静水力学实验

静水力学实验仪器说明与教学指导一、实验装置1. 仪器装置简图图一 流体静力学实验装置图C1.测压管5. U型测压管9,油柱4.真空测压管8,截止阀2,带标尺测压管6,通气阀10.水柱3.连通管7,加压打气球11.减压放水阀说明：(1) 所有测管液面标高均以标尺(测压管2)零读数为基准；(2) 仪器铭牌所注0B、VC、Vd系测点B、C、D标高，若同时取标尺 零点作为静力学基本方程的基准，则vb、vc、vd亦为zb、zc、zd；(3) 本仪器中所有阀门旋柄均以顺管轴线为开。2, 功能(1) 用于训练测压管测量流体静压强的基本技能；(2) 验证不可压缩流体静力学基本方程；(3) 可供分析研究马利奥特容器的变液位下恒定流实验及其他十余 项定性、定量实验。3. 技术特性(1) 为台式装置实验仪，由透明有机玻璃精制的静压水箱、加气增压 和放水减压装置以及用透明有机玻璃管特制的单管式测压管、U型测压 管、倒虹吸真空度测压管和连通管等组成；(2) 设有一带刻度标尺的测压管，可供各项定量实验的测量，示值精 度 0.1cm，(3 )设有为强化负压实验直观效果而设计的真空度演示装置；(4) 不需外接电源；(5) 实验仪专用实验台：长X宽=150cmX55cm。二、安装使用说明1. 安装 仪器拆箱以后，按图检查各个部件是否完好。先熟悉各部 件，再按装置图所示，将有机玻璃管、打气球等各部件安装好，并在放 水减压阀下面放一 800ml烧杯。2. 注水、注油 打开加水橡皮塞往水箱内注水，水质要好，最好为 蒸馏水，使水箱内液面界于A、B两点之间。在5#U型管中加满蒸馏水， 再加入待测容重的油约20cm高左右。待测容重的油可选用缝纫机油等。 在箱顶的方盒中，加适量红色蒸馏水，一般液面低于盒子顶口 12cm。3. 密封检查加压后检查水箱是否渗水及测管1、2、5液面高程是 否恒定，若测管液面下降，表明漏气，可用肥皂水检查泄漏处，并作密 封处理。4. 清洗 本实验仪久置后，水中污垢粘附于内表，需清洗。清洗时， 需拆下仪器底盖，待清洗干净后，重新取一块橡皮垫，涂上凡士林，粘 贴在底板上，再装好底盖。5. 日常保养(a) 仪器使用时间久后，橡皮管老化，可能导致实验仪漏气、渗水，需更换橡皮套管。更换时切勿硬拔，宜剪断后再拆换；(b) 仪器切勿置于阳光照射之下；(c) 若阀座处漏气、渗水时，可将阀门取下，重新包裹生料带后装 上即可；若阀门旋塞处渗漏，应取下旋塞加抹黄油，装上即可；(d) 未使用时，加防尘罩，以防尘埃进入。6. 维修若仪器密封性能不好，需检查维修。检查：在各阀关闭状态下，打气加压，然后用肥皂水涂抹各可能漏 气处，即可查出漏气点。维修：如有机玻璃脱胶或裂损，可用氯仿粘补，其他参考5(a)、(c) 两点。三、教学指导1.设计思想实验的目的，一是配合理论课教学，帮助理解掌握教学知识；二是 培养学生分析、解决问题的能力和动手操作的能力。后一点随着教育改 革的深入已更受注重了。静水力学实验仪的设计，是在深入分析静水力学基本概念、基本方 程、基本应用和基本量测等知识结构基础上进行的，尽量把知识性、分 析性融汇一体。把仪器作为载体，充分扩大知识信息量，努力让学生在 进入流体力学与水力学的第一堂实验课一一静水力学实验课时， 就能获得一次“什么是能力培养”的高品位实验体现。本实验涉及的知识内容；(1) 具体概念主要有：绝对压强、相对压强、真空、测压管位置水 头、压强水头、测管水头、测压管水头线、等压面等；(2) 基本方程Z + = const(1)Yp = p 0+ y h(2)为了验证方程(1)，本实验仪在同一箱体内的任意二点C、D处各设 一测压点，并和连通测压管相连；为了验证方程(2)，本仪器设有可测量0的测管4、标尺管2和连通管3；(3) 基本应用为灵活应用测压管，在本仪器中，设计有马利奥特变液位下恒定流 装置和油库内液面高度检测器装置。而这其中的部分内容，曾作为硕士 研究生入学试题；(4) 基本测量为便于加压，设置了加压打气球；为减压而设置了通气阀6和放水 阀11；为显示真空，设置了测压管4及小水杯；为测点压强设置了带刻 度测压管2。为培养学生的实验综合测量分析能力，还特意设置了盛有油、水的 U型管，要求在给定条件下分别实验测量，并建立联立方程求解，从而 大大地加强了训练力度。鉴于以上设计思路，我们设计并研制出了这套全有机玻璃的、功能 较齐全的静水力学实验装置。经过多年来的不断完善和改进，现已在国 内外推广使用，并能完全满足上述教学要求。2. 实验原理图二图三在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程pZ + = const(1)y或p = p 0 + y h(2)式中：Z被测点在基准面的相对位置高度;p 被测点的静水压强(用相对压强表示，以下同)；p0 水箱中液面的表面压强；丫液体容重；h 被测点的液体深度。另对装有水、油(如图二及图三)U型测管，应用等压面可得油的比 重s0有下列关系Y h-七=广=hthw 12据此可用仪器(不另用尺子)直接测得s0。3. 实验内容定量测量实验另见实验报告解答，以下介绍主要的定性分析实 验。(1) 判别测压管和连通管。按定义，凡具有自由液面的连通管都是测压管，即1、2、4、5都是 测压管，当通气阀关闭时，3管无自由液面是连通管。(2) 判别测压管高度、压强水头、测压管水头和位置水头。例如对测点C而言，若基准面选在D点所在的水平面上，那么测管 2的液面到C点的垂直距离即为C点的测压管高度，也就是C点的压强 水头(pjY)； C点到D点的垂直高度即为C点的位置水头(ZC)；测管液面 到基准面的垂直高度即为C点的测压管水头(ZC+pC/Y)。(3) 观察测管水头线。测压管液面的连线就是测压管水头线。打开通气阀，1、2、3均为 测压管，从这三管液面的连线可以看出，对于同一静止液体，测管水头 线是一根水平线。(4) 观察正压现象和真空现象。关闭通气阀和4管上的截止阀，捏动打气球对箱体内加压，这时测 压管液面高于水箱液面，箱体内p00。打开放水阀减低箱内压强，使测 管液面低于水箱液面，这时箱体内p00,再打开截止阀，在大气压力作 用下，4管中的液面就会升到一定高度，说明箱体内出现了真空。(5) 验证静水力学基本方程。先选定一个任意的水平面作为基准面，由于C、D两点是水箱水体中的任意两点，由观察可知，C、D两点测压管的液面是水平面，又由 于任意改变箱体内的压强，结果仍相同，因此有Z。+ 7 = Z。+ 十= cost(6) 利用测压管测定点压强。若要测定C点的压强，已知水的容重，C点的标尺读数和C点测压 管液面的标尺读数，根据p = P0 + yH，即可测出C点的压强水头。(7) 判别等压面。关闭通气阀门，打开截止阀，稍加压，使pjy为2cm左右，判别 下列几个平面是不是等压面；a. 过C点作一水平面，相对1、2、5管及水箱中液体而言，这个水 平面是不是等压面？b. 过5管中的油水分界面作一水平面，对U型管中液体而言，这个 水平面是不是等压面？c. 过4管中的液面作一水平面，对4管中液体和方盒中液体而言， 该水平面是不是等压强？根据等压面4个判别条件：静止、连通、均质、同一水平面。可判 定上述b、c是等压面。在a中，相对1、2管及水箱中液体而言，它是 等压面，但相对管中的水或油来讲，它都不是同一等压面。(8) 测定箱体内空气的真空度。先利用标尺读出水箱液面的标尺读数0,再利用减压放水阀放掉一 点水，使水箱内产生真空。要测定其真空度，只要读出测管读数V即 有 h 真V0-VA(9) 确定箱体内的真空区域。当测管液面低于水箱液面时，说明箱体内出现了真空，它的真空区 域除了箱内空腔外，还包括部分水体。真空区域的划定可通过测管液面 作一个等于大气压强的等压面，水箱内在这个等压面以上的水体和气体 的压强均小于大气压强，也就是说，该等压面以上均为真空区域。在U型管中充水的一侧也有一个真空区域，其分界面位置必位于油 表面以下某一高度。(10)测定油的容重。可用二种方法来测定，最简单的是另备一根直尺，只要打开通气阀， 使po=o,量出油柱高度和油水交界面以上的水柱高度，便可求得七由。另一种方法是只用仪器本身的标尺管，按上述“实验原理”中所提 方法，测出y油。(11) 观察变水位下的恒定流现象。关闭各通气阀门，打开放水阀放水，稍候，可看到气体从C孔进入 水箱。这时，由于水箱中水位不断下降，对通过阀门的出流现象往往容 易误认为是非恒定流。但实际上这是一股恒定水流。因为测压管1的液 面始终在C点的水平面上，说明作用于阀门前的总水头没有变化，这是 由于空气的充入改变了箱体内空腔的真空度，使等于大气压强的等压面 的位置高度维持不变。医学上的点滴注射就是其中一例，称马利奥特容 器。当箱内液面降到C点高度以下，这股水流就变成了非恒定流。(12) 观察箱体内真空度变化。变水位下恒定流时，4管中的液柱就是箱体内液面的真空高度，随 着水箱内液面的下降，4管中的液柱高也会随着下降。但短时间内很难 看出4管中液柱的这一变化规律，可让学生观察分析判定。(13) 油库内液面高度检测器原理。在清华大学编80年版水力学中，习题1-12所示的油库内油面 高度检测器，可利用本实验仪作演示。打气加压，使箱内的空气充满4管。这时测压管2中高出水箱液面 的液柱高度为龙，即可得知小水杯(相当于油箱)中的液位高度，如果小 水杯内装的是水，那么此h即为测管4插入小水杯中的深度。4. 成果分析(1)测压管太细，对测压管液面读数造成的影响。设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造 成测量误差，毛细高度由下式计算4b c o 8 h =dy式中，b为表面张力系数；y为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛 细升高。常温(t=20C)的水，b=7.28dyn/mm，y=0.98dyn/mm3。水与玻璃的浸润角。很小，可认为cos0=1.0o于是有h = 挡(h、d单位均为mm)d一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可略而不 计。另外，当水质不洁时，b减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机 玻璃管作测压管时，浸润角。较大，其h较普通玻璃管小。如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。 因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。(2)该仪器在加气增压后，水箱液面将下降5而测压管液面将升高H， 实验时，若以po=0时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后， 实际压强(H+5)与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为 0.8cm，箱体内径为20cm。加压后，水箱液面比基准面下降了5,而同时测压管1、2的液面各 比基准面升高了丑，由水量平衡原理得- 兀兀D 22 x d 2 H =425万本实验仪 d=0.8cm，D = 20cm故 5 / H=0.0032于是相对误差8有5 以 .0032 = 0.0032H + 5 - H 5H + 5 H + 51 + 5 / H 1 + 0.00328 =因而可略去不计。其实，对单根测压管的容器若有D/d10或对两根测压管的容器D/d7 时，便可使80.01o注：为了充分利用现代化教学手段，提高实验教学质量，本室开发了该 实验CAI计算机虚拟仿真软件和数据处理软件，可随仪器配购，以上软 件说明请参考相关资料。