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1、水力学实验,卓士梅,一、静水压强实验,一、实验目的 1、加深对水静力学基本方程物理意义的理解，验 证静止液体中，不同点对于同一基准面的测压管水头为常数。 2、学习利用U形管测量液体密度。 3、建立液体表面压强 ， 的概念，并观察真空现象。 4、测定在静止液体内部A、B两点的压强值。,一、静水压强实验,二、实验原理,在重力作用下，水静力学基本方程为：,它表明：当质量力仅为重力时，静止液体内部任意点对同一基准面的 与 两项之和为常数。,重力作用下，液体中任何一点静止水压强,为液体表面压强。,一、静水压强实验,二、实验原理,为正压；,为负压，,负压可用真空压强,或真空高度,表示：,重力作用下，静止均
2、质液体中的等压面是水平面。利用互相连通的同一种液体的等压面原理，可求出待求液体的密度。,一、静水压强实验,三、实验设备,一、静水压强实验,四、实验步骤,1、熟悉仪器，测记有关常数。 2、将调压筒旋转到适当高度，打开排气阀,，使水箱内的液面与大气相通，此时液面压强 。待水面稳定后，观察各U形压差计的液面位置，以验证等压面原理。,一、静水压强实验,四、实验步骤,3、关闭排气阀,4、继续提高调压筒，再做两次。,，将调压阀升至某一高度。,此时水箱内的液面压强,。观察各测压,管的液面高度变化并测记液面标高。,5、打开排气阀,，使之与大气相通，,稳定后再关闭,（此时不要移动调压筒）。,待液面,一、静水压强
3、实验,四、实验步骤,6、将调压筒降至某一高度。此时,。,观察各测压管的液面高度变化，并测记 标高，重复两次。,7、将调压筒升至适当位置，打开排气阀,，实验结束。,二、流线演示实验,一、实验目的 1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水 流形态，以观察在不同边界条件下的流线、旋涡等，增强对流体运动特性的认识。 2、应用流动演示仪演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象及非自由射流等，增强感性认识。,二、流线演示实验,二、实验设备和仪器 流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。而通过各种演示设备就可以演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。现以流动演
4、示仪为例加以说明。 图 2-1 为流动演示仪的示意图，该仪器用有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示不同边界条件下的多种水流现象，并显示相应的流线。整个仪器有不同的单元组成。每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，亦可同时使用。,二、流线演示实验,图 2-1,二、流线演示实验,三、实验步骤 （一）操作程序 1、接通电源，打开开关。 2、用调节进气量旋钮，调节气泡大小。 （二）演示内容 型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装置 能十分清楚地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状态分离状况及卡门涡街现象。 驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。,
5、二、流线演示实验,边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离点的位置及分离后的回流形态。 卡门涡街：即圆珠柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游两侧产生旋转方向相反的旋涡，并流向下游。,二、流线演示实验,型：显示桥墩、机翼绕流的流线。 该桥墩为圆珠笔头方尾的绕流体。水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡街，并可观察水流绕过机翼时的运动状态。 型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板（或丁坝）纵剖面上的流线图像。 1、在逐渐收缩段，流线均匀收缩，无旋涡产生；在逐渐扩散段可看到边界层层分离而产生明显的漩涡。,二、流线演示实验,2、在孔板前，流线
6、逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有一小旋涡出现；孔板后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。 型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。 1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。 2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。 3、在直角转变处，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于水流通道很不畅顺，回流区范围较广。,二、流线演示实验,思考题 1、旋涡区与水流能量损失有什么关系？ 2、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？ 3、卡门涡街具有什么特征？对绕流物体有什么影响？,三、能量(伯努利)方程实验,一、实验目的 1、观察恒定流的情况下，当管道断面发生改变时水流的位置势能、
7、压强势能、动能的沿程转化规律，加深理解能量方程的物理意义及几何意义。 2、观察均匀流、渐变流断面及其水流特征。 3、掌握急变流断面压强分布规律。 4、测定管道的测压管水头和总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水头线。,三、能量(伯努利)方程实验,二、实验原理,实际液体在有压管道中作恒定流动时，其能量 方程如下：,它表明：液体在流动的过程中，液体的各种机械能（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少。,三、能量(伯努利)方程实验,三、实验设备,三、能量(伯
8、努利)方程实验,四、实验步骤,1、分辩测压管与毕托管检查橡胶管接头是否接紧。 2、启动抽水机，打开进水阀，使水箱充水并保持 溢流，使水位恒定。,体积法测流量。 5、观察急变流断面A和B处的压强分布规律。,3、关闭尾阀,，检查测压管和毕托管的液面是否,齐平。若不平，则需要检查管路中是否存在气泡 并排出。,4、打开尾阀,，量测测压管及毕托管水头，并用,三、能量(伯努利)方程实验,五、注意事项,1、尾阀,开启一定要缓慢，并注意测压管中的,水位的变化，不要使测压管水面下降太多，以免空气倒吸入管路系统，影响实验进行。 2、流速较大时，测压管水面有脉动现象，读数要读取均值。,四、动量方程实验,一、实验目的
9、,1、测定管嘴喷射水流对平板或曲面板所施加的冲击力。 2、将测出的冲击力与动量方程计算出的冲击力进行比较，分析原因，加深对动量方程的理解。,四、动量方程实验,二、实验原理,应用力矩平衡原理如图所示，求射流对平面和 曲面板的作用力。,力矩平衡方程：,式中：, 射流作用力；, 作用力力臂；, 砝码重量；, 砝码力臂。,四、动量方程实验,二、实验原理,恒定总流的动量方程为,，若令,=1，,=,且只考虑其中水平方向作用力，,对平面板和曲面板的作用力公式为：,则射流,式中：,管嘴的流量；,管嘴的流速；,射流射向平面或曲面板后的偏转角度。,时，,水流对平面板的冲击力；,时，,时，,四、动量方程实验,三、实
10、验设备,四、动量方程实验,四、实验步骤,1、测记有关常数； 2、安装平面板，调节平衡锤位置，使杠杆处于水平状态； 3、启动抽水机，使水箱充满水并保持溢流。此时，水流从管嘴射出，冲击平板中心，标尺倾斜。加砝码并调节砝码位置，使杠杆处于水平状态，达到力矩平衡。记录砝码质量和力臂 。,四、动量方程实验,四、实验步骤,4、用体积法测量流量,用以计算,5、重复上述步骤一次； 6、将平面板更换为曲面板（,又可实测和计算不同流量的作用力； 7、关闭抽水机，将水箱中的水排空，砝码从 杠杆上,；,及,），,取下，实验结束。,四、动量方程实验,五、注意事项,1、量测流量后，量筒内的水必须倒进接水器，以保证水箱循环
11、水充足； 2、测流量时，计时与量筒接水与离开均需要同步进行，以减小流量的量测误差； 3、测流量一般测取两次，取平均值，以消除误差。,五、雷诺实验,一、实验目的,1、观察层流和紊流的流动特征及转变情况，增强感性认识。 2、测定层流和紊流两种流态的水头损失与断面平均流速之间的关系。,和临界雷诺数,3、绘制水头损失,和断面平均流速的对数关系,曲线，并计算图中的斜率,。,五、雷诺实验,二、实验原理,同一种液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体在运行中有两种不同的流态。当流速较小时，管中水流的全部质点以平行而不互相混杂的方式分层流动，这种形态的游体流动称为层流。当流速较大时，管中水流各质点间发生相互混
12、杂的运动，这种形态的液体流动称为紊流。,五、雷诺实验,二、实验原理,层流与紊流的沿程水头损失规律不一样。,层流状态时，沿程水头损失大小与断面平均流速 的1 次方成正比；,紊流状态时，沿程水头损失大小与断面平均流速 的1.75 2.00 次方成正比。,沿程水头损失,与断面平均流速,能量方程导出：,的关系可由,五、雷诺实验,二、实验原理,当管径不变时，,，取,，得,（,）值由压差计读取。,在圆管流动中采用雷诺数来判别流态：,当,（下临界雷诺数）时为层流状态，,；,（上临界雷诺数）时为紊流状态，,当,在400012000,之间,。,五、雷诺实验,三、实验设备,五、雷诺实验,四、实验步骤,1. 观察流
13、动状态 将进水管打开使水箱充满水，并保持溢流状态；然后用尾阀调节流量，将阀门以极慢速打开，待水流稳定后，注入有色指示剂。当有色指示剂在试验管中呈现一条稳定而且明显的流线时，管内即为层流流态。随后渐渐开大尾阀门，增大流量，这时有色指示剂开始颤动、弯曲，并逐渐扩散，当扩散至全管，水流紊乱到已看不清着色的流线时，此时即为紊流流态。,五、雷诺实验,四、实验步骤,2.测定,的关系及临界雷诺数,1) 熟悉仪器，测记有关常数。 2) 检查尾阀全关时，压差计液面是否齐平，若不平，则需排气调平。 3)将尾部阀门开至最大，然后逐步关小阀门，使管内流量逐步减少；每改变一次流量，均待水流平稳后，测定流量、水温和试验段的水头损失(即压差)。流量Q用体积法测量。,五、雷诺实验,四、实验步骤,4)流量用尾阀调节，共做10 15次。当,5)用温度计量测当日的水温，由此可查得运动粘 滞系数 ，从而计算雷诺数 。,6)相反，将调节阀由小逐步开大，管内流速慢慢 加大，重复上述步骤。,时，每次压差减小值只能为3 5mm。, 2500,五、雷诺实验,思考题 1要使注入的颜色水能确切反映水流状态，应注意什么问题? 2如果压差计用倾斜管安装，压差计的读数差是不是沿程水头损失值?管内用什么性质的液体比较好?其读数怎样换算为实际压强差值? 3为什么上、下临界雷诺数值会有差别? 4为什么不用临界流速来判别层流和紊流?,
