水力学试验课件

水力学实验 卓士梅水力学实验 卓士梅1 1一、静水压强实验一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、实验目的 1 1、加深对水静力学基本方程物理意义的理解，验、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。水头为常数。2 2、学习利用、学习利用U U形管测量液体密度。形管测量液体密度。3 3、建立液体表面压强、建立液体表面压强 ，的概念，并观的概念，并观察真空现象。察真空现象。4 4、测定在静止液体内部、测定在静止液体内部A A、B B两点的压强值。两点的压强值。一、静水压强实验一、实验目的2 2一、静水压强实验二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、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、实验原理在重力作用下，水静力学基本方程为3 3一、静水压强实验二、实验原理二、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、静水压强实验二、实验原理为正压；为负压，负压可用真空4 4一、静水压强实验三、实验设备三、实验设备一、静水压强实验三、实验设备5 5一、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1、熟悉仪器，测记有关常数。6 6一、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、静水压强实验四、实验步骤3、关闭排气阀4、继续提高调压筒7 7一、静水压强实验四、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。一、静水压强实验四、实验步骤6、将调压筒降至某一高度。此时 8 8二、流线演示实验一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、实验目的 1 1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水水 流形态，以观察在不同边界条件下的流线、旋流形态，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。涡等，增强对流体运动特性的认识。2 2、应用流动演示仪演示水流绕过不同形状物体、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，增强的驻点、尾流、涡街现象及非自由射流等，增强感性认识。感性认识。二、流线演示实验一、实验目的9 9二、流线演示实验二、实验设备和仪器二、实验设备和仪器二、实验设备和仪器二、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。常用的有演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。及流动演示仪等。现以流动演示仪为例加以说明。现以流动演示仪为例加以说明。图图 2-1 2-1 为流动演示仪的示意图，该仪器用有机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。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。独立的装置，可以单独使用，亦可同时使用。二、流线演示实验二、实验设备和仪器1010二、流线演示实验图 2-1二、流线演示实验图 2-11111二、流线演示实验 三、实验步骤三、实验步骤三、实验步骤三、实验步骤 （一）操作程序（一）操作程序 1 1、接通电源，打开开关。、接通电源，打开开关。2 2、用调节进气量旋钮，调节气泡大小。、用调节进气量旋钮，调节气泡大小。（二）演示内容（二）演示内容 型：型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装置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、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。边界层分离状态分离状况及卡门涡街现象。驻点：驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运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动特性，可了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。况。二、流线演示实验 三、实验步骤1212二、流线演示实验 边界层分离：边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分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离现象，可观察边界层分离点的位置及分离后的回流形态。回流形态。卡门涡街：卡门涡街：即圆珠柱的轴与水流方向垂直，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，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。并流向下游。二、流线演示实验 边界层分离：流线显示了圆柱绕流边1313二、流线演示实验 型：型：显示桥墩、机翼绕流的流线。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。绕过机翼时的运动状态。型：型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板（或丁坝）纵剖面上的流线图像。（或丁坝）纵剖面上的流线图像。1 1、在逐渐收缩段，流线均匀收缩，无旋涡产、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生；在逐渐扩散段可看到边界层层分离而产生明显的漩涡。显的漩涡。二、流线演示实验 型：显示桥墩、机翼绕流的流线。1414二、流线演示实验 2 2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的、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后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。涡回流区。型：型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管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。道纵剖面上的流线图像。1 1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。2 2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。3 3、在直角转变处，流线弯曲，越靠近弯道内、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，回流区范侧流速越小，由于水流通道很不畅顺，回流区范围较广。围较广。二、流线演示实验 2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集1515二、流线演示实验 思考题思考题 1 1、旋涡区与水流能量损失有什么关系？、旋涡区与水流能量损失有什么关系？2 2、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？3 3、卡门涡街具有什么特征？对绕流物体有、卡门涡街具有什么特征？对绕流物体有什么影响？什么影响？二、流线演示实验 思考题1616三、能量(伯努利)方程实验 一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、实验目的 1 1、观察恒定流的情况下，当管道断面发生改、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、动能的沿程转变时水流的位置势能、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化规律，加深理解能量方程的物理意义及几何意义。义。2 2、观察均匀流、渐变流断面及其水流特征。、观察均匀流、渐变流断面及其水流特征。3 3、掌握急变流断面压强分布规律。、掌握急变流断面压强分布规律。4 4、测定管道的测压管水头和总水头值，并绘、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。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 一、实验目的1717三、能量(伯努利)方程实验二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、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)方程实验二、实验原理 实际液体1818三、能量(伯努利)方程实验三、实验设备三、实验设备三、实验设备三、实验设备三、能量(伯努利)方程实验三、实验设备1919三、能量(伯努利)方程实验四、实验步骤四、实验步骤四、实验步骤四、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)方程实验四、实验步骤1、分辩测压管与毕托管2020三、能量(伯努利)方程实验五、注意事项五、注意事项五、注意事项五、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。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2121四、动量方程实验一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、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，分析原因，加深对动量方程的理解。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2222四、动量方程实验二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、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 应用力矩平衡原理如图2323四、动量方程实验二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、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、动量方程实验二、实验原理恒定总流的动量方程为，若令=12424四、动量方程实验三、实验设备三、实验设备三、实验设备三、实验设备四、动量方程实验三、实验设备2525四、动量方程实验四、实验步骤四、实验步骤四、实验步骤四、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 1、测记有关常数；2626四、动量方程实验四、实验步骤四、实验步骤四、实验步骤四、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、动量方程实验四、实验步骤 4、用体积法测量流量用以计2727四、动量方程实验五、注意事项五、注意事项五、注意事项五、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。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2828五、雷诺实验一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、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、雷诺实验一、实验目的1、观察层流和紊流的流动特征及转变情2929五、雷诺实验二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、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。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3030五、雷诺实验二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、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、实验原理层流与紊流的沿程水头损失规律不一样。3131五、雷诺实验二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、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、雷诺实验二、实验原理当管径不变时，取，得（）值由压差计3232五、雷诺实验三、实验设备三、实验设备五、雷诺实验三、实验设备3333五、雷诺实验四、实验步骤四、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着色的流线时，此时即为紊流流态。五、雷诺实验四、实验步骤 1.观察流动状态3434五、雷诺实验四、实验步骤四、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2.测定的关系及临界雷诺数 3535五、雷诺实验四、实验步骤四、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、雷诺实验四、实验步骤4)流量用尾阀调节，共做10 13636五、雷诺实验思考题思考题 1 1要使注入的颜色水能确切反映水流状态，应要使注入的颜色水能确切反映水流状态，应注意什么问题注意什么问题?2 2如果压差计用倾斜管安装，压差计的读数差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是不是沿程水头损失值?管内用什么性质的液体比管内用什么性质的液体比较好较好?其读数怎样换算为实际压强差值其读数怎样换算为实际压强差值?3 3为什么上、下临界雷诺数值会有差别为什么上、下临界雷诺数值会有差别?4 4为什么不用临界流速来判别层流和紊流为什么不用临界流速来判别层流和紊流?五、雷诺实验思考题3737