水力学实验

实验一 静水压强演示实验
一、目的要求
1、量测静水中任一点的压强；
2、观察封闭容器内静止液体表面压力。

3、掌握U 形管和测压管的测压原理及运用等压面概念分析问题的能力。

二、实验设备
实验设备见实验室水静压强仪。

三、实验步骤及原理
1、打开排气阀，使密封水箱与大气相通，则密封箱中表面压强0p 等于大气压强a p 。

那么开口筒水面、密封箱水面及连通管水面均应齐平。

2、关闭排气阀，用加压器缓慢加压，密封箱中空气的压强缓慢增大。

U 形管和测压管出现压差△h 。

待稳定后，开口筒与密封箱两液面的高差即为压强差h p p a γ=-01。

3、打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上，关闭排气阀，找开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成密闭容器的体积增大而压强减小。

此时a p p <0，待稳定后，其压强差称为真空，以水柱高度表示即为真空度：
32120
∇-∇=∇-∇=-γ
p p a =h 2
4、按照以上原理，可以求得密封箱液体中任一点A 的绝对压强A p '。

设A 点在密封箱水面以下的深度为A h 0，1号管和2号管水面以下的深度为A h 1和h 2A ，则：
A p 'A a h h p p 02100)(γγ+∇-∇+='A a A a h p h p 21γγ+=+=
四、注意事项
检查密封箱是否漏气。

五、量测与计算
静水压强仪编号 01 ； 实测数据与计算（表1、表2）。

表1 观测数据
表2 计算
设A点在水箱水面下的深度h0A为10 厘米。

实验二流线演示实验
一、演示目的
1、通过演示进一步了解流线的基本特征。

2、观察液体流经不同固体边界时的流动现象。

二、演示原理
流场中液体质点的运动状态，可以用迹线或流线来描述，在恒定流中，流线和迹线互相重合。

在流线仪中，用显示液通过分格栅组成流场，整个流场内的“流线谱”可形象地描绘液流的流动趋势，当这些有色线经过各种形状的固体边界时，可以清晰地反映出流线的特征及性质。

三、演示设备
流线演示仪由不同形状的固体边界，下面安装有水泵，流道尾部装有调节阀。

四、演示方法
1、接通三相电源；
2、实验模型任意组合和变换；
3、为使流线达到最佳的显示效果，可以调节尾部阀门；
4、观察分析其流动情况及特征。

五、思考题
1、流线的形状与边界有否关系?
2、流线的曲、直和疏、密各反映了什么?
实验三雷诺实验
一、实验目的：
1.观察水流的流态，即层流和紊流现象。

2.测定下临界雷诺数。

二、实验设备：
1、实验装置如图所示。

1水箱；2装颜料的水杯；3颜色水针头；4玻璃管；
5实验桌；6尾阀；7出口水箱；
2、实验辅助材料颜料，秒表2个，温度计1支，尺子1把。

三、实验原理：
实际液体有两种不同的运动型态，即层流和紊流。

当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。

当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流
动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。

水流的型态由其流动时的雷诺数决定，雷诺数R e =υ
vd
式中，v —管中平均流速，d —玻璃管的内管径，υ—运动粘滞系数。

其中，管中平均流速v 根据连续方程Q v A
=计算，流量
用体积法测出，即在t 时间内流入计量水箱中流体的体积V 。

玻璃管的内管径d=33mm 。

运动粘滞系数υ=
2
00022.00337.0101775
.0T T ++ (T 水温)
据前人实验资料得知，下临界雷诺数比较稳定，R e =2300。

而上临界雷诺数变化很大，约在5000~20000之间。

因此一般认为：
R e <2300为层流；R e >2300为紊流。

四、实验步骤：
1. 将水箱充水至经隔板溢流出，将水管阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度不变。

2. 轻轻打开尾阀6，使玻璃管中水稳定流动，再打开颜色水杯阀门2，使颜色水流入管道，呈层流状态。

3. 缓慢开大尾阀6，增大流量，使颜色水在玻璃管内的流动呈紊流状态。

4. 再逐渐关小尾阀，观察玻璃管中出口处的颜色水即将变成层流但还稍微出现脉动状态时，测定此时的流量。

即可计算出一次的下临界雷诺数。

5.重复三次，在下临界流速时（即流态开始转换时），测
定其下临界雷诺数。

6.实验完毕后，先关闭颜色水杯阀门，然后关闭水源，
拔掉电源。

五、注意事项：
1、调整流量时，一定要慢，且要单方向调整（即从大到小或从小到大），不能忽大忽小。

2、颜色水杯阀门的开度要适当，不要过大或过小。

3、判断临界流速时，一定要准确。

4、实验时一定要注意用电安全。

六、思考题
为什么调整流量时，一定要慢，且要单方向调整。

七、记录与计算
实验记录表：管径d= cm 水温T= ℃测量出口水箱水平面积A= cm2
实验四文丘里实验
一、实验目的：
1、测定文丘里管流量系数μ值。

2、验证能量方程的正确性。

二、实验设备：
1、实验装置如图所示。

实验装置由实验桌、供水系统、回水系统、文丘里管等组成，其中文丘里管由收缩段、喉管和扩散段组成。

在收缩段和喉管上开有测压孔，并与测压管连通。

2、实验辅助材料电线连接板，秒表2个，尺子1把。

三、实验原理：
首先列出1断面和2断面的能量方程式，并设a1≈1,a2
≈1，且不考虑两断面之间的水头损失，则有：
γ1
p +g v 22
1=γ2p +g
v 22
2
(1) ∵ v 1A 1=v 2A 2 ∴ v 2=v 12
1
A A
代入（1）式得：
γ
2
1p p -=
g
v 221[(
2
1A A )2-1]
V 1=
]1)[(
22
2
1-A A g γ
2
1p p -
理论流量：Q T =A 1V 1=A 1
]1)[(2221-A A
g γ
2
1p p -
Q T =C T
h ∆
C T 为文丘里的理论常数。

由于实际液体在运动中存在水头损失，故实际通过的流量Q 与理论流量Q T 存在水头损失，Q 一般小于理论流量Q T ，所以把Q/Q T 叫做文丘里管流量系数，用μ表示：
μ=
T
Q Q
四、实验步骤： 1. 准备工作
（1）熟悉实验指导书，了解实验目的、原理和设备结构。

（2）打开尾阀，接通水泵电源，给水箱供水。

（3）关闭尾阀，检查测压计液面是否水平，如果不在同一水平面上，必须将橡皮管内空气排尽，使两测压管的液面处于水平状态。

即测压管的水位读数相等。

（4）全部开启尾阀，然后将测压计排气阀关闭。

2.进行实验
（1）开启尾阀，使管道通过较大流量，且测压管的水位均能读数。

等到水流稳定后，作为第一个实
验点，测读并记录测压管水位。

（2）与（1）同时用秒表和计量箱测定实际流量，记下时间t和体积V。

（3）控制尾阀，减小流量，使测压管水位差减小10cm 左右，等到水流稳定后，继续测定。

（4）测次大于6次后，且压差分布均匀，实验可以结束。

3.关闭阀门，检查测压计液面是否在同一水平上，从而
检查实验过程中橡皮管内有否进入空气。

4.关闭电源。

五、注意事项：
1.在实验中，一定要注意用电安全。

2.实验过程中，如测压管液面波动不稳，应对两个液面
同时进行测读。

3.在操作过程中，动作不要过大、过猛，每次调节流量
应比较缓慢，调节完后，实验中不可再动前后两个水阀。

六、思考题：
1.文丘里流量计在安装时，是否必须保持水平？如不水
平，上述流量公式是否仍可应用？
2.测压计上的排气阀为什么要关闭，不闭对实验有何影
响？
七、流量数据记录表：(仅供参考)
d1= cm d2= cm 量测水箱水平面积：A= cm2
计算结果表：(仅供参考)
实验五 管道局部水头损失实验
一、实验目的
1、掌握测定管道局部水头损失系数ζ的方法。

2、测定阀门不同开启度时（如全开、30度、45度）的阻力系数。

3、观测管道经突然扩大、突然收缩水头损失的测定方法。

二、实验原理
由于边界形状的急剧改变，水流就会与边界分离出现旋涡以及水流流速分布的改组，从而消耗一部分机械能。

局部水头损失常用流速水头与局部水头损失系数的乘积表示。

2
2j
v h g
ζ
= 式中：ζ—局部水头损失系数。

1、阀门局部水头损失系数的测定方法 已知 14
232f f h h --=
对1、4断面列能量方程，可求得阀门的总水头损失
1
4
1
1232w f j
P P h h h h γ
--==∆=+
对2、3断面列能量方程，可求得阀门的总水头损失
2
3
2
223w f j
P P h h h h γ
--==∆=+
联立上面二式，可知2121122j v h h h g
ζ=∆-∆=
阀门局部阻力系数1212
1
2(2)g h h v ζ=∆-∆ 2、突然扩大或突然缩小的局部阻力系数的确定
对4、5断面列能量方程，忽略两断面间的沿程水头损失，可知
()()2
22224
5
4
5
4
5
5
3
2
222j
v v v v P P v
h h g
g
g
ααζγ---=+=∆+=
所以()
22
45322522v v h g
v g
αζ
-∆+
=
测
与理论比较
2
5241A A ζ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
理
同理列6、7断面的能量方程，得()
22
67427
22v v h g v g
αζ-∆+
=
3测
而760.51A A ζ⎛
⎫
=-
⎪⎝⎭
3理 三、实验设备
实验设备及各部分名称如图所示。

四、实验步骤
1、熟悉仪器，记录管道直径D 和d 。

2、检查各测压管的橡皮管接头是否接紧。

3、打开进水阀门，启动抽水机，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。

4、检查尾阀K 全关时测压管的液面是否齐平；打开尾阀K ，待流动稳定后测量。

5、本次实验阀门进行三组实验，分别测量记录阀门全开、开启30度、开启45度时的测压管液面标高，用体积法测量管道流量。

每组实验做三个实验点。

6、每组三个实验点的压差值不要太接近。

7、突扩段和突缩段也分别测量记录三个实验点，方法同上。

3
2 实验阀管道突扩
局部水头损失实验仪
五、实验成果及要求
1、有关常数。

圆管直径D= cm，圆管直径d= cm
2、记录及计算，见下页。

3、成果分析：将实测的局部水头损失数与理论计算值进行比较，试分析产生误差的原因。

六、思考题
1、在相同管径条件下，相应于同一流量，其突然扩大的ζ值是否一定大于突然缩小的ζ值？
2、不同开启度时，如把流量调至相等，ζ值是否相等？
记录及计算表。