水力学实验(下)_给排水与港航

三、实验设备
图 1 为实验装置简图，实验段主要由两段可以调节各种底坡的有机玻璃水槽组成。坡 度的改变由两个升降螺杆控制， 流量由首部进水池中的量水堰测定。 当在槽中放置各种模拟 的水工建筑物并改变底坡时，就可以观察到各种水面曲线。
6 8
9
10
11
12
13
7
5
4
3
2
1
14
图 1 实验装置图 1 水泵 2 支架 3 升降螺杆 4 导水管 5 消力池 水阀 9 整流栅板 10 置水堰 11 闸板 12 测针 13 尾门
十二、堰流实验
一、实验目的
1．实测自由出流条件下实用堰（或宽顶堰）流量系数 m 值的大小，点绘流量系数 m 值 和堰上水头 H0 之间的关系曲线，加深对 m 值影响因素的理解。 2．测定堰流淹没系数，观察堰流从自由出流到淹没出流变化的水流现象。
二、实验原理及设备
1．原理 在明渠中，当设置某一堰型的建筑物后，水流的运动状态发生一有规则变化，根据能量 方程导出在无侧收缩自由出流时堰流的基本公式是：
五、思考题
1.当改变槽中流量， 临界水深及临界底坡的数值是否发生变化？槽中水面曲线是否也发 生变化？ 2.当槽中流量不变，槽中水面曲线的变化与什么因素有关？
双面坡水槽使用说明
本设备由槽头水箱、槽身、水泵、供水箱、水位侧针等部件组成。
1.流量测量
槽头水箱内设置薄壁三角堰，用以量测通过水槽的流量。计算公式为: Q=0.0154H2 . 47 升/秒 式中：H 为堰上水头，以厘米计。 水槽最后段设有宽顶堰模型，可测定宽顶堰的流量系数 m。计算公式为： Q=mb 2 g H 0
1.5
式中 b—槽宽（米）H0—宽顶堰上水头（米） 本设备还可直观地演示宽顶堰上复杂的水流现象。
2.临界水深 临界水深 h k 的计算公式为：
q2 h k＝ （米） g
式中： q
Q 为单宽流量[m2/s]，b—槽宽（米） 。 b
槽身上的 k—k 线即为临界水深线，是在一个特定流量下计算出来的。本设备定位 81 毫米。
土木工程基础实验（试用）
水力学（下） 实验指导讲义、实验报告
学院 专业 姓名 系 班 学号
东南大学土木工程实验中心
2009 年 10 月
九、孔口管嘴出流实验
一、实验目的
1、观察各种典型孔口和管嘴出流时的流动现象与圆柱形管嘴的局部真空现象。 2、测定薄壁圆孔出流时的断面收缩系数 、流速系数 、流量系数 及局部阻力系数 。 3、测定圆柱形外管嘴的真空值。
ห้องสมุดไป่ตู้
2g
因
所以 式中：
H0 H
Ac Q ——断面收缩系数； ——流量系数； ——流速系数； A A 2 gH

数。
1
2
——局部水头损失系
三、实验设备
实验设备及部分名称如 图 11-1。 图示是孔口设备图 （可更 换各种管嘴） 。
四、实验步骤
1、熟悉仪器，记录有关 常数。 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，读水头 H 值。 3、 放下挡水圆面积板，使水流从孔口 （管嘴） 流出， 用外卡尺测量距孔口 缩断面）直径 d c 。断面面积用 A Ac d c / 4 计算。
十、明渠非均匀流水面曲线演示实验
二、实验原理
在渠道底坡可变的矩形玻璃水槽中， 放置某一模拟的水工建筑物或改变成不同底坡时， 在受力界条件影响的范围内， 都会导致原有水流运动状态的改变而形成非均匀流动。 非均匀 流既可能是渐变流， 也可能是急变流， 而恒定非均匀渐变流的问题主要归咎为水面曲线分析 和计算，其分析的微分方程为：
1 K 0 K dh i K 02 i K 2 i 2 ds 1 Fr 1 Fr 2


2
(1)
式中 K 0 是相应于 h0 的流量模数； K 是相应于均匀流水深 h 的流量模数； Fh 的弗劳德数。 可见，微分方程（1）中包含了 h 、 h 0、 h k 及 i 的相互关系。正是由于在不同渠道底坡 i 下，上述三个水深值的不同组合，而形成了明渠非均匀流水面曲线的各种变化:
（仪器编号：
） cm； cm；
cm； 圆柱形内管嘴管径 d= cm； 圆锥形扩散管嘴管径 d= 量水 体积 V 3 (cm ) 量水 时间 t (s) 收缩断 面直径 dc (cm)
类 型
圆形孔口 圆柱形 管 嘴
测 次
孔 （管） 孔 （管） 直径 面积 d (cm) A 2 (cm )
水头 H (cm)
4.水面曲线演示：
本设备可演示明渠均匀流动中十二中水面曲线。 （1）顺坡（ i >0）八种其中缓坡渠道（ i < i k）三种；急坡渠道（ i > i k）三种。临界 坡渠道（ i ＝ i k）二种。 （2）平坡渠道（ i =0）二种； （3）选坡渠道（ i <0）二种； 本设备的特点是前后段可分别变坡，故可演示底坡变化时水面曲线复杂的联接形式。 同时可进行水跃和堰流实验。
2
1 d 处的（收 2
4、用体积法测量流量。 5、改变溢流板高度，重复上述步骤，可测出不同流量下的数据。 6、列表计算 、 、 和 值。
五、注意事项
1、实验时必须在水流稳定时方可进行； 2、量测收缩断面直径时，要心细，卡尺既不能阻碍水流，也不能与水流脱开； 3、爱护实验仪器，更换管嘴时将相应螺孔对准，不得强行挤压，既要保证在实验时不 在各接口处漏水，也不能拧得过紧，以免损坏配件； 4、实验结束，关闭电源，整理好相关配件。
式中： h1 h2 为水跃高度。
三、实验设备
1、带有能控制下游水深尾门装置物的矩形固定水槽； 2、提供恒定流动并可改变流量的供水系统； 3、闸门(或溢流坝)；
4、测针或水位仪； 5、量水堰； 6、米尺。
四、实验步骤
1、熟悉设备及仪器。把闸门固定在一定开度，记录已知数据。 2、 打开进水阀门放入水槽一定流量， 调节下游尾门， 使水槽内依次产生远离式水跃、 临界 水 跃及淹没水跃，记录临界状态下的流量(通过量水堰测定)，闸前水深 h0，共轭水深 h1 、h2， 水跃长度 Lj。 3、改变流量 4 次，重复步骤 2。 4、实验完毕后关闭进水阀，整理好仪器，清扫实验场地。
二、实验原理
取通过孔口中心的水平面为基准面，写出 1—1 断面，C—C 断面的能量方程，考虑到水 头损失主要为局部损失，可推导出一定水头作用下孔口（嘴管）自由出流时的流量，可用下 式表示：
Vc 2 gH 0 或 Q A 2 gH 0 A 2 gH 0
H0 h
2 v0 很小，可忽略不计。 2g 2 v 0
9.5( Fr1 1)h1 Lj [8.4( Fr 9) 76]h 1 1
或 或
1.7 Fr 9.0
9.0 Fr 16
L j 10.8h1 ( Fr1 1) 0.93
L j 2.5(0.9h2 )
(H.H.巴甫洛夫斯基经验公式)
五、注意事项
1、 由于临界水跃现象很不稳定， 特别是跃后水面波动较大， 量测时应同时确定水跃的跃前 、 跃后断面的位置，并迅速量测。 2、 同一断面上水深会有不同的深度， 实测水深时， 一般沿水槽中心线测量数次取平均值。
六、思考题
1、 在一定流量下， 调节尾门使水跃推前或移后， 分析这种变动对水跃长度和水跃高度有何 影 响。 2、当尾阀一定，改变流量时，跃长和共轭水深如何改变?为什么? 3、试分析远离水跃、临界水跃与淹没水跃，哪种消能率高且冲刷距离短?
dh dh dh dh 0、 0、 t及 等。 ds ds ds ds
为了便于区分水面曲线沿程变化的情况，一般在水面曲线的分析图上作出两根平行于 渠底的直线。其中一根距渠底 h 0，为正常水深线 N—N;而另一根距渠底 h k，为临界水深线 K—K。这样把渠道水流划分成三个不同的区域。这三个区分别为 a 区、b 区、c 区，各区的 特点如下：
大于h0，hk ; a区 所有处在： b区 的水面曲线，其水深 介于h0 和hk 之间； c区 小于h0，hk
分别调节五种底坡，可清楚地显示出十二条水面曲线的变化规律，亦可分别对顺坡、 平坡及逆坡三种棱柱形渠道中水面曲线变化的情形进行讨论。
十一、明渠水跃实验
一、实验目的
1、观察水跃现象，了解水跃类型及其结构的基本特征。 2、验证矩形平底渠道闸下出流水跃理论。 3、观察不同弗劳德数 Fr 的水跃类型。
二、实验原理
水流中任一点的断面单位能量
E S 和水跃函数 ( h) 由以下公式给出：
q2 ES h 2 gh 2
gQ 2 ( h ) ghC A gA
六、思考题
1、为什么同样直径与水头条件下，管嘴的流量系数 值比孔口大？ 2、为什么有的射流成柱状且射程较远，而有的则射流破碎成滴？
七、实验报告
1、实验目的：
2、实验要求：
3、计算公式：
4、实验数据及计算数值： 1) 有关常数： 薄壁圆形孔口管径 d= 圆锥形收缩管嘴管径 d= 2) 量测记录及计算表格：
则共轭水深可用下式计算：
式中：hc-临界水深，对于矩形渠道
hc 3
q 2 g
；
Fr1 -断面(1)的弗劳德数， Fr1 q gh13
。
水跃区的水头损失为
Δ E E1 E 2
损失功率为
(h2 h1 ) 2 4h1 h2
N gQΔ E
式中： ΔE-水头损失(m)； 3 ρ-水的密度(kg/m )； 2 g-重力加速度 (m/s )； 3 Q-流量(m /s)； N-功率(W)。 水跃长度的计算公式(经验公式)为
式中：
h-水流深度； q-单宽流量， q Q-总流量； b-渠道的宽度； hc-断面形心处水深。
对于闸下出流的水跃现象，应用断面单位能量和动量原理。 在闸下的收缩断面发生水跃
Q b
( h1 ) ( h 2 )
h2 h h1 h (1 8Fr12 1) 1 (1 8( c ) 3 1) 2 2 h1
6 稳流筒 7 排水阀 8 进 14 水箱
四、实验步骤
1.在有机玻璃水槽上游段的某一适当位置放入一模拟的曲线型实用堰（或其他堰型） 。 2.开启水泵，打开进水阀，调节成一适当流量，流量用量水堰控制，此时，根据流量算 出临界水深 h k 及临界底坡 i k。 3.以临界底坡 i k 为准，通过升降螺杆控制所需的底坡，观察各种型式的水面曲线，测 量相关参数。根据经验按下列顺序观察较为方便： （1）将整个底坡调成负坡 i <0，观察 b’ 、c’型水面曲线。 （2）将整个底坡调成平坡 i ＝0，观察 b0、c0 型水面曲线。 （3）将整个底坡调成缓坡 i < i k，观察 a1、c1 型水面曲线。 （4）将整个底坡调成临界坡 i ＝ i k，观察 a3、c3 型水面曲线。 （5）将整个底坡调成陡坡 i > i k,(底坡调节幅度以曲线比较明显为宜)，观察 a2、c2 型水 面曲线。 （6 ）将实用堰模型取出，并将槽身上游段底坡调成缓坡（ i < i k ） ，下游段调成陡坡 （ i > i k）, 观察 b1、b2 型水面曲线。
一、实验目的
1. 通过观察，加深和巩固棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流十二条水面曲线的概念，了解它 们的特点，规律及各水面曲线的发生条件与形状。 2. 观察渠道底坡变化时水面曲线的衔接情况。
测 次 1 2 1 2 1 2 1 2
Q
3
v t

(cm)



h
(cm /s)
1 2
hv实测
hv理论
3.坡度测量：
水槽在中间转折处将槽身分为两段，每段上均装有水准泡。测定前段Ⅰ的坡度时，先 将Ⅰ调至水平位置，量测测坡点Ⅰ（一般选择槽壁最高点）至平台的距离 1，调至所需坡 度后再量测测坡点至平台的距离 2 则前段的坡度：
i1
1 2 L1
后段Ⅱ的坡度 i 2 的量测方法同前，不再重复。
压差计读数 ▽1 (cm) ▽2 (cm)
1 2 1 2
圆锥形收缩 管 嘴 圆锥形扩散 管 嘴
1 2 1 2
记录： 日期：
3) 计算表格 流量 收缩断 面 面 积 Ac 收缩 系数 流速 系数 流量 系数 局部水头 损失系数 压差 真空值
类 型
圆形孔口 圆柱形 管 嘴 圆锥形收缩 管 嘴 圆锥形扩散 管 嘴