內(nèi)科大水力學實驗指導01有壓管流綜合型實驗-1不可壓縮流體恒定能量方程（伯諾里方程）實驗

PAGE10PAGE 水力學實驗指導書目錄前言 1實驗項目一：有壓管流綜合型實驗 5（一）不可壓縮流體恒定流能量方程（伯諾里方程）實驗 5（二）不可壓縮流體恒定流動量定律實驗 10（三）畢托管測速實驗 14（四）雷諾實驗 17（五）文丘里流量計實驗 20（六）管路沿程阻力系數(shù)測定實驗 24（七）管路局部阻力系數(shù)測定實驗 30（八）孔口與管嘴出流實驗 34實驗項目二：明渠水力學綜合型實驗 38（一）水躍參數(shù)測定實驗 38（二）實用堰流量系數(shù)測定實驗 41（三）寬頂堰流量系數(shù)測定實驗 43實驗項目三：開放式水工斷面模型綜合型實驗 44（一）模型設(shè)計與制作 44（二）實驗量測與分析 44實驗項目四：開放式研究型整體模型實驗 45（一）模型設(shè)計與制作 45（二）實驗量測與分析 45實驗項目五：單項量測實驗 46（一）流體靜力學實驗 46（二）滲流電模擬實驗 52實驗項目六：動手演示型實驗 54（一）靜壓傳遞自動揚水演示 54（二）壁掛式自循環(huán)流動演示 54（三）自循環(huán)流譜流線顯示儀 55（四）紊動機理演示 55（五）水擊綜合演示 55（六）虹吸演示 55（七）空化機理演示 55（八）水面曲線的定性實驗 55前言一、水力學實驗課的改革水力學及工程流體力學是工科院校土建水利類學科的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課?，F(xiàn)代水力學是建立在實驗、理論和計算三大支柱上的，是實踐性和理論性都較強的學科，它涉及到大量的概念、定義、模型、計算和實驗等。雖然實驗教學對本課程非常重要，但傳統(tǒng)的實驗教學存在許多與當代教學不相適應(yīng)之處，如實驗內(nèi)容局限于古典而缺乏新意；儀器陳舊，大多沿用50年代的的老設(shè)備，且往往學生多，儀器臺數(shù)少，動手率低；教學注入式為主，缺乏現(xiàn)代輔助手段，學生自主性不足，等等。因此進行實驗室的改造，引進榮獲國家級一等優(yōu)秀教學成果獎的浙江大學《水力學》與《工程流體力學》教學實驗綜合改革成果，包括新型實驗儀器和CAI實驗教學軟件，這些儀器具有技術(shù)先進，測量精度高，流動現(xiàn)象可視化性強，小型化，性能優(yōu)于進口儀器等特點。引進的CAI實驗教學軟件教學輔助功能齊全。每項實驗CAI均包括儀器仿真，動態(tài)操作界面、實驗原理、數(shù)據(jù)采集、成果分析、操作指南和問題解答?？晒W生在計算機上進行各項實驗的過程操作、數(shù)據(jù)采集和成果分析，還設(shè)有實驗提示、錯誤糾正等功能，以輔導學生按正確途徑深入有序地進行實驗。所附的實驗原理和問題解答除用文本形式外，均以多媒體動畫和錄相的形式給出，形象生動、簡單易懂，可供學生實驗預習與答疑，幫助學生成功地完成實驗。在教學計劃學時被大幅度壓縮后，實驗項目的挑選與組合優(yōu)化就顯得很重要。以往水力學實驗有十幾項，每項2學時，就得20多學時。為了壓縮學時，同時加強對學生的創(chuàng)造性思維和綜合分析能力的培養(yǎng)，把水力學實驗項目分成演示型、單項型、綜合型、設(shè)計型和開放式研究型等類型，分述如后。（一）演示型實驗演示型實驗包括水力學模型試驗演示和一些水力現(xiàn)象和原理的演示。水力學模型試驗演示本試驗演示安排在水力學第一次課（諸論）后進行。其主要目的在于讓學生認真觀察水利樞紐中的各種水流現(xiàn)象，觀察并思考水流與約束水流運動的邊界（包括各種水工建筑物）之間的相互作用，歸納出水利工程中常遇到的問題，如：水力荷載、水流流動形態(tài)、水能利用和水能消耗及其他特殊的水力學問題，如：空蝕、摻氣、挾沙及污染的擴散問題。這些問題如何解決正是水力學所研究的主要內(nèi)容。通過試驗演示，并經(jīng)認真觀察和思考，可深刻感到水力學是一門實實在在的、真正有用的課程，進一步明確學習目的性，激發(fā)學習興趣。同學進一步可思考：模型與原型水流相似嗎？如何才能相似？物理量如何換算？所有這些問題正是《水力學》或《工程流體力學》要解決的的。水力現(xiàn)象和原理的演示此類實驗?zāi)康脑谟谧寣W生在實驗室里集中快速地觀察水流的各種現(xiàn)象，各種妙趣橫生、奇觀頻現(xiàn)的演示實驗?zāi)茏屛覀兩钣小笆澜缯嫫婷睢敝校性⒔逃谄?、啟迪智慧之神效，能夠激發(fā)學習水力學的強烈欲望，引導分析、研究各種水力學問題。這些演示還蘊含深奧的水力學科學知識，直觀生動地揭示了重要的流體運動規(guī)律。所有這些是單純理論教學，那怕是多媒體教學也難以取代的。流線、流態(tài)、紊動機理、空化、水擊、虹吸、靜壓揚水、能量轉(zhuǎn)換與守恒、動量原理等演示可由實驗指導教師操作、講解，目的在于在有限的課時內(nèi)讓學生看到更多的水流現(xiàn)象。有些實驗演示可由學生自己操作，并仔細觀察水流現(xiàn)象，體會其中之奧妙。（二）單項型實驗單項型實驗包括靜水壓強測定、滲流電模擬實驗等，這些實驗內(nèi)容單一，實驗儀器小巧精細，并自成系統(tǒng)，需要細心操作和反復量測。為培養(yǎng)獨立操作能力和認真細致的工作作風，實驗分小組進行，每組2~3人，為克服儀器不足的不利條件，采用課外預約、多批次、多小組進行的方式。課前要求認真預習。（三）綜合型實驗為了節(jié)約課時，提高效率，把以往分散的多個單項實驗加以合理綜合，分為有壓管流綜合實驗和明渠水流綜合實驗兩部分。這些綜合實驗利用實驗室原有的玻璃實驗槽以及引進的有壓管流和明渠水流多種實驗儀進行。該實驗的主要內(nèi)容有：水位測針測水位，畢托管測流速，薄壁堰測流量，緩流、急流和水躍現(xiàn)象觀測，共軛水深、水躍長度測定等。利用一套設(shè)備一次進行多項目實驗可大大節(jié)省時間（免去了多次開機抽水和穩(wěn)定時間），還可一定程度上緩解了學生多、設(shè)備少的矛盾。只要充分準備、合理安排就可以增加共用一套設(shè)備進行實驗的學生數(shù)。這項綜合實驗還可以作為一個斷面模型使用，當講到“相似原理和模型試驗基礎(chǔ)”后，可做為一個習題，把實驗得到的數(shù)據(jù)按相似律換算為原型數(shù)據(jù)。（四）設(shè)計研究型實驗以水力學整體模型試驗作為設(shè)計型實驗。這個實驗在水力學實驗大廳和露天模型場進行，這是配合“相似原理和模型試驗基礎(chǔ)”一章的教學安排的。根據(jù)某水利樞紐的試驗任務(wù)，讓學生結(jié)合本校實驗室的實際條件（如實驗場地、循環(huán)水設(shè)備等），通過實地勘測、調(diào)查，擬定實驗方案，包括：相似準則、模型范圍、模型比尺的選定，模型設(shè)計和制作（要求畫出模型的平面和高程布置圖，做出2~3個有代表性的模型斷面板等），實驗儀器和設(shè)備的選定，擬定實驗內(nèi)容和實驗步驟（包括記錄表格的設(shè)計）等。然后，在現(xiàn)有的模型（如水口水電站模型、棉花灘水電站模型等）上放水試驗。試驗內(nèi)容：水位流量控制，水位流速量測，流態(tài)觀測和描述等。這項實驗的意義在于：在完成實驗課的過程中，學生可以憑借自己已有的知識和技能（如測量學、建筑材料學、水力學、實驗誤差理論等），展開豐富的想像，通過創(chuàng)造性思維，提高自己的綜合應(yīng)用能力。二、水力學教學實驗守則實驗前必需詳細閱讀實驗指導書，參閱有關(guān)教材，明確實驗?zāi)康暮鸵蟆⑹煜嶒瀮x器和設(shè)備，有關(guān)原理和實驗步驟（指導書中未列出步驟的，學生必須自己擬定實驗步驟并設(shè)計好記錄表格）、注意事項等，做到實驗前心中有數(shù)。認真進行實驗，嚴守操作規(guī)程，進行合理分工，協(xié)調(diào)操作，細心觀察水流現(xiàn)象，認真分析思考，及時記錄原始數(shù)據(jù)，有關(guān)的計算和繪畫工作應(yīng)與實測工作同時進行，以便及時檢查實測是否有誤，一旦有誤，及時更正，不得任意任意更改。課后認真獨立完成實驗報告。實驗課聽從教師指導，保持安靜，不得動用與本實驗無關(guān)的設(shè)備，注意實驗安全，保持場地衛(wèi)生，實驗完畢后應(yīng)整理好儀器設(shè)備，經(jīng)教師同意方能離開。三、實驗報告的要求1．報告內(nèi)容：甲、實驗?zāi)康囊螅阂摇嶒炘砗喪觯罕⑺鳜F(xiàn)象描述和原始實驗數(shù)據(jù)：丁、實驗成果整理和曲線圖表繪制及結(jié)論與問題討論。2．每人獨立完成實驗報告，一律用福州大學畢業(yè)設(shè)計論文報告紙，要求文字通順，字跡清楚，用工具繪圖。實驗報告經(jīng)教師批閱后，應(yīng)認真閱讀和改正，不合格者需重做實驗或重做實驗報告。四、實驗注意事項1．凡裝有測壓管的實驗，實驗時應(yīng)先排盡管中的空氣。2．用重量法或體積法測流量時段應(yīng)盡可能長些，以便獲得較高精度。3．凡水力要素波動不定時，不能讀其瞬間值，應(yīng)讀其平均值。在玻璃水槽中做實驗時，如需調(diào)節(jié)下游水深，應(yīng)緩慢操作，水位測針車亦應(yīng)沿軌道緩慢移動。測量恒定流時的各種數(shù)據(jù)時，應(yīng)待水力要素（如量水堰堰上水頭、堰前水位、下游水位等）穩(wěn)定后方可量測。測定表面波動較大的水流的水位時，用有量水筒的測針量測，要待水筒的水位與水槽內(nèi)水位齊平時再測，并注意測針尖與水面接觸。五、水力學實驗室概況本實驗室主要由700m2實驗大廳、100m2實驗教室和以泵房為中心的循環(huán)水系統(tǒng)，以及辦公觀測用房與附屬實驗場等組成。實驗大廳內(nèi)裝有一條寬度B=80cm的玻璃水槽供科研用，備有兩條B=40cm的玻璃教學實驗用，提供一定的場地面積可供水力模型試驗使用，并配置有各種電測儀器與設(shè)備。實驗教室內(nèi)裝設(shè)有各種教學實驗用的實驗測定和演示儀器。泵房內(nèi)裝有四臺水泵，總供水流量為365升/秒。地下水庫容量為150m3，平水塔高度8米，其容量為50m3。另設(shè)置多條供水管道和回水地溝，組成循環(huán)水系統(tǒng)，能對多個地點穩(wěn)定地提供不同的流量需求，使用可靠方便。實驗指導實驗項目一：有壓管流綜合型實驗本實驗裝置是由可控硅無級調(diào)速器控制供水量的自循環(huán)臺式實驗儀，恒壓水箱和實驗管道用全透明有機玻璃精制而成。實驗管道為變直徑與變管軸線高程，強化了位能、壓能、動能之間能量轉(zhuǎn)化的直觀效果，測壓點布置經(jīng)優(yōu)化組合，并增設(shè)畢托管測總壓裝置，可直觀顯視測壓管水頭和總水頭的變化規(guī)律，各選一個均勻流和急變流（彎段）斷面分別設(shè)置不同高度的兩個測壓點，可供動水壓強分布規(guī)律的實驗，用有機玻璃精制而成的組合式多管測壓計，并配有移動標尺，精美耐用，測量方便。本實驗裝置可供本科學生實驗分析研究管流測壓管水頭和總水頭的沿程變化規(guī)律及其位能、壓能、動能、損失能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；驗證流體恒定總流的伯諾里能量方程；并實驗分析均勻流和急變流在過水斷面上的分布規(guī)律及其它十余項定性、定量實驗。本實驗裝置可購買成套產(chǎn)品，并配有CAI仿真實驗軟件。（一）不可壓縮流體恒定能量方程（伯諾里方程）實驗一、實驗?zāi)康囊篁炞C流體恒定總流的能量方程；通過對動水力學諸多水力現(xiàn)象分析研討，進一步掌握有壓管流水力學的能量轉(zhuǎn)換特性；掌握流速、流量、壓強等動水力學水力要素的實驗量測技能。二、實驗裝置本實驗的裝置如圖一所示。說明：本儀器測壓管有兩種：（=Z+），須注意一般情況下H′與斷面總水頭H（=Z+）不同（因一般），它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢；2．普通測壓管（表2.1未標*者），用以定量量測測壓管水頭。實驗流量用閥13調(diào)節(jié)，流量由體積時間法（量筒、秒表另備）或重量時間法（電子稱另備）測量（以下實驗類同）。三、實驗原理在實驗管路中沿管內(nèi)水流向取n個過水斷面?？梢粤谐鲞M口斷面（1）至另一斷面（i）的能量方程式（i=2，3，……，n）取α1=α2=…αn=1，選好基準面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過四、實驗方法與步驟1．熟悉實驗設(shè)備，分清哪些測管是普通測壓管，哪些是畢托管測壓管，以及兩者功能的區(qū)別。3．打開閥13，觀察思考1）測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢；2）位置水頭、壓強水頭之間的相互關(guān)系；3）測點（2）、（3）測管水頭同否？為什么？4）測點（12）、（13）測管水頭是否不同？為什么？5）當流量增加或減少時測管水頭如何變化？4．調(diào)節(jié)閥13開度，待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時測記實驗流量（畢托管供演示用，不必測記讀數(shù)）。5．改變流量2次，重復上述測量。其中一次閥門開度大到使19號測管液面接近標尺零點。五、實驗成果及要求1．把有關(guān)常數(shù)記入表.1。實驗裝置臺號No表1有關(guān)常數(shù)記錄表水箱液面高程▽0cm，上管道軸線高程▽Zcm。D1=cm;D2=cm;D3=cm;測點編號1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管徑cm4466413.5610291616注：（1）測點6、7所在斷面內(nèi)徑為D2，測點16、17為D3、，余均為D1。（2）標“*”者為畢托管測點（測點編號見圖二）。（3）測點2、3為直管均勻流段同一斷面上的兩上測壓點，10、11為彎管非均勻流段同一斷面上的兩上測點。2．量測（）并記入表2.2表2.2測記（）數(shù)值表（基準面選在標尺的零點上）單位：cm測點編號Q實驗次序1233．計算流速水頭和總水頭。繪制上述成果中最大流量下的總水線E—E和測壓管水線P—P（軸向尺寸參見圖二，總水頭線和測壓管水頭線可以繪在圖二上）。提示：1．P—P線依表2數(shù)據(jù)繪制，其中測點10、11、13數(shù)據(jù)不用；2．E—E線依表3（2）數(shù)據(jù)繪制，其中測點10、11數(shù)據(jù)不用；3．在等直徑管段E—E與P—P線平行。六、成果分析及討論1．測壓管水頭線和總水頭的變化趨勢有何不同？為什么？2．流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？3．測點2、3和測點10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？4．試問避免喉管（測點7）處形成真空有哪幾種技術(shù)措施？分析改變作用水頭（