水力学实验指导书 杨小亭冯彩凤主编 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室 2004年10月
水力学实验指导书 杨小亭 冯彩凤 主编 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室 2004 年 10 月
前言 水力学是工科类高等院校一门重要的专业基础课程,水力学教学包括 理论教学和实验教学两部分。水力学实验在水力学学科发展中占有重要的 地位,是整个水力学教学不可替代环节。其重要性在于加强学生对水流现 象的感性认识,验证所学理论,培养基本的实验技能和科学硏究的严谨作 风。 本实验指导书是在武汉大学水力学教研室多年教学实践经验及原有讲 义基础上,广泛吸收国内外实验教材中的优点,结合本校水力学实验课的 具体情况以及编者自身实验工作的体会编写而成,其内容涵盖了水力学教 学大纲所要求的所有实验。编写过程中始终贯彻理论联系实际,注重实践 环节,结合我校水力学开放实验的特点,力求符合学生的认识规律及便于 独立操作的原则。全讲义内容包括两部分:第一部分为演示实验,学生通 过观察各种形式的水流现象,增强对流体运动现象的认识,加深对水力学 基本概念、基本规律和基本理论的理解。第二部分为操作实验,以促进学 生掌握操作技能,测量方法;培养分析实验数据,整理实验成果以及编写 实验报告的能力。 本实验指导书采用集体讨论、分工执笔的方式进行,由杨小亭、冯彩 风执笔编写,黄纪忠、李琼参加了部分工作,并由李大美教授主审。 由于时间仓促,水平有限,书中的缺点和错误在所难免,恳切希望读 者批评指正 编者 2002年5月于珞珈山
前 言 水力学是工科类高等院校一门重要的专业基础课程，水力学教学包括 理论教学和实验教学两部分。水力学实验在水力学学科发展中占有重要的 地位，是整个水力学教学不可替代环节。其重要性在于加强学生对水流现 象的感性认识，验证所学理论，培养基本的实验技能和科学研究的严谨作 风。 本实验指导书是在武汉大学水力学教研室多年教学实践经验及原有讲 义基础上，广泛吸收国内外实验教材中的优点，结合本校水力学实验课的 具体情况以及编者自身实验工作的体会编写而成，其内容涵盖了水力学教 学大纲所要求的所有实验。编写过程中始终贯彻理论联系实际，注重实践 环节，结合我校水力学开放实验的特点，力求符合学生的认识规律及便于 独立操作的原则。全讲义内容包括两部分：第一部分为演示实验，学生通 过观察各种形式的水流现象，增强对流体运动现象的认识，加深对水力学 基本概念、基本规律和基本理论的理解。第二部分为操作实验，以促进学 生掌握操作技能，测量方法；培养分析实验数据，整理实验成果以及编写 实验报告的能力。 本实验指导书采用集体讨论、分工执笔的方式进行，由杨小亭、冯彩 风执笔编写，黄纪忠、李琼参加了部分工作，并由李大美教授主审。 由于时间仓促，水平有限，书中的缺点和错误在所难免，恳切希望读 者批评指正。 编 者 2002 年 5 月于珞珈山
目录 第一部分演示实验 流线演示实验 二、能量方程演示实验…… 三、空化机理演示实验…… 四、势流叠加演示实验 五、水流流态演示实验… 六、紊动机理演示实验… 七、脉动压强演示实验 八、虹吸管原理演示实验………… 九、水泵特性演示实验……………… 17 十、水击现象综合演示实验 十一、流动演示实验… 20 十二、明槽水面曲线演示实验 十三、泄水建筑物消能及水跃演示实验…………………………………29 第二部分量测实验 、静水压强量测实验…… 、流速量测(毕托管)实验 32 光电流速仪测速实验 四、沿程水头损失实验…… 3 五、管道局部水头损失实验…… 六、文丘里流量计及孔板流量计率定实验 七、动量方程验证实验 八、管流流态实验… 九、明槽糙率的测定实验… 十、堰流流量系数的测定实验… 十一、闸下自身出流流量系数的测定实验 十二、有压渗流电拟法实验
目 录 第一部分 演示实验 一、流线演示实验……………………………………………………………………1 二、能量方程演示实验………………………………………………………………3 三、空化机理演示实验………………………………………………………………6 四、势流叠加演示实验………………………………………………………………8 五、水流流态演示实验………………………………………………………………10 六、紊动机理演示实验………………………………………………………………11 七、脉动压强演示实验………………………………………………………………13 八、虹吸管原理演示实验……………………………………………………………15 九、水泵特性演示实验………………………………………………………………17 十、水击现象综合演示实验…………………………………………………………18 十一、流动演示实验…………………………………………………………………20 十二、明槽水面曲线演示实验………………………………………………………24 十三、泄水建筑物消能及水跃演示实验……………………………………………29 第二部分 量测实验 一、静水压强量测实验………………………………………………………………30 二、流速量测（毕托管）实验………………………………………………………32 三、光电流速仪测速实验……………………………………………………………36 四、沿程水头损失实验………………………………………………………………39 五、管道局部水头损失实验…………………………………………………………43 六、文丘里流量计及孔板流量计率定实验…………………………………………47 七、动量方程验证实验………………………………………………………………50 八、管流流态实验……………………………………………………………………53 九、明槽糙率的测定实验……………………………………………………………57 十、堰流流量系数的测定实验………………………………………………………62 十一、闸下自身出流流量系数的测定实验…………………………………………65 十二、有压渗流电拟法实验…………………………………………………………68
第一部分演示实验 流线演示实验 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各该点的切线方 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)可显示闸底板渗流场中液流的流动形态。 (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。 (a) 流线仪简图 1、盛水盒2、闸底板3、排气孔4、集水箱 5、狭缝流道6、泄水调节阀7、实用堰
1 第一部分 演示实验 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各该点的切线方 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）可显示闸底板渗流场中液流的流动形态。 （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、闸底板 3、排气孔 4、集水箱 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?
2 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?
能量方程演示实验 、实验目的 观察恒定流情况下,水流所具的位置势能、压强势能和动能,以及 在各种边界条件下能量的守恒和转换规律,加深对能量方程物理意义的理 解 2、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律,以及水头损失现象。 3、观察管流中的真空现象及渐变流过水断面与急变流过水断面上的动 水压强分布规律。 二、实验原理 实际液体在有压管道中作恒定流时,其能量方程如下: 72g=2+2+2 =1+P1+a11 h 上式表明:液体在流动过程中,液体所具有的各种机械能(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小。 在均匀流或渐变流过水断面上,其动水压强分布符合静水压强分布规 z+2=c或p=P0+m 但不同的过水断面上c值不同。 在急变流过水断面上,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,即不符合静水压强分布规律。 三、实验设备 如图一所示的能量方程演示仪是自循环的水流系统,在进水管段设有转 子流量计,演示段由直管、突然扩大管、文丘里管、突然缩小管、虹吸管和 弯管等有机连接而成,在管道上沿水流方向上的若干过水断面的边壁设有测 压孔,在设置测压管的过水断面上同时装有单孔毕托管,可以测量测压管水 头和总水头。在管道的进出口设置有调节阀门来控制流量。 四、操作步骤和演示内容 1、熟悉设备,分辨测压管和毕托管。 接通电源
3 能量方程演示实验 一、实验目的 1、观察恒定流情况下，水流所具的位置势能、压强势能和动能，以及 在各种边界条件下能量的守恒和转换规律，加深对能量方程物理意义的理 解。 2、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律，以及水头损失现象。 3、观察管流中的真空现象及渐变流过水断面与急变流过水断面上的动 水压强分布规律。 二、实验原理 实际液体在有压管道中作恒定流时，其能量方程如下： hw g p v z g p v z + + = + + + 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 上式表明：液体在流动过程中，液体所具有的各种机械能（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小。 在均匀流或渐变流过水断面上，其动水压强分布符合静水压强分布规 律： c p z + = 或 p = p0 + h 但不同的过水断面上 c 值不同。 在急变流过水断面上，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，即不符合静水压强分布规律。 三、实验设备 如图一所示的能量方程演示仪是自循环的水流系统，在进水管段设有转 子流量计，演示段由直管、突然扩大管、文丘里管、突然缩小管、虹吸管和 弯管等有机连接而成，在管道上沿水流方向上的若干过水断面的边壁设有测 压孔，在设置测压管的过水断面上同时装有单孔毕托管，可以测量测压管水 头和总水头。在管道的进出口设置有调节阀门来控制流量。 四、操作步骤和演示内容 1、熟悉设备，分辨测压管和毕托管。 2、接通电源
3、缓缓打开进水阀,反复开关尾阀将管道及测压管中空气排净。 4、调节进水阀,固定某一流量(以Q=1500Lh左右为宜,待水流稳定 后,根据能量方程观察管道各断面上单位重量水体的位能、压能、动能和水 头损失,并弄清能量守恒及位能、压能和动能的相互转化。 5、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律,并分析其原因。 6、观察管道中各种局部水力现象,如突然扩大和突然缩小情况下的测 压管水头的变化;渐变流过水断面上各点测压管水头相等,而急变流过水断 面上各点的测压管水头不相等;虹吸管段上的真空现象等。 7、将尾阀开大和关小,观察各测压管水面连线的变化 8、演示结束后,切断电源。 五、注意事项 1、阀门开启一定要缓慢,并注意测压管中水位的变化:不要使测压管 中的水上升过大,以免影响演示效果 2、演示实验时,一定要将管道和测压管中的空气排净 六、思考题 1、如何确定管中某点的位置高度、压强高度、流速水头、测压管水头 和总水头? 2、总水头线和测压管水头线是否总是沿程下降 3、突然扩大和突然缩小段测压管水头线是否总是上升? 4、文丘里管段上各断面的测压管水头变化说明了什么? 5、虹吸管段的最大真空值如何确定? 6、弯管凸凹边壁上的测压管水头有何差异?为什么?
4 3、缓缓打开进水阀，反复开关尾阀将管道及测压管中空气排净。 4、调节进水阀，固定某一流量(以 Q=1500 L/h 左右为宜)，待水流稳定 后，根据能量方程观察管道各断面上单位重量水体的位能、压能、动能和水 头损失，并弄清能量守恒及位能、压能和动能的相互转化。 5、观察测压管水头线和总水头线沿程变化的规律，并分析其原因。 6、观察管道中各种局部水力现象，如突然扩大和突然缩小情况下的测 压管水头的变化；渐变流过水断面上各点测压管水头相等，而急变流过水断 面上各点的测压管水头不相等；虹吸管段上的真空现象等。 7、将尾阀开大和关小，观察各测压管水面连线的变化。 8、演示结束后，切断电源。 五、注意事项 1、阀门开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化；不要使测压管 中的水上升过大，以免影响演示效果。 2、演示实验时，一定要将管道和测压管中的空气排净。 六、思考题 1、如何确定管中某点的位置高度、压强高度、流速水头、测压管水头 和总水头？ 2、总水头线和测压管水头线是否总是沿程下降? 3、突然扩大和突然缩小段测压管水头线是否总是上升? 4、文丘里管段上各断面的测压管水头变化说明了什么? 5、虹吸管段的最大真空值如何确定? 6、弯管凸凹边壁上的测压管水头有何差异?为什么?
图一能量方程演示仪 1、测压排2、转子流量计3、泄水阀4、进水阀5、水箱6、水泵
5 图一 能量方程演示仪 1、测压排 2、转子流量计 3、泄水阀 4、进水阀 5、水箱 6、水泵
空化机理演示实验 实验目的 通过观察由本仪器所演示的空化发生和演变、流道体型对空化影响及常 温下水的沸腾现象,加深对空化和空蚀现象的认识。 二、实验原理 在液体流动的局部区域,或由于流速过高,或边界层分离,均会导致压 强降低,以致于降低到液体内部岀现气体(或蒸汽)空泡或空穴,这种现象 称为空化(也叫气穴)。空化现象发生后,液流的连续性遭到了破坏。气体 空泡随液体一起向下游运动,当压强增加一定程度时,液体会以极高的速度 向空泡内运动,气泡溃灭从而引起附近的固体边界的剥蚀破坏(称作空蚀或 气蚀),并产生噪声,结构振动、机械效率降低等。本实验利用髙速水流通 过流道改变的区域时将产生压强变化的原理来演示空化现象 实验设备 实验设备及各部分名称如图一所示 四、实验步骤及演示内容 、接通电源,打开阀门10。 、空化现象的演示:在流道①、②、③、④内观察水流运动现象,可 看到在流道①、②的喉部和流道③的闸门槽处出现乳白色雾状空云,这就是 空化现象,同时还可听到气泡溃灭的噪声。空化区的负压相当大,其真空度 可由真空表13(与流道②的喉颈处测压点相连)读出。在流道①、②喉颈 中部所形成的带游移状空化云,为游移型空化;在喉道出口处两边形成的附 着于转角两边较稳定的空化云,为附体空化;而发生于流道⑧中闸门槽(凹 口内)旋涡区的空化云,则为旋涡型空化。 3、空化机理:流动液体(以水为例)在标准大气压下,当温度升高至 100℃时沸腾,水体内产生大小不一的气泡,这就是空化。而当压强小于水 在此温度下的汽化压强时,水就要产生空化。先向空化杯9中注入半杯温水 压紧橡皮塞盖,然后与管咀8(杯两侧各1只)接通。在喉管负压作用下, 空化杯内的空气被吸出。真空表读数随之增大。当真空度接近10m水柱时, 杯中水就开始沸腾。这是常温水在低压下发生空化的现象。 4、流道体型对空化的影响:从流道①、②的空化对比看出:在阀门开 关相同的条件下,流道①的空化比流道②严重。从两种体型闸槽的空化看出: 流道③、④分别设有矩形槽和下游具有斜坡的流线形槽。在同等流量下,前 者空化程度大于后者。 5、实验结束,打开气塞12,将流道内水放空,防止流道内结垢。学期 结束,将水箱放空,并清洗水箱
6 空化机理演示实验 一、实验目的 通过观察由本仪器所演示的空化发生和演变、流道体型对空化影响及常 温下水的沸腾现象，加深对空化和空蚀现象的认识。 二、实验原理 在液体流动的局部区域，或由于流速过高，或边界层分离，均会导致压 强降低，以致于降低到液体内部出现气体（或蒸汽）空泡或空穴，这种现象 称为空化（也叫气穴）。空化现象发生后，液流的连续性遭到了破坏。气体 空泡随液体一起向下游运动，当压强增加一定程度时，液体会以极高的速度 向空泡内运动，气泡溃灭从而引起附近的固体边界的剥蚀破坏（称作空蚀或 气蚀），并产生噪声，结构振动、机械效率降低等。本实验利用高速水流通 过流道改变的区域时将产生压强变化的原理来演示空化现象。 三、实验设备 实验设备及各部分名称如图一所示。 四、实验步骤及演示内容 1、接通电源，打开阀门 10。 2、空化现象的演示：在流道①、②、③、④内观察水流运动现象，可 看到在流道①、②的喉部和流道③的闸门槽处出现乳白色雾状空云，这就是 空化现象，同时还可听到气泡溃灭的噪声。空化区的负压相当大，其真空度 可由真空表 13（与流道②的喉颈处测压点相连）读出。在流道①、②喉颈 中部所形成的带游移状空化云，为游移型空化；在喉道出口处两边形成的附 着于转角两边较稳定的空化云，为附体空化；而发生于流道⑧中闸门槽（凹 口内）旋涡区的空化云，则为旋涡型空化。 3、空化机理：流动液体（以水为例）在标准大气压下，当温度升高至 100℃时沸腾，水体内产生大小不一的气泡，这就是空化。而当压强小于水 在此温度下的汽化压强时，水就要产生空化。先向空化杯 9 中注入半杯温水， 压紧橡皮塞盖，然后与管咀 8（杯两侧各 1 只）接通。在喉管负压作用下， 空化杯内的空气被吸出。真空表读数随之增大。当真空度接近 10m 水柱时， 杯中水就开始沸腾。这是常温水在低压下发生空化的现象。 4、流道体型对空化的影响：从流道①、②的空化对比看出：在阀门开 关相同的条件下，流道①的空化比流道②严重。从两种体型闸槽的空化看出： 流道③、④分别设有矩形槽和下游具有斜坡的流线形槽。在同等流量下，前 者空化程度大于后者。 5、实验结束，打开气塞 12，将流道内水放空，防止流道内结垢。学期 结束，将水箱放空，并清洗水箱
五、注意事项 1、严格按照操作步骤进行实验。 2、空化杯中的温水不能用冷开水或蒸馏水等,而只能用新鲜自来水, 并在每次实验前更换新鲜水,以保证空化沸腾时的显示效果。 六、思考题 1、试述实际工程中所产生的空化和空蚀现象。 2、为什么在每次实验时空化杯中要注入新鲜自来水?用冷开水或蒸馏水 能否观察到空化沸腾现象?为什么? 图一空化机理实验仪示意图 1、流道①文氏型空化示意面 2、流道②渐缩空化显示面 3、流道③矩形闸门槽空化显示面 流道④流线型闸门槽空化流动显示面 5、流道显示柜6、测压点7、联接短管8、管咀9、空化杯 阀门 ①、②、③11、自循供水箱12、气塞13、真空表14、标牌
7 五、注意事项 1、严格按照操作步骤进行实验。 2、空化杯中的温水不能用冷开水或蒸馏水等，而只能用新鲜自来水， 并在每次实验前更换新鲜水，以保证空化沸腾时的显示效果。 六、思考题 1、试述实际工程中所产生的空化和空蚀现象。 2、为什么在每次实验时空化杯中要注入新鲜自来水?用冷开水或蒸馏水 能否观察到空化沸腾现象?为什么? 图一 空化机理实验仪示意图 1、流道①文氏型空化示意面 2、流道②渐缩空化显示面 3、流道③矩形闸门槽空化显示面 4、流道④流线型闸门槽空化流动显示面 5、流道显示柜 6、测压点 7、联接短管 8、管咀 9、空化杯 10、阀门 ①、②、③ 11、自循供水箱 12、气塞 13、真空表 14、标牌