av~..

h“=々+%J2=（九4一）一仇+京)

2g

av\

或(4+)-(4+K^)-4I-2

2g2g

局部阻力因數。為

Q=/?：/—

」2g

(1)圓管突然擴大段。本實驗儀采用三點法測量。三點法是在突然擴大管段

上布設三個測點，如圖1測點①、②、③所示。流段①至②為突然擴大局部水頭

損失發生段，流段②至③為均勻流流段，本實驗儀測點①、②間距為測點②、③

的一半，用1一2按流程長度比例換算得出。

則An-2=九2-3/2=A/?2-S/2=(hi-hy)/2

…+用)-仇+用+與與=區_E；

2g2g2

式中小為測壓管水頭值，當基準面選擇在標尺零點時即為第，斷面測壓管液

位的標尺讀值；E；、區分別表示式中的前、后括號項。

因此只要實驗測得三個測壓點的測壓管水頭值加、厲、加及流量等即可得突

然擴大段局部阻力水頭損失。

若圓管突然擴大段的局部阻力因數找上游流速力表示，為

對應上游流速121的圓管突然擴大段理論公式為

1=(1-A)2

(2)圓管突然縮小段。本實驗儀采用四點法測量。四點法是在突然縮小管段

上布設四個測點，如圖1測點③、④、⑤、⑥所示。圖中B點為突縮斷面處。流

段④至⑤為突然縮小局部水頭損失發生段，流段③至④、⑤至⑥都為均勻流流段。

流段④至B間的沿程水頭損失按流程長度比例由測點③、④測得，流段B至⑤的

沿程水頭損失按流程長度比例由測點⑤、⑥測得。本實驗儀應4=2瓜8,lB-S=l5-6,

有hf4-e=hf3-4/2=Ah3V2,6沼-5=抗5-6=八65-6。

則hf4-5—A/?3-4/2+A/?5-6=(/?3-/74)/2+九一生

…4+用-與與-仇+用+『力6)=以-

2g22g

因此只要實驗測得四個測壓點的測壓管水頭值加、九、后、生及流量等即可

得突然縮小段局部阻力水頭損失。

若圓管突然縮小段的局部阻力因數列下游流速5表示，為

對應下游流速峰的圓管突然縮小段經驗公式為

4=0.5（1一人）

4

（3）測量局部阻力因數的二點法。在局部阻礙處的前后順直流段上分別設置

一個測點，在某一流量下測定兩點間的水頭損失，然后將等長度的直管段替換局

部阻礙段，再在同一流量下測定兩點間的水頭損失，由兩水頭損失之差即可得局

部阻礙段的局部水頭損失。

四、實驗內容與方法

1.測量突然擴大局部水頭損失與突然縮小局部水頭損失，并測定相應的局

部水頭損失因數。

參照實驗基本操作方法，在恒定流條件下改變流量2~3次，其中一次為最大

流量，待流量穩定后，測記各測壓管液面讀數，同時測記實驗流量。實驗數據處

理與分析參考第五部分。

2.設計性實驗：利用圖1實驗裝置，設計某開度下閥門的局部阻力因數的

測量實驗。要求：用二點法測量，設計實驗裝置改造簡圖，制定實驗方案，并結

合實驗CAI軟件（已隨儀器配置），進行計算機仿真實驗。

五、數據處理及成果要求

1.記錄有關信息及實驗常數

實驗設備名稱：__________________實驗臺號：_________

實驗者：______________________實驗日期：_________

實驗管段直徑：

di=Di=x10_2md?=(h=d&=D?=xl02m

ds=%=。3=xl0_2m

實驗管段長度：

/i-2=xl0_2mI2-3-xlO_2mI3-4=xlO_2m

/4-B=xl0'2m/B-5=xlO'2m/s-6=xlO'2m

2.實驗數據記錄及計算結果

表1局部水頭損失實驗記錄表

一

次流量名,測壓管讀數/10-2m

數

/(IO-6m3/s)h\〃2人3(14力5

1

2

3

表2局部水頭損失實驗計算表

前斷面后斷面

力

阻流量理論值

次av2av2fhi

式

形E

斯2q經驗值

數2

632g2g/IO-m

/(10-m/s)22

/102m/10-m/J0-2m/10-m

1突然

2

擴大

3

1突然

2縮小

3

注：，對應于突擴段的"或突縮段的心。

3.成果要求

(1)測定突擴斷面局部水頭損失因數？值并與理論值比較。見表1

(2)測定突縮斷面局部水頭損失因數？值并與經驗值比較。見表1

(3)完成設計性實驗。

六、分析思考題

1.管徑粗細相同、流量相同條件下，試問(di<d2)在何范圍內圓管突

然擴大的水頭損失比突然縮小的大？

2.結合流動演示儀的水力現象，分析局部阻力損失機理。產生突擴與突縮

局部水頭損失的主要部位在哪里？怎樣減小局部水頭損失？

3.局部阻力類型眾多，局部阻力因數的計算公式除突然擴大是由理論推導

得出之外，其它都是由實驗得出的經驗公式。試問，獲得經驗公式有那些途徑？

七、注意事項

1.恒壓水箱內水位要求始終保持在溢流狀態，確保水頭恒定。

2.測壓管后設有平面鏡，測記各測壓管水頭值時，要求視線與測壓管液面

及鏡子中影像液面齊平，讀數精確到0.5mm。

3.其他參見伯努利方程實驗。

實驗五沿程水頭損失實驗

一、實驗目的和要求

1.學會測定管道沿程水頭損失因數4和管壁粗糙度△的方法;

2.分析園管恒定流動的水頭損失規律、4隨雷諾數Re變化的規律，驗證沿

程水頭損失作與平均流速u的關系。

二、實驗裝置

1.實驗裝置簡圖

實驗裝置及各部分名稱如圖1所示。

5.滑動測量尺6.穩壓筒17.實驗管道8.壓差數顯儀9,壓差傳感器

10.測壓點II.實驗流量調節閥12.供水管及供水閥13.旁通管及旁通閥

14.穩壓筒15.流量傳感器16.智能流量數顯儀

2.裝置說明

(1)水泵與穩壓器。自循環高壓恒定全自動供水器1由水泵、壓力自動限制

開關、氣一水壓力罐式穩壓器等組成。壓力超高時能自動停機，過低時能自動開

機。為避免因水泵直接向實驗管道供水而造成的壓力波動等影響，水泵的供水是

先進入穩壓器的壓力罐，經穩壓后再送向實驗管道。

(2)旁通管與旁通閥。由于供水泵設有壓力自動限制開關，在供小流量時因

壓力過高，水泵可能出現斷續關閉的現象，為此設有旁通管與旁通閥13,在小

流量實驗時，通過旁通管分流可使水泵持續穩定運行。

(3)閥11用于調節層流實驗流量；閥12用于檢修，實驗時始終全開；閥13

層流時用于分流(全開)，湍流時用于調節實驗流量。

（4）實驗管道7為不銹鋼管，其測壓斷面上沿十字型方向設有4個測壓孔，

經過均壓環與測點管嘴相連通。

（5）本實驗儀配有壓差計4（倒U型氣.水壓差計）和壓差儀8,壓差計測量

范圍為0~0.3mH2。；壓差電測儀測量范圍為。~1。0^2。，視值單位為

壓差計4與壓差電測儀8所測得的壓差值均可等值轉換為兩測點的測壓管水頭

差，