水力学实验指导书

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1、水力学实验指导书杨小亭 冯彩凤 主编武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室2004年10月前 言水力学是工科类高等院校一门重要的专业基础课程，水力学教学包括理论教学和实验教学两部分。水力学实验在水力学学科发展中占有重要的地位，是整个水力学教学不可替代环节。其重要性在于加强学生对水流现象的感性认识，验证所学理论，培养基本的实验技能和科学研究的严谨作风。本实验指导书是在武汉大学水力学教研室多年教学实践经验及原有讲义基础上，广泛吸收国内外实验教材中的优点，结合本校水力学实验课的具体情况以及编者自身实验工作的体会编写而成，其内容涵盖了水力学教学大纲所要求的所有实验。编写过程中始终贯彻理论联系实际，注

2、重实践环节，结合我校水力学开放实验的特点，力求符合学生的认识规律及便于独立操作的原则。全讲义内容包括两部分：第一部分为演示实验，学生通过观察各种形式的水流现象，增强对流体运动现象的认识，加深对水力学基本概念、基本规律和基本理论的理解。第二部分为操作实验，以促进学生掌握操作技能，测量方法；培养分析实验数据，整理实验成果以及编写实验报告的能力。本实验指导书采用集体讨论、分工执笔的方式进行，由杨小亭、冯彩风执笔编写，黄纪忠、李琼参加了部分工作，并由李大美教授主审。由于时间仓促，水平有限，书中的缺点和错误在所难免，恳切希望读者批评指正。编 者2002年5月于珞珈山目 录第一部分 演示实验一、流线演示实

3、验1二、能量方程演示实验3三、空化机理演示实验6四、势流叠加演示实验8五、水流流态演示实验10六、紊动机理演示实验11七、脉动压强演示实验13八、虹吸管原理演示实验15九、水泵特性演示实验17十、水击现象综合演示实验18十一、流动演示实验20十二、明槽水面曲线演示实验24十三、泄水建筑物消能及水跃演示实验29第二部分 量测实验一、静水压强量测实验30二、流速量测（毕托管）实验32三、光电流速仪测速实验36四、沿程水头损失实验39五、管道局部水头损失实验43六、文丘里流量计及孔板流量计率定实验47七、动量方程验证实验50八、管流流态实验53九、明槽糙率的测定实验57十、堰流流量系数的测定实验62

4、十一、闸下自身出流流量系数的测定实验65十二、有压渗流电拟法实验68第一部分 演示实验流线演示实验一、演示目的1、通过演示进一步了解流线的基本特征。2、观察液体流经不同固体边界时的流动现象。二、演示原理流场中液体质点的运动状态，可以用迹线或流线来描述，迹线是一个液体质点在流动空间所走过的轨迹。流线是流场内反映瞬时流速方向的曲线，在同一时刻，处在流线上所有各点的液体质点的流速方向与各该点的切线方向相重合，在恒定流中，流线和迹线互相重合。在流线仪中，用显示液(自来水、红墨水)，通过狭缝式流道组成流场，来显示液体质点的运动状态。整个流场内的“流线谱”可形象地描绘液流的流动趋势，当这些有色线经过各种形

5、状的固体边界时，可以清晰地反映出流线的特征及性质。三、演示设备演示设备如图所示，它们分别显示二种特定边界条件下的流动图象。（a）可显示闸底板渗流场中液流的流动形态。（b）可显示实用堰溢流的流动形态。演示仪均由有机片制成狭缝式流道，其间夹有不同形状的固体边界。在演示仪的左上方有两个盛水盒，一个装自来水，一个装红色水，两盒的内壁各自交错开有等间距的小孔通往狭缝流道，流道尾部装有调节阀。流线仪简图1、盛水盒 2、闸底板 3、排气孔 4、集水箱5、狭缝流道 6、泄水调节阀 7、实用堰四、演示方法1、首先打开演示仪的排气夹和尾部的调节夹进行排气，待气排净后拧紧调节夹，并将上方的两个盛水盒装满自来水；2、

6、将装有自来水的两个盛水盒中的任一个滴少许红墨水搅拌均匀；3、调节尾部控制夹，可使显示液达到最佳的显示效果；4、待整个流场的有色线（即流线）显示后，观察分析其流动情况及特征；5、演示结束后，倒掉演示液，并将仪器冲洗干净待用。五、思考题1、流线的形状与边界有否关系?2、流线的曲、直和疏、密各反映了什么?72能量方程演示实验一、实验目的1、观察恒定流情况下，水流所具的位置势能、压强势能和动能，以及在各种边界条件下能量的守恒和转换规律，加深对能量方程物理意义的理解。2、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律，以及水头损失现象。3、观察管流中的真空现象及渐变流过水断面与急变流过水断面上的动水压强分布规

7、律。二、实验原理实际液体在有压管道中作恒定流时，其能量方程如下：上式表明：液体在流动过程中，液体所具有的各种机械能（单位位能、单位压能和单位动能）是可以相互转化的。但由于实际液体存在粘性，液体运动时为克服阻力而要消耗一定的能量，也就是一部分机械能转化为热能而散逸，即水头损失。因而机械能应沿程减小。在均匀流或渐变流过水断面上，其动水压强分布符合静水压强分布规律：或但不同的过水断面上c值不同。在急变流过水断面上，由于流线的曲率较大，因此惯性力亦将影响过水断面上的压强分布规律，即不符合静水压强分布规律。三、实验设备如图一所示的能量方程演示仪是自循环的水流系统，在进水管段设有转子流量计，演示段由直管、

8、突然扩大管、文丘里管、突然缩小管、虹吸管和弯管等有机连接而成，在管道上沿水流方向上的若干过水断面的边壁设有测压孔，在设置测压管的过水断面上同时装有单孔毕托管，可以测量测压管水头和总水头。在管道的进出口设置有调节阀门来控制流量。四、操作步骤和演示内容1、熟悉设备，分辨测压管和毕托管。2、接通电源。3、缓缓打开进水阀，反复开关尾阀将管道及测压管中空气排净。4、调节进水阀，固定某一流量(以Q=1500 L/h左右为宜)，待水流稳定后，根据能量方程观察管道各断面上单位重量水体的位能、压能、动能和水头损失，并弄清能量守恒及位能、压能和动能的相互转化。5、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律，并分析其

9、原因。6、观察管道中各种局部水力现象，如突然扩大和突然缩小情况下的测压管水头的变化；渐变流过水断面上各点测压管水头相等，而急变流过水断面上各点的测压管水头不相等；虹吸管段上的真空现象等。7、将尾阀开大和关小，观察各测压管水面连线的变化。8、演示结束后，切断电源。五、注意事项1、阀门开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化；不要使测压管中的水上升过大，以免影响演示效果。2、演示实验时，一定要将管道和测压管中的空气排净。六、思考题1、如何确定管中某点的位置高度、压强高度、流速水头、测压管水头和总水头？2、总水头线和测压管水头线是否总是沿程下降?3、突然扩大和突然缩小段测压管水头线是否总是上升?4、

10、文丘里管段上各断面的测压管水头变化说明了什么?5、虹吸管段的最大真空值如何确定?6、弯管凸凹边壁上的测压管水头有何差异?为什么?图一 能量方程演示仪1、测压排 2、转子流量计 3、泄水阀 4、进水阀 5、水箱 6、水泵空化机理演示实验一、实验目的通过观察由本仪器所演示的空化发生和演变、流道体型对空化影响及常温下水的沸腾现象，加深对空化和空蚀现象的认识。二、实验原理在液体流动的局部区域，或由于流速过高，或边界层分离，均会导致压强降低，以致于降低到液体内部出现气体（或蒸汽）空泡或空穴，这种现象称为空化（也叫气穴）。空化现象发生后，液流的连续性遭到了破坏。气体空泡随液体一起向下游运动，当压强增加一定

11、程度时，液体会以极高的速度向空泡内运动，气泡溃灭从而引起附近的固体边界的剥蚀破坏（称作空蚀或气蚀），并产生噪声，结构振动、机械效率降低等。本实验利用高速水流通过流道改变的区域时将产生压强变化的原理来演示空化现象。三、实验设备实验设备及各部分名称如图一所示。四、实验步骤及演示内容1、接通电源，打开阀门10。2、空化现象的演示：在流道、内观察水流运动现象，可看到在流道、的喉部和流道的闸门槽处出现乳白色雾状空云，这就是空化现象，同时还可听到气泡溃灭的噪声。空化区的负压相当大，其真空度可由真空表13（与流道的喉颈处测压点相连）读出。在流道、喉颈中部所形成的带游移状空化云，为游移型空化；在喉道出口处两边

12、形成的附着于转角两边较稳定的空化云，为附体空化；而发生于流道中闸门槽（凹口内）旋涡区的空化云，则为旋涡型空化。3、空化机理：流动液体（以水为例）在标准大气压下，当温度升高至100时沸腾，水体内产生大小不一的气泡，这就是空化。而当压强小于水在此温度下的汽化压强时，水就要产生空化。先向空化杯9中注入半杯温水，压紧橡皮塞盖，然后与管咀8（杯两侧各1只）接通。在喉管负压作用下，空化杯内的空气被吸出。真空表读数随之增大。当真空度接近10m水柱时，杯中水就开始沸腾。这是常温水在低压下发生空化的现象。4、流道体型对空化的影响：从流道、的空化对比看出：在阀门开关相同的条件下，流道的空化比流道严重。从两种体型闸

13、槽的空化看出：流道、分别设有矩形槽和下游具有斜坡的流线形槽。在同等流量下，前者空化程度大于后者。5、实验结束，打开气塞12，将流道内水放空，防止流道内结垢。学期结束，将水箱放空，并清洗水箱。五、注意事项1、严格按照操作步骤进行实验。2、空化杯中的温水不能用冷开水或蒸馏水等，而只能用新鲜自来水，并在每次实验前更换新鲜水，以保证空化沸腾时的显示效果。六、思考题1、试述实际工程中所产生的空化和空蚀现象。2、为什么在每次实验时空化杯中要注入新鲜自来水?用冷开水或蒸馏水能否观察到空化沸腾现象?为什么?图一 空化机理实验仪示意图1、流道文氏型空化示意面 2、流道渐缩空化显示面3、流道矩形闸门槽空化显示面

14、4、流道流线型闸门槽空化流动显示面5、流道显示柜 6、测压点 7、联接短管 8、管咀 9、空化杯 10、阀门、 11、自循供水箱 12、气塞 13、真空表 14、标牌势流叠加演示实验一、实验目的1、观察液体作平行流运动的迹线和流线。2、观察各种简单势流以及各种势流叠加后所形成的流动图像，加深对势流运动的理解。二、实验原理在势流中，存在平行流、点源和点汇等几种基本的流动形式。根据势流叠加原理，可把已知的简单势流叠加起来，得到一个比较复杂的势流。如把源和均匀流叠加可得到一个二维钝头流线体的绕流流线图形；源与汇叠加可形成偶极子等。三、实验设备图一为一势流叠加实验台，它由进水管、可视实验台、支架、颜料

15、水瓶、红水开关，以及源汇旋钮、进水开关、上下游水箱等组成。实验台上设置源汇孔及注红水针头。图一 势流叠加实验仪四、实验步骤1、打开进水开关，放水入实验台，调整下游堰板使之溢流。2、上下拉动实验台上玻璃板，排除实验台上水流气泡。3、打开红水开关，将各针头的红水注入实验台流动的清水内，可观察平行流的流线。4、开其中一个源的旋钮放入蓝色水，可观察二维钝头流线体的绕流流线。5、可打开一个源的旋钮，一个汇的旋钮以观察偶极子。6、同时打开二并行的源的旋钮，可叠加成一直线图。五、注意事项1、调节阀门旋钮要慢慢地开和关。2、在放水时，调节下游堰板，使水位适中。六、思考题1、请给出源和平行流叠加所形成的二维钝头

16、流线体的流函数和势函数表达式。2、什么是平面势流的叠加原理?有何意义?3、简单的平面势流有哪几种?每一种的流函数和势函数的表达式是什么?4、本实验中所演示的源和汇的叠加是否是真正意义上的偶极子?为什么?水流流态演示实验一、演示目的1、观察层流与紊流两种流态及其过渡状态时的流动现象。2、区分两种不同流态的特征及其产生的条件。二、演示原理液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当流速较小时，粘滞力占主导地位，各流层的液体质点有条不紊地运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流；当流速较大时，惯性力占主导地位，各流层或各微小流束上的液体质点形成涡体，并脱离原流层，互相混掺，杂乱无章，这种型态的流动叫

17、做紊流。三、演示设备下图为流态演示仪，它由水箱、玻璃管及注入有色液体的部件组成，实验时，只要微微打开泄水阀及有色液小阀，即可显示出层流或紊流。水流流态演示装置简图四、演示方法l、打开进水阀向水箱充水，使水箱水位保持恒定；2、微微打开泄水阀及有色液阀门，适当调节泄水阀，使管中的红色液体呈一条直线，不与周围的水流混杂，即为层流，如图(a)所示。3、逐渐开大泄水阀门，则管牛的红色液体呈波形线状，属于过渡状态，如图(b)所示。4、再继续开大泄水阀，管中有色液体由波状形变成微小涡体，并扩散到整个管内，且与周围水体掺混，即为紊流，如图(c)所示。5、以相反程序，即泄水阀门开度从大到小，可以重现上述几种流动

18、状态；6、演示结束，关闭进水阀及有色液阀门。五、思考题l、水流流态与哪些因素有关?2、雷诺数的物理意义是什么?为什么可以用来判别流态?紊动机理演示实验一、实验目的利用本实验仪器演示紊动发生过程及异重流的流动过程，加深对水流运动结构的认识。二、实验原理众所周知；液体流动时，存在着两种截然不同的流态，即层流和紊流。层流向紊流转化是一个十分复杂的问题。本实验应用两种不同颜色的液体相互混合的过程来演示紊流的发生过程和异重流的流动过程。三、实验设备实验仪器设备如图一所示：图一 紊动机理实验仪结构示意图1、自循环供水器 2、实验台 3、可控硅无级调速器 4、消色用丙种溶液容器 5、调节阀 6、染色用甲种溶

19、液容器 7、恒压水箱 8、染色液输液管 9、调节阀 10、取水管 、11、混合器 12、上下层隔板 13、剪切流道显示面 14、排气阀 15、出水调节阀 16、分流管与调节阀 17、回水漏头四、实验步骤及演示内容1、插上水泵电机电源、灯光电源。先关闭阀5、9、15、16，打开调速器，水泵启动，流量最大。调节调速器旋钮，使流量减小，使得水箱水位不高于恒压水箱7之中间隔板的顶高。此时仅由取水管10单独向流道13供水，使水体缓慢地充满下层流道，排除隔板下方滞留的气泡。如果一次操作不能排净气泡，则应反复操作。排净气泡后开大供水流量，并操作阀14与15，排除流道上的气泡。2、加注染色药水：调节阀9，向混

20、合器1直加注甲种溶液，与水混合即呈紫红色。3、加注消色药水：调节阀5，滴下丙种溶液，以保持工作水体处于五色透明状态。4、紊动发生演示：（1）上下层界面呈平稳直线演示：将阀16全开，下层红色水流从此流出。调节阀15，使上层无色水流流速与下层流速相接近。若界面直线不稳，可适当减小下层流速u2，方法是减小阀16开度，减小下层水流流速大小，并适当关小阀15使上下层流速相近。（2）波动形成与发展演示：调节阀15，适当增大上层流速ul，界面有明显的速度差，于是开始发生微小波动。继续增大阀15的开度，则波动演示更加明显。（3）波动转变为旋涡紊动演示：将阀15开到足够大时，波动失稳，波峰翻转，旋涡形成，界面消

21、失，涡体的旋转运动，使得上下层液体质点发生混掺，紊动发生。5、异重流实验：实验时在甲种溶液中加入一定比例的食盐或白糖来提高下层液体的密度，即可用来研究异重流的稳定性。6、实验完毕，关机，切断电源。五、注意事项1、严格按照操作步骤进行操作。2、实验时，流入水中的甲种溶液一定要适当，否则，演示效果不好。3、隔板下方的气泡要排净。如一次排不净，则应反复操作，直到排干净为止。六、思考题1、紊流产生的两个必不可少的条件是什么？2、液体运动的流态与哪些因素有关？3、试叙述实际工程中所遇到的异重流运动现象。脉动压强演示实验一、演示目的1、通过演示，了解流场中各点的流速、压强等水力要素在空间上和时间上均作随机

22、变化，但从统计平均的意义上讲这种随机变化又可表示为时间和空间的确定性函数。2、加深对公式；（i=1,2,3）的理解。二、演示原理紊流中充满着许多大小不等的涡体，这些涡体除了随液流总的运动趋势朝某一方向运动外，还同时在各个方向上有不规则的运动。液流的各质点的运动随着这些涡体的运行、旋转、震荡，以及互相参混使流场内各点的流速、压强等水力要素的大小在空间上和时间上均叠加有随机性质的脉动值，也就是在液体中某一点的流速、压强等物理量的数值并不是一个常数，而是表现为以某一常数值为中心随时间变化而不断地跳动，这种跳动叫脉动。取水流中某一固定空间点来观察，该点沿x方向的瞬时流速随时间的变化可通过毕托管接差压传

23、感器转换成随时间变化的电压值并显示在计算机屏幕上，从图一中可以看出：某一空间点的瞬时流速ux可视为由时均流速与脉动流速两部分构成，即。其中是以线为基准，在该线的上方时为正，在下方时为负，其值随时间而变，故称为脉动流速。显然，在足够长的时间中的时间平均值=0。同样，瞬时压强p可由时均压强构成，即；。图一三、演示仪器设备演示仪器设备硬件框图如图二所示。由毕托管、差压传感器、压力传感器、放大器、稳压电源、A/D数据采集卡和计算机组成。图二四、演示方法将毕托管置于流场内待观察流速的某一点，由引压管将毕托管的动压、静压两端接至压差传感器的高、低端口。由于差压传感器的输出为420mA的电流信号，这种电流信

24、号可直接送至PCLD-8115端子板，在250的负载上转换成15V的电压信号；压力传感器的感应头可直接放置在待观察压强的边界某一点，传感器输出的信号通过放大器放大，再接入PCLD-8115端子板。由20芯的扁平电缆将端子板与PCL-818L A/D数据采集卡相联，数据采集卡插入计算机的ASI插槽。开计算机电源，激活VisiDAQ Runtime软件，运行脉动流速、脉动压强演示程序。在计算机屏幕上就可显示出待观察点的，脉动流速和脉动压强随时间作随机变化的曲线，同时将采集的数据以标准的文本文件格式存入计算机磁盘，可用多种方法随时调出处理分析。虹吸管原理演示实验一、实验目的利用本仪器演示虹吸管工作原

25、理，加深对总水头线、测压管水头线和真空度沿程变化规律的认识。二、实验原理由恒定总流的能量方程：可知，水流在运动过程中其位能、压能、动能之间可相互转化，这种转化必须满足能量守恒定律。通过虹吸管中的水流运动，可以观察到各种能量之间的相互转换。急变流过水断面上由于离心惯性力的作用，不同的点上动水压强不符合静水压强分布，即测压管水头不相等，由其测压管水头差可以测出通过管道的流量，这就是弯管流量计工作原理。三、实验设备本实验仪由虹吸管、高低位水箱、测压计、弯管流量计、水泵、可控硅无级调速器和虹吸管自动抽水装置等部件组合而成，如图一所示。四、实验步骤及演示内容1、接通电源，打开开关，启动水泵，调大流量，虹

26、吸管中的气体会自动被抽除。2、排除流量计1、2连通管中的气体，可用吸气球在测压管管口处，用挤压法或抽吸法排气。3、通过观测测压计4上各支测压管水位，可以知道测压管沿程变化、真空度沿程变化和各种能量相互转化的情况。4、虹吸管的起动：虹吸管在启用前由于有空气，水不能连续工作，为此，启用时，必须把虹吸管中的空气抽除。本仪器通过测孔9自动抽气。因虹吸管透明，起动过程清晰可见。5、急变流过水断面上的测压管水头变化：均匀流过水断面上动水压强按静水压强分布，急变流过水断面上，质量力除重力外，还存在离心惯性力的作用。通过弯管急变流过水断面上测点1、2，其相应测管上有明显高差，且流量越大，高差越大。6、弯管流量

27、计工作原理：利用弯管急变流过水断面上内外侧压强差随流量变化极为敏感的特性。实验时测得弯管断面上内外侧测压管水头差h值，由率定过的Qh曲线，可查得流量。7、实验完毕，关上开关，切断电源。五、注意事项1、严格按照操作步骤操作。2、一定要将气排净。3、实验结束后，盖上防尘罩，以防尘埃进入。六、思考题1、理论上虹吸管的最大真空度为多大?实际上虹吸管的最大安装高程不得超过多大?为什么?2、吸管工作原理是否违背了能量守恒原理?为什么?图一 自循环虹吸原理实验仪1、测点 2、虹吸管 3、测压计 4、测压管 5、高位水箱6、调速器 7、水泵 8、底座 9、吸水管 10、溢水管11、测压计水箱 12、滑尺 13

28、、抽气咀 14、低位水箱 15、流量调节阀水泵特性演示实验一、演示目的了解水泵的工作原理。二、工作原理通过水泵转轮的转动作用，使水泵进口端形成真空，水流在池面大气压作用下，沿吸水管上升，经由水泵转轮获得能量，从而使水泵出口处的水流压力增加，水流经压力水管进入水塔。三、演示设备下图为水泵自循环装置简图，在水泵进口断面和出口断面分别装有测压管。水泵装置示意图1、支架 2、电源开关 3、水泵 4、吸水管5、水池 6、测压管 7、回水管 8、压力水管 9、水塔四、演示方法1、接通电源，开动马达，水流从供水箱经吸水管流入水泵，在泵内获得能量，并在水泵出口断面压力的作用下，把水送到高处的集水箱。2、观察水

29、泵的进口断面和出口断面的测压管水头。3、演示结束后，切断电源，关闭马达。五、思考题1、水泵的扬程指什么?2、水泵的进口断面和出口断面的测压管水头有何不同?为什么?水击现象综合演示实验一、实验目的通过本实验仪器的运转过程，观察水击波传播、水击扬水、调压筒消减水击等现象，以及水击压强的量测，加强对水击现象的感性认识。二、实验原理众所周知，有压管道中流量突然改变时，管道中将产生水击波向上下游传播。在管道中设置调压筒可以消减水击压强。另外，所产生的水击压强可以用采扬水。利用水击波的上述特性，观察和了解水击现象的产生过程、传播过程和水击波的扬水特性。三、实验设备本实验仪器由恒压水箱、供水管、调压筒、水击

30、室、压力室、气压表、扬水机出水管飞水击发生阀、水泵、可控硅无级调速器及集水箱等组成。其装置如图一所示。四、实验步骤1、顺时针旋转调速器旋钮，水泵启动。2、向下推开启动阀11，把过水系统中的空气全部排出（打开调压筒截止阀10可排出空气）。然后全关阀10和4，触发起动阀110阀置重就会自动地往复上下运动，时开时闭而产生水击。3、测水击压强：此法的测压系统是逆止阀12、压力室5和气压表3组成。阀11每一开一闭都产生一次升压，每当水击波往返一次，都将向压力室5内。注入一定水量，因而压力室内的压强随着水量的增加而不断累加，当其值达到最大水击压强时，逆止阀12才打不开，此时，可从连接压力空腔的压力表3测量

31、最大水击压强。4、水击扬水实验：水击扬水机由图中的1、9、11、13、5、4、2等部件组成。全开阀4，全关阀100当阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。由于阀11不运动，水击连续多次发生，水流亦一次一次地注入压力室，因而能源源不断地将水提升到高处。5、调压筒实验：实验时全关闭4、全开阀10。然后手动控制阀11的开与闭。由气压表3可观察到其值仅为阀10关闭时的峰值的三分之一左右。同时，该装置能演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位，而当阀11突然关闭时，调压筒中的水位很快涌高且超过供水箱水位，并出现调压筒中水位上下波动，由于阻尼的作用，波动的幅度逐次衰减

32、，直至静止。五、注意事项1、要按规定步骤使用仪器设备。2、一定要排净供水管、压力室和阀10下部调压中的滞留空气，否则，可能使水击压强达不到额定值。此时应重新运作，或更换工作水、增加集水箱水量。六、思考题1、扬水机的工作原理是否违背能量守恒原理？为什么？2、调压井的作用是什么？试述消除和减小水击压强的措施。图一 水击综合实验仪结构示意图1、恒压水箱 2、水击扬水机出水管 3、气压表 4、扬水机截止阀 5、压力室6、调压筒 7、水泵 8、水泵吸水管 9、供水管 10、调压筒截止阀11、水击发生阀 12、逆止阀 13、水击室 14、 集水箱 15、底座 16、回水管流动演示实验一、实验目的1、演示流

33、体经过不同边界情况下的流动形态，以观察不同边界条件下的流线、旋涡等现象，增强和加深对流体运动特性的认识。2、演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象、非自由射流等现象的感性认识。3、加深对边界层分离现象的认识，充分认识流体在实际工程中的流动现象。二、实验设备图一为流动演示仪的示意图。该仪器是由水箱、水泵、流动显示面等几个部分所组成。该仪器通过在水流中掺气的方法，利用日光灯的照射，可以图一 壁挂式自循环流动演示仪结构示意图1、挂孔 2、彩色有机玻璃面罩 3、不同边界的流动显示面 4、加水孔孔盖5、掺气量调节阀 6、蓄水箱 7、可控硅无级调速旋钮 8、电器、水泵室9、标牌 10、铝合金框架后

34、盖 11、水位观测窗清楚地演示不同边界条件下的多种水流现象。整个仪器由7个单元组成，每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，亦可以同时使用。三、实验步骤及演示内容（一）操作程序1、接通电源，打开开关。关闭掺气阀，在最大流量下使显示面两侧水道充满水。2、用调节进气量旋纽调节进气量的大小。调节应缓慢，逐次进行，使之达到最佳显示效果（掺气量不宜太大，否则会阻断水流，或产生剧烈噪声）。（二）演示内容1、ZL1型（图二、1）用以显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩等平面上的流动图形，模拟串联管道纵剖面流谱。在逐渐扩散段可观察到由于边界层分离而产生旋涡。而在收缩段，由于不产生边界层分离现象，流线均

35、匀收缩，几乎没有旋涡产生，只在拐角处出现很小的旋涡。在突然扩大段出现了较大的旋涡区。由此可见，逐渐扩散段局部水头损失大于收缩段，而突然扩大段所产生的局部水头损失最大。2、ZL2型(图二、2)显示文丘里流量计、孔板流量计等流动图形和串联流道纵剖面上的流动图形。由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和旋涡产生。孔板流量计在孔板前的拐角处有小旋涡产生，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。由此可见，孔板流量计结构简单，水头损失较大，流量系数较小(=0.61左右)。文丘里流量计流动形态较好，水头损失较小，流量系数效大(=0.960.99)。3、ZL3型（图二、3）

36、显示30弯头、直角园弧弯头、直角弯头、45弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。图二 显示面过流示意图由显示可见，在每一转变化 后面，都因边界层分离而产生旋涡。转弯角度不同，旋涡大小、形状各异。在各圆弧转弯段，流线顺畅；该串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的流动图谱。在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。在此段上还可以看到射流的“附壁效应”现象。4、ZL4型(图二、4)显示30弯头、分流、合流、45弯头、YF溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。由流动显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，有不同的旋涡出现。合流旋涡较为典型，明显干扰主流，使主

37、流受阻；闸阀半开，尾部旋涡区较大，水头损失也大。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。该装置不但能获得较好的教学效果，而且还直接为改进阀门的性能提供了直观根据。5、ZL5型(图二、5)显示明槽逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图形。（1）驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小汽泡运动特性，可了解流速与压强沿圆周边的变化情况。（2）边界层分离现象：流动显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察到边界层分离点的位置及分离后的回流形态。（3）卡门涡街：圆柱的轴与水流方向垂直，在圆柱左右两个对称点上产。生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游的两侧产生旋转方向

38、相反旋涡，并随主流一起向下游运动，旋涡的强度逐渐减弱。（4）多圆柱绕流：观察水流经过多圆柱绕流所产生的旋涡，可以了解被广泛用于热工中的传热系统的“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等。由流谱图形可知，其换热效果较佳。6、ZL6型（图二、6）显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流和反流线体绕流等流段上的流谱。通过观察，可以看出以下几点：（1）非圆柱体绕流也会产生卡门涡街，与圆柱绕流不同的是，该涡街的频率具有较明显的随机性。改变绕流体结构可以破坏涡街固有频率，避免共振。（2）流线型柱体绕流流动顺畅，形体阻力最小。而反流线体绕流时也会出现卡门涡街。7、ZL-7型(图二、7)显示了一只“双稳放大射流阀

39、”流动原理。经喷嘴射出的射流(大信号)附于任何一面，若先附于左侧，射流经左通道后，向右出口输出；用旋转控制圆盘，使左气道与圆盘气孔相通时（通大气），因射流获得左侧的控制流(小信号)，射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时切断气流，射流稳定于通道不变。转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通，则射流再切换回来。因此，该装置既是个射流阀，又是个双稳射流控制元件。此原理在实际中应用非常广泛。8、演示结束后，及时关机，切断电源。四、注意事项1、开机后需等12分钟，使流道气体排净后再演示，否则，仪器不能正常工作。2、水泵不能在低速下长时间工作，更不允许在通电情况下（日光灯亮）长时间处于停转状态，只有日光灯

40、熄灭才是真正关机，否则水泵易烧坏。3、调速器旋钮的固定螺丝松动时，应及时拧紧，以防止内部电线短路。五、思考题1、旋涡强度的大小与能量损失有什么关系?边界层分离现象发生在什么区域?2、卡门涡街具有什么特性?对绕流有什么影响?你能指出实际问题中的卡门涡街现象吗?3、空化现象为什么常常发生在旋涡区?明槽水面曲线演示实验一、实验目的1、熟悉明槽恒定渐变流十二条水面曲线的变化规律；2、掌握明槽中典型建筑物上下游的水流衔接形式。二、实验原理矩形明槽恒定非均匀流水深沿程变化的微分方程为：式中，j是单位长度上的沿程水头损失，称水力坡度，、各代表上、下游两个断面相应水力要素的平均值。明槽恒定渐变流在不同底坡i时

41、，共有12条水面曲线，定性掌握其沿理变化的规律，是进一步计算水面曲线必不可少的基本前提。三、实验设备如图一所示的变坡玻璃水槽，全长6米，槽宽0.1米，可由下游的升降架（电动）来改变水槽的底坡，底坡i的大小可以由升降架附近的标尺直接读出。此外还配有自循系统，并可由转子流量计直接读出通过水槽的恒定流量。根据通过水槽的实验流量Q（由转子流量计读出），以及图二中Qhk的相应关系曲线可查出所对应的临界水深hk，从而可确定KK曲线。根据变坡水槽断面宽度b=0.1m和已知流量条件下的hk两个参数，代入，即可算出ik或直接由图二的hi相关曲线定出ik。从图二中可以看出，当水槽的实际流量Q从2.5l/s变到4.

42、0l/s时，ik的变化虽然很小，但也能随流量的增大而略有增加。四、操作步骤及演示内容在实际进行水面曲线演示时，可先将流量调到某一固定值，如Q=12.6m3/h（3.5l/s），从图二的Qhk相关曲线上看出，此时的hk正好为5cm（注意：5cm的临界水深线已记得画在水槽的边壁上了）。当已知水槽的流量和水槽的临界底坡ik后，再根据实际调定的水槽底坡所在的位置，也就不难确定水槽中的水面曲线属于何种类型了。下面具体介绍调定12条水面线的操作方法。1、接通电源，使管道泵投入运行，缓缓打开管道泵与转子流量计之间的控制闸阀，即可调定水槽的恒定流量Q=12.6m3/h（3.5l/s）。此时水槽的临界水深正好为

43、0.05m。2、调整水槽的实际底坡使得0iik，此时可在水槽的前段看到S2型降水曲线，如图三c所示。5、在第四步的基础上，关小尾门，即在水槽中可看到一个水跃，并随着尾门的关小，该水跃逐步往前移动。当水跃稳定不动时，即可在水槽中看到S1、S2两条水面曲线，如图三d所示。6、调整水槽的底坡，使得i=0，并关小平板阀门，使得其开度ehk，当水流稳定后，即可看到H2，H3两条水面曲线，如图三e所示。7、调整水槽的底坡，使得i0，并关小平板闸门，使得其开度ehk，即可看到A2、A3两条水面曲线，如图三f所示。8、调整水槽的底坡，使得i=ik，并关小平板闸门，使得其开度epa12p0pap0pa单位121

44、21厘米23456注：设A点在水箱水面下的深度h0A 厘米。流速量测（毕托管）实验一、目的要求1、通过本次实验，掌握基本的测速工具（毕托管）的性能和使用方法。2、绘制各垂线上的流速分布图，点绘断面上的等流速分布曲线，以加深对明槽水流流速分布的认识。3、根据实测的流速分布图，计算断面上的平均流速v和流量Q测，并与实验流量Q实相比较。二、仪器设备毕托管、比压计及水槽简图如下。毕托管测速示意图三、实验原理毕托管是由两根同心圆的小管所组成。A管通头部顶端小孔，B管与离头部顶端为3d的断面上的环形孔相通。环形孔与毕托管的圆柱表面垂直，因此它所测得的是水流的势能，在测压牌上所反映的水面差即为测点的流速水头

45、。为了提高量测的精度，将比压计斜放成角，若两测压管水面之间的读数差为，则有，从而可以求得测点的流速表达式：式中 C流速修正系数，对不同结构的毕托管，其值由率定得之。本实验使用的毕托管，经率定C=1。1、垂线流速分布图的画法，垂线平均流速的计算将所测得的同一垂线各点流速，按选定的比例尺画在坐标纸上。槽底的底流为零，水面的流速矢端为水面以下各点流速矢端向上顺延与水面相交的那一点。由水深线及各点流速矢端所围成的矢量图，即为垂线流速分布图。显然，流速分布图的面积除以水深h，就是垂线的平均流速。垂线平均流速：式中 垂线平均流速（cm/s）；w垂线流速分布图的面积（cm2）；h水深（cm）。2、断面平均流

46、速的计算断面平均流速：式中 v断面平均流速（cm/s）；第i根垂线上的平均流速（cm/s）；n垂线个数。量测断面垂线及测点布置图垂线流速分布图3、流量的计算实测的流量：式中 Q测实测流量（cm3/s）；v断面平均流速（cm/s）；A过水断面面积（cm）。实验流量：式中 Q实实验流量（cm3/s）；H水槽首部三角堰（90）上的水头（cm）。四、方法步骤1、打开水槽的进水阀门，调节尾门，将水深控制在20厘米左右。2、用测针测得水深h。如图所示，在断面上布置5条垂线，每条垂线布置5个测点。毕托管最高点宜在水面以下2厘米，最低点为毕托管的半径（0.4厘米），其余各点均布其中。3、按所布置的垂线及测点位

47、置逐步进行测量。例如：把毕托管首先放在第一条垂线上，即毕托管中心到槽边壁的距离（B/10）厘米。接着把毕托管放到槽底，同时测读固定毕托管测杆标尺上的读数，稍待稳定后，再测读比压计上的读数、，这就完成了第1个测点的工作。然后将毕托管依次提升，直至水面下2厘米那一点为止。其它各条垂线的测量方法同上述步骤一样，并把各条垂线各测点相应的距离和高度记录在垂线流速分布测点表中。4、将测得的数据进行分析、整理，并采用坐标纸按一定的比例：（a）点绘各垂线上的流速分布图。（b）点绘断面上各等流速点的分布曲线。5、分析比较实测流量与实验流量有何差别。五、注意事项1、测速之前，首先要对毕托管、比压计进行排气。排气方

48、法：从比压计三通管注入有一定压力的水流，使水和空气由毕托管喷出，冲水约3分钟左右将毕托管浸入防气盒静水中。然后打开三通管，在大气压强作用下比压计测管中的水面下降，待降不便于测读的位置时，用止水夹夹紧三通管。此时比压计两测管中的水面应该齐平，否则要重新冲水排气，直至两管水面齐平后方能进行测速工作。2、实验过程中，为防止进气，毕托管不得露出水面。实验结束后，将毕托管放入防气盒静水中，检查是否进气，若比压计两管水面不平，说明所测数据有误差，应重新冲水排气，重新施测。3、毕托管嘴必须正对流向。4、测读时，视线应垂直于比压计的倾斜面，读取弯液面的最低点读数，当测管中的水面上下脉动时，读取平均值。六、量测

49、与计算1、已知数据三角堰零点 厘米；三角堰堰上水位读数 厘米；三角堰堰上水头= 厘米；水槽宽度B=30（cm）。毕托管直径d=0.8（cm）。水压计倾斜角=30。重力加速度g=980（cm/s2）。2、实测数据与计算槽底测针读数 厘米；测针尖接触水面时的读数 厘米；测针量得水深h= 厘米。垂线流速分布测定表垂线编号测点编号毕托管测杆读数cm斜比压读数-cmcm测流流速ucm/s垂线平均流速cm/scmcm中垂线L=B/2123456水面注：表中L为垂线到槽边壁的距离。若要测多条垂线，请再续表。七、回答问题1、毕托管、比压计排气不净，为什么会影响量测精度？2、为什么必须将毕托管正对来流方向？如何

50、判断毕托管是否正对了流向？3、比压计安放位置的高低，是否影响量测数据？为什么？光电流速仪测速实验一、目的要求1、掌握光电流速仪的使用方法；2、点绘沿水深线上的流速分布图，计算沿水深线上的平均流速。二、仪器设备设备由计时器和测杆两部分组成，如图1、图2所示。图1 计时器图2 测杆（光电传感器）三、光电传感器的工作原理1、光电传感器亦称测杆，系由旋浆、导光纤维及光敏三极管和灯泡组成。旋浆直径10厘米，有四个对称的与轴线成45扭角的叶片，其中一片上贴有反光片，它的作用是将机械运动量通过光转换成电的脉冲讯号，其结构简图如图2所示。2、工作原理。光电传感器的光源（灯泡）由仪器供电。光线经聚光球聚焦后经导

51、光纤维射出。旋浆在水流的推动下旋转，旋浆每旋一周，反光片即反射光线一次。反射光线经导光纤维照射光敏三极管。光敏三极管每被反射光线照射一次，就输出一个电脉冲讯号。此脉冲讯号输入计数器进行计数。当水流速度u越大，旋浆的旋转角速度也越大，单位时间内产生电脉冲讯号的个数N也越多。一般地说，流速u和单位时间内产生电脉冲讯号的个数N具有一定的比例关系。若设仪器采样的时段为T，那么这种比例关系可表述为：式中：C旋浆的起动流速；K率定曲线的斜率。现代的光电流速仪，可将K值和C值进行预置，并且每当仪器得到一个计数脉冲时，流速仪内部就可进行一次除T和累加的运算，这样，在采样时段T内，仪器可自动进行N次除T和累加（倍乘）的计数运行，最后数码管停显时所显示的数据，即为T时段内传感器所测到的水流内某一点的时间平均流速。四、方法步骤1、打开水槽的进水阀，调节尾门开度，使水深控制在1520厘米左右。2、开机前应先检查电源开关，使开关处于断开状态，再把光电传感器的插头插入仪器后面的专用插座，然后将电源线引入电源插座。3、打开电源开关，电源指示灯亮，光电传感器上的光源灯和数码管同时亮；按下复零按钮，使计数器复零。4、时间选择开关一般打在10秒位置，这时如用口吹传感器旋浆，计数器将连续计数10秒钟后停止计数并显示计数总和。然后按复零计数停显复零的过程自动往复进行。检查仪器正常后，将测杆固定到所要施测的断面上去