水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課件(共26頁(yè))

1、水力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué) 院： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 第三組同學(xué)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 2015.12.251 平面靜水總壓力實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握解析法及壓力圖法，測(cè)定矩形平面上的靜水總壓力。2.驗(yàn)證平面靜水壓力理論。1.2實(shí)驗(yàn)原理作用在任意形狀平面上的靜水總壓力P等于該平面形心處的壓強(qiáng)pc與平面面積A的乘積：，方向垂直指向受壓面。 對(duì)于上、下邊與水面平行的矩形平面上的靜水總壓力及其作用點(diǎn)的位置，可采用壓力圖法：靜水總壓力P的大小等于壓強(qiáng)分布圖的面積和以寬度b所構(gòu)成的壓強(qiáng)分布體的體積。若壓強(qiáng)分布圖為三角形分布、如圖3-2，則式中：e為三角形壓強(qiáng)分布

2、圖的形心距底部的距離。若壓強(qiáng)分布圖為梯形分布，如圖3-3，則式中：e為梯形壓強(qiáng)分布圖的形心距梯形底邊的距離。圖1-1 靜水壓強(qiáng)分布圖（三角形） 圖1-2 靜水壓強(qiáng)分布圖（梯形）本實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理如圖3-4，由力矩平衡原理。圖1-3 靜水總壓力實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖其中：求出平面靜水總壓力1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備在自循環(huán)水箱上部安裝一敞開(kāi)的矩形容器，容器通過(guò)進(jìn)水開(kāi)關(guān)Kl，放水開(kāi)關(guān)K2與水箱連接。容器上部放置一與扇形體相連的平衡桿，如圖3-5所示。圖 1-4 靜水總壓力儀1.4實(shí)驗(yàn)步驟 1.熟悉儀器，測(cè)記有關(guān)常數(shù)。 2.用底腳螺絲調(diào)平，使水準(zhǔn)泡居中。 3.調(diào)整平衡錘使平衡桿處于水平狀態(tài)。 4.打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)K1，待水流上升到

3、一定高度后關(guān)閉。 5.在天平盤(pán)上放置適量砝碼。若平衡桿仍無(wú)法達(dá)到水平狀態(tài)，可通過(guò)進(jìn)水開(kāi)關(guān)進(jìn)水或放水開(kāi)關(guān)放水來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)放水量直至平衡。 6.測(cè)記砝碼質(zhì)量及水位的刻度數(shù)。 7.重復(fù)步驟46，水位讀數(shù)在100mm以下做3次，以上做3次。8.打開(kāi)放水閥門(mén)K2，將水排凈，并將砝碼放入盒中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。1.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理1.有關(guān)常數(shù)記錄：天平臂距離L0 cm，扇形體垂直距離（扇形半徑）L cm，扇形體寬b cm，矩形端面高a0 cm，2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄壓強(qiáng)分布形式測(cè)次水位讀數(shù)H(cm)水位讀數(shù)(cm)砝碼質(zhì)量m(g)三角形分布1234梯形分布1233.實(shí)驗(yàn)結(jié)果壓強(qiáng)分布形式測(cè)次作用點(diǎn)距底部距離（cm)作用力

4、距支點(diǎn)垂直距離(cm)實(shí)測(cè)力矩(N·cm）實(shí)測(cè)靜水總壓力（N）理論靜水總壓力（N）誤差(）三角形分布1234梯形分布1231.6注意事項(xiàng)1.在調(diào)整平衡桿時(shí)，進(jìn)水或放水速度要慢。2.測(cè)讀數(shù)據(jù)時(shí)，一定要等平衡桿穩(wěn)定后再讀。1.7思考題1.實(shí)驗(yàn)中，扇形體的其他側(cè)面所受到的壓力是否對(duì)實(shí)驗(yàn)精度產(chǎn)生影響？為什么？2.注水深度在100mm以上時(shí)，作用在平面上的壓強(qiáng)分布圖是什么形狀？3.影響本實(shí)驗(yàn)精度的原因是什么？2 能量方程實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.觀察恒定流的情況下，與管道斷面發(fā)生改變時(shí)水流的位置勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能、動(dòng)能的沿程轉(zhuǎn)化規(guī)律，加深對(duì)能量方程的物理意義及幾何意義的理解。 2.觀察均勻流、漸變流

5、斷面及其水流特征。3.掌握急變流斷面壓強(qiáng)分布規(guī)律。4.測(cè)定管道的測(cè)壓管水頭及總水頭值，并繪制管道的測(cè)壓管水頭線及總水頭線。2.2實(shí)驗(yàn)原理實(shí)際液體在有壓管道中作恒定流動(dòng)時(shí)，其能量方程如下它表明：液體在流動(dòng)的過(guò)程中，液體的各種機(jī)械能(單位位能、單位壓能和單位動(dòng)能)是可以相互轉(zhuǎn)化的。但由于實(shí)際液體存在粘性，液體運(yùn)動(dòng)時(shí)為克服阻力而要消耗一定的能量，也就是一部分機(jī)械能要轉(zhuǎn)化為熱能而散逸，即水頭損失。因而機(jī)械能應(yīng)沿程減小。對(duì)于均勻流和漸變流斷面，壓強(qiáng)分布符合靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律：但不同斷面的C值不同。圖21 急變流斷面動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖對(duì)于急變流，由于流線的曲率較大，因此慣性力亦將影響過(guò)水?dāng)嗝嫔系膲簭?qiáng)分布規(guī)律；

6、上凸曲面邊界上的急變流斷面如圖3-7（a），離心力與重力方向相反，所以。下凹曲面邊界上的急變流斷面如圖21(b)，離心力與重力方向相向，所以。2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備及各部分名稱(chēng)如圖22所示。圖22 能量方程實(shí)驗(yàn)儀2.4實(shí)驗(yàn)步驟1.分辨測(cè)壓管與畢托管并檢查橡皮管接頭是否接緊。2.啟動(dòng)抽水機(jī)，打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)，使水箱充水并保持溢流，使水位恒定。3.關(guān)閉尾閥K，檢查測(cè)壓管與畢托管的液面是否齊平。若不平，則需檢查管路是否存在氣泡并排出。4.打開(kāi)尾閥K，量測(cè)測(cè)壓管及畢托管水頭。5.觀察急變流斷面A及B處的壓強(qiáng)分布規(guī)律。6.本實(shí)驗(yàn)共做三次，流量變化由大變小。2.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理261.有關(guān)常數(shù)記錄 d5

7、cm， d1 cm。（d5 即d，d1 即D）2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算（測(cè)壓管高度單位為cm）測(cè)次145689A量筒內(nèi)水的質(zhì)量（g）測(cè)量時(shí)間（s）流量（m3/s）測(cè)壓管液面高總壓管液面高測(cè)壓管液面高總壓管液面高測(cè)壓管液面高總壓管液面高測(cè)壓管液面高總壓管液面高測(cè)壓管液面高總壓管液面高測(cè)壓管液面高總側(cè)測(cè)壓管高外側(cè)測(cè)壓管高中間測(cè)壓管高內(nèi)側(cè)測(cè)壓管高123456789103.實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)繪制測(cè)壓管水頭線和總水頭線（任選一組）。 (2)計(jì)算斷面5和斷面2的平均流速和畢托管測(cè)點(diǎn)流速。2.6注意事項(xiàng)1.尾閥K開(kāi)啟一定要緩慢，并注意測(cè)壓管中水位的變化，不要使測(cè)壓管水面下降太多，以免空氣倒吸入管路系統(tǒng)，影響實(shí)驗(yàn)

8、進(jìn)行。2.流速較大時(shí)，測(cè)壓管水面有脈動(dòng)現(xiàn)象，讀數(shù)時(shí)要讀取時(shí)均值。2.7思考題1.實(shí)驗(yàn)中哪個(gè)測(cè)壓管水面下降最大？為什么？2.畢托管中的水面高度能否低于測(cè)壓管中的水面高度？3.在逐漸擴(kuò)大的管路中，測(cè)壓管水頭線是怎樣變化的？3 動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.測(cè)定管嘴噴射水流對(duì)平板或曲面板所施加的沖擊力。 2.將測(cè)出的沖擊力與用動(dòng)量方程計(jì)算出的沖擊力進(jìn)行比較，加深對(duì)動(dòng)量方程的理解。3.2實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)用力矩平衡原理如圖31，求射流對(duì)平面板和曲面板的作用力。力矩平衡方程： 圖3-1 動(dòng)量原理實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖,式中：F射流作用力；L作用力力臂； G1砝碼重量；L1砝碼力臂。恒定總流的動(dòng)量方程為若令，且只考慮其中水平

9、方向作用力，則可求得射流對(duì)平面板和曲面板的作用力公式為式中：Q管嘴的流量；v管嘴流速；射流射向平面或曲面板后的偏轉(zhuǎn)角度。 ：水流對(duì)平面板的沖擊力 3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備及各部分名稱(chēng)見(jiàn)圖32，實(shí)驗(yàn)中配有的平面板和及的曲面板，另備大小量筒及秒表各一只。3.4實(shí)驗(yàn)步驟 1.測(cè)記有關(guān)常數(shù)。 2.安裝平面板，調(diào)節(jié)平衡錘位置，使杠桿處于水平狀態(tài)。3.啟動(dòng)抽水機(jī)，使水箱充水并保持溢流。此時(shí)，水流從管嘴射出，沖擊平板中心，標(biāo)尺傾斜。加法碼并調(diào)節(jié)砝碼位置，使杠桿處于水平狀態(tài)，達(dá)到力矩平衡。記錄砝碼質(zhì)量和力臂Ll。4.用質(zhì)量法測(cè)量流量Q用以計(jì)算F理。5.改變溢流板高度，使水頭和流量變化，重復(fù)上述步驟。6.將平面板

10、更換為曲面板(及)，又可實(shí)測(cè)和計(jì)算不同流量的作用力。7.關(guān)閉抽水機(jī)，將水箱中水排空，砝碼從杠桿中取下，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。3.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄相關(guān)常數(shù)：L cm，管徑d cm 水的質(zhì)量（g）時(shí)間（s）流量（L/s）流速（m/s）砝碼質(zhì)量（g）力臂L1（cm）F理(N)F實(shí)(N)誤差（）3.6注意事項(xiàng)1.量測(cè)流量后，量筒內(nèi)水必須倒進(jìn)接水器，以保證水箱循環(huán)水充足。2.測(cè)流量時(shí)，計(jì)時(shí)與量簡(jiǎn)接水一定要同步進(jìn)行，以減小流量的量測(cè)誤差。3.測(cè)流量一般測(cè)兩次取平均值，以消除誤差。3.7思考題1.F實(shí)與F理有差異，除實(shí)驗(yàn)誤差外還有什么原因？2.流量很大與很小時(shí)各對(duì)實(shí)驗(yàn)精度有什么影響？3.實(shí)驗(yàn)中，平衡錘產(chǎn)生的力矩沒(méi)有加以考

11、慮，為什么？4 雷諾實(shí)驗(yàn)4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.觀察層流和紊流的流動(dòng)特征及其轉(zhuǎn)變情況，以加深對(duì)層流、紊流形態(tài)的感性認(rèn)識(shí)。 2.測(cè)定層流與紊流兩種流態(tài)的水頭損失與斷面平均流速之間的關(guān)系。 3.繪制水頭損失hf和斷面平均流速的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線，即曲線，并計(jì)算圖中的斜率m和臨界雷諾數(shù)Rek。4.2實(shí)驗(yàn)原理同一種液體在同一管道中流動(dòng)，當(dāng)流速不同時(shí)，液體可有兩種不同的流態(tài)。當(dāng)流速較小時(shí)，管中水流的全部質(zhì)點(diǎn)以平行而不互相混雜的方式分層流動(dòng)，這種形態(tài)的液體流動(dòng)叫層流。當(dāng)流速較大時(shí)，管中水流各質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生互相混雜的運(yùn)動(dòng)，這種形態(tài)的液體流動(dòng)叫做紊流。 層流與紊流的沿程水頭損失規(guī)律也不同。層流的沿程水頭損失大小與斷面平均流

12、速的1次方成正比，即。紊流的沿程水頭損失與斷面平均流速的1.752.0次方成正比，即。 視水流情況，可表示為，式中m為指數(shù)，或表示為。 每套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管徑d固定，當(dāng)水箱水位保持不變時(shí)，管內(nèi)即產(chǎn)生恒定流動(dòng)。沿程水頭損失與斷面平均流速v的關(guān)系可由能量方程導(dǎo)出：當(dāng)管徑不變，取所以值可以由壓差計(jì)讀出。在圓管流動(dòng)中采用雷諾數(shù)來(lái)判別流態(tài)：式中：v圓管水流的斷面平均流速；d圓管直徑；水流的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。 當(dāng)Re<Rek (下臨界雷諾數(shù))時(shí)為層流狀態(tài)，Rek2320； Re>Rek(上臨界雷諾數(shù))時(shí)為紊流狀態(tài)，Rek在400012000之間。4.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及各部分名稱(chēng)見(jiàn)圖41所示。4.4

13、實(shí)驗(yàn)步驟 (一)觀察流動(dòng)形態(tài) 將進(jìn)水管打開(kāi)使水箱充滿水，并保持溢流狀態(tài)；然后用尾部閥門(mén)調(diào)節(jié)流量，將閥門(mén)微微打開(kāi)，待水流穩(wěn)定后，注入顏色水。當(dāng)顏色水在試驗(yàn)管中呈現(xiàn)一條穩(wěn)定而明顯的流線時(shí)，管內(nèi)即為層流流態(tài)，如圖1所示。 隨后漸漸開(kāi)大尾部閥門(mén)，增大流量，這時(shí)顏色水開(kāi)始顫動(dòng)、彎曲，并逐漸擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散至全管，水流紊亂到已看不清著色流線時(shí)，這便是紊流流態(tài)。 (二)測(cè)定的關(guān)系及臨界雷諾數(shù) 1.熟悉儀器，測(cè)記有關(guān)常數(shù)。 2.檢查尾閥全關(guān)時(shí)，壓差計(jì)液面是否齊平、若不平，則需排氣調(diào)平。 3.將尾部閥門(mén)開(kāi)至最大，然后逐步關(guān)小閥門(mén)，使管內(nèi)流量逐步減少；每改變一次流量、均待水流平穩(wěn)后，測(cè)定每次的流量、水溫和試驗(yàn)段的水頭

14、損失(即壓差)。流量Q用質(zhì)量法測(cè)量。用天平量測(cè)水的質(zhì)量m，根據(jù)水的密度計(jì)算出體積V，用秒表計(jì)時(shí)間T。流量。相應(yīng)的斷面平均流速。 4.流量用尾閥調(diào)節(jié)，共做10次。當(dāng)Re<2500時(shí)，為精確起見(jiàn)，每次壓差減小值只能為35mm。 5.用溫度計(jì)量測(cè)當(dāng)日的水溫，由此可查得運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，從而計(jì)算雷諾數(shù)。 6.相反，將調(diào)節(jié)閥由小逐步開(kāi)大，管內(nèi)流速慢慢加大，重復(fù)上述步驟。4.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄1.有關(guān)常數(shù)管徑d= cm，水溫T °C。2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理測(cè)次質(zhì)量m（g）時(shí)間t（s）流量Q（cm3/s）雷諾數(shù)流速(m/s)(cm)123456789103. 繪制水頭損失hf和斷面平均流速的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線

15、，即曲線，并計(jì)算圖中的斜率m和臨界雷諾數(shù)Rek。（用方格紙或?qū)?shù)紙）4.6注意事項(xiàng) 1.在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，要特別注意保持水箱內(nèi)的水頭穩(wěn)定。每變動(dòng)一次閥門(mén)開(kāi)度，均待水頭穩(wěn)定后再量測(cè)流量和水頭損失。 2.在流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近，流量變化的間隔要小些，使測(cè)點(diǎn)多些以便準(zhǔn)確測(cè)定臨界雷諾數(shù)。3.在層流流態(tài)時(shí)，由于流速v較小，所以水頭損失hf值也較小，應(yīng)耐心、細(xì)致地多測(cè)幾次。同時(shí)注意不要碰撞設(shè)備并保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安靜，以減少擾動(dòng)。4.7思考問(wèn)題1.要使注入的顏色水能確切反映水流狀態(tài)，應(yīng)注意什么問(wèn)題？2.如果壓差計(jì)用傾斜管安裝，壓差計(jì)的讀數(shù)差是不是沿程水頭損失hf值？管內(nèi)用什么性質(zhì)的液體比較好？其讀數(shù)怎樣進(jìn)行換算

16、為實(shí)際壓強(qiáng)差值？3.為什么上、下臨界雷諾數(shù)值會(huì)有差別？4.為什么不用臨界流速來(lái)判別層流和紊流？5 管道局部水頭損失實(shí)驗(yàn)5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.掌握測(cè)定管道局部水頭損失系數(shù)的方法。 2.將管道局部水頭損失系數(shù)的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較。3.觀察管徑突然擴(kuò)大時(shí)旋渦區(qū)測(cè)壓管水頭線的變化情況，以及其他各種邊界突變情況下的測(cè)壓管水頭線的變化情況。5.2實(shí)驗(yàn)原理由于邊界形狀的急劇改變，主流就會(huì)與邊界分離出現(xiàn)旋渦以及水流流速分布的改組，從而消耗一部分機(jī)械能。單位重量液體的能量損失就是局部水頭損失。 邊界形狀的改變有水流斷面的突然擴(kuò)大或突然縮小、彎道及管路上安裝閥門(mén)等。局部水頭損失常用流速水頭與一系數(shù)的乘積表示：式

17、中：局部水頭損失系數(shù)，也叫局部阻力系數(shù)。系數(shù)是流動(dòng)形態(tài)與邊界形狀的函數(shù)，即。一般水流Re數(shù)足夠大時(shí)，可認(rèn)為系數(shù)不再隨Re數(shù)而變化，而看作一常數(shù)。 管道局部水頭損失目前僅有突然擴(kuò)大可采用理論分析。并可得出足夠精確的結(jié)果。其他情況可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定值，也可以通過(guò)查找經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定值。突然擴(kuò)大的局部水頭損失可應(yīng)用動(dòng)量方程與能量方程及連續(xù)方程聯(lián)合求解得到如下公式：式中：Al和v1分別為突然擴(kuò)大上游管段的斷面面積和平均流速；A2和v2分別為突然擴(kuò)大下游管段的斷面面積和平均流速。5.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備及各部分名稱(chēng)如圖51所示。5.4實(shí)驗(yàn)步驟1.熟悉儀器，記錄有關(guān)常數(shù)。2.檢查各測(cè)壓管的橡皮管接頭是否接緊。

18、3.啟動(dòng)抽水機(jī)，打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)，使水箱無(wú)水，并保持溢流，使水位恒定。4.檢查尾閥K全關(guān)時(shí)，測(cè)壓管的液面是否齊平，若不平，則需排氣調(diào)平。5.慢慢打開(kāi)尾閥K，使流量在測(cè)壓管量程范圍內(nèi)最大，待流動(dòng)穩(wěn)定后，記錄測(cè)壓管液面標(biāo)高，用體積法測(cè)量管道流量。6.調(diào)節(jié)尾閥改變流量，重復(fù)測(cè)量三次。5.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄1.有關(guān)常數(shù)記錄D= cm，d= cm。水溫t= .要求測(cè)量90°彎管的曲率半徑R=_cm。2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄測(cè)次水的質(zhì)量m（g）時(shí)間t（s）1點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）3點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）4上點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）13側(cè)點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）14點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）16點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）17點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）18

19、點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）19點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）20點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）21點(diǎn)測(cè)壓管高（cm）123456783.實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)次突然擴(kuò)大突然縮小90°彎頭誤差(%)誤差(%)誤差(%)123456785.6注意事項(xiàng) 1.實(shí)驗(yàn)必須在水流穩(wěn)定后方可進(jìn)行。 2.計(jì)算局部水頭損失系數(shù)時(shí)，應(yīng)注意選擇相應(yīng)的流速水頭；所選量測(cè)斷面應(yīng)選在漸變流斷面上，尤其下游斷面應(yīng)選在旋渦區(qū)的末端，即主流恢復(fù)并充滿全管的斷面上。5.7思考題1.試分析實(shí)測(cè)hj與理論計(jì)算hj，有什么不同？原因何在？2.如不忽略管段的沿程損失hf，所測(cè)出的值比實(shí)際的偏大還是偏??？在工程中使用此值是否安全？ 3.在相同管徑變化條件下，相應(yīng)于同一流量，其突然擴(kuò)大的值是否一定大于突然縮小的值？4.不同的Re數(shù)時(shí)，局部水頭損失系數(shù)值是否相同？通常值是否為一常數(shù)？6 文德里流量計(jì)及孔板流量計(jì)實(shí)驗(yàn)6.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解文德里和孔板流量計(jì)測(cè)流量的原理及其簡(jiǎn)單構(gòu)造。2.繪出壓差與流量的關(guān)系，確定文德里流量計(jì)和孔板流量計(jì)的系數(shù)。6.2實(shí)驗(yàn)原理 文德里流量計(jì)是在管道中常用的流量計(jì)。它包括收縮段、喉管、擴(kuò)散段三部分，由于喉管過(guò)水?dāng)嗝娴氖湛s，該斷面水流動(dòng)