水力学实验

水力学实验

实验一 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，迹线是一个液体质点在流动空间所走过的轨迹。流线是流场内反映瞬时流速方向的曲线，在同一时刻，处在流线上所有各点的液体质点的流速方向与该点的切线方向相重合，在恒定流中，流线和迹线互相重合。在流线仪中，用显示液（自来水、红墨水），通过狭缝式流道组成流场，来显示液体质点的运动状态。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

演示设备如图所示，它们分别显示二种特定边界条件下的流动图象。 （a） 可显示机翼绕流流场中流体的流动形态。 （b） 可显示实用堰溢流的流动形态。

演示仪均由有机片制成狭缝式流道，其间夹有不同形状的固体边界。在演示仪的左上方有两个盛水盒，一个装自来水，一个装红色水，两盒的内壁各自交错开有等间距的小孔通往狭缝流道，流道尾部装有调节阀。

流线仪简图

1、盛水盒 2、机翼 3、弯道 4、机翼角度调节开关 5、狭缝流道 6、泄水调节阀 7、实用堰

四、演示方法

1、首先打开演示仪的排气夹和尾部的调节夹进行排气，待气排净后拧紧调节夹，并将上方的两个盛水盒装满自来水；

2、将装有自来水的两个盛水盒其中的任一个滴少许红墨水搅拌均匀； 3、调节尾部控制夹，可使显示液达到最佳的显示效果；

4、待整个流场的有色线（即流线）显示后，观察分析其流动情况及特征；

5、演示结束后，倒掉演示液，并将仪器冲洗干净待用。

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？

实验二 静水压强量测实验

一、目的要求

1、量测静水中任一点的压强； 2、测定另一种液体的密度；

3、要求掌握U形管和连通管的测压原理以及运用等压面概念分析问题的能力。

二、实验设备

图１－1

1与2测压管注入油，3与4注入水，二者的液体不能混

三、实验步骤及原理

1、打开通气孔，使密封水箱与大气相通，则密封箱中表面压强p0等于大气压强pa。那么开口筒水面、密封箱水面及连通管水面均应齐平。

2、关闭通气孔，将开口筒向上提升到一定高度。水由开口筒流向密封箱，并影响其它测压管。因此，密封箱中空气的体积减小而压强增大。待稳定后，

开口筒与密封箱两液面的高差即为压强差p0pagh，这个水柱高度h也等于65及75，而U形管两液面的压差也应等于p0pa。

3、如果将开口筒向下降到一定高度，使其水面低于密封箱中的水面，则密封箱中的水流向开口筒。因此，密封箱中的空气的体积增大而压强减小，此时p0

pap0

5657 g

4、设hi 表示各测压管及密封水箱内A，B点标高读数，根据在重力作用下不可压缩液体的静力压强基本方程



p

C或pp0gh g

可以求得相应各点处的静压强。

'

A点的绝对压强pA、相对压强pA为

'

pApa水g(h7hA) pA水g(h7hA)

'

同理，B点的绝对压强pB、相对压强pB为

'

pBpa水g(h6hB) pB水g(h6hB)

'

从测压管液面h6与h5的高差可求得密封容器液面上绝对压强p0、相对压强p0

为

'

p0pa水g(h6h5) p0水g(h6h5)

由于连通管和U形管反映着相同的压差，故有：

p0pa水g(65)'g(12)水g(34)

由此可以求得另一种液体的密度'：

'水

654

水3。

1212

四、注意事项

1、首先检查密封箱是否漏气（检查方法自己考虑）。

2、开口筒向上提升时不宜过高，在升降开口筒后，一定要用手拧紧左边的固定螺丝，以免开口筒向下滑动。

五、量测与计算

实验台编号： 。

1、有关常数： A点高程A；B点高程B；

大气压强pa2；水密度水3；

2、量测记录表格：

3、计算：

六、回答问题

1、第5、6、7号管和2、4号管，可否取等压面？为什么？ 2、第2、4、7号管和6、7号管中的液面，是不是等压面？为什么？

实验三 动量方程实验

一、实验目的

1、测定管嘴喷射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。

二、实验原理

由天平测得射流对实验板施加的作用力用FE表示。动量方程的计算式为：

FTQu0(1cos) (1)

当不考虑能量损失及其它影响因素，只考虑重力减速作用时，射流冲击到实验板上的速度u小于喷嘴出口流速u0，故方程(1)为

2

FTQu02gz(1cos)

(2)

式中，FT为冲击力的计算值dyn（1dyn= 10-5 N）；为水的密度g/cm3；Q为射流流量cm3/s；Z为射流喷嘴出口到实验板的距离cm；为射流入口流速与出口流速的夹角。

2

2gz。 90。时，FTQ0

222gz(1cos135)1.707Q02gz 135。时，FTQ0

222gz(1cos180)2Q02gz 180。时，FTQ0

FT与FE进行比较，其偏差值为



FTFE

% (3) FT

值可为，值越小说明仪器的精度高。

2

2gz。 90。时，FTQ0

222gz(1cos135)1.707Q02gz 135。时，FTQ0

222gz(1cos180)2Q02gz 180。时，FTQ0

三、实验设备

四、实验步骤

1、先擦去实验板上的水。将天平移动砝码滑到零位，配重放到天平的A盘，转动天平微调砝码，使天平处于平衡状态。在喷嘴的出口放入定位块使其尖端位于实验板的中心，固定天平。取下定位块。置分流器泄水口于泄水槽，使量水箱初水位约2.5cm，关闭泄水阀、记录初水位。

2、在天平B盘放入砝码(平板放60克，曲板放80克 )。打开稳压箱调压阀，启动水泵，待稳压箱内的气体全部排空后，关小调压阀(不要关死，需留有调节量)。实验过程稳压箱压力保持不变

.

3、慢慢开启调节阀，由喷嘴喷出射流冲击实验板，当实验板受到的冲击力与砝码的重量相等时，天平重新处于平衡状态(可通过阀门开度或移动砝码来进行调节)。注意不能动微调砝码。

4、拨动分流器，使其泄水口朝向测量水箱，同时按动秒表，当测量水箱水位达约24cm时，拨动分流器，使其泄水口朝向泄水槽，同时按动秒表。记录秒表读数、终水位及冲击力的测量值(即天平B盘砝码与移动砝码之和)。

5、将移动砝码滑到零位，在天平B盘再加入10克砝码，重复步骤3与4，测出第二组数据。用同样的方法测量6组数据。

6、实验完毕先关闭调节阀再停泵。天平底座下放托块保护。

五、注意事项

1、先开调压阀，泄水阀要关严，开供水调节阀一定要缓慢，防止冲液。 2、天平的正确使用是保证实验成功的条件，使用者首先要熟练掌握天平的正确使用方法。

六、实验成果及要求

1、有关常数

2、记录表格 β =90°

β =135°

β =1800

七、思考题

1、F实与F理有差异，除实验误差外还有什么原因？

实验四 文丘里流量计及孔板流量计综合实验

一、实验目的

1、了解文丘里流量计和孔板流量计的原理及其简单构造。

2、绘出压差与流量的关系曲线，确定文丘里流量计和孔板流量计的流量系数值。

二、实验原理

文丘里流量计是在管道中常用的流量计，它包括收缩段、喉管、扩散段三

部分。由于喉管过水断面的收缩，该断面水流动能加大，势能减小，造成收缩段前后断面压强不同而产生的势能差。此势能差可由压差计测得。

孔板流量计原理与文丘里流量计相同，根据能量方程以及等压面原理可得出不计阻力作用时的文丘里流量计(孔板流量计)的流量计算公式：

Q理Kh，

其中：K



4

D2d2Dd

4

4

2g；

h(z1p1/)(z2p2/)

对于文丘里流量计： hh1h2

对于孔板流量计： hh4h5

根据实验室设备条件，管道的实测流量Q实由体积法测出。

在实际液体中，由于阻力的存在，水流通过文丘里流量计(或孔板流量计)时有能量损失，故实际通过的流量Q实一般比Q理稍小，因此在实际应用时，上式应予以修正，实测流量与理想流量情况下的流量之比称为流量系数，即



Q实Q理

三、实验设备

文丘里实验设备：

1. 水泵 2. 稳压箱 3. 压力表 4. 放气调压阀 5. 泄水槽 6. 转向管 7. 比压计 8. 通气管夹 9. 上游阀门 10. 下游阀门 11. 量水箱泄水阀 12. 量水箱

1. 水泵 2. 稳压箱 3. 压力表 4. 放气调压阀 5. 泄水槽 6. 转向管 7. 比压计 8. 通气管夹 9. 上游阀门 10. 下游阀门 11. 量水箱泄水阀 12. 量水箱 13. 孔板

四、实验步骤

文丘里（孔板）实验

1、熟悉实验设备，记录有关常数。

2、排气：关闭其他实验项目阀门。开放气调压阀，启动水泵，开上游阀门，略开下游阀门，排除管内全部气体。关闭上游阀门，慢慢开下游阀门，使比压计液面达最低位置，夹紧比压计通气管。关下游阀门，略开上游阀门，待稳定后观察比压计液面是否水平，水平则管内无气。然后慢慢开大上游阀门，同时开大下游阀门，使比压计的压差达到最大值。

3、实验：关闭量水箱阀门，使初水位在2.5cm左右，并记录。将转向管出口转向量水箱，同时按秒表，稍后，读比压计，并记录，（注：文丘里实验第一组数据读3根测压管，从第2组数据开始只读比压计1与2两个测压管。）当量水箱水位达30cm左右时，将转向管出口转向泄水槽，同时按秒表，并记录量水箱水位及秒表读数，打开量水箱泄水阀，使初水位再下降到2.5cm左右，关下游阀门，调小流量，重复上述步骤，测出12组左右数据，最小流量的压差在9cm左右。实验完毕关上游阀门，观察比压计液面是否水平，若水平则管内未进气。

注：1、整个实验过程稳压箱压力表读数保持不变。（用放气调压阀调节）。

2、改变流量时，需待开关改变后，水流稳定，方可记录。

3、当管内流量较大时，测压管内水面会有波动现象。应读取波动水面的最高与最低读数的平均值作为该次读数。

五、实验成果及要求

1）文丘里

2）孔板

3）成果分析

1、绘制Q~h关系曲线。以h为横坐标，以Q为纵坐标，分别点绘文丘里流量计和孔板流量计的Q~h曲线。根据实测的值，分析文丘里流量计与孔板流量计的流量系数不相同的原因。

2、在方格纸上绘制文丘里第一组数据的测管水头线和总水头线图形。

七、思考题

1、若文丘里流量计和孔板流量计倾斜放置，测压管水头差是否变化？为什么？

2、收缩断面前与收缩断面后相比，哪一个压强大？为什么？ 3、实测的值是大于1还是小于1？

4、每次测出的流量系数值是否是常数？若不是则与哪些因数有关？

实验五 流动综合演示实验

一、实验目的

1、演示流体经过不同边界情况下的流动形态，以观察不同边界条件下的流线、旋涡等现象，增强和加深对流体运动特性的认识。

2、演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象、非自由射流等现象的感性认识。

3、加深对边界层分离现象的认识，充分认识流体在实际工程中的流动现象。

二、实验设备

图二为流动演示仪的示意图。该仪器是由水箱、水泵、流动显示面等几个部分所组成。该仪器通过在水流中掺气的方法，利用日光灯的照射，可以清楚地演示不同边界条件下的多种水流现象。整个仪器由7个单元组成，每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，亦可以同时使用。

三、实验步骤及演示内容

（一）操作程序

1、接通电源，打开开关。关闭掺气阀，在最大流量下使显示面两侧水道充满水。

2、用调节进气量旋纽调节进气量的大小。调节应缓慢，逐次进行，使之达到最佳显示效果（掺气量不宜太大，否则会阻断水流，或产生剧烈噪声）。

（二）演示内容

1、WD—1型(图三、1)用以显示逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩等平面上的流动图形，模拟串联管道纵剖面流谱。

在逐渐扩散段可观察到由于边界层分离而产生旋涡。而在收缩段，由于不产生边界层分离现象，流线均匀收缩，几乎没有旋涡产生，只在拐角处出现很小的旋涡。在突然扩大段出现了较大的旋涡区。由此可见，逐渐扩散段局部水头损失大于收缩段，而突然扩大段所产生的局部水头损失最大。

2、WD—2型(图三、2)显示文丘里流量计、孔板流量计等流动图形和串联流道纵剖面上的流动图形。

由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和旋涡产生。孔板流量计在孔板前的拐角处有小旋涡产生，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的旋涡区。由此可见，孔板流量计结构简单，水头损失较大，流量系数较小(0.61左右)。文丘里流量计流动形态较好，水头损失较小，流量系数效大(=0.96~0.99)。

3、WD—3型(图三、3)显示30。弯头、直角园弧弯头、直角弯头、45。 弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像。

由显示可见，在每一转弯后面，都因边界层分离而产生旋涡。转弯角度不同，旋涡大小、形状各异。在圆弧转弯段，流线顺畅；该串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的流动图谱。在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。在此段上还可以看到射流的“附壁效应”现象。

4、WD—4型(图三、4)显示30。弯头、分流、合流、45。弯头、YF—溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱。

由流动显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，存在不同的旋涡出现。合流旋涡较为典型，明显干扰主流，使主流受阻；闸阀半开， 尾部旋涡区较大，水头损失也大。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。

该装置不但能获得较好的教学效果，而且还直接为改进阀门的性能提供了直观根据。

图二 壁挂式自循环流动演示仪结构示意图

1、挂孔 2、彩色有机玻璃面罩 3、不同边界的流动显示面

4、加水孔孔盖 5、掺气量调节阀 6、蓄水箱 7、可控硅无级调速旋钮 8、电器、水泵室 9、标牌 10、铝合金框架后盖 11、水位观测窗

图三 显示面过流示意图

5、WD—5型(图三、5)显示明槽逐渐扩散，单园柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图形。

（1）驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小汽泡运动特性，可了解流速与压强沿圆周边的变化情况。

（2）边界层分离现象：流动显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察出边界层分离点的位置及分离后的回流形态。

（3）卡门涡街：圆柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边界层分离，然后不断交替在圆柱下游的两侧产生旋转方向相反旋涡，并随主流一起向下游运动，旋涡的强度逐渐减弱。

（4）多圆柱绕流：观察水流经过多圆柱绕流所产生的旋涡，可以了解被广泛用于热工中的传热系统的“冷凝器”及其他工业管道的热交换器等。由流谱图形可知，其换热效果较佳。

6、WD—6型(图三、6)显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流和反流线体绕流等流段上的流谱。

通过观察，可以看出以下几点：

（1）非圆柱体绕流也会产生卡门涡街，圆柱绕流不同的是，该涡街的频率具有较明显的随机性。改变绕流体结构可以破坏涡街固有频率，避免共振。

（2）流线型柱体绕流流动顺畅，形体阻力最小。而反流线体绕流时也出现了卡门涡街。

8、演示结束后，及时关机，切断电源。

四、注意事项

1、开机后需等1~2分钟，使流道气体排净后再演示。注意调节进行量，使演示效果达到最佳状态。

2、演示结束后及时关灯和关机。

3、注意水箱中的水位，当水位较低时及时加水（水箱中的水最好用纯净水）。

五、思考题

1、旋涡强度的大小与能量损失有什么关系？边界层分离现象发生在什么区域？

2、卡门涡街具有什么特性？对绕流有什么影响？你能指出实际问题中的卡门涡街现象吗？

3、空化现象为什么常常发生在旋涡区？

实验六 管流流态设计实验(雷诺实验)

一、目的要求

1、观察流体在管道中的流动状态（层流、紊流及其转变情况）。 2、测定下临界雷诺数Rec。

二、仪器设备

设备如下图。另备量筒一个、秒表一只、温度计一只。

三、实验原理

1、层流

管道中流动的流体，当其流动 Re数较小而不超过其临界值时，支配流动的主要因素是粘性力。管内流体质点受到这种粘性力的作用，只可能沿运动方向减速或加速而不会偏离其原来的运动方向，各流体质点不发生各向混杂，流动呈现规则的有秩序的成层流动，这就是层流。

2、紊流

当管道中流体流动 Re数增大甚至超过其临界值时，惯性力逐渐取代粘性力而成为支配流动的主要因素。沿流动方向的粘性力对质点的束缚作用降低，质点向其他方向运动的自由度增大，因而容易偏离其原来的运动方向，形成无规则的脉动混杂甚至产生可见尺度的涡旋，这就是紊流

在本实验中，颜色水随玻璃管内主流一起流动，颜色水流线代表了管内主流的流动状态。

3、下临界雷诺数Rec的测定

由流体力学可知：层流紊流流态的判别标准就是下临界雷诺数Rec， 可表示为

，式中 d为玻璃管内径； 为流体的运动粘性系数；

为流

体的临界速度。

实验中，玻璃导管内径是已知的；水的运动粘性系数

与温度的关系为：

（㎝2/s）

使用温度计测量出实验流体的温度 t，根据上式即可求出 值。 VC的测量方法是用量筒和秒表测量出流体在临界状态时一段时间内的体积，该流体体积除以所用时间得到单位时间流体体积即流量QC ,再由VC=QC/A求出临界速度VC 。这里A为玻璃导管的有效截面积。

四、实验步骤

1、记录有关常数

2、观察两种流态：打开开关使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀，并注入颜色水于管道内，使颜色水流成一条直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流层流流态；然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察水流从层流到紊流变化的水力特征；待管中出现完全紊流后再逐步关小调节阀，观察水流由紊流转变为层流的水力特征。

3、测定下临界雷诺数

（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到实验色水在全管刚刚拉成一条直线状态时，即为下临界状态。注意每调节一次阀门，均须等待稳定几分钟。

（2）待管中出现临界状态时，用体积法测定流量。

（3）重新开大调节阀，使管内流动形成完全紊流，按上述步骤重复测量5～6次。

六、量测与计算

1、有关常数

实验台编号： ；

管经d cm； 管道过水面积A cm2； 2、测量数据记录

七、回答问题

1、为什么要用 Rec来判断流态而不用Vc来判断？

2、如用不同直径的导管，或用不同的液体， Vc和Rec是否改变？

实验七 孔口管嘴综合实验

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。

、测定计算各孔口与管嘴的流速系数、流量系数、局部阻力系数以及薄壁孔口的断面收缩系数。

3、测定圆柱形外管嘴真空值。

二、实验原理

对

0.1的小孔口，当为完全收缩出流时，在离孔口约

断面处，水

股断面收缩到最小，该收缩断面面积与孔口断面面积之比值称为收缩系数用ε表示。薄壁孔口的ε值最小。

管嘴出流，圆柱管嘴在管嘴内收缩形成真空区。

在恒定流条件下，应用能量方程可得孔口与管嘴自由出流公式 孔口：

管嘴：

式中：

,

, ,

三、实验设备

1-水泵 2-溢流管 3-供水箱 4-水位测压管 5-真空测压管 6-1-圆柱管嘴 6-2-流线管嘴 6-3-园边孔口 6-4-薄壁孔口 7-接水器 8-量水箱 9-存水箱 10-进水阀

四、实验步骤

1、塞好孔口和管嘴出口,关闭进水阀门,向存水箱注水至距上沿4cm处。打开电源开关，缓慢开大进水阀门，当有溢流后,保持少量溢流,观察水位测压管与真空测压管是否在同一水平位置,若不在同一水平位置说明管内气体未排净,用吸气球排出气体.

2、打开圆柱管嘴塞子,保持少量溢流,关闭量水箱阀门,调节初水位h1到2.5cm处，并记录，将接水器置于管嘴出口处，同时按秒表，当水位达到23cm左右时，将接水器快速移离管嘴同时按下秒表，然后记录秒表读数，量水箱水位读数，真空测压管读数并记录，重复以上动作并记录。然后关闭圆柱管嘴。

3、打开流线管嘴塞子,保持少量溢流,关闭量水箱阀门,调节初水位h1到2.5cm处，并记录，将接水器置于管嘴出口处，同时按秒表，当水位达到23cm左右时，将接水器快速移离管嘴同时按下秒表，然后记录秒表读数，量水箱水位读数，重复以上动作并记录，然后打开圆柱管嘴。观察两种管嘴的流动。最后关闭所有管嘴。

4、打开园边孔口塞子,保持少量溢流,关闭量水箱阀门,调节初水位h1到2.5cm处，并记录，将接水器置于孔口出口处，同时按秒表，当水位达到23cm左右时，将接水器快速移离孔口同时按下秒表，然后记录秒表读数，量水箱水位读数，重复以上动作并做记录，然后关闭园边孔口。

5、打开薄壁孔口塞子,保持少量溢流,关闭量水箱阀门,调节初水位h1到2.5cm处，并记录，将接水器置于孔口出口处，同时按秒表，当水位达到23cm左右时，将接水器快速移离管嘴同时按下秒表，然后记录秒表读数，量水箱水位读数，重复以上动作并做记录，量距孔口5毫米处的收缩直径，然后打开园边孔口塞子。观察两种孔口的流动。最后关闭所有孔口。

五、注意事项

、实验时必须在水流稳定时方可进行。

、量测收缩断面直径时，要仔细，卡尺既不能阻碍水流又不能离开水流。、爱护秒表、孔口及管嘴等设备。

、本实验出水流量不稳定，需测三次取平均值。、实验结束后，关闭电源开关，拔掉电源插头。

六、量测与计算

1、有关常数值：量水箱底面积的标定值 F= 388 cm2（三台设备均为此值）

表1

实验台编号：

2、测量记录与计算值



、计算：



七、思考题

、为什么同样直径与同样水头条件下，管嘴的流量系数值比孔口的大？、为什么有的射流紧密不碎，射程较远，有的射流破碎成滴？