工程流體力學實驗

機械工程學浣

二OO四年

緒論

一、工程流體力學課程

工程流體力學是一門重要的技術基礎課，它以水為主要對象研究流體運動的規

律以及流體與邊界的相互作用，是高等學校眾多理工科專業的必修課。

在自然界中，與流體運動關聯的力學問題是很普遍的，所以流體力學在許多工

程領域有著廣泛的應用。水利工程、機械工程、環境工程、熱能工程、化學工程、

港口、船舶與海洋工程等專業都將流體力學或流體力學作為必修課之一。工程流體

力學課程的理論性強，同時又有明確的工程應用背景。它是連接前期基礎課程和后

續專業課程的橋梁。課程教學的主要任務是使學生掌握工程流體力學的基本概念、

基本理論和解決流體力學問題的基本方法，具備一?定的實驗技能，為后續課程的學

習打好基礎，培養分析和解決工程實際中有關流體力學問題的能力。

二、工程流體力學實驗課程

工程流體力學實驗在流體力學學科及教學中占有重要位置。從學科發展看，流

體力學是一門技術科學，實驗方法是促進其發展的重要研究手段。近年來，流體力

學與古典流體力學日益兼容滲透，理論分析、實驗研究和數值計算相結合成為流體

力學和工程流體力學的主要研究方法。三個方面是互相補充和驗證，但又不能互相

取代的關系，實驗方法仍是檢驗與深化研究成果的重要手段，現代實驗技術的迅猛

進展，更促進了現代流體力學及流體力學的蓬勃發展。

工程流體力學實驗是流體力學課程中一個不可缺少的重要教學環節。工程流體

力學實驗的教育目的是：

1.在實驗中觀察水流現象，增強感性認識，鞏固理論知識的學習。

2.通過量測實驗驗證所學流體力學原理，提高理論分析的能力。

3.學會量測水力要素和使用基本儀器的方法，掌握一定的實驗技能，了解現代

量測技術。

4.培養分析實驗數據、整理實驗成果和編寫實驗報告的能力。

5.培養嚴謹踏實的科學作風和融洽合作的共事態度以及愛護國家財產的良好

風尚。

三、工程流體力學實驗總的要求：

1.實驗課前必須閱讀實驗指導書，明確實驗目的、內容、原理和方法。了解實

驗設備的基本構造、工作原理和使用方法。

2.嚴格按照約定的時間進行實驗，做到小遲到，小早退。

3.實驗分小組進行，由課代表根據教師的要求分組，并指定組長。實驗時要有

指揮，有分工，做到有條不紊。

4.要遵守實驗室的規章制度，愛護實驗室的設施，非實驗儀器設備不得隨意動

用，因非實驗造成的損壞由當事人賠償。

5.實驗過程中，如果儀器設備發生故障，應立即向指導教師報告，以便及時排

除故障，保證實驗的正常進行。

6.實驗完畢后，關閉電源，整理好使用后的儀潛、設備、工具。將實驗原始

記錄交指導教師審閱。

7.要認真做好并及時完成實驗報告，按時交給指導教師批閱。不交者，該次實

驗按零分計C

8.因病、事假缺習者可以憑病、事假條找指導教師安排補做。無故缺席者一律

不安排補做。

9.未完成全部實驗報告者按學院的有關規定處理。

實驗一靜水壓強實驗

一、實驗目的

1、通過實驗加深對流體靜力學基本方程〃=Po+yh的理解。

2、驗證靜止流體中不同點對于同一基準面的測壓管水頭為常數，即

z+K=常數

3、實測靜水壓強，掌握靜水壓強的測量方法。

4、鞏固絕對壓強、相對壓強、真空度的概念，加深理解位置水頭、壓力水頭以

及測壓管水頭之間的關系。

5、已知一種液體重度測定另一種液體的重度。

二、實驗原理

圖1靜水壓強實驗原理圖

靜水壓強實驗原理如圖1所示，相對靜止的液體只受重力的作用，處于平衡狀

態。以〃表示液體靜壓強，/表示液體重度，以z表示壓強測算點位置高度（即位

置水頭），流體靜力學方程為

z+3=常數

y

上式說明

1、在重力場中靜止液體的壓強〃與深度〃成線性分布，即

〃3-〃0=>3-h0

PA-P。h4-ho

2、同一水平面（水深相同）上的壓強相等，即為等壓面。因此，水箱液面和測

點3、4處的壓強（絕對壓強）分別為

〃o=幾+九

=〃0+7區一金）

=〃“+小4-金）

〃3=4+九

Z

=Pa+/（A3-3）

〃4=Pa+九

=^+y（A4-z4）

與以上各式相對應的相對壓力（相對壓強）分別為

Po=PLPa=A

=MA-金）

=小4-Ao）

〃；=〃3-Pa=A

=/（八3一3）

P'A=PA-Pa=也

=/（A4-z4）

式中Pa——大氣壓力，Pa

},-----液體的重度，N/m3

%）----液面壓力水頭，m

Ao--------液面位置水頭，加

&、A4——3、4處測壓管水頭，加

z、、z4------3、4處位置水頭，m

〃3、4------3、4處壓力水頭，m

3、靜水中各點測壓管水頭均相等，即

、3=b4

99

或z34-8-=Z4+△-

/y

或Z3+a3=Z4+h

即測壓管3、4的液位在同一平面上。

4、由于密封容器頂部與左側U型管聯通，根據聯通器原理，得

Pa+/A-42)=Pa+Md-Ao)

A—A

即

A[-

式中『一一U型管中液體的重度，N/m3

△i、△2——U型管中兩液面位置高度,m

根據上式可知，已知某種液體(如水)的重度7,可以通過本實驗確定另一種

液體的重度(。

三、實驗步驟

1、讀出液面初始位置高度△(?,并記入表內。

2、順時針旋轉加減壓氣缸手柄，使水箱液面壓力升高，此時〃0〉〃心讀出

八2、卜3、△,，并記入表內。再繼續給水箱加壓兩次，記下各測壓管位置高度。

3、逆時針旋轉加減壓氣缸手柄，使水箱內減壓，并獲得〃。＜P.的狀態。同樣

讀取三組數據記入表內。

實驗二流譜及流線演示實驗

一、實驗目的

用帶有泡沫的變壓器油加在油槽中經過導葉柵后形成許多平行的流線，以觀察

其繞經不同固體壁面的變化。

二、實驗原理

液體流線儀是研究液流在模型試件出口和入口的流線變化，特別是當試件的突

擴、突縮而發生流線的扭曲現象和旋渦、死區等。

另外，根據教學的需要可以定作補充各種模型試件，以觀察流線在繞經不同固

體壁面時的變化。

三、實驗裝置

實驗裝置由油泵、供油箱、回油箱、油盤調整螺栓、支架、供油管等組成（見

圖2r油盤的傾斜度可通過前端調整螺栓調整°實驗裝置帶有園柱、機雪、突擴（反

放為突縮）模型試件。

油盤

回油箱

供油箱

利支架

圖2流譜及流線演示實驗裝置

四、實驗步驟

1、接通電源。

2、開始時不同箱中可多放些油，開動油泵后，首先將供油管上的銅閥旋松，

放出管路中空氣，然后用燒杯在后面不斷把油接走，直到流線清晰為止。并通過調

整油盤前端的調整螺栓改變油盤的傾斜，以改變油的流速。

3、進行實驗模型的組合更換。

實驗三文丘里管實驗

一、實驗目的

1、在文丘里管收縮段和擴張段，觀察壓力水頭、速度水頭沿程的變化規律，加

深對伯努利方程的理解。

2、了解文丘里流量計的工作原理。

3、掌握文丘里管流量系數的測定方法。

二、實驗原理

1、理想流體伯努利方程的驗證

文丘里管是在管路中安裝一段斷面急速變小，而后又逐漸恢復原來斷面的異徑

管，如圖3所示。

喉管

圖3理想流體伯努利方程示意圖

在收縮段，由于流體流動斷面減小，因而流速增加，測壓管水頭連續下降，喉

管處斷面最小，流速最大，測壓管水頭因而最低；相反，在漸擴管中流體流動截面

逐漸擴大，流速減小，測壓管水頭也不斷得到恢復。這些現象都是由于流體流徑文

丘里管時，遵守連續性方程

vA=Q（常數）⑴

和伯努利方程

—+h=H（常數）⑵

2g

以上兩個方程表明，無論流體流動過程中斷面幾何參數如何變化，所有斷面上

的總水頭H和流量都保持不變，也就是說流體流動一直遵守著能量守恒和物質守恒

這兩個基本定律。上述現象和規律將在實驗中通過11根測壓管的液面變化加以驗證。

為了便于實驗分析?，現將公式⑵作如下變換，并以下標i表示測壓管序號，例如

i=4表示第四根測壓管即喉管。公式(2)可以寫成

22

/?+，V,=力+V，

2g2g

兩邊同除以F，并移項得

h一九二一

312g~V

公式(1)可以寫成

匕A=V4A4=匕4

所以工=a=與

打A4

上=冬=無

辦A#

代入公式(3)得

公式(3)和公式(4)表明，測壓管水頭變化的相在值，完全決定于流動斷面的幾何

比例，從而進一步揭示"斷面流速與測壓管水頭之間的關系。我們根據公式(4)畫出

測壓管水頭相對變化的理論曲線和實際曲線(分別為上式右項和左項)，通過比較,

兩者應當是一致的(橫包標為測壓管序號，縱坐標分別為以上兩項)。

2、流量系數的測定

將公式(1)、(2)應用于1、4兩斷面，可以得到

IL

+%

2g=7

前式代入后式得

12g（九一九）

I-77^

流量為

Q=Au=述12g（4?）

4僅丁

若以流量系數〃表示阻力損失的影響，上式可以寫成

Q=-（ml/s）（5）

式中c一一儀器常數，為定值

C二型2g

4<7\4（cm25/s）（6）

因此，在實驗中，測得流量Q和測壓管水頭九、兒，即可求得流量系數M，

4一般在0.92?0.99之間。

三、實驗步驟

1、緩緩打開進水閥和針閥，使測壓管1、4的水面差達到最大，并適當調節,

觀察測壓管水頭的變化，理解伯努利方程的含義。

2、讀取各測壓管水頭刻度，并按測壓管編號為序記入表內。

3、在讀取測壓管水頭的同時，用體積法測量流量，記入表內。

4、調節進水閥和包閥，改變各測壓管讀數，并記錄各讀數和流量。

5、實驗結束后，關閉進水閥門。

實驗四雷諾實驗

一、實驗目的

1、觀察圓管內流體恒定流動層流和紊流兩種流動狀態及其轉換的現象。

2、測定不同流動狀態下流體的雷諾數Re。

3、測定圓管內流體恒定流動層流和紊流兩種流動狀態下的沿程水頭損失///與

斷面平均流速u之間的關系。

二、實驗原理

雷諾實驗裝置示意圖如圖4所示。

7、溢水隔板8、供水閥門9、放水管10、出水閥門11、測壓管12、量水筒

1、實際流體的流動會呈現出兩種不同的型態：層流和紊流，它們的區別在于:

流動過程中流體層之間是否發生混摻現象。在紊流流動中存在隨機變化的脈動量，

而在層流流動中則沒有。

2、圓管中恒定流動的流態轉化取決于雷諾數。雷諾根據大量實驗資料，將影響

流體流動狀態的因素歸納成一個無因次數，稱為雷諾數Re,作為判別流體流動狀態

的準則

「pvdvd

Re=-——=——

式中V-----流體斷面平均流速，cm/s

d---圓管直徑，cm

v-----流體的運動粘度,cm2/s

在本實驗中，流體是水。水的運動粘度與溫度的關系可用泊肅葉和斯托克斯提

出的經驗公式計算

0.0178

v=-----------------------

1+0.03371+0.00022，

式中v——水在z°C時的運動粘度，cnr/s；

t——水的溫度，°C。

3、判別流體流動狀態的關鍵因素是臨界速度。臨界速度隨流體的粘度、密度以

及流道的尺寸不同而改變。流體從層流到紊流的過渡時的速度稱為上臨界流速，從

紊流到層流的過渡時的速度為下臨界流速。

4、圓管中定常流動的流態發生轉化時對應的雷諾數稱為臨界雷諾數，對應于上、

下臨界速度的雷諾數，稱為上臨界雷諾數和下臨界雷諾數。上臨界雷諾數表示超過

此雷諾數的流動必為紊流，它很不確定，跨越一個較大的取值范圍。而且極不穩定，

只要稍有干擾，流態即發生變化。上臨界雷諾數常隨實驗環境、流動的起始狀態不

同有所不同。因此，上臨界雷諾數在工程技術中沒有實用意義。有實際意義的是下

臨界雷諾數，它表示低于此雷諾數的流動必為層流，有確定的取值。通常均以它作

為判別流動狀態的準則，即

Re<2320時，層流

Re>2320時，紊流

該值是圓形光滑管或近于光滑管的數值，工程實際中一般取Re=2000。

5、實際流體的流動之所以會呈現出兩種不同的型態是擾動因素與粘性穩定作用

之間對比和抗衡的結果。針對圓管中定常流動的情況，容易理解：減小d，減小n,

加大v三種途徑都是有利于流動穩定的。綜合起來看，小雷諾數流動趨于穩定，而

大雷諾數流動穩定性差，容易發生紊流現象。

6、由于兩種流態的流場結構和動力特性存在很大的區別，對它們加以判別并分

別討論是十分必要的。圓管中恒定流動的流態為層流時，沿程水頭損失與平均流速

成正比，而紊流時則與立均流速的1.75?2.0次方成正比。

7、通過對■相同流量下圓管層流和紊流流動的斷面流速分布作一比較，可以看出

層流流速分布呈旋轉拋物面，而紊流流速分布則比較均勻，壁面流速梯度和切應力

都比層流時大，如圖5所示。

圖5圓管層流和紊流流動的斷面流速分布

三、實驗步驟

1、打開供水閥門8,給水箱5充水，待水箱充滿并保持溢流狀態，使水位恒定。

2、打開出水閥門10至最大，排出實驗管道中的氣泡。反復開閉出水閥門10,

排出壓差計中氣泡，即可開始實驗。

3、稍微打開出水閥門10和色水閥門3,觀察流體的層流狀態。繼續開大出水

閥門10,色水細流出現波動，即過渡狀態。再開大出水閥門10,水流穩定性遭到破

壞，色跡消失，變為紊流。整個過程可以清晰地看到流體從層流變化到紊流。

4、在流體完全變到紊流時，逐漸關閉出水閥門10,在觀察流體從紊流變化到

層流的同時，記錄沿程水頭損失的和流量

5、在實驗開始和結束時分別量測水溫，加以平均作為實驗水溫。

6、整理所測實驗數據，繪制1g〃/?lgu關系曲線。

實驗五管路沿程阻力損失及局部阻力損失實驗

管路沿程阻力損失

一、實驗目的

1、學會測定管道沿程水頭損失系數N的方法。

2、分析圓管恒定流動的水頭損失規律，驗證在各種情況下沿程水頭損失,與

平均流速V的關系以及人隨雷諾數R”和相對粗糙度d的變化規律。

3、根據紊流粗糙區的實驗結果，計算實驗管壁的粗糙系數〃值及管壁當量粗

糙幺值，并與莫迪圖比較。

二、實驗原理

1、對于通過直徑不變的圓管的恒定水流，沿程水頭損失為

%=(Z[+—)-

(z2+—)=從

即上下游量測斷面的比壓計讀數差。沿程水頭損失也常表達為

=X------

'd2g

其中，久稱為沿程水頭損失系數；/為上下游量測斷面之間的管段長度；d為管道

直徑，u為斷面平均流速。若在實驗中測得A/2和斷面平均流速u,則可直接得到沿

程水頭損失系數

2、不同流動型態及流區的水流，其沿程水頭損失與斷面平均流速的關系是不同

的。層流流動中的沿程水頭損失與斷面平均流速的1次方成正比；紊流流動中的沿

程水頭損失與斷面平均流速的1.5?2次方成正比。

心為管壁當量

3、沿程水頭損失系數久是相對粗糙度d與雷諾數4的函數,

A=---

粗糙，氏。(其中v為水的運動粘滯系數)。

4、圓管層流流動

A=---

凡

大="豹&<105)

5、光滑圓管紊流流動可取。可見在層流流動和紊流光

滑區，沿程水頭損失系數八只取決于雷諾數。

6、粗糙圓管素流流動

(23,+1.749

沿程水頭損失系數久完全由粗糙度決定，與雷諾數無關，此時沿程水頭損失與斷面

平均流速的平方成正比，所以紊流粗糙區通常也叫做“阻力平方區”。

7、在紊流光滑區和紊流粗糙區之間存在過渡區，此時沿程水頭損失系數與雷

諾數和粗糙度都有關。

8、粗糙系數況可按下列公式進行計算

帆

式中，R為管道的水力半徑，圓管的水力半徑R=d/4,該式適用于紊流粗糙區。

三、實驗步驟

1、預習實驗指示書，認真閱讀實驗目的要求、實驗原理和注意事項。

2、查閱用測壓管量測壓強和用體積法或三角堰法量測流量的原理和步驟。

3、開啟上下游閥門排氣，檢查下游閥門全關時，各個測壓管水面是否處于同一

水平面上。如不平，則需排氣調平。

4、核對設備編號，記錄所用設備的斷面管徑、量測段長度、三角堰零點讀數等

數據。

5、開啟下游閥門，流量應先放到最大，待水流恒定后，觀察測管水頭的變化。

量測流量及相應的水頭損失，登錄到數據表格上。

6、減小閥門開度，重復上述步驟，并按序登錄數據。流量的調整逐步由大到小，

每改變一次流量需要等待1?2分鐘，待水流恒定后再進行量測。水流的紊動使比壓

計的水面有波動，應記錄水面的時均值。

7、檢查數據記錄表是否有缺漏？是否有某組數據明顯地不合理？若有此情況,

進行補正。為了提高實驗精度，便于分析整理，實驗點盡可能多一些。要求改變流

量不少于15次。

8、在實驗開始和結束時分別量測水溫，加以平均作為實驗水溫。

管路局部阻力損失

一、實驗目的

1、觀察突擴管旋渦區測管水頭線，以及其它各種邊界突變情況下的測管水頭變

化情況，加深對局部水頭損失的感性認識。

2、掌握測定管道局部水頭損失系數的方法，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。

3、學習用測壓管測量壓強和用體積法測流量的實驗技能。

二、實驗原理

1、有壓管道恒定流遇到管道邊界的局部突變的尾部時，流動會分離形成剪切層,

剪切層流動不穩定，引起流動結構的重新調整，并產生旋渦，平均流動能量轉化成

脈動能量，造成不可逆的能量耗散。與沿程因摩擦造成的分布損失不同，這部分損

失可以看成是集中損失在管道邊界的突變處，每單位重量流體承擔的這部分能量損

失稱為局部水頭損失。

2、根據能量方程，局部水頭損失

勺=（Z]+-）-+—）+——

Yy2g

這里我們認為因邊界突變造成的能量損失全部產生在1-1,2-2兩斷面之間，不

再考慮沿程損失。

上游斷面17應取在由于邊界的突變，水流結構開始發生變化的漸變流段中，下游

2-2斷面則取在水流結構調整剛好結束，重新形成漸變流段的地方。總之，兩斷面

應盡可能接近，又要保證局部水頭損失全部產生在兩斷面之間。經過測量兩斷面的

測管水頭差和流經管道的流量，進而推算兩斷面的速度水頭差，就可測得局部水頭

損失。

3、局部水頭損失系數是局部水頭損失折合成速度水頭的比例系數，即

當上下游斷面平均流速不同時，應明確它對應的是哪個速度水頭？例如，對于突擴

圓管就有

2g和

之分。其它情況的局部損失系數在查表或使用經驗公式確定時也應該注意這一點。

通常情況下對應下游的速度水頭。

4、局部水頭損失系數隨流動的雷諾數而變，即

K&)

但當雷諾數大到一定程度后，,值成為常數。在工程中使用的表格或經驗公式中列

出的,就是指這個范圍的數值。

5、局部水頭損失的機理復雜，除了突擴圓管的情況以外，一般難于用解析方法

確定，而要通過實測來得到各種邊界突變情況下的局部水頭損失系數。

6、對于突擴圓管的情況，局部水頭損失系數有理論結果，推導如下：流動經過

突擴圓管的局部水頭損失

號=0+%?&+勺+卓-攀

YY2g2g

取1-1,2-2兩斷面如圖，這里要特別注意1-1斷面取為突擴開始的斷面，2-2

斷面則取在水流結構調整剛好結束，重新形成漸變流段的地方。兩斷面面積都為4,

而〉和“2則分別為細管和粗管中的平均流速。根據動量方程可知

(Pi+”i)A-(%+戶?)4=兇依酎力

所以有

將其代入局部水頭損失的表達式，得

力一匕（%:匕匕）.3產：?％片）

'g2g

取的值均為10,則

方曳口21.（&-[?4■分吱

，2g1）2g'g

或

可見

Q。-令'，2=令》

7、突擴圓管局部水頭損失之所以能夠導出上述解析表達式是因為：①我們假設

1-1斷面上的測管水頭為常數；②1-1,2-2兩斷面的面積相等。而突縮圓管的1-1,

2-2兩斷面必須分別取在粗管和細管中，這是由流引結構決定的，因此突縮圓管的局

部水頭損失不能解析表達，只有經驗公式

C05O-今）

這里的'對應下游，即細管中的速度水頭。

8、其它各種彎管、截門、閘閥等的局部水頭損失系數可查表或由經驗公式獲得。

三、實驗步驟

1、認真閱讀實驗目的要求、實驗原理和注意事項。

2、查閱用測壓管量測壓強和用體積法（手工、自動）量測流量的原理和步驟。

3、對照實物了解儀器設備的使用方法和操作步驟，做好準備工作后，啟動抽水

機，打開進水開關，使水箱充水，并保持溢流狀態，使水位恒定。

4、檢查下游閥門全關時，各個測壓管水面是否處于同一水平面上。如不平，則

需排氣調平。

5、核對設備編號，確認數據記錄表上列出的斷面管徑等數據。

6、開啟下游閥門，待水流恒定后，觀察測管水頭的變化，止確選擇實驗配件前

后的量測斷面，進行數據的量測，并登錄到數據記錄表的相應位置。

7、改變閥門開度，待水流恒定后，重復上述步驟，并按序登錄數據。本實驗要

求做三個流量。

8、檢查數據記錄表是否有缺漏？是否有某組數據明顯地不合理？若有此情況,

進行補正。

9、計算整理實驗結果，得出各實驗配件局部水頭損失系數實測值，并同時列出

突擴管局部水頭損失系數的理論值和突縮管的經驗值。

10、對實驗結果進行分析討論。閱讀思考問題，作簡要回答。

實驗六孔口、管嘴出流實驗

一、實驗目的

1、觀察孔口、管嘴出流的水力現象。

2、測定孔口、管嘴出流的各項系數：出流斷面收縮系數￡、流量系數〃、流速

系數。和阻力系數

二、實驗原理

在容器壁上開一個任意形狀的孔，流體

從此孔向外泄出，這種現象稱為孔口出流。

在孔口上連接一段管子，流體從此管流出，

這種現象稱為管嘴出流。如圖6所示。

1、孔口出流

在水箱側壁開一個直徑為4的圓形孔口,

液體受不變水頭”作用下，沿不同方向從孔

口向外流出，在慣性作月下，液體的流線不

能急劇改變方向，因此，在離孔口很近的出流處（約距孔口"2d處），將產生一個

收縮斷面ACo水箱中水位保持不變，孔口直徑與孔口在液面下的深度H比較起來，

是很小的，因此可以認為孔口斷面上的流速是相同的，收縮斷面可以近似圓形。如

果測出收縮斷面的直徑/c,那么收縮斷面?可求。

截取自由液面1一一1和收縮斷面C一一C,以通過孔口形心的水平面為基準面,

列能量方程

“+且+2皿+或2上，

72g72g2g

式中P\=p（,=Pa，%=《.=1，自由液面保持恒定，V）=0,上式變成

Ve=-7=V2^

=（/）y/2gH

孔口出流流量為

Q=An

二A(P《2gH

孔口出流斷面收縮系數為

￡=—

A

將Ac=以代入上式得

Q=￡(pM2gH

式中〃=即稱為孔口出流流量系數。

將以上孔口出流的基本關系式進行反推，可得孔口出流的各項系數

流量系數：〃=—?

A府

收縮系數：￡=生

流速系數：9=巴

￡

阻力系數：＜=-1-1

因此，測出0、”、A、A。，即可求出各項系數。根據對薄壁小孔口充分收

縮的實驗：￡=0.6?0.64、0=0.97~0.98、〃==0.58~0.62。

2、孔口出流的分類

小孔口出流、大孔口出流(按是否大于10來判定)；定常出流、非定常

出流；淹沒出流、非淹沒出流；薄壁出流、厚壁出流。

薄壁出流確切地講就是銳緣孔口出流，流體與孔壁只有周線上接觸，孔壁厚度

不影響射流形態，否則就是厚壁出流，如孔邊修圓的情況，此時孔壁參與了出流的

收縮，但收縮斷面還是在流出孔口后形成。如果壁厚達到3?44就稱為管嘴，收

縮斷面將會在管嘴內形成，而后再擴展成滿流流出管嘴。管嘴出流的能量損失只考

慮局部損失，如果管嘴耳長，以致必須考慮沿程損失時就是短管了。

3、管嘴出流

管嘴出流的流動特點是，水股先在管內收縮形成真空，而后再逐漸擴張以至充

滿整個管嘴而流出。由于管嘴出流與孔口出流的流動情況有著明顯的區別，因而在

孔口上加設短管即管嘴，既影響出流的流速系數乂影響流量系數，亦即改變出流的

流量和流速。管嘴出流時的阻力損失，主要是管嘴入口處的局部阻力損失和水股收

縮斷面擴大的局部阻力損失，而管嘴的沿程阻力損失可以忽略不計。

管嘴出流各項系數計算公式與孔口出流的形式完全一樣。但由于管嘴出口斷面

沒有變化，即￡=1,〃=根據實驗，4=0.82左右。管嘴出流各項系數計算

公式如下：

流量系數：從二，

收縮系數：￡=1

流速系數：（P=~=JU

8

阻力系數：？二」—1

b

3、管嘴的真空現象

管嘴是在孔口上加設一段適當的短管，雖然加一段短管將使阻力增大，但是管

嘴的出流量反而會比同樣情況下的孔口出流量大，產生這一結果的原因是在管嘴內

也存在收縮斷面，直接表現為此處產生了真空。在圓柱形管嘴收縮斷面處設測壓管

以觀察真空現象并量測真空值兒。正因為管嘴在收縮斷面處有真空存在，如同水泵

一樣，對液流產生抽吸作用，從而使管嘴出流量大于孔口出流量。這種由于真空的

存在使管嘴增加的出流量，要比由于管嘴阻力增加而減少的出流量大得多。這一結

論和現象將在實驗中得到證實。

三、實驗步驟

1、起動水泵，給水箱連續供水，當水位升至溢流板上端時，水由此溢出，調節

水泵出水閥門，使液面保持恒定不變，即作用水頭“不變。與此同時觀察孔口或管

嘴出流情況。

2、將旋板旋到其它位置，觀察不同孔口、管嘴的出流情況，并注意進行比較。

3、分兩組同時測量孔口、管嘴實驗參數：作用水頭”，孔口或管嘴出流流量

。、孔口出流收縮斷面直徑

實驗七管道水擊實驗

一、實驗目的

1、觀察管道水擊現象的發生、傳播與消失過程，增強對水擊現象的感性認識。

利用實測數據，計算水擊波的傳播速度。

2、量測水擊引起的壓強增量，加深對水擊影響的定量認識。

3、通過調壓室水位振蕩現象的演示，以及使用調壓室前后水擊壓強增量的變化

情況，了解調壓室消減水出壓強的作用。

二、實驗原理

水擊現象是一種典型的有壓管道非恒定流問題，在水擊現象中，由于壓強變化

急劇，必須考慮流體的壓縮性及管道的彈性。水擊現象可大致作如下描述：有壓管

道流動的流量突變一流速突變f由于流動的慣性，造成壓強大幅波動一流體的壓縮

性和管道的彈性使波動在管道中以有限的速度傳播。

以閥門突然關閉為例，將有一個增壓、增密度、增管道斷面積、減流速的過程從

閥門向上游傳播，壓強、流速、密度、管道斷面積的間斷面在管道中運動，這就是

水擊波。

1、水擊波的壓強增值

在已知水擊波傳播速度c的條件下，壓強增量少與流速大小增量的關系

綠=

2、水擊波的傳播速度

水擊波傳播速度為

Adp

式中，"d尸K為液體的體積彈性系數；Xdp反映管壁的彈性，對于直徑

為。的圓管

Adp83

其中，￡為管壁材料的彈性系數，5為管壁厚度。于是

若忽略管壁的彈性，即認為￡=6，則

為聲波速度（水中約為1435m/s）。所以

c

水電站引水管的8,?1000m/so

3、水擊現象的分析

為了更清晰地說明水擊波傳播、反射、疊加的發展過程，考察上游水庫與閥門

間的長度為L的直圓管（BA）中因閥門A突然完全關閉發生的水擊現象，認為彈性

力與慣性力起主要作用，忽略水頭損失和流速水頭。在理解了水擊波在A處的正反

射和B處的負反射之后，可以列出°