《流體力學綜合實驗》指示書(2014年版)

1、流體力學綜合實 驗 指 示 書向文英 江岸城市建設與環(huán)境工程學院二O一四年十一月目 錄實驗一 流體靜力學實驗實驗二 不可壓縮恒定流能量方程實驗實驗三 文丘里流量系數校正實驗實驗四 不可壓縮恒定流動量方程實驗五 沿程水頭損失實驗實驗六 局部水頭損失實驗實驗七 孔口與管嘴出流實驗實驗八 雷諾與滲流實驗實驗九 水面曲線與流動現象演示實驗實驗十 明渠流動與堰流實驗實驗一 流體靜力學實驗1、 實驗目的 1、驗證靜力學的基本方程；2、學會使用測壓管與差壓計的量測技能；3、理解絕對壓強與相對壓強及毛細管現象；4、靈活應用靜力學的基本知識進行實際工程量測。二、實驗原理1、重力作用下不可壓縮流體靜力學基本方程：

2、 2、靜壓強分布規(guī)律： 式中：z被測點相對于基準面的位置高度； p被測點的靜水壓強，用相對壓強表示，以下同； p0水箱中液面壓強； 液體容重； h被測點在液體中的淹沒深度。3、等壓面原理：對于連續(xù)的同種介質，流體處于靜止狀態(tài)時，水平面即等壓面。三、實驗儀器設備實驗儀器：流體靜力學實驗儀儀器元件：測壓管、U型測壓管、打氣球、通氣閥、放水閥、截止閥、量杯流體介質：水、油、氣實驗裝置如圖： 流體靜力學實驗儀4、 實驗要求1、熟練并能準確進行測壓管的讀數；2、控制與測定液面的絕對壓強或相對壓強；3、分析測定介質容重；4、驗證靜力學基本方程；5、由等壓面原理分析壓差值。五、實驗步驟與方法 1、熟悉實驗裝

3、置各部分的功能與作用； 2、打開通氣閥，使液面與大氣相通。記錄水箱液面高程和測壓管液面高程。 3、液面增壓。關閉通氣閥、放水閥、截止閥，用打氣球加壓，記錄水箱液面高程和測壓管液面高程，計算各點壓強、及各點測壓管水頭、；繼續(xù)加壓數次并記錄計算。 4、液面減壓。關閉通氣閥和截止閥，打開放水閥放出一定水量后關閉放水閥，記錄水箱液面高程和測壓管液面高程，計算各點壓強、及各點測壓管水頭、；繼續(xù)減壓數次并記錄計算。 5、分別加壓三次，使U型測壓管中水面與油水交界面齊平，記錄水箱液面高程和測壓管液面高程并計算其平均值，要求三次差值間的誤差2mm。 6、分別減壓三次，使U型測壓管中水面與油面齊平，記錄水箱液面

4、高程和測壓管液面高程并計算其平均值，要求三次差值間的誤差2mm。 7、計算油容重。六、實驗記錄及數據處理 1、基本參數：測點標高： cm， cm， cm基準面選在： 測點位能： cm， cm， cm水溶重： N/cm3 2、記錄計算：表1 壓強水頭與測壓管水頭測量成果表 單位：cm實驗條件次數水箱液面高程測壓管液面高程壓強水頭測壓管水頭1123123表2 油容重測量與計算成果表 單位：cm實驗條件次數水箱液面高程測壓管液面高程-平均值油容重(N/3）且U型測壓管中水面與油水交界面齊平1=23且U型測壓管中水面與油面齊平123七、問題及分析 1、在毛細管現象影響下，測壓管的讀數如何減少誤差？ 2

5、、靜止流體中，不同斷面測壓管水頭線如何變化？ 3、根據等壓面原理，找出幾個等壓面。 4、當，求出絕對壓強與相對壓強；當，求出的相對壓強、絕對壓強和真空值。實驗二 不可壓縮恒定流能量方程實驗一、實驗目的1、掌握均勻流的壓強分布規(guī)律以及非均勻流的壓強分布特性；2、驗證不可壓縮流體恒定流動中各種能量間的相互轉換；3、學會使用測壓管與測速管測量壓強水頭、流速水頭與總水頭；4、了解畢托管測速原理。 二、實驗原理1、均勻流斷面壓強分布規(guī)律： 2、不可壓縮流體恒定流動能量方程：3、畢托管點流速： 式中：z被測點相對于基準面的位置高度；p被測點的靜水壓強，為壓強水頭；p s為滯止點的壓強，用相對壓強表示；流速

6、水頭，為動能修正系數；液體容重；兩斷面間的水頭損失；兩斷面間的測壓管水頭差；比托管修正系數。三、實驗儀器設備實驗儀器：能量方程實驗儀儀器元件：自循環(huán)供水系統(tǒng)、測壓管、測速管、滑動測量尺、放水閥、秒表、水桶、電子秤流體介質：水、氣實驗裝置如圖：能量方程實驗儀四、實驗要求1、掌握均勻流過流斷面的測壓管水頭分布規(guī)律；2、分析非均勻流動轉彎段上過流斷面的測壓管水頭的變化規(guī)律；3、分析測定各斷面的壓強水頭、流速水頭與總水頭值及其相互轉換；4、測定點流速，了解畢托管測速原理；5、繪制測壓管水頭線和總水頭線。五、實驗步驟與方法1、 熟悉實驗裝置各部分的功能，記錄有關常數； 2、啟動供水系統(tǒng)，檢查測壓管液面讀

7、數并排氣；3、全開調節(jié)閥，穩(wěn)定后利用體積時間法測定流量； 4、記錄各點測壓管水頭、測速管值，計算相應水力要素如壓強水頭、流速水頭、總水頭、及測壓管水頭差和總水頭差。5、比較均勻流與非均勻流斷面的測壓管水頭值。六、實驗記錄及數據處理 1、基本參數水箱液面高程： cm，上管道軸線高程 cm，下管道軸線高程 cm管道直徑： cm， cm， cm 2、記錄計算表1 測點液面讀數與斷面能量轉換記錄計算表 單位：cm測點號位置水頭Z壓強水頭測壓管水頭流速水頭總水頭H測壓管水頭差總水頭差12345678910111213141516171819體積：V= cm3，測流時間：t= s，流量：Q= cm3/s根

8、據表1數據用方格紙繪制出總水頭線H-H和測壓管水頭線P-P（見下圖）。表2 畢托管測速實驗記錄計算表 單位：cm畢托管測點號6/78/912/1314/1516/1718/19測速管讀數測壓管讀數測點流速水頭測點流速（cm/s）體積：V= cm，測流時間：t= s，流量：Q= cm3/s七、問題及分析1、均勻流斷面測壓管水頭、壓強分布與非均勻流斷面測壓管水頭與壓強分布是否相同？2、實際流體測壓管水頭沿程是否可以升高？總水頭沿程變化如何？各部分能量如何進行轉換？3、當流量增加，測壓管水頭線是否變化？4、如何利用現有的測壓管與測速管測量某點的點流速？5、畢托管測定的流速是否準確？原因何在？6、沿程

9、水頭損失與局部水頭損失如何測定？實驗三 文丘里流量系數校正實驗一、實驗目的1、通過測定流量系數，掌握文丘里流量計測量管道流量的計能；2、掌握復式壓差計量測壓差的技能。 二、實驗原理 1、不可壓縮流體恒定流動能量方程： 2、連續(xù)性方程： 3、文丘里管流量測量原理： 其中： ， 式中：z被測點相對于基準面的位置高度； p被測點的靜水壓強，為壓強水頭；p s為滯止點的壓強，用相對壓強表示； 流速水頭，為動能修正系數； 液體容重；兩斷面間的水頭損失； 兩斷面間的測壓管水頭差； K文丘里常數；流量系數。三、實驗儀器設備實驗儀器： 文丘里實驗儀儀器元件：自循環(huán)供水系統(tǒng)、文丘里流量計、復式壓差計、滑動測量尺

10、、放水閥、秒表、水桶、電子秤流體介質：水、氣實驗裝置如圖：文丘里實驗儀四、實驗要求1、測定管道實際流量；2、繪制流量壓差曲線圖（Qh）、雷諾數與流量系數曲線圖（Rel）。五、實驗步驟與方法 1、熟悉實驗儀器，記錄有關參數。 2、啟動電源供水，全開流量調節(jié)閥，排除管道內氣體；同時觀察多管壓差計液面是否全部處于滑動測量尺標尺讀數范圍內，若是則照步驟3繼續(xù)；若不是則需： 3、關閉流量調節(jié)閥，待多管壓差計液面穩(wěn)定后逐次松開壓差計上的兩氣閥，使1、4測管液面大約為28.5cm，2、3測管液面大約為24.5cm后擰緊壓差計氣閥，然后再全開流量調節(jié)閥檢查壓差計液面直至符合要求為止。 4、校核。關閉流量調節(jié)閥

11、，檢查多管壓差計壓差是否為零，即：h=h1-h2+h3-h4=0。由于毛細現象的存在，容許校核時h2mm。 5、全開流量調節(jié)閥，待流量穩(wěn)定后測記流量、壓差計讀數并記入記錄表中。 6、調節(jié)流量，照步驟5再測記多次。 7、實驗完成后關閉流量調節(jié)閥，再次校核壓差計壓差是否在容許誤差以內；若超過則應當排除故障重新實驗。確認無誤后關閉電源，將儀器恢復到實驗前狀態(tài)。六、實驗記錄及數據處理 1、基本參數： 恒定液面高程： cm，管道軸線高程： cm 管道直徑： cm， 喉道直徑： cm, 水溫：T= 運動粘度： cm2/s 雷諾常數： s/cm3，文丘里常數：K= cm2.5/s 2、記錄計算： 表1 記錄

12、表序號壓差計讀數（cm）體積V（cm3）時間t（s）h1h2h3h412345678 表2 計算表序號實際流量Q(cm3/s)壓差(cm)雷諾數理論流量(cm3/s)流量系數12345678 3、用坐標紙繪制流量壓差曲線圖（Qh）、雷諾數與流量系數曲線圖（Rel）。七、問題及分析1、文丘里喉管中是否產生負壓，根據實驗如何減少文丘里管中喉管中的負壓？最大可能真空有多大？2、文丘里管中流量系數的影響因素有那些？3、為什么實際流量與理論流量不同？何者大？實驗四 不可壓縮恒定流動量方程實驗一、實驗目的1、驗證不可壓縮流體恒定流動量方程；2、靈活應用靜力學的基本知識，由測壓管推求壓力。二、實驗原理 不可

13、壓縮流體恒定流動量方程： 忽略滑動摩擦阻力，則式左為 式右為： 即： 則： 管嘴流量系數： 式中：D活塞直徑；hc活塞形心水深； Q管嘴出流量，即射流流量；管嘴出流流速，即射流流速； 動量修正系數；射流對活塞沖擊力； 液體密度。實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測得流量Q和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可驗證動量方程，并率定射流的動量修正系數值。其中，測壓管的標尺零點已固定在活塞的圓心處，因此液面標尺讀數，即為作用在活塞圓心處的水深。三、實驗儀器設備實驗儀器：動量方程實驗儀儀器元件：自循環(huán)供水系統(tǒng)、帶活塞的測壓管、測壓管、水位調節(jié)板、秒表、水桶、電子秤流體介質：水實驗裝

14、置如圖：動量方程實驗儀四、實驗要求1、熟練進行測壓管的壓力測量，準確讀取測壓管水位；2、測定孔口、管嘴作用水頭，驗證孔口與管嘴出流的流量系數；3、觀察理解射流與孔口出流的水力現象；4、測定平板的沖擊力；5、測定不可壓縮流體恒定流的射流沖擊力。五、實驗步驟與方法1、 熟悉實驗裝置各部分名稱、結構特征，作用性能，記錄有關常數。 2、啟動供水系統(tǒng)，打開調速器開關，水泵啟動23分鐘后，關閉23秒鐘，以利用回水排除離心式水泵內滯留的空氣；3、調整測壓管位置。待恒壓水箱滿頂溢流后，松開測壓管固定螺絲，調整方位，要求測壓管垂直、螺絲對準十字中心，使活塞轉動松快。然后旋轉螺絲固定好。4、測讀水位。標尺的零點已

15、固定在活塞園心的高程上。當測壓管內液面穩(wěn)定后，記下測壓管內液面的標尺讀數，即hc值。5、測量流量。利用體積時間法，在上回水管的出口處測量射流的流量，流量時間要求在1520秒以上，可用塑料桶等容器，通過活動漏斗接水，再用量筒測量其體積(亦可用重量法測量)。6、改變水頭重復實驗。逐次打開不同高度上的溢水孔蓋，改變管嘴的作用水頭。調節(jié)調速器，使溢流量適中，待水頭穩(wěn)定后，按35步驟重復進行實驗。7、驗證v2=0對Fx的影響。取下平板活塞，使水流沖擊到活塞套內，調整好位置，使反射水流的回射角度一致，記錄回射角度的目估值、測壓管作用水深hc和管嘴作用水頭H0。6、 實驗記錄及數據處理 1、基本參數：管嘴直

16、徑：d= m，活塞直徑：D= m，管嘴形心高程： m 2、記錄計算： 記錄計算表序號體積V(m3)時間t(s)流量Q（m3/s）活塞作用水頭hc（m）射流流速（m/s）動量力（N）動量修正系數管嘴作用水頭（m）管嘴流量系數123456七、問題及分析1、動量修正系數是否等于1，為什么？2、帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩，這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程有無影響，為什么？3、滑動摩擦力為什么可以忽略不及？試用實驗驗證，記錄實驗結果。實驗五 沿程水頭損失實驗一、實驗目的1、加深了解圓管層流和紊流的沿程損失隨流速變化的規(guī)律；2、掌握管道沿程阻力系數的量測技術及壓差計的量測方法；3、分析

17、沿程阻力系數與雷諾數的關系。二、實驗原理1、能量損失： 2、沿程水頭損失： 沿程阻力系數： 其中： 層流： 紊流： 式中：沿程水頭損失；沿程阻力系數。三、實驗儀器設備實驗儀器：沿程阻力實驗儀儀器元件：自循環(huán)供水系統(tǒng)、水氣壓差計、滑動量尺、電測儀、水封器、秒表、水桶、電子秤流體介質：水、氣實驗裝置如圖：沿程阻力實驗儀四、實驗要求1、測壓管水頭差測定；2、水溫測定并計算雷諾數；3、流量測定；4、沿程阻力系數與損失的計算。五、實驗步驟與方法 1、熟悉實驗儀器，記錄有關參數。 2、打開電測儀電源，預熱10min。 3、調試儀器： （1）、全開供水閥和旁通閥，啟動水泵供水，然后打開流量調節(jié)閥，排凈實驗管

18、道內氣體后關閉流量調節(jié)閥。 （2）、松開壓力傳感器上的兩旋鈕F1、F2，使之滲水；同時逐根檢查并輕彈連通管以排除其中的氣體和雜質，排凈后擰緊F1、F2。 4、校零： 步驟3完成后，檢查壓差計壓差是否為零（允許誤差1mm），若不能達到要求則應再調試直至合格，然后將電測儀讀數調至零點備用。 5、層流區(qū)量測： （1）、微開流量調節(jié)閥，穩(wěn)定23min后首先以測流時間不少于2min測記流量，然后測記壓差計讀數和水溫； （2）、略微調大流量，照上法再測記24次。 6、層流紊流過渡區(qū)量測： （1）、層流區(qū)量測完成后，繼續(xù)調大流量，使壓差計壓差大約為2cm后以測流時間不少于30s測記流量，然后測記壓差計讀數和

19、水溫； （2）、繼續(xù)調大流量，使壓差計大致以每次遞增12cm壓差后再照上法測記24次。 7、紊流光滑區(qū)量測： （1）、層流紊流過渡區(qū)量測完成后，首先關閉連通管上下游止水夾，然后全開流量調節(jié)閥，以約15s時間測記流量、測記電測儀讀數和水溫； （2）、逐步關小旁通閥，使電測儀讀數每次遞增100150cm直至旁通閥全部關閉，再照上法測記35次（隨著流量的增大，測流時間相應縮短）。 8、測試完成后，先將旁通閥全部打開，然后關閉流量調節(jié)閥，再開啟上下游止水夾，重新校核；無誤后關閉水泵電源和電測儀開關，將儀器恢復到實驗前狀態(tài)。六、實驗記錄及數據處理 1、基本參數： 管道直徑： d= cm ； 實驗段長度：

20、L= cm 計算常數：= cm5/s2 2、記錄計算：序號體積V(cm3)時間t(s)流量Q(cm3/s)流速(cm/s)水溫T()粘度(cm2/s)雷諾數Re壓差計讀數（cm）沿程阻力損失(cm)沿程阻力損失系數Re<2320h1h212345678910 3、繪制lglghf曲線，并確定直線斜率。七、問題及分析1、為什么壓差計的水柱差就是沿程水頭損失?如實驗管道安裝成傾斜，是否影響實驗成果?2、據實驗資料判別本實驗的流動型態(tài)和流區(qū)；3、實際鋼管中的流動，大多為光滑紊流或紊流過渡區(qū)，而水電站泄洪洞的流動，大多為紊流阻力平方區(qū)，其原因何在?4、管道的當量粗糙度如何測得?5、本次實驗結果與

21、莫迪圖吻合與否?試分析其原因。實驗六 局部水頭損失實驗一、實驗目的1、掌握三點法、四點法量測局部阻力系數的技能；2、驗證圓管突然擴大局部阻力系數公式及突然縮小局部阻力系數經驗公式；3、加深對局部阻力損失機理的理解。二、實驗原理 1、能量守恒： 2、突然擴大： 實測： 其中： 理論（包達公式）： ， 3、突然縮?。?實測： 其中： ， 經驗： ， 式中：沿程水頭損失；沿程阻力系數；局部阻力系數局部水頭損失； 三、實驗儀器設備實驗儀器：局部阻力實驗儀 儀器元件：自循環(huán)供水系統(tǒng)、測壓管、滑動量尺、秒表、水桶、電子秤流體介質：水、氣實驗裝置如圖： 局部阻力實驗儀四、實驗要求1、測壓管水頭測定；2、局部

22、阻力系數與損失的測定。五、實驗步驟與方法 1、熟悉實驗儀器，記錄有關參數。 2、打開電源供水，待恒壓水箱溢流后全開流量調節(jié)閥，排除實驗管道內氣體；排凈后關閉調節(jié)閥，檢查測壓管液面是否齊平（允許誤差1mm）。 3、全開流量調節(jié)閥，待流量穩(wěn)定后測記流量、測壓管液面讀數。注意：擴大管道中2、3、4點測壓管液面讀數應反應h2h3h4,不可相等，更不可后點測管讀數大于前點測管讀數；且hf2-3hf3-4。 4、調節(jié)流量4次，照步驟3再行測試。 5、關閉流量調節(jié)閥，再次檢查測壓計液面是否齊平，若否，需重新實驗；若是，關閉電源，將儀器恢復到實驗前狀態(tài)。六、實驗記錄及數據處理 1、基本參數：管道直徑：d1=

23、cm；d2=d3=d4= cm；d5=d6= cm測點間距：L1-2=12cm；L2-3=24cm；L3-4=12cm；L4-b=6cm；Lb-5=6cm；L5-6=6cm局部阻力系數（理論、經驗）： ， 2、記錄計算：表1 局部水頭損失數據記錄表 單位：cm序號體積V(cm3)時間t(s)流量Q（cm3/s）測壓管讀數12345612345表2 局部水頭損失計算表 單位：cm阻力形式序號流量Q（3/s）前斷面后斷面前后斷面沿程阻力損失實測局部阻力損失實測局部阻力系數理論局部阻力損失總水頭H總水頭H突然擴大12345突然縮小12345七、問題及分析 1、結合實驗成果，分析比較突擴與突縮在相應條

24、件下的局部損失大小關系； 2、不同Re的突擴是否相同? 3、在管徑比變化相同的條件下，其突擴是否定大于突縮？ 4、結合流動儀演示的水力觀象，分析局部阻力損失機理何在？產生突擴與突縮局部損失阻力損失的主要部位在哪里?怎樣減小局部阻力損失?實驗七 孔口與管嘴出流實驗一、實驗目的1、通過對不同孔口與管嘴出流流量系數分析，了解進口形狀對出流能力的影響及相關水力要素對孔口與管嘴出流能力的影響；2、掌握孔口與管嘴出流的流量系數、流速系數、阻力系數、收縮系數及真空度的量測技能。二、實驗原理孔口與管嘴出流流量： 流量系數： 收縮系數： 流速系數： 阻力系數： 三、實驗儀器設備實驗儀器：孔口與管嘴實驗儀儀器元件

25、：自循環(huán)供水系統(tǒng)、測壓管、游標卡尺、防濺旋板、移動觸頭、秒表、水桶、電子秤流體介質：水實驗裝置如圖： 孔口與管嘴實驗儀1. 自循環(huán)供水器； 2.實驗臺；3.可控硅無極調速器； 4.恒壓水箱；5.溢流板；6.穩(wěn)水孔板； 7.孔口管嘴（圖內小字標號1#喇叭口管嘴，2#直角進口管嘴，3#錐形管嘴，4#孔口）；8.檔水旋板；9.測量孔口射流收縮直徑的移動觸頭；10.上回水槽；11.標尺；12.測壓管。四、實驗要求1、測定孔口、管嘴作用水頭，驗證孔口與管嘴出流的流量系數；2、觀察理解孔口與出流的水力現象。五、實驗步驟與方法 1、熟悉實驗儀器，記錄有關參數。 2、啟動電源供水，待恒壓水箱溢流后打開1#圓角

26、管嘴，恒定液面穩(wěn)定后測記恒定液面高程標尺讀數H1、流量Q，完畢后堵塞1#管嘴。 3、依照上法，打開2#管嘴，測記恒定液面高程標尺讀數H1及流量Q,觀察和量測直角管嘴出流時的真空度，完畢后堵塞2#管嘴。 4、打開3#圓錐形管嘴，測記H1及Q，完畢后堵塞3#管嘴。 5、打開4#孔口，觀察孔口出流現象，測定H1及Q，并照下述方法測記孔口收縮斷面直徑：松開孔口兩邊的移動觸頭螺絲，先移動一邊觸頭將其與水股切向接觸后旋緊螺絲，再移動另一邊觸頭使之與水股切向接觸并旋緊螺絲，然后用檔水旋板關閉孔口，用卡尺測量觸頭間距，即為射流直徑。六、實驗記錄及數據處理 1、基本參數：圓角管嘴：d1= cm , 直角管嘴：d

27、2= cm , 圓錐管嘴：d3= cm , 孔 口：d4= cm 出口高程讀數： cm， 出口高程讀數： cm， 2、記錄計算：記錄計算表分類項目1#圓角管嘴2#直角管嘴3#圓嘴管嘴4#孔口水面讀數H1（cm）體積V（cm3）時間t（s）流量Q（cm3/s）平均流量Q（cm3/s）作用水頭H0（cm）面積A（cm2）流量系數測管讀數H2（cm）真空度Hv（cm）收縮直徑dc（cm）收縮斷面Ac（cm2）收縮系數流速系數阻力系數流股形態(tài)流股形式：（1）光滑圓柱；（2）紊散；（3）圓柱形麻花狀扭變；（4）具有側收縮的光滑圓柱；（5）其他形式。七、問題及分析1、分析孔口出流與管嘴出流流量系數的影響因

28、素。實驗八 雷諾與達西滲流實驗一、實驗目的1、觀察層流與紊流的流態(tài)及其轉換特征；2、分析層流與紊流的運動性與動力性特性；3、學習應用無量綱參數進行實驗研究的方法，并了解其實用意義；4、測量樣砂的滲透系數k值，掌握特定介質滲透系數的測量技術；5、通過測量透過砂土的滲流流量和水頭損失的關系，驗證達西定律。二、實驗原理1、雷諾數：反映慣性力與粘性力的比值。 ， 2、達西定律：(1)、滲流水力坡度J由于滲流流速很小，故流速水頭可以忽略不計。因此總水頭H可用測壓管水頭h來表示，水頭損失hw可用測壓管水頭差來表示，則水力坡度J可用測壓管水頭坡度來表示： 式中：L為兩個測量斷面之間的距離（測點間距）；h1與

29、h2為兩個測量斷面的測壓管水頭。(2)、達西通過大量實驗，得到圓筒斷面積A和水力坡度J成正比，并和土壤的透水性能有關，即： 或： 式中：v 滲流斷面平均流速； k 土質透水性能的綜合系數，稱為滲透系數； Q 滲流量； A 圓桶斷面面積； hw 水頭損失。上式即為達西定律，它表明，滲流的水力坡度，即單位距離上的水頭損失與滲流流速的一次方成正比，因此也稱為滲流線性定律。達西定律有一定適應范圍，可以用雷諾數來表示。其中為滲流斷面平均流速；d10為土壤顆粒篩分時占10%重量土粒所通過的篩分直徑；為水的運動粘度。一般認為當Re<110時（如絕大多數細顆粒土壤中的滲流），達西定律是適用的。只有在礫石

30、、卵石等大顆粒土層中滲流才會出現水力坡度與滲流流速不再成一次方比例的非線性滲流（Re>110），達西定律不再適應。三、實驗儀器與元件實驗儀器： 雷諾實驗儀、達西滲流實驗儀儀器元件：自循環(huán)供水系統(tǒng)、顏色水、放水閥、砂、壓差計等流體介質：水、顏色水實驗裝置如圖1、2：1、自循環(huán)供水器；2、.實驗臺；3、可控硅無極調速器； 4、恒壓水箱；5、有色水水管；6、穩(wěn)水孔板；7、溢流板；8、實驗管道；9、流量調節(jié)閥 圖1 雷諾實驗儀1、恒壓水箱；2、供水管；3、進水管；4、試驗筒；5、試驗砂；6、下過濾網；7、 下穩(wěn)水室；8、進水閥； 9、放空閥；10、蓄水箱；11、水泵 ；12、排氣閥；13、上穩(wěn)水

31、室；14、上過濾網；15、溢流管；16、出水管與出水閥；17、排氣嘴；18、壓差計；19、滑尺 圖2 達西滲流實驗儀四、實驗要求1、觀察層流、紊流的流態(tài)；2、測定臨界雷諾數，掌握圓管流態(tài)的判斷準則；3、測量樣砂的滲透系數k值，掌握特定介質滲透系數的測量技術；4、通過測量透過砂土的滲流流量和水頭損失的關系，驗證達西定律。五、實驗步驟與方法(一)、雷諾實驗：1、熟悉實驗裝置各部分功能，記錄有關參數；2、觀察兩種流態(tài)。啟動電源使水箱充水至溢流水位，經穩(wěn)定后，微微開啟調節(jié)閥，并注入顏色水于實驗管內，使顏色水流成一直線。通過顏色水質點的運動觀察管內水流的層流流態(tài)，然后逐步開大調節(jié)閥，通過顏色水直線的變化

32、觀察層流轉變到紊流的水力特征，待管中出現完全紊流后，再逐步關小調節(jié)閥，觀察由紊流轉變?yōu)閷恿鞯乃μ卣鳌?3、測定下臨界雷諾數。 (1)、將調節(jié)閥打開，使管中呈完全紊流，再逐步關小調節(jié)閥使流量減小。當流量調節(jié)到使顏色水在全管剛呈現出一穩(wěn)定直線時，即為下臨界狀態(tài)； (2)、待管中出現臨界狀態(tài)時，用體積法測定流量； (3)、根據所測流量計算下臨界雷諾數，并與公認值(2000)比較，偏離過大，需重測； (4)、重新打開調節(jié)閥，使其形成完全紊流，按照上述步驟重復測量不少于三次； (5)、同時用水箱中的溫度計測記水溫，從而求得水的運動粘度。 4、測定上臨界雷諾數。 逐漸開啟調節(jié)閥，使管中水流由層流過渡到紊

33、流，當色水線剛開始散開時，即為上臨界狀態(tài)，測定上臨界雷諾數12次。注意：(1)、每調節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定幾分鐘。(2)、關小閥門過程中，只許逐漸關小，不許再調大；反之亦然。(3)、在臨界點附近，為減少流動引發(fā)的擾動，可適當調小開關(右旋)，但需保證溢流的存在。 （二）、滲流實驗：1、熟悉實驗裝置各部分功能，記錄有關參數； 2、旋開頂部排氣嘴12及進水閥8，關閉出水閥16、放空閥9及連通軟管上的管夾；開啟水泵對恒壓水箱供水，待水慢慢浸透裝砂圓筒內全部砂體，并且使上穩(wěn)水室完全充水之后，關閉排氣閥12。 3、壓差計排氣。完成上述步驟2后，即可松開兩連通軟管上的管夾，打開壓差計頂部排氣嘴旋鈕進行排

34、氣，待兩測壓管內分別充水達到半管高度時，迅速關閉排氣嘴旋鈕即可。靜置數分鐘，檢查兩測壓管水位是否齊平，如不齊平，需重新排氣。 4、測流量。全開進水閥和出水閥，待出水流量恒定后，測流量。5、測壓差。測讀壓差計水位差。6、測水溫。用溫度計測量實驗水體的溫度。7、實驗結束。為防止試驗筒內進氣，應先關閉進水閥門8、出水閥16、排氣嘴12，再關閉水泵。6、 實驗記錄及數據處理(一)、雷諾實驗：1、基本參數：管道直徑： d= cm 水溫：T= 運動粘度： cm2/s雷諾計算常數： s/cm32、記錄計算：序號有色水形態(tài)體積V(cm3)時間t(s)流量Q(cm3/s)雷諾數閥門開度增或減（）（） 備注 12

35、345實測下臨界雷諾數（平均值）有色水形態(tài)指：穩(wěn)定直線，穩(wěn)定略彎曲，直線擺動，直線抖動，斷續(xù)、完全散開等。（二）、滲流實驗：1、基本參數：測點間距：L = cm；砂筒直徑：D= cm； 2、記錄計算：次序測點壓差（cm）水力坡度J流量Q砂筒面積A（cm2）流速v(cm /s)滲透系數k(cm/s)水溫T（°C）粘度n（cm2/s)雷諾數h1h2Dh體積V（cm3）時間t（s）流量Q(cm3/s)12 3、成果要求：完成實驗數據記錄及計算。校驗實驗條件是否符合達西定律適用條件。七、問題及分析1、流態(tài)判據為何采用無量綱參數，而不采用臨界流速?2、為何認為上臨界雷諾數無實際意義，而采用下臨

36、界雷諾數作為層流與紊流的判據?實測下臨界雷諾數Re與公認值偏離多少?原因何在? 3、雷諾實驗得出的園管流動下臨界雷諾數為2320，面目前有些教科書中介紹采用的下臨界雷諾數是2000，原因何在? 4、為什么在測定調小流量過程中，不許有反調? 5、分析層流和紊流在運動學特性和動力學特性方面各有何差異? 6、不同流量下滲流系數k是否相同，為什么？ 7、裝砂圓筒垂直放置、傾斜放置時，對實驗測得的Q、J與滲透系數k值有何影響？ 實驗九 水面曲線與流動現象演示實驗一、實驗目的 1、觀察棱柱體渠道中非均勻漸變流的十二種水面曲線； 2、掌握十二種水面曲線的生成條件；3、觀察管流、射流、明渠流中的多種流動現象，

37、加深理解局部阻力、繞流阻力及繞流振動的發(fā)生機理；4、觀察水擊產生和水擊波的傳播現象，了解消除水擊危害的工作原理與基本方法。二、實驗原理 1、水面曲線實驗：明渠水面曲線的理論依據是棱柱形明渠恒定漸變流微分方程： 式中：水深對流長的一階導數，反映水深沿程變化率； 為已給定Q、i、n條件下發(fā)生均勻流時的特性流量； 河道斷面特性流量； i明渠底坡； 佛汝德數，表示慣性力與重力之比。 改變明槽底坡可演示十二種水面曲線，本實驗裝置配有新型高比速直齒電機軀動的升降機構14。按下14的升降開關，明槽6即繞軸承9擺動，從而改變水槽的底坡。坡度值由升降桿13的標尺值(z)和軸承9與升降機上支點水平間距(Lo)算得

38、；平坡可依底坡水準泡8判定。實驗流量由可控硅無級調速器3調控，并用重量法(或體積法)測定。槽身設有兩道閘板，用于調控上下游水位，以形成不同水面線型。閘板鎖緊輪11用以夾緊閘板，使其定位。水深由滑尺12量測。圖1中，十二種水面線分別產生于五種不同底坡。因而實驗時，必須先確定底坡性質，其中需測定的，也是最關鍵的是平坡和臨界坡。平坡可依水準泡或升降標尺值判定。臨界底坡應滿足下列關系：、 、 式中：臨界底坡； 濕周；臨界水深； 單寬流量； 謝才系數； 水力半徑；槽寬 糙率。 以上公式中的長度單位均以m計圖1 2、流動現象演示實驗： 繞流阻力：為摩擦阻力與壓差阻力之和。 式中：D繞流阻力； Cf繞流摩擦

39、阻力系數； Af繞流摩擦阻力迎流面積；Cp繞流壓差阻力系數； Ap繞流壓差阻力迎流面積；來流速度。 3、水擊綜合演示實驗：（1）、直接水擊 ； （m/s） 式中：水擊壓強； 水密度； 關閉閥門前管中流速； 關閉閥門后管中流速； C水擊波波速； 水的彈性模量； 管道內徑； 管壁厚度； 管材彈性模量。 （2）、間接水擊 式中：水擊波長； 閥門關閉時間。 三、實驗儀器設備實驗儀器：水面曲線實驗裝置、壁掛式流動現象演示儀、水擊綜合實驗儀儀器元件：變坡水槽、閘板、升降機構、各種流道、摻氣量調節(jié)閥、水擊發(fā)生閥、揚水機、調壓筒流體介質：水實驗裝置如圖2、3、4：圖2 水面曲線實驗儀1自循環(huán)供水器； 2實驗臺

40、； 3可控硅無級調速器；4溢流板；5.穩(wěn)水孔板； 6變坡水槽； 7閘板； 8底坡水準泡； 9.變坡軸承； 10長度標尺； 11閘板鎖緊輪；12垂向滑尺；13帶標尺的升降桿；14.小升降機構。 圖3 壁掛式流動現象演示儀1、掛孔；2、有機玻璃面罩；3、不同邊界流動顯示面；4、注水孔孔蓋；5、摻氣量調節(jié)閥；6、水箱；7、可控硅無級調速旋鈕；8、水泵室；9、鋁合金框架后蓋；10水位觀測窗圖4 水擊綜合實驗儀1、 恒壓水箱；2、供水管；3、調壓筒截止閥；4、揚水機出水管；5、氣壓表；6、揚水機截止閥；7、壓力室；8、調壓筒；9、水擊發(fā)生閥；10、逆止閥；11、水擊室；12、水泵；13、水泵吸水管；14

41、、回水管；15、集水管四、實驗要求 1、確定臨界底坡； 2、在棱柱體渠道中演示生成并繪制非均勻漸變流的十二種水面曲線；3、觀察管流、射流、明渠流中的多種流動現象，加深理解局部阻力、繞流阻力及繞流振動的發(fā)生機理；4、觀察水擊產生和水擊波的傳播現象，了解消除水擊危害的工作原理與基本方法。5、 實驗步驟與方法 （一）、水面曲線實驗： 1、啟動水泵，使供水量最大，待穩(wěn)定后測記流量二次，取均值計算； 2、將底坡調至平坡（水準儀氣泡居中），確定標尺值； 3、計算臨界底坡及標尺值； 4、調節(jié)底坡至，然后插入閘板，觀察閘前后出現的型與型水面曲線，并將曲線繪入記錄紙上。 5、調節(jié)底坡使（底坡盡量陡些），插入閘板，使渠道同時呈現、型水面曲線，并繪入記錄紙上。 6、調節(jié)底坡使槽底坡度分別為（使底坡盡量趨于0）、和，插入閘板，使渠道分別出現相應水面曲線，并繪入記錄紙上。（二）、流動現象演示實驗： 啟動電源，將流速調到最大，逆時針關閉摻氣調節(jié)閥，待流道內充滿水體后再開啟摻氣調節(jié)閥實驗。 1、ZL-1型流動演示儀：顯示逐漸擴大、逐漸縮小、突然擴大、突然縮小、壁面沖擊、