水力学实验报告

水力学实验报告学院：班级：姓名：学号：第三组同学：姓名：学号：姓名：学号：姓名：学号：平面静水总压力实验实验目的1.掌握解析法及压力图法，测定矩形平面上的静水总压力。

2.验证平面静水压力理论。

实验原理作用在任意形状平面上的静水总压力P 等于该平面形心处的压强p c 与平面面积A 的乘积：A p P c =，方向垂直指向受压面。

对于上、下边与水面平行的矩形平面上的静水总压力及其作用点的位置，可采用压力图法：静水总压力P 的大小等于压强分布图的面积Ω和以宽度b 所构成的压强分布体的体积。

b P Ω=若压强分布图为三角形分布、如图3-2，则He b gH P 31212==ρ式中：e －为三角形压强分布图的形心距底部的距离。

若压强分布图为梯形分布，如图3-3，则2121212321H H H H a e ab H H g P ＋＋）＋（⋅==ρ式中：e －为梯形压强分布图的形心距梯形底边的距离。

图1-1 静水压强分布图（三角形） 图1-2 静水压强分布图（梯形）本实验设备原理如图3-4，由力矩平衡原理。

图1-3 静水总压力实验设备图10L P L G ⋅=⋅其中：e L L -=1求出平面静水总压力1L GL P =实验设备在自循环水箱上部安装一敞开的矩形容器，容器通过进水开关K l ，放水开关K 2与水箱连接。

容器上部放置一与扇形体相连的平衡杆，如图3-5所示。

3-5 ??????图 1-4 静水总压力仪 实验步骤1.熟悉仪器，测记有关常数。

2.用底脚螺丝调平，使水准泡居中。

3.调整平衡锤使平衡杆处于水平状态。

4.打开进水阀门K 1，待水流上升到一定高度后关闭。

5.在天平盘上放置适量砝码。

若平衡杆仍无法达到水平状态，可通过进水开关进水或放水开关放水来调节进放水量直至平衡。

6.测记砝码质量及水位的刻度数。

7.重复步骤4～6，水位读数在100mm 以下做3次，以上做3次。

8.打开放水阀门K 2，将水排净，并将砝码放入盒中，实验结束。

实验数据记录及处理1.有关常数记录：天平臂距离L 0＝ cm ，扇形体垂直距离（扇形半径）L ＝ cm ，扇形体宽b ＝ cm ，矩形端面高a 0＝ cm ，33/100.1cm kg -⨯＝ρ 2.实验数据记录3.实验结果100%-⨯=理论值实验值理论值注：误差注意事项1.在调整平衡杆时，进水或放水速度要慢。

2.测读数据时，一定要等平衡杆稳定后再读。

思考题1.实验中，扇形体的其他侧面所受到的压力是否对实验精度产生影响为什么2.注水深度在100mm以上时，作用在平面上的压强分布图是什么形状3.影响本实验精度的原因是什么2 能量方程实验实验目的1.观察恒定流的情况下，与管道断面发生改变时水流的位置势能、压强势能、动能的沿程转化规律，加深对能量方程的物理意义及几何意义的理解。

2.观察均匀流、渐变流断面及其水流特征。

3.掌握急变流断面压强分布规律。

4.测定管道的测压管水头及总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水头线。

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w h gv p Z gv p Z +++=++222222221111αγαγ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要转化为热能而散逸，即水头损失。

因而机械能应沿程减小。

对于均匀流和渐变流断面，压强分布符合静水压强分布规律：C pz =+γ但不同断面的C 值不同。

图2—1 急变流断面动水压强分布图对于急变流，由于流线的曲率较大，因此惯性力亦将影响过水断面上的压强分布规律；上凸曲面边界上的急变流断面如图3-7（a ），离心力与重力方向相反，所以静动p p <。

下凹曲面边界上的急变流断面如图2—1(b)，离心力与重力方向相向，所以静动p p >。

实验设备实验设备及各部分名称如图2—2所示。

3-8 ???????图2—2 能量方程实验仪实验步骤1.分辨测压管与毕托管并检查橡皮管接头是否接紧。

2.启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水并保持溢流，使水位恒定。

3.关闭尾阀K ，检查测压管与毕托管的液面是否齐平。

若不平，则需检查管路是否存在气泡并排出。

4.打开尾阀K ，量测测压管及毕托管水头。

5.观察急变流断面A 及B 处的压强分布规律。

6.本实验共做三次，流量变化由大变小。

实验数据记录与处理1.有关常数记录d5 ＝ cm，d1＝ cm。

（d5即d，d1即D）2.实验数据记录与计算（测压管高度单位为cm）3.实验结果(1)绘制测压管水头线和总水头线（任选一组）。

3-8 ???????(2)计算断面5和断面2的平均流速和毕托管测点流速。

注意事项1.尾阀K开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，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，读数时要读取时均值。

思考题1.实验中哪个测压管水面下降最大为什么2.毕托管中的水面高度能否低于测压管中的水面高度3.在逐渐扩大的管路中，测压管水头线是怎样变化的3 动量方程实验实验目的1.测定管嘴喷射水流对平板或曲面板所施加的冲击力。

2.将测出的冲击力与用动量方程计算出的冲击力进行比较，加深对动量方程的理解。

实验原理应用力矩平衡原理如图3—1，求射流对平面板和曲面板的作用力。

力矩平衡方程： 1GL FL =,LGL F 1=式中：F －射流作用力；L －作用力力臂；G 1－砝码重量；L 1－砝码力臂。

恒定总流的动量方程为∑-=)(1122v vQ F ββρ若令112==ββ，且只考虑其中水平方向作用力，则可求得射流对平面板和曲面板的作用力公式为图3-1 动量原理实验简图)cos 1(αρ-=Qv F式中：Q －管嘴的流量；v －管嘴流速；α－射流射向平面或曲面板后的偏转角度。

90Qv αρ=︒=平时，F 平F ：水流对平面板的冲击力135(1cos135) 1.707 1.707Qv Qv F αρρ=︒=-︒==平时，F180(1cos180)22Qv Qv F αρρ=︒=-︒==平时，F实验设备实验设备及各部分名称见图3—2，实验中配有090=α的平面板和0180=α及0135=α的曲面板，另备大小量筒及秒表各一只。

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。

加法码并调节砝码位置，使杠杆处于水平状态，达到力矩平衡。

记录砝码质量和力臂L l 。

4.用质量法测量流量Q 用以计算F 理。

5.改变溢流板高度，使水头和流量变化，重复上述步骤。

6.将平面板更换为曲面板(0135=α及0180=α)，又可实测和计算不同流量的作用力。

7.关闭抽水机，将水箱中水排空，砝码从杠杆中取下，实验结束。

图3-2 动量原理实验仪实验数据记录相关常数：L＝ cm，管径d＝ cm注意事项1.量测流量后，量筒内水必须倒进接水器，以保证水箱循环水充足。

2.测流量时，计时与量简接水一定要同步进行，以减小流量的量测误差。

3.测流量一般测两次取平均值，以消除误差。

思考题实与F理有差异，除实验误差外还有什么原因2.流量很大与很小时各对实验精度有什么影响3.实验中，平衡锤产生的力矩没有加以考虑，为什么4 雷诺实验实验目的1.观察层流和紊流的流动特征及其转变情况，以加深对层流、紊流形态的感性认识。

2.测定层流与紊流两种流态的水头损失与断面平均流速之间的关系。

3.绘制水头损失h f 和断面平均流速的对数关系曲线，即v h f lg ~lg 曲线，并计算图中的斜率m 和临界雷诺数Re k 。

实验原理同一种液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可有两种不同的流态。

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，这种形态的液体流动叫层流。

当流速较大时，管中水流各质点间发生互相混杂的运动，这种形态的液体流动叫做紊流。

层流与紊流的沿程水头损失规律也不同。

层流的沿程水头损失大小与断面平均流速的1次方成正比，即0.1v h f 。

紊流的沿程水头损失与断面平均流速的～次方成正比，即0.2~75.1vh f ∝。

视水流情况，可表示为mf kv h =，式中m 为指数，或表示为v m k h f lg lg lg +=。

每套实验设备的管径d 固定，当水箱水位保持不变时，管内即产生恒定流动。

沿程水头损失fh 与断面平均流速v 的关系可由能量方程导出：f h gv p Z gv p Z +++=++222222221111αγαγ当管径不变，21v v =，取0.121≈=αα 所以h p Z p Z h f ∆=+-+=)()(2211γγh ∆值可以由压差计读出。

在圆管流动中采用雷诺数来判别流态：νvd=Re式中：v －圆管水流的断面平均流速；d －圆管直径；ν－水流的运动粘滞系数。

当Re<Re k (下临界雷诺数)时为层流状态，Re k ＝2320；Re>Re k ’(上临界雷诺数)时为紊流状态，Re k ’在4000~12000之间。

实验设备实验设备及各部分名称见图4—1所示。

4—1 ?????实验步骤(一)观察流动形态将进水管打开使水箱充满水，并保持溢流状态；然后用尾部阀门调节流量，将阀门微微打开，待水流稳定后，注入颜色水。

当颜色水在试验管中呈现一条稳定而明显的流线时，管内即为层流流态，如图1所示。

随后渐渐开大尾部阀门，增大流量，这时颜色水开始颤动、弯曲，并逐渐扩散，当扩散至全管，水流紊乱到已看不清着色流线时，这便是紊流流态。

(二)测定v h f ~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，测定每次的流量、水温和试验段的水头损失(即压差)。

流量Q 用质量法测量。

用天平量测水的质量m ，根据水的密度计算出体积V ，用秒表计时间T 。

流量T VQ =。

相应的断面平均流速AQ v =。

4.流量用尾阀调节，共做10次。

当Re<2500时，为精确起见，每次压差减小值只能为3~5mm 。

5.用温度计量测当日的水温，由此可查得运动粘滞系数ν，从而计算雷诺数νvd=Re 。

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。

实验数据记录1.有关常数管径d = cm ，水温T ＝ °C 。

2.实验数据及处理3.绘制水头损失h f 和断面平均流速的对数关系曲线，即v h f lg ~lg 曲线，并计算图中的斜率m 和临界雷诺数Re k 。