水力学试验指导书文档格式.docx
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三、实验原理
不停运动着的一切物质，所具有的能量也在不停转化。
在转化过程中，能量只能从一种形式转化为另一种形式，即遵守能量守恒定律。
流体和其他物质一样，也具有动能和势能两种机械能，流体的动能与势能之间，机械能与其它形式的能量之间，也可互相转化，其转化关系，同样遵守能量转换守恒定律。
当理想不可压缩流体在重力场中沿管线作定常流动时，流体的流动遵循伯努利能量方程。
即
式中：
Z—位置水头（位置高度）；
p/ρg—压强水头（测压管高度）；
u2/2g—流速水头（流速高度）；
Hp=Z+p/ρg—测压管水头；
H=Z+p/ρg+u2/2g—总水头。
实际流体都是有粘性的，因此在流动过程中由于磨擦而造成能量损失。
此时的能
量方程变为：
其中能量损失hw是由沿程磨擦损失hf和局部能量损失hj两部分组成。
本实验就是通过观察和测量对流体在静止与流动时上述的能量转化与守恒定律的验证。
四、实验操作
1、验证静压原理：
启动水泵，等水罐满管道后，关闭两端阀门，这时观察能量方程实验管上各个测压管的液柱高度相同，因管内的水不流动没有流动损失，因此静止不可压缩均布重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和保持不变，测点的高度和测点的前后位置无关。
2、测速：
能量方程实验管上的每一组测压管都相当于一个皮托管，可测得管内任意一点的流体点速度，本实验台已将测压管开口位置设在能量方程实验管的轴心，故所测得动压为轴心处的，即最大速度。
平均流速V=Q/A
根据以上公式计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速添入表格，可验证出连续性方程。
对于不可压缩流体稳定的流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。
项目
序号
液体总量
Q0（m³
）
计时时间
t（s）
单位时间流量
Q1（m³
/S）
压差
h（m）
计算流量
Q2（m³
流量系数
ζ
1
2
3
4
5
6
能量方程实验管工况点实验数据记录：
液柱高
流量
m3/S
全压
静压
一
二
能量方程管
中心高
㎜
位置
水头
内径㎜
静水
头㎜
3、观察和计算流体、流径，能量方程实验管对能量损失的情况：
在能量方程实验管上布置四组测压管，每组能测出全压和静压，全开阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，说明流体的总势能沿着流体的流动方向是减少的，改变给水阀门的开度，同时计量不同阀门开度下的流量及相应的四组测压管液柱高度，进行记录和计算。
实验三动量定律实验仪
1、测定射流对水箱的反作用力；
2、测定射流对平板的作用力，以次验证恒定流动量方程。
本实验装置分两种类型，其中Ⅰ型为测定射流对平板的冲击作用力。
Ⅱ型则增加了射流对水箱的反作用力。
㈠水箱：
1、以水箱水面1—1、出口断面2—2及箱壁为控制面，对X轴列动量方程：
Rx—水箱对水流的作用力。
其反作用力即水流对水箱的作用力，二者大小相等，
方向相反；
ρ—水的密度；
Q—流量；
用重量法测算。
β1、β2—动量修正系数；
取β1=β2＝1
V1x—水箱水面的平均流速在X轴的投影；
V2x—出口断面的平均流速在X轴的投影；
求得Rx后，对转轴取矩得计算的力距M：
M=Rx·
L=ρ·
Q·
V·
L
L—出口中心至转轴的距离
d—出口直径
V—出口流速
移动平衡砝码得实测力矩M0：
G—平衡砝码重量（N）
△S=S-S0
S0—未出流时（静态）平衡砝码至转轴O的距离
S—出流时（动态）平衡砝码至转轴O的距离
2、实验步骤
⑴开启进水阀门，封闭出水管嘴，将水箱充满水。
⑵旋出定位销，移动并仔细调整平衡砝码，使水箱上部水准泡居中，记下静态时砝码位置S0；
⑶旋下喷嘴盖，观察射流对水箱的作用效果，然后移动砝码，使水准泡居中，记下动态时砝码位置S；
⑷将数据代入公式，进行计算。
3、注意事项
⑴每次调节前，必须将定位销固定住水箱，并用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器；
⑵注意单位换算。
㈡平板
1、取喷嘴出口断面1—1，射流表面、以及沿平板出流的截面2—2为控制面，对X轴列动量方程：
Rx—平板对水流的作用力。
其反作用力即水流对平板的作用力。
二者大小相等，
V1x—喷嘴出口平均流速在X轴的投影
V2x—控制面的平均流速在X轴的投影；
V2x=0
求得Rx，对转轴取矩。
得计算力矩M
L1=ρ·
L1
L1—水流冲击点至转轴的距离；
d—喷嘴的内径
V—喷嘴出口的平均流速
添加砝码得实验测力矩M0；
M0=G×
L2
G—砝码重量
L2—砝码作用点到转轴的距离
⑴将拉绳端部加一50克砝码，然后开启并调节阀门，使平板保持原始铅垂位置，记下砝码重量G，并用重量法实测流量；
⑵改变砝码重量，重复步骤
（1）；
应缓慢开启和调节阀门。
四、成果分析
分析用动量定律所求得的力和实测之间产生误差的原因。
动量方程实验报告
一、水箱
d=㎝L1=mS0=mG0=gW0=g
NO
G
g
M0=GL2
kgm
△W=W-W0
㎏
Q
㎏/s
V
m/s
Rx=ρQV
二、平板
d=㎝L1=mL2=mW0=g
S
㎝
△S
M0=G△S
W
T
s
㎝³
/s
M-M0
M%
实验四雷诺实验仪
1、实际观察流体的两种型态，加深对层流和紊流的认识。
2、测定液体（水）在园管中流动的临界雷诺数—即下临界雷诺数，学会其测定的方法。
实验装置的结构示意图如图1所示。
恒水位水箱靠溢流来维持不变的水位。
在水箱的下部装有水平放置的雷诺试验管，实验管与水箱相通，恒水位水箱中的水可以经过实验管恒定出流，实验管的另一端装有出水阀门，可用以调节出水的流量。
阀门的下面装有回水水箱，计量水箱里装有电测流量装置（Ⅱ型实验台）。
可以在电测流量仪上直接显示出实验时的流体流量。
（数字显示出流体出流体积W[立升]和相应的出流时间[秒]）。
在恒水位水的上部装有色液罐，其中的颜色液体可经细管引流到实验管的进口处。
色液罐的下部装有调节小阀门，可以用来控制和调节色液液流。
雷诺仪还设有储水箱，有水泵向实验系统供水，而实验的回流液体可经集水箱回流到储水箱中。
三、实验操作
1、实验前的准备
⑴打开进水阀门后，按下电测流量仪上的水泵开关，启动水泵，向恒水位水箱加水。
⑵在水箱接近放满时，调节阀门，使水箱的水位达到溢流水平，并保持有一定的溢流。
⑶适度打开出水阀门，使实验管出流，此时，恒水位水箱仍要求保持恒水位，否则，可再调节阀门，使其达到恒水位，应一直保持有一定的溢流。
（注意：
整个实验过程中都应满足这个要求）。
⑷检查并调整电测流量装置，使其能够正常工作。
⑸测量水温。
2、进行实验，观察流态
具体操作如下：
⑴微开出水阀门，使实验管中水流有稳定而较小的流速。
⑵微开色液罐下的小阀门，使色液从细管中不断流出，此时，可能看到管中的色液液流与管中的水流同步在直管中沿轴线向前流动，色液呈现一条细直流线，这说明在此流态下，流体的质点没有垂直于主流的横向运动，有色直线没有与周围的液体混杂，而是层次分明的向前流动。
此时的流体即为层流。
（若看不到这种现象，可再逐渐关小阀门，直到看到有色直线为止）。
⑶逐渐缓慢开大阀门至一定开度时，可以观察到有色直线开始出现脉动，但流体质点还没有达到相互交换的程度，此时，即象征为流体流动状态开始转换的临界状态（上临界点），当时的流速即为临界流速。
⑷继续开大阀门，即会出现流体质点的横向脉动，继而色线会被全部扩散与水混合，此时的流态即为紊流。
⑸此后，如果把阀门逐渐关小，关小到一定开度时，有可以观察到流体的流态从紊流转变到层流的临界状态（下临界点）。
继续关小阀门，试验管中会再次出现细直色线，流体流态转变为层流。
3、测定临界雷诺数Rec
⑴开大水阀门，并保持细管中有色液流出，使实验管中的水流处开紊流状态，看不到色液的流线。
⑵缓慢地逐渐关小出水阀门，仔细观察试验管中的色液流动变化情况，当阀门关小到一定开度时，可看到试验管中色液出口处开始有有色脉动流线出现，但还没有达到转变为层流的状态，此时，即象征为稳流装变为层流的临界状态。
⑶在此临界状态下测量出水流的流量，具体步骤如下：
①关闭计量水箱的出水阀门；
②扳动出水阀门下面的出水水咀，使出流的水流入计量水箱中；
③待水流入计量水箱中的水已使电测流量计的俘子浮起一定高度时，即可开始计量。
Ⅰ按下电测流量仪上的复位按钮，流量显示器即开始计量显示，显示出此时的出流总体积和相应的出流时间。
Ⅱ计量到适当时间后，按下电测流量仪上的锁定按扭，即停止计量，并显示出计量时出流流体的总体积W[ml]和相应的出流时间t[s]。
Ⅲ打开放水阀门，把计量水箱中的水放回储水箱，再关闭阀门。
Ⅳ按①、②步骤重复测量3次。
Ⅴ将测试结果记入实验记录表中。
注:
本实验台Ⅱ型加装电测流量装置。
四、实验数据计算和处理
1、实验记录表
次数
t
临界流速
临界雷诺数
附注
（ml）
（s）
（m³
/s）
Vk（m/s）
Rek
实验管内径
d=㎜
水温：
℃
2、实验数据计算
Q=W/t
υ—水运动粘度（根据实验水温，从水的粘温曲线上查得）
实验五沿程阻力系数测定
1、测定流体在等直圆中流动不同雷诺数Re时的沿程阻力系数，并确定它们之间的关系。
2、了解流体在道中流动时能量损失的测量和计算方法。
二、实验原理
流体在管道中流动时，由于流体的粘性作用产生阻力，阻力表现为流体的能量损失。
当对L长度两断面列能量方程式时，可以求得L长度上的沿程水头损失：
[m]
根据达西公式
实验测得△h（=hf）,再测量出流体的流量Q，并计算出管道断面的平均流速V，即可求得沿程阻力系数：
d—试验管内径[m]
g—重力加速度[m/s2]
三、实验装置（见图1）
实验台主要由二根不同的实验管路组成。
每根管子中间L长度的两断面上设有测压孔，可用压差板测出管路实验长度L上的沿程损失；
管路的流量测量采用体积法测量。
利用水泵将储水箱中的水打入试验管路，经稳流箱稳定水流，再通过出水阀门控制出水流量。
通过计量水箱返回储水箱。
（1）熟悉实验装置的结构及其流程。
（2）启动水泵，调整上水阀，使稳压水箱有适量溢流，并排除压差板上测压玻璃管中的空气，移动滑尺，即可读取数据。
（3）测试水温。
2、测录数据
（1）调节出水阀门，使压差计的压差指示△h约为20㎜左右，以这个压差为第一个试验点，并记录相应的水流流量Q。
（2）逐次开大出水阀门的开度，测读相应的压差值△hƒ和流量Q。
建议做6～10个测试点直到压差达到接近最高高度为止。
（3）本实验台可以进行不同粗细管道二组实验的测试，试验方法同上。
五、实验数据处理
实验测试数据和计算结果可填入下表：
d=㎜L=㎜水温=℃
次
序
h1
（mmHg）
h2
△h
（m/s）
Re
7
8
9
10
△h—应换算成水柱高[mmH2O]
V—可查表或从水的粘温曲线上求得
最后，可根据测算的Re和值在双对数座标纸上标绘出两者的关系点及其关系曲线；
并可与教材上的图线相比较。
实验六局部阻力系数测定
1、用实验方法测定三种局部管件（突扩、突缩和阀门）在流体流经管路时的局部阻力系数。
2、学会局部水头损失的测定方法。
二、实验原理及实验装置
1、实验原理
局部阻力系数测定的主要部件为局部阻力实验管路，它由细管和粗管组成一个突扩和一个突缩组件，并在等直细管的中间段接入一个阀门组件。
每个阻力组件的两侧一定间距的断面上都设有测压孔，并用测压管与测压板上相应的测压管相联接。
当流体流经实验管路时，可以测出各测压孔截面上测压管的水柱高度及前后截面的水柱高度差h。
实验时还需要测定实验管路中的流体流量。
由此可以测算出水流流经各局部阻力组件的水头损失hζ，从而最后得出各局部组件的局部阻力系数ζ。
通过用计算公式为：
h1、h2—阻力组件前、后的水柱高度[m]
V1、V2—阻力组件前、后的水流流速[m/s]
g—重力加速度计[m/s²
]
【注】①局部阻力系数ζ计算时的流速经突然扩大断面时可用流经该局部组件前的流速V1外，一般不加说明的都是指流经局部组件后的流速V2。
这点在计算时要特别注意。
②上述计算中都略去了管路的沿程阻力损失。
2、实验装置
实验装置的整体结构如图1所示。
装置主要由电流量装置及其计量水箱、流量显示仪、出水阀门、局部阻力实验管路、测压管、实验台桌、进水阀门、储水箱、水泵等组成。
利用水泵将储水箱中的水打入实验管路，然后利用进水阀门和出水阀门，可以控制和调节出水流量。
阀门的下面装有回水箱和计量水箱，计量水箱中装有流量测量装置，可以由此在流量显示仪上直接显示出实验时的流体流量（数字显示出流体积W[立升]和相应的出流时间t[秒]，从而可算出实验管路的流体流量来）。
放水时的回流流体可以经集水箱回流到储水箱中。
测压板上的测压管是用橡胶管藻塑胶管与各测试截面上的测压孔相联，由此在实验时可以显示出各截面的测管水头高度及其前后截面的水头差值。
【注】本实验台Ⅱ型含电测流量装置。
①熟悉实验装置的结构及其流程。
②进行排气处理。
按下流量显示仪上的水泵开关，启动水泵，然后慢慢打开出水阀门时水流经过实验管路。
在此过程中，观察和检查管路系统和测压管及其导管中有无气泡存在，应尽可能利用试验管路上的放气阀门或用其它有效措施将系统中存在的气体排尽。
③检查并调整电测流量装置，使其能够正常可靠的工作。
2、进行实验，测录数据
①调节进水阀门和出水阀门，使各组压差达到测压管可测量的最大高度。
②在水流稳定时，测读测压管的液柱高和前后的压差值。
③在此工况下用电测流量装置测定流量。
④调节出水阀门，适当减小流量，测读在新的工况下的实验结果。
如此，可做3～5个实验点。
实验点的压差值不宜太接近）。
四、实验数据处理
1、将实验所得测试结果及实验装置的必要技术数据记入如下附表1中。
2、计算出前后截面的水柱高度差值及相应工况的流量填入附表2中。
3、计算出各局部阻力组件的阻力水头损失hζ和局部阻力系数ζ，并列入附表3中。
4、将实验测试结果与理论计算及参考资料的数据相比较，并进行分析和讨论。
附表1
No
H1
H2
H3
H4
H5
H6
W[L]
t[s]
附表2
h1.2
h2.3
h3.4
h5.6
Q[m³
/s]
备注
附表3
突扩
突缩
阀门
hζ
升级会员 