水力学实验指导书与实验报告适用专业：土木工程、港口航道与海岸工程专业2015
水力学 实验指导书与实验报告 适用专业：土木工程、港口航道与海岸工程专业 2015
目录实验一水静力学试验实验二伯诺里方程实验实验三雷诺实验810实验四紊动机理演示实验12实验五沿程水头损失实验16实验六局部水头损失实验实验七明槽水面曲线演示实验19实验八流线谱演示实验22实验一水静力学实验2
2 目 录 实验一 水静力学试验.3 实验二 伯诺里方程实验.5 实验三 雷诺实验.8 实验四 紊动机理演示实验.10 实验五 沿程水头损失实验.12 实验六 局部水头损失实验.16 实验七 明槽水面曲线演示实验.19 实验八 流线谱演示实验.22 实验一 水静力学实验
一、实验目的1、加深理解水静力学基本方程式及等压面的概念。2、理解封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点的压力。3、观察压力传递现象。二、实验原理对封闭容器的液体表面加压时，设其压强为po，即po>Pa。从U形管可以看到有压差产生，U形管与密封容器上部联通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。由此可知液面下降的表面压力即是密闭容器内液体表面的po，即po>Pa，P。=Pa+h，h是U形管液面上升的高度，当密闭容器内压力下降时，U形管内的液面呈相反的现象，即po<pa这时密闭容器内液面压强p。=P。-m。h为液面下降高度。三、实验装置本实验的装置如图1-1所示。排测气压阀枫调阀国管门门压门及筒海测固压压定Po湖管架固回定板水箱AVUU图1-1实验的装置图四、实验步骤如果对密闭容器的液体表面加压时，其内部的压力向各个方向传递，在右侧的液压管中，3
3 一、实验目的 1、加深理解水静力学基本方程式及等压面的概念。 2、理解封闭容器内静止液体表面压力及其液体内部某空间点的压力。 3、观察压力传递现象。 二、实验原理 对封闭容器的液体表面加压时，设其压强为 p0，即 p0> pa。从 U 形管可以看到有压差产 生，U 形管与密封容器上部联通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。由此 可知液面下降的表面压力即是密闭容器内液体表面的 p0，即 p0> pa， p0 pa h ，h 是 U 形管液面上升的高度，当密闭容器内压力下降时，U 形管内的液面呈相反的现象，即 p0< pa， 这时密闭容器内液面压强 p0 pa h 。h 为液面下降高度。 三、实验装置 本实验的装置如图 l-1 所示。 图 l-1 实验的装置图 四、实验步骤 如果对密闭容器的液体表面加压时，其内部的压力向各个方向传递，在右侧的液压管中
可以看到由于A，B两点在容器内的淹没深度h不同，在压力向各点传递时，先到A点后到B点。在测压管中反映出的是A管的液柱先上升而B管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时A，B两点在同一水平面上。1、关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差△h，在加压的同时，观察右侧A，B的液面上升情况。2、打开排气阀门，使液面恢复到同一水平面上，关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器内压力下降。表1-1静水压强测量记录及计算表单位：cm水箱液测压管压强水头实验次序液面面又。PBPA条件△H1Po= 012Po>031Po<023五、实验分析与讨论用该设备是否可测出其他液体的重度？为什么？实验二伯诺里方程实验4
4 可以看到由于 A，B 两点在容器内的淹没深度 h 不同，在压力向各点传递时，先到 A 点后 到 B 点。在测压管中反映出的是 A 管的液柱先上升而 B 管的液柱滞后一点也在上升，当停 止加压时 A，B 两点在同一水平面上。 1、关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U 形管出现压差△h，在加压的同时，观察右侧 A， B 的液面上升情况。 2、打开排气阀门，使液面恢复到同一水平面上，关闭排气阀，打开密闭容器底部的水 门，放出一部分水，造成容器内压力下降。 表1-1 静水压强测量记录及计算表 单位：cm 实验 条件 次序 水箱液 面▽ 0 测压管 液面 ▽ H 压强水头 pA pB p0 0 1 p0 0 1 2 3 p0 0 1 2 3 五、实验分析与讨论 用该设备是否可测出其他液体的重度？为什么？ 实验二 伯诺里方程实验
一、实验目的1、观察流体流经能量方程试验管道的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析，加深对能量方程的理解。2、掌握一种测量流体流速的原理。3、验证静压原理。二、实验设备本实验台由压差板、实验管道、水泵、实验桌和计量水箱等组成，如图2-1。10116、543a14131.水箱及潜水泵2.上水管3.电源4.溢流管5.整流栅6.溢流板7.定压水箱8.实验细管9.实验粗管10.测压管11.调节阀12.计量箱13.回水管14.实验桌图2-1伯诺里方程实验台三、实验前的准备工作1、全开溢流水阀门。2、稍开给水阀门。3、将回水管放于计量水箱的回水侧。4、接好各导压胶管。5、检验压差板是否与水平线垂直。6、启动电泵，使水作冲出性循环，检查各处是否有漏水现象。四、实验方法和要求1、验证静压原理5
5 一、实验目的 1、观察流体流经能量方程试验管道的能量转化情况，对实验中出现的现象进行分析， 加深对能量方程的理解。 2、掌握一种测量流体流速的原理。 3、验证静压原理。 二、实验设备 本实验台由压差板、实验管道、水泵、实验桌和计量水箱等组成，如图 2-1。 1.水箱及潜水泵 2.上水管 3.电源 4.溢流管 5.整流栅 6.溢流板 7.定压水箱 8.实验细管 9.实验粗管 10.测压管 11.调节阀 12.计量箱 13.回水管 14.实验桌 图 2-1 伯诺里方程实验台 三、实验前的准备工作 1、全开溢流水阀门。 2、稍开给水阀门。 3、将回水管放于计量水箱的回水侧。 4、接好各导压胶管。 5、检验压差板是否与水平线垂直。 6、启动电泵，使水作冲出性循环，检查各处是否有漏水现象。 四、实验方法和要求 1、验证静压原理
启动电泵，关闭给水阀，此时能量方程试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，因此静水头连线为一平行基准线的水平线，即在静止不可压缩均匀重力流体中，任意点单位重量的位置势能和压力势能之和（总势能）保持不变，测点的高度和测点位置的前后无关，记下四组数据于表2-2的最下方格中。2、测速能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流体点速度，本实验已将测压管开口位置设在能量方程试验管的轴心，故所测得的动压为轴心处的，即最大速度。毕托管求点速度公式：V=2gh(2-1)利用公式（2-1）和求平均流速公式（V=9）计算各测点处的轴心速度和平均流速。A填写表2-1。表2-1各测点处的轴心速度和平均流速IIIIIIV测点编号1项目点速度Vs(m/s)平均速度(m/s)管中内径(mm)表2-1还很清楚的说明了连续性方程，对于不可压缩流体稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。3、观察和计算流体、管径，能量方程试验管（伯努里管）对能量损失的情况在能量方程试验管上布置四组测压管I、IⅡI、Ⅲ、IV，每组测压管测的压力为总压，全开给水阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，这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，同时用计量水箱和秒表测定不同阀门开度下的流量及相应的四组测压管液柱高度，记数据于表2-2。表2-2能量方程实验记录IIIIIV流量测点-6
6 启动电泵，关闭给水阀，此时能量方程试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，因此静水头连线为一平行基准线的水平线，即在静止不可压缩均匀 重力流体中，任意点单位重量的位置势能和压力势能之和（总势能）保持不变，测点的高度 和测点位置的前后无关，记下四组数据于表 2-2 的最下方格中。 2、 测速 能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流 体点速度，本实验已将测压管开口位置设在能量方程试验管的轴心，故所测得的动压为轴心 处的，即最大速度。 毕托管求点速度公式： VB 2gh （2-1） 利用公式（2-1）和求平均流速公式（ A Q V ）计算各测点处的轴心速度和平均流速。 填写表 2-1。 表 2-1 各测点处的轴心速度和平均流速 测点编号 项目 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 点速度 VS(m/s) 平均速度(m/s) 管中内径(mm) 表 2-1 还很清楚的说明了连续性方程，对于不可压缩流体稳定流动，当流量一定时，管 径粗的地方流速小，细的地方流速大。 3、观察和计算流体、管径，能量方程试验管（伯努里管）对能量损失的情况 在能量方程试验管上布置四组测压管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，每组测压管测的压力为总压，全 开给水阀门，观察总压沿着水流方向的下降情况，这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，同时用计量水箱和秒表测定不同阀门开度下的流量及相应 的四组测压管液柱高度，记数据于表 2-2。 表 2-2 能量方程实验记录 测点 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 流量
左左右左编号右右左右m"/s序号12位置水能量方程管中心头mm线距基准高静水头能量方程管内径mm4、根据以上数据和计算结果，绘出最大流量下的各种水头线，并解释图中现象。4500400300200100流动方向图2-1绘制最大流量下的各种水头线五、实验结果分析实验三 雷诺实验一、实验目的7
7 编号 序号 左 右 左 右 左 右 左 右 m 3 /s 1 2 能量方程管中心 线距基准高 位置水 头 mm 能量方程管内径 mm 静水头 4、根据以上数据和计算结果，绘出最大流量下的各种水头线，并解释图中现象。 图 2-1 绘制最大流量下的各种水头线 五、实验结果分析 实验三 雷诺实验 一、实验目的
1、观察液体在不同流动状态时流体质点的运动规律。2、观察液体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。3、测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数Rek。二、实验原理及实验设备流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均速度v，微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。F1012131.水箱及潜水泵2.上水管3.溢流管4.电源5.整流栅6.溢流板7.墨盒8.墨汁9.实验管10.调节阀11.接水箱12.回水管13.实验桌图3-1雷诺实验台KOV.d雷诺数R根据连续方程：AV流量Q用体积法测出，即在△t时间内流入计量箱中流体的体积△V。AVQ=tTd2A48
8 1、观察液体在不同流动状态时流体质点的运动规律。 2、观察液体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。 3、测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数 Rek。 二、实验原理及实验设备 流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持 水箱中的水位恒定，即水头 H 不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的 平均速度 v，微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色 水呈一条直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混 杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动， 为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现 相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向 脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。 1.水箱及潜水泵 2.上水管 3.溢流管 4.电源 5.整流栅 6.溢流板 7.墨盒 8.墨汁 9.实验管 10.调节阀 11.接水箱 12.回水管 13.实验桌 图 3-1 雷诺实验台 雷诺数 Re= V d ，根据连续方程： V= A Q 流量 Q 用体积法测出，即在 t 时间内流入计量箱中流体的体积 V。 Q= t V A= 4 d 2
式中：A一管路的横截面积；d一管路直径；V一流速；V一水的运动粘度。三、实验步骤1、准备工作：将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度H不变。2、缓慢开启阀门7，使玻璃管中水流稳定流动，并开启红色阀门9，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。3、开大出口阀门，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，在逐渐关小出口阀门7，观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量。重复三次，即可算出下临界雷诺数。四、记录与计算1、记录、计算有关常数管径 d=水温t=℃cm,0.01775cm2 /s运动粘度=1+0.0337t+0.000221r22、整理、记录计算表。Ra=dV表3-1下临界雷诺数记录表次数T(s)Q(m /s)Rek△V(m)Vk(m/s)123五、实验结果分析实验四紊动机理演示实验一、实验目的通过演示紊动发生过程及异重流的流动过程，加深对水流结构的认识。9
9 式中：A—管路的横截面积； d—管路直径； V—流速； —水的运动粘度。 三、实验步骤 1、准备工作：将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以 保持水位高度 H 不变。 2、缓慢开启阀门 7，使玻璃管中水流稳定流动，并开启红色阀门 9，使红色水以微小 流速在玻璃管内流动，呈层流状态。 3、开大出口阀门，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，在逐渐关小出口阀门 7， 观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量。重 复三次，即可算出下临界雷诺数。 四、记录与计算 1、记录、计算有关常数 管径 d= cm, 水温t= ℃ 运动粘度 2 1 0.0337 0.000221 0.01775 t t v cm 2 /s 2、整理、记录计算表。 Rek= Vk d 表 3-1 下临界雷诺数记录表 次数 V(m3 ) T(s) Q(m3 /s) Vk(m/s) Rek 1 2 3 五、实验结果分析 实验四 紊动机理演示实验 一、实验目的 通过演示紊动发生过程及异重流的流动过程，加深对水流结构的认识
二、实验原理众所周知，液体流动时存在着两种截然不同的流态，即层流和紊流。层流向紊流转化是一个十分复杂的过程。本实验应用两种不同颜色的液体相互混合的过程来演示紊流的发生过程及异重流的流动的过程。三、实验设备实验仪器设备如图4-1所示。1418910111213151617L3L21.自循环供水器2.实验台3.可控硅无级调速器4.消色用丙种溶液容器5.调节阀6.染色用甲种溶液容器7.恒压水箱8.染色液输液管9.调节阀10.取水管11.混合器12.上下层隔板13.剪切流道显示面14.排气阀15.出水调节阀16.分流管与调节阀17.回水漏斗图4-1紊动机理实验仪结构示意图四、实验步骤及演示内容1、插上水泵电机电源，灯光电源。先关闭阀5、9、15、16，打开调速器，水泵启动，流量最大。调节调速器旋钮，使流量减小，使得水箱水位不高于恒压水箱7之中间隔板的顶高。此时仅由取水管10单独向流道13供水，使水体缓慢地充满下层流道，排除隔板下方滞留的气泡。如果一次操作不能排净气泡，则应反复操作。排净气泡后开大供水流量，并操作阀14与15，排除流道上的气泡。2、加注染色药水。调节阀门9，向混合器1直接加注甲种溶液，与水混合即呈紫红色。3、加注消色药水。调节阀门5，滴下丙种溶液，以保持工作水体处于无色透明状态。4、紊动发生演示。（1）上下层面呈平稳直线演示。将阀16全开，下层红色水流从此流出。调节阀15，使上层无色水流流速与下层流速接近。若界面直线不稳，可适当减小下层流速U2，方法是10
10 二、实验原理 众所周知，液体流动时存在着两种截然不同的流态，即层流和紊流。层流向紊流转化是 一个十分复杂的过程。本实验应用两种不同颜色的液体相互混合的过程来演示紊流的发生过 程及异重流的流动的过程。 三、实验设备 实验仪器设备如图 4-1 所示。 1.自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无级调速器 4.消色用丙种溶液容器 5.调节阀 6.染色用 甲种溶液容器 7.恒压水箱 8.染色液输液管 9.调节阀 10.取水管 11.混合器 12.上下层隔板 13.剪切流道显示面 14.排气阀 15.出水调节阀 16.分流管与调节阀 17.回水漏斗 图 4-1 紊动机理实验仪结构示意图 四、实验步骤及演示内容 1、插上水泵电机电源，灯光电源。先关闭阀 5、9、15、16，打开调速器，水泵启动， 流量最大。调节调速器旋钮，使流量减小，使得水箱水位不高于恒压水箱 7 之中间隔板的顶 高。此时仅由取水管 10 单独向流道 13 供水，使水体缓慢地充满下层流道，排除隔板下方滞 留的气泡。如果一次操作不能排净气泡，则应反复操作。排净气泡后开大供水流量，并操作 阀 14 与 15，排除流道上的气泡。 2、加注染色药水。调节阀门 9，向混合器 1 直接加注甲种溶液，与水混合即呈紫红色。 3、加注消色药水。调节阀门 5，滴下丙种溶液，以保持工作水体处于无色透明状态。 4、紊动发生演示。 （1）上下层面呈平稳直线演示。将阀 16 全开，下层红色水流从此流出。调节阀 15， 使上层无色水流流速与下层流速接近。若界面直线不稳，可适当减小下层流速 u2，方法是