水力学实验指导书.docx
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水力学实验指导书
一、静水压强实验
、实验目的
1、加深对水静力学基本方程物理意义的理解,验证静止液体中,不同点对
于同一基准面的测压管水头为常数(即z•卫=C)pg
2、学习利用U形管测量液体密度。
3、建立液体表面压强PoPa,Po:
:
:
Pa的概念,并观察真空现象。
4、测定在静止液体内部A、B两点的压强值。
、实验原理
在重力作用下,水静力学基本方程为:
zirC
它表明:
当质量力仅为重力时,静止液体内部任意点对同一基准面的z与-P两
项之和为常数。
重力作用下,液体中任何一点静止水压强
Po为液体表面压强。
PoPa为正压;Po:
:
:
Pa为负压,负压可用真空压强Pv或真空高度hv表示:
重力作用下,静止均质液体中的等压面是水平面。
利用互相连通的同一种
液体的等压面原理,可求出待求液体的密度。
三、实验设备
在一全透明密封有机玻璃箱内注入适量的水,并由一乳胶管将水箱与一可
升降的调压筒相连。
水箱顶部装有排气孔ki,可与大气相通,用以控制容器内液体表面压强。
若在U形管压差计所装液体为油,心由:
:
:
^水,通过升降调压筒可
四、实验步骤
1、熟悉仪器,测记有关常数。
2、将调压筒旋转到适当高度,打开排气阀,使水箱内的液面与大气相通,此时液面压强Po二Pa。
待水面稳定后,观察各U形压差计的液面位置,以验证等压面原理。
3、关闭排气阀&,将调压阀升至某一高度。
此时水箱内的液面压强PoPa观察各测压管的液面高度变化并测记液面标高。
4、继续提高调压筒,再做两次。
5、打开排气阀ki,使之与大气相通,待液面稳定后再关闭ki(此时不要移动调压筒)
6、将调压筒降至某一高度。
此时P。
:
:
:
Pa。
观察各测压管的液面高度变化,
并测记标高,重复两次。
7、将调压筒升至适当位置,打开排气阀ki,实验结束。
五、注意事项
1、升降调压筒时,应轻拉轻放,每次调压高度不宜过大。
2、在测记测压管液面标高时,一定要待液面稳定后再测读数。
若po未变而
测压管水面持续变化时,则表明阀门漏气,应采取修复措施。
六、思考题
1、什么情况下3、4两根测压管的高度相同?
2、液面标高'、4-'、3与'6-'5相等吗?
为什么?
3、调压筒的升降为什么能改变容器的液面压强Po?
4、实验时,密封容器内的水面能不能低于A点,为什么?
二、流线演示实验
一、实验目的
1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水流形态,以观察在不同边界条件下的流线、旋涡等,增强对流体运动特性的认识。
2、应用流动演示仪演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡街现象及非自由射流等,增强对这些现象的感性认识。
、实验设备和仪器
流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。
而通过
各种演示设备就可以演示出流线。
常用的有烟风洞、氢气泡显示设备,及流动演
示仪等。
现以流动演示仪为例加以说明。
图2-1为流动演示仪的示意图,该仪器用有机玻璃制成,通过在水流中掺气的方法,演示不同边界条件下的多种水流现象,并显示相应的流线。
整个仪器
有不同的单元组成。
每个单元都是一套独立的装置,可以单独使用,亦可同时使用。
三、实验步骤
(一)、操作程序
1、接通电源,打开开关。
2、用调节进气量旋钮,调节气泡大小。
(二)演示内容
I型:
显示圆柱绕流等的流
线,该单元装置能十分清楚地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状态
分离状况及卡门涡街现象。
1、驻点:
观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性,可
图2-1了解流速与压强沿圆柱周边的变化情况。
2、边界层分离:
流线显示了圆柱绕流边界层分离现象,可观察边界层分离
点的位置及分离后的回流形态。
3、卡门涡街:
即圆珠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两侧产生旋转方向相反的旋涡,并流向下游。
U型:
显示桥墩、机翼绕流的流线。
该桥墩为圆珠笔头方尾的绕流体。
水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡街,并可观察水流绕过机翼时的运动状态。
川型:
显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板(或丁坝)纵剖面上的流线图像。
1、在逐渐收缩段,流线均匀收缩,无旋涡产生;在逐渐扩散段可看到边界层层分离而产生明显的漩涡。
2、在孔板前,流线逐渐收缩,汇集于孔板的过流孔口处,只在拐角处有一小旋涡出现;孔板后水流逐渐扩散,并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。
W型:
显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。
1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。
2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。
3、在直角转变处,流线弯曲,越靠近弯道内侧流速越小,由于水流通道很不畅顺,回流区范围较广。
四、注意事项
此处注意调节进气阀的进气量,使气泡大小适中,流动演示更清晰。
五、思考题
1、旋涡区与水流能量损失有什么关系?
2、指出演示设备中的急变流区。
3、空化现象为什么常常发生在旋涡区中?
4、卡门涡街具有什么特征?
对绕流物体有什么影响?
三、能量(伯努利)方程实验
一、实验目的
1、观察恒定流的情况下,当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和总水头值,并绘制管道的测压管水头线及总水头线。
二、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:
2
hw
Z2B2V2
;?
92g
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转化为热能而散逸,即水头损失。
因而
机械能应沿程减少。
对于均匀流和渐变流断面,其压强分布符合静水压强分布规律:
z卫=C或p=Po「gh:
g
但不同断面的C值不同
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—1(a),离心力与重力方向相反,所以
P动:
:
:
P静。
下凹曲面边界上的急变流断面如图3—1(b),离心力与重力方向相同,所以
P动p静。
三、实验设备
列睫■育權其骑仪
实验设备及各部分名称如图3—2所示
四、实验步骤
1、分辩测压管与毕托管检查橡胶管接头是否接紧
2、启动抽水机,打开进水阀,使水箱充水并保持溢流,使水位恒定。
3、关闭尾阀k,检查测压管和毕托管的液面是否齐平。
若不平,则需要检查管路中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和B处的压强分布规律。
6、本实验共做三次。
五、实验要求及注意事项
1、在管流流量Q固定不变的情况下,观察管段内流体在不同位置的测压管水头线;
2、在某一级稳定流情况下,测定沿流各过水断面的平均位置高度z、测压
2
管高度—、流速水头丄及总水头H值。
pg2g
3、尾阀k开启一定要缓慢,并注意测压管中的水位的变化,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。
4、流速较大时,测压管水面有脉动现象,读数要读取均值。
六、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?
四、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
应用力矩平衡原理如图4-1,求射流对平面和曲面板的作用力
力矩平衡方程:
FL=GL,,
GLi
图4-1
F二
L
式中:
F—射流作用力;L—作用力力臂;G—砝码重量;L1—砝码力臂。
恒定总流的动量方程为
F=:
Q(-2^2--v),若令-2=-1=1,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:
F=『Qv(1-cos:
)
式中:
Q—管嘴的流量;v—管嘴的流速;:
•一射流射向平面或曲面板后的偏转角度。
-=90时,F平二?
QvF平一水流对平面板的冲击力;
=135时,F=:
Qv(1-cos135)=1.7073"707F平
:
=180时,F=gv(1-cos180)=2二2F平
三、实验设备
实验设备及各部分名称见图4—1
0H4-2动■原理买验仪
四、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,使水箱充满水并保持溢流。
此时;,水流从管嘴射出,冲击平板中心,标尺倾斜。
加砝码并调节砝码位置,使杠杆处于水平状态,达到力矩平衡。
记录砝码质量和力臂。
4、用体积法测量流量Q用以计算F理;
5、重复上述步骤一次;
6、将平面板更换为曲面板(•'-135'及-180■)又可实测和计算不同流量的作用力;
7、关闭抽水机,将水箱中的水排空,砝码从杠杆上取下,实验结束。
五、注意事项及要求
1、量测流量后,量筒内的水必须倒进接水器,以保证水箱循环水充足;
2、测流量时,计时与量筒接水与离开均需要同步进行,以减小流量的量测
误差;
3、测流量一般测取两次,取平均值,以消除误差。
六、思考题
1、F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?
五、雷诺实验
一、实验目的
1、观察层流和紊流的流动特征及转变情况,以加深对层流、紊流形态的感性认识。
2、测定层流和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hf和断面平均流速的对数关系曲线,并计算图中的斜率m和临界雷诺数Rec。
二、实验原理
同一种液体在同一管道中流动,当流速不同时,液体在运行中有两种不同的流态。
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,这种形态的游体流动称为层流。
当流速较大时,管中水流各质点间发生相互混杂的运动,这种形态的液体流动称为紊流。
层流与紊流的沿程水头损失规律不一样,根据试验,水头损失与断面平均
流速之间的关系式用hf二kvm表示,层流状态时,沿程水头损失大小与断面平均
流速的1次方成正比,即hfhv1.0;而在紊流状态时,沿程水头损失大小与断面
平均流速的1.75〜2.00次方成正比,即hf二v1.750〜02.0。
每大实验设备的管径一定,当水箱水位保持不变时,管内即产生恒定流,
沿程水头损失hf与断面平均流速v的关系可由能量方程导出:
当管径不变时,vi=v2,取:
--2:
1.0,
所以hf=(Zi卫b-(Z2卫=h
Pg中
(h)值由压差计读取
在圆管流动中采用雷蔚为大观数来判别流态:
vd4Q4
RekQ;k
*dd>
式中:
k—系数;、••一水流的运动粘滞系数;d—圆管直径;Q—流量
当Re:
:
:
Rec(下临界雷诺数)时为层流状态,Re.二2320;
当Re-Rec(上临界雷诺数)时为层流状态,只轧在4000〜12000之间
三、实验设备
色水
抽水机
图5—1雷诺实验仪
四、实验步骤
1.观察流动状态
将进水管打开使水箱充满水,并保持溢流状态;然后用尾阀调节流量,将阀门以极慢速打开,待水流稳定后,注入有色指示剂。
当有色指示剂在试验管中呈现一条稳定而且明显的流线时,管内即为层流流态。
随后渐渐开大尾阀门,增大流量,这时有色指示剂开始颤动、弯曲,并逐
渐扩散,当扩散至全管,水流紊乱到已看不清有以指示剂着色的流线时,此时即
为紊流流态。
2.测定hf〜v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用体积法测量。
用量筒量测水的体积V,用秒表计时间T。
流量Q=V。
相应的断面平均流速v=Q。
TA
4)流量用尾阀调节,共做10〜15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',从而计算雷诺数Re上。
V
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。
五、注意事项
1•在整个试验过程中,要特别注意保持水箱内的水头稳定。
每变动一次阀门开度,均待水头稳定后再量测流量和水头损失。
2•在流动形态转变点附近,流量变化的间隔要小些,使测点多些以便准确测定临界雷诺数。
3.在层流流态时,由于流速v较小,所以水头损失hf值也较小,应耐心、
细致地多测几次。
同时注意不要碰撞设备并保持实验环境的安静,以减少扰动。
六、思考题
1.要使注入的颜色水能确切反映水流状态,应注意什么问题?
2.如果压差计用倾斜管安装,压差计的读数差是不是沿程水头损失hf值?
管内用什么性质的液体比较好?
其读数怎样进行换算为实际压强差值?
3.为什么上、下临界雷诺数值会有差别?
4.为什么不用临界流速来判别层流和紊流?
六、管道沿程水头损失实验
、实验目的
1、掌握测定管道沿程水头损失系数•的方法;
2、绘制沿程水头损失与雷诺数Re的对数关系曲线。
、实验原理
对通过一等直径管道中的恒定水流,在任意两过水断面1—1、2—2上写能
量方程,可得
hf=(ZiPi/,g)-(Z2P2/-g)
同时,我们知道沿程水头损失的表达式:
则沿程水头损失系数•为
(乙口/呵)_(Z2P2/?
g)hf
lv2lv2
d2gd2g
一般可认为
-与相对粗糙度耳及雷诺数Re有关。
即'=f(S,Re)。
d
三、实验设备
实验设备及部分名称如图6—1所示
抽水机
S沿程水头损失实验仪
四、实验步骤
1、熟悉实验设备,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。
3、检查尾阀K全关时,压差计的液面是否齐平,苦不平,则需要排气调平
4、调节尾阀K,使流量在压差计量程内达到最大,待水流稳定后记录压差计读数,水温和量测其流量,流量用体积法量测。
5、逐渐关闭尾阀K,依次减少流量,量测各次流量和相应的压差值。
共做
10~15次。
6、用温度计测记本次实验的水温t。
并查得相应的>值,从而可计算出相