水力学实验指导书

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（即z2、学习利用U形管测量液体密度。

3、建立液体表面压强p0pa，p0pa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。

pC）。 g二、实验原理

在重力作用下，水静力学基本方程为：

zpC g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z与项之和为常数。

重力作用下，液体中任何一点静止水压强

pp0gh，

p0为液体表面压强。

p两gp0pa为正压；p0pa为负压，负压可用真空压强pv或真空高度hv表示：

pvpapabs hvpv g重力作用下，静止均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。

三、实验设备

在一全透明密封有机玻璃箱内注入适量的水，并由一乳胶管将水箱与一可升降的调压筒相连。水箱顶部装有排气孔k1，可与大气相通，用以控制容器内液体表面压强。若在U形管压差计所装液体为油，油水，通过升降调压筒可调节水箱内液体的表面压强，如图1-1所示。

测压板K2调压筒KK3A123456油密闭水箱B 图 1—1

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k1，使水箱内的液面与大气相通，此时液面压强p0pa。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。

3、关闭排气阀k1，将调压阀升至某一高度。此时水箱内的液面压强p0pa。观察各测压管的液面高度变化并测记液面标高。

4、继续提高调压筒，再做两次。

5、打开排气阀k1，使之与大气相通，待液面稳定后再关闭k1（此时不要移动调压筒）。

6、将调压筒降至某一高度。此时p0pa。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k1，实验结束。

五、注意事项

1、升降调压筒时，应轻拉轻放，每次调压高度不宜过大。

2、在测记测压管液面标高时，一定要待液面稳定后再测读数。若p0未变而测压管水面持续变化时，则表明阀门漏气，应采取修复措施。

六、思考题

1、什么情况下3、4两根测压管的高度相同？ 2、液面标高43与65相等吗？为什么？ 3、调压筒的升降为什么能改变容器的液面压强p0？ 4、实验时，密封容器内的水面能不能低于A点，为什么？

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，增强对这些现象的感性认识。

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。

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 Ⅰ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。

1、驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可

图 2-1

了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。

2、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。

3、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。

Ⅱ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。

Ⅲ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。

2、在孔板前，流线逐渐收缩，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。

Ⅳ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。

四、注意事项

此处注意调节进气阀的进气量，使气泡大小适中，流动演示更清晰。

五、思考题

1、旋涡区与水流能量损失有什么关系？ 2、指出演示设备中的急变流区。

3、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？

4、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、压强势能、动能的沿程转化规律，加深对能量方程的物理意义及几何意义的理解。

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。

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：

2p11v12p22v2z1z2hw

g2gg2g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。

对于均匀流和渐变流断面，其压强分布符合静水压强分布规律：

zpC或pp0gh g但不同断面的C值不同。

图 3—1

对于急变流，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：

上凸曲面边界上的急变流断面如图 3—1(a),离心力与重力方向相反，所以

p动p静。

下凹曲面边界上的急变流断面如图 3—1(b),离心力与重力方向相同，所以

p动p静。

三、实验设备

实验设备及各部分名称如图3—2所示。

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。 3、关闭尾阀k，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k，量测测压管及毕托管水头。 5、观察急变流断面A和B处的压强分布规律。 6、本实验共做三次。

五、实验要求及注意事项

1、在管流流量Q固定不变的情况下，观察管段内流体在不同位置的测压管水头线；

2、在某一级稳定流情况下，测定沿流各过水断面的平均位置高度z、测压

v2p管高度、流速水头及总水头H值。

2gg3、尾阀k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。

4、流速较大时，测压管水面有脉动现象，读数要读取均值。

六、思考题

1、实验中哪个测压管水面下降最大？为什么？ 2、毕托管中的水面高度能否低于测压管中的水面高度？ 3、在逐渐扩大的管路中，测压管水头线是怎样变化的？

四、动量方程实验

一、实验目的

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，加深对动量方程的理解。

二、实验原理

应用力矩平衡原理如图 4-1，求射流对平面和曲面板的作用力。 力矩平衡方程：

FLGL1，FGL1 L式中：F—射流作用力；L—作用力力臂；

G—砝码重量；L1—砝码力臂。 恒定总流的动量方程为

FQ(v

221v1)，若令2=1=1，且只

图 4-1

考虑其中水平方向作用力，则可求得射流对平面板和曲面板的作用力公式为：

FQv(1cos)

式中：Q—管嘴的流量；v—管嘴的流速；—射流射向平面或曲面板后的偏转角度。

90时，F平Qv F平—水流对平面板的冲击力； 135时，FQv(1cos135)1.707Qv1.707F平 180时，FQv(1cos180)2Qv2F平

三、实验设备

实验设备及各部分名称见图4—1。

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L1。

4、用体积法测量流量Q用以计算F理； 5、重复上述步骤一次；

6、将平面板更换为曲面板（135及180）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，砝码从杠杆上取下，实验结束。

五、注意事项及要求

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。

六、思考题

1、F实与F理有差异，除实验误差外还有什么原因？ 2、流量很大与很小时，各对实验精度有什么影响？ 3、实验中，平衡锤产生的力矩没有加以考虑，为什么？

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，以加深对层流、紊流形态的感性认识。

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。 3、绘制水头损失hf和断面平均流速的对数关系曲线，并计算图中的斜率m和临界雷诺数Rec。

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杂的运动，这种形态的液体流动称为紊流。

层流与紊流的沿程水头损失规律不一样，根据试验，水头损失与断面平均

流速之间的关系式用hfkvm表示，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，即hfv1.0；而在紊流状态时，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，即hfv1.750～02.0。

每大实验设备的管径一定，当水箱水位保持不变时，管内即产生恒定流，沿程水头损失hf与断面平均流速v的关系可由能量方程导出：

2p11v12p22v2z1z2hf

g2gg2g当管径不变时，v1v2，取121.0， 所以 hf(z1（h）值由压差计读取。

在圆管流动中采用雷蔚为大观数来判别流态：

Revdp1p)(z22)h。 gg4Q4 kQ；kdd式中：k—系数；—水流的运动粘滞系数；d—圆管直径；Q—流量

当ReRec（下临界雷诺数）时为层流状态，Rec2320；

当ReRe'c（上临界雷诺数）时为层流状态，Re'c在4000～12000之间。

三、实验设备

实验设备及相应部分的名称见图5-1所示

图5—1 雷诺实验仪

四、实验步骤

1. 观察流动状态

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有以指示剂着色的流线时，此时即为紊流流态。

2. 测定hf～v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，测定每次的流量、水温和试验段的水头损失(即压差)。流量Q用体积法测量。用量筒量测水的体积V，用秒表计时间T。流量

QVQ。相应的断面平均流速v。 TA4) 流量用尾阀调节，共做10～15次。当Re<2500时，为精确起见，每

次压差减小值只能为3～5mm。

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Revd。

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。

五、注意事项

1．在整个试验过程中，要特别注意保持水箱内的水头稳定。每变动一次阀门开度，均待水头稳定后再量测流量和水头损失。

2．在流动形态转变点附近，流量变化的间隔要小些，使测点多些以便准确测定临界雷诺数。

3．在层流流态时，由于流速v较小，所以水头损失hf值也较小，应耐心、细致地多测几次。同时注意不要碰撞设备并保持实验环境的安静，以减少扰动。

六、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hf值?管内用什么性质的液体比较好?其读数怎样进行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?

六、管道沿程水头损失实验

一、实验目的

1、掌握测定管道沿程水头损失系数的方法； 2、绘制沿程水头损失与雷诺数Re的对数关系曲线。

二、实验原理

对通过一等直径管道中的恒定水流，在任意两过水断面1—1、2—2上写能量方程，可得

hf(z1p1/g)(z2p2/g)

同时，我们知道沿程水头损失的表达式：

lv2hf

d2g则沿程水头损失系数为

hf(z1p1/g)(z2p2/g) 22lvlvd2gd2gsd一般可认为与相对粗糙度

及雷诺数Re有关。即f(sd,Re)。

三、实验设备

实验设备及部分名称如图 6—1所示。

四、实验步骤

1、熟悉实验设备，记录有关常数。

2、启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。 3、检查尾阀K全关时，压差计的液面是否齐平，苦不平，则需要排气调平。 4、调节尾阀K，使流量在压差计量程内达到最大，待水流稳定后记录压差计读数，水温和量测其流量，流量用体积法量测。

5、逐渐关闭尾阀K，依次减少流量，量测各次流量和相应的压差值。共做10~15次。

6、用温度计测记本次实验的水温t。并查得相应的值，从而可计算出相