试验项目三开放式水工断面模型综合型试验土木工程试验教学中心.docx

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试验项目三开放式水工断面模型综合型试验土木工程试验教学中心

福州大学土木工程学院本科实验教学示范中心

学生实验指导书

水力学

实验指导书

福州大学土木工程学院水力学实验室编

2007年7月28日

前言1

实验项目一：

有压管流综合型实验5

（一）不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验5

（二）不可压缩流体恒定流动量定律实验10

（三）毕托管测速实验14

（四）雷诺实验17

（五）文丘里流量计实验20

（六）管路沿程阻力系数测定实验24

（七）管路局部阻力系数测定实验30

（八）孔口与管嘴出流实验34

实验项目二：

明渠水力学综合型实验38

（一）水跃参数测定实验38

（二）实用堰流量系数测定实验41

（三）宽顶堰流量系数测定实验43

实验项目三：

开放式水工断面模型综合型实验44

（一）模型设计与制作44

（二）实验量测与分析44

实验项目四：

开放式研究型整体模型实验45

（一）模型设计与制作45

（二）实验量测与分析45

实验项目五：

单项量测实验46

（一）流体静力学实验46

（二）渗流电模拟实验52

实验项目六：

动手演示型实验54

（一）静压传递自动扬水演示54

（二）壁挂式自循环流动演示54

（三）自循环流谱流线显示仪55

（四）紊动机理演示55

（五）水击综合演示55

（六）虹吸演示55

（七）空化机理演示55

（八）水面曲线的定性实验55

前言

一、水力学实验课的改革

水力学及工程流体力学是工科院校土建水利类学科的一门重要的技术基础课。

现代水力学是建立在实验、理论和计算三大支柱上的，是实践性和理论性都较强的学科，它涉及到大量的概念、定义、模型、计算和实验等。

虽然实验教学对本课程非常重要，但传统的实验教学存在许多与当代教学不相适应之处，如实验内容局限于古典而缺乏新意；仪器陈旧，大多沿用50年代的的老设备，且往往学生多，仪器台数少，动手率低；教学注入式为主，缺乏现代辅助手段，学生自主性不足，等等。

因此，我们乘“211”的强劲东风，进行实验室的改造，引进荣获国家级一等优秀教学成果奖的浙江大学《水力学》与《工程流体力学》教学实验综合改革成果，包括新型实验仪器和CAI实验教学软件，这些仪器具有技术先进，测量精度高，流动现象可视化性强，小型化，性能优于进口仪器等特点。

引进的CAI实验教学软件教学辅助功能齐全。

每项实验CAI均包括仪器仿真，动态操作界面、实验原理、数据采集、成果分析、操作指南和问题解答。

可供学生在计算机上进行各项实验的过程操作、数据采集和成果分析，还设有实验提示、错误纠正等功能，以辅导学生按正确途径深入有序地进行实验。

所附的实验原理和问题解答除用文本形式外，均以多媒体动画和录相的形式给出，形象生动、简单易懂，可供学生实验预习与答疑，帮助学生成功地完成实验。

在教学计划学时被大幅度压缩后，实验项目的挑选与组合优化就显得很重要。

以往水力学实验有十几项，每项2学时，就得20多学时。

为了压缩学时，同时加强对学生的创造性思维和综合分析能力的培养，把水力学实验项目分成演示型、单项型、综合型、设计型和开放式研究型等类型，分述如后。

（一）演示型实验

演示型实验包括水力学模型试验演示和一些水力现象和原理的演示。

1．水力学模型试验演示

本试验演示安排在水力学第一次课（诸论）后进行。

其主要目的在于让学生认真观察水利枢纽中的各种水流现象，观察并思考水流与约束水流运动的边界（包括各种水工建筑物）之间的相互作用，归纳出水利工程中常遇到的问题，如：

水力荷载、水流流动形态、水能利用和水能消耗及其他特殊的水力学问题，如：

空蚀、掺气、挟沙及污染的扩散问题。

这些问题如何解决正是水力学所研究的主要内容。

通过试验演示，并经认真观察和思考，可深刻感到水力学是一门实实在在的、真正有用的课程，进一步明确学习目的性，激发学习兴趣。

同学进一步可思考：

模型与原型水流相似吗？

如何才能相似？

物理量如何换算？

所有这些问题正是《水力学》或《工程流体力学》要解决的的。

2．水力现象和原理的演示

此类实验目的在于让学生在实验室里集中快速地观察水流的各种现象，各种妙趣横生、奇观频现的演示实验能让我们深有“世界真奇妙”之感，有寓教于奇、启迪智慧之神效，能够激发学习水力学的强烈欲望，引导分析、研究各种水力学问题。

这些演示还蕴含深奥的水力学科学知识，直观生动地揭示了重要的流体运动规律。

所有这些是单纯理论教学，那怕是多媒体教学也难以取代的。

流线、流态、紊动机理、空化、水击、虹吸、静压扬水、能量转换与守恒、动量原理等演示可由实验指导教师操作、讲解，目的在于在有限的课时内让学生看到更多的水流现象。

有些实验演示可由学生自己操作，并仔细观察水流现象，体会其中之奥妙。

（二）单项型实验

单项型实验包括静水压强测定、渗流电模拟实验等，这些实验内容单一，实验仪器小巧精细，并自成系统，需要细心操作和反复量测。

为培养独立操作能力和认真细致的工作作风，实验分小组进行，每组2~3人，为克服仪器不足的不利条件，采用课外预约、多批次、多小组进行的方式。

课前要求认真预习。

（三）综合型实验

为了节约课时，提高效率，把以往分散的多个单项实验加以合理综合，分为有压管流综合实验和明渠水流综合实验两部分。

这些综合实验利用实验室原有的玻璃实验槽以及引进的有压管流和明渠水流多种实验仪进行。

该实验的主要内容有：

水位测针测水位，毕托管测流速，薄壁堰测流量，缓流、急流和水跃现象观测，共轭水深、水跃长度测定等。

利用一套设备一次进行多项目实验可大大节省时间（免去了多次开机抽水和稳定时间），还可一定程度上缓解了学生多、设备少的矛盾。

只要充分准备、合理安排就可以增加共用一套设备进行实验的学生数。

这项综合实验还可以作为一个断面模型使用，当讲到“相似原理和模型试验基础”后，可做为一个习题，把实验得到的数据按相似律换算为原型数据。

（四）设计研究型实验

以水力学整体模型试验作为设计型实验。

这个实验在水力学实验大厅和露天模型场进行，这是配合“相似原理和模型试验基础”一章的教学安排的。

根据某水利枢纽的试验任务，让学生结合本校实验室的实际条件（如实验场地、循环水设备等），通过实地勘测、调查，拟定实验方案，包括：

相似准则、模型范围、模型比尺的选定，模型设计和制作（要求画出模型的平面和高程布置图，做出2~3个有代表性的模型断面板等），实验仪器和设备的选定，拟定实验内容和实验步骤（包括记录表格的设计）等。

然后，在现有的模型（如水口水电站模型、棉花滩水电站模型等）上放水试验。

试验内容：

水位流量控制，水位流速量测，流态观测和描述等。

这项实验的意义在于：

在完成实验课的过程中，学生可以凭借自己已有的知识和技能（如测量学、建筑材料学、水力学、实验误差理论等），展开丰富的想像，通过创造性思维，提高自己的综合应用能力。

二、水力学教学实验守则

1．实验前必需详细阅读实验指导书，参阅有关教材，明确实验目的和要求、熟悉实验仪器和设备，有关原理和实验步骤（指导书中未列出步骤的，学生必须自己拟定实验步骤并设计好记录表格）、注意事项等，做到实验前心中有数。

2．认真进行实验，严守操作规程，进行合理分工，协调操作，细心观察水流现象，认真分析思考，及时记录原始数据，有关的计算和绘画工作应与实测工作同时进行，以便及时检查实测是否有误，一旦有误，及时更正，不得任意任意更改。

课后认真独立完成实验报告。

3．实验课听从教师指导，保持安静，不得动用与本实验无关的设备，注意实验安全，保持场地卫生，实验完毕后应整理好仪器设备，经教师同意方能离开。

三、实验报告的要求

1．报告内容：

甲、实验目的要求：

乙、实验原理简述：

丙、水流现象描述和原始实验数据：

丁、实验成果整理和曲线图表绘制及结论与问题讨论。

2．每人独立完成实验报告，一律用福州大学毕业设计论文报告纸，要求文字通顺，字迹清楚，用工具绘图。

3．实验报告经教师批阅后，应认真阅读和改正，不合格者需重做实验或重做实验报告。

四、实验注意事项

1．凡装有测压管的实验，实验时应先排尽管中的空气。

2．用重量法或体积法测流量时段应尽可能长些，以便获得较高精度。

3．凡水力要素波动不定时，不能读其瞬间值，应读其平均值。

4．在玻璃水槽中做实验时，如需调节下游水深，应缓慢操作，水位测针车亦应沿轨道缓慢移动。

5．测量恒定流时的各种数据时，应待水力要素（如量水堰堰上水头、堰前水位、下游水位等）稳定后方可量测。

6．测定表面波动较大的水流的水位时，用有量水筒的测针量测，要待水筒的水位与水槽内水位齐平时再测，并注意测针尖与水面接触。

五、水力学实验室概况

本实验室主要由700m2实验大厅、100m2实验教室和以泵房为中心的循环水系统，以及办公观测用房与附属实验场等组成。

实验大厅内装有一条宽度B=80cm的玻璃水槽供科研用，备有两条B=40cm的玻璃教学实验用，提供一定的场地面积可供水力模型试验使用，并配置有各种电测仪器与设备。

实验教室内装设有各种教学实验用的实验测定和演示仪器。

泵房内装有四台水泵，总供水流量为365升/秒。

地下水库容量为150m3，平水塔高度8米，其容量为50m3。

另设置多条供水管道和回水地沟，组成循环水系统，能对多个地点稳定地提供不同的流量需求，使用可靠方便。

实验指导

实验项目一：

有压管流综合型实验

本实验装置是由可控硅无级调速器控制供水量的自循环台式实验仪，恒压水箱和实验管道用全透明有机玻璃精制而成。

实验管道为变直径与变管轴线高程，强化了位能、压能、动能之间能量转化的直观效果，测压点布置经优化组合，并增设毕托管测总压装置，可直观显视测压管水头和总水头的变化规律，各选一个均匀流和急变流（弯段）断面分别设置不同高度的两个测压点，可供动水压强分布规律的实验，用有机玻璃精制而成的组合式多管测压计，并配有移动标尺，精美耐用，测量方便。

本实验装置可供本科学生实验分析研究管流测压管水头和总水头的沿程变化规律及其位能、压能、动能、损失能之间的转化关系；验证流体恒定总流的伯诺里能量方程；并实验分析均匀流和急变流在过水断面上的分布规律及其它十余项定性、定量实验。

本实验装置可购买成套产品，并配有CAI仿真实验软件。

（一）不可压缩流体恒定能量方程（伯诺里方程）实验

一、实验目的要求

1．验证流体恒定总流的能量方程；

2．通过对动水力学诸多水力现象分析研讨，进一步掌握有压管流水力学的能量转换特性；

3．掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。

二、实验装置

本实验的装置如图一所示。

说明：

本仪器测压管有两种：

1．毕托管测压管（表2.1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头

H′（=Z+），须注意一般情况下H′与断面总水头H（=Z+）不同（因一般），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；

2．普通测压管（表2.1未标*者），用以定量量测测压管水头。

实验流量用阀13调节，流量由体积时间法（量筒、秒表另备）或重量时间法（电子称另备）测量（以下实验类同）。

三、实验原理

在实验管路中沿管内水流向取n个过水断面。

可以列出进口断面

（1）至另一断面（i）的能量方程式（i=2，3，……，n）

取α1=α2=…αn=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速及，从而即可得到各断面测管水头和总水头。

四、实验方法与步骤

1．熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。

2．打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关后所有测压管水面是否齐平。

如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。

3．打开阀13，观察思考1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位置水头、压强水头之间的相互关系；