水力学实验报告课件

水力学实验报告学院：班级：姓名：学号：第三组同学：姓名：学号：姓名：学号：姓名：学号：2015.12.2511平面静水总压力实验1.1实验目的1.掌握解析法及压力图法，测定矩形平面上的静水总压力。2.验证平面静水压力理论。1.2实验原理作用在任意形状平面上的静水总压力P等于该平面形心处的压强pc与平面面积A的乘积：ApPc，方向垂直指向受压面。对于上、下边与水面平行的矩形平面上的静水总压力及其作用点的位置，可采用压力图法：静水总压力P的大小等于压强分布图的面积和以宽度b所构成的压强分布体的体积。bP若压强分布图为三角形分布、如图3-2，则HebgHP31212式中：e－为三角形压强分布图的形心距底部的距离。若压强分布图为梯形分布，如图3-3，则2121212321HHHHaeabHHgP＋＋）＋（式中：e－为梯形压强分布图的形心距梯形底边的距离。2图1-1静水压强分布图（三角形）图1-2静水压强分布图（梯形）本实验设备原理如图3-4，由力矩平衡原理。图1-3静水总压力实验设备图10LPLG其中：eLL1求出平面静水总压力10LGLP1.3实验设备在自循环水箱上部安装一敞开的矩形容器，容器通过进水开关Kl，放水开关K2与水箱连接。容器上部放置一与扇形体相连的平衡杆，如图3-5所示。3203010405060708090100110120130140150160???????K2??????????????????????L0?3-5??????K1图1-4静水总压力仪1.4实验步骤1.熟悉仪器，测记有关常数。2.用底脚螺丝调平，使水准泡居中。3.调整平衡锤使平衡杆处于水平状态。4.打开进水阀门K1，待水流上升到一定高度后关闭。5.在天平盘上放置适量砝码。若平衡杆仍无法达到水平状态，可通过进水开关进水或放水开关放水来调节进放水量直至平衡。6.测记砝码质量及水位的刻度数。7.重复步骤4～6，水位读数在100mm以下做3次，以上做3次。8.打开放水阀门K2，将水排净，并将砝码放入盒中，实验结束。1.5实验数据记录及处理1.有关常数记录：天平臂距离L0＝cm，扇形体垂直距离（扇形半径）L＝cm，扇形体宽b＝cm，矩形端面高a0＝cm，33/100.1cmkg＝2.实验数据记录4压强分布形式测次水位读数H(cm)水位读数0000aHaHaHh(cm)砝码质量m(g)三角形分布1234梯形分布1233.实验结果压强分布形式测次作用点距底部距离（cm)HhHhhH23作用力距支点垂直距离eLL1(cm)实测力矩(N·cm）00mgLM实测静水总压力（N）10LMP＝实理论静水总压力（N）误差(％）三角形分布1234梯形分布123100%-理论值实验值理论值注：误差1.6注意事项1.在调整平衡杆时，进水或放水速度要慢。2.测读数据时，一定要等平衡杆稳定后再读。1.7思考题1.实验中，扇形体的其他侧面所受到的压力是否对实验精度产生影响？为什么？52.注水深度在100mm以上时，作用在平面上的压强分布图是什么形状？3.影响本实验精度的原因是什么？62能量方程实验2.1实验目的1.观察恒定流的情况下，与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及总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水头线。2.2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whgvpZgvpZ222222221111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要转化为热能而散逸，即水头损失。因而机械能应沿程减小。对于均匀流和渐变流断面，压强分布符合静水压强分布规律：Cpz但不同断面的C值不同。图2—1急变流断面动水压强分布图对于急变流，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3-7（a），离心力与重力方向相反，所以7静动pp。下凹曲面边界上的急变流断面如图2—1(b)，离心力与重力方向相向，所以静动pp。2.3实验设备实验设备及各部分名称如图2—2所示。????123456789CAB10?3-8?????????图2—2能量方程实验仪2.4实验步骤1.分辨测压管与毕托管并检查橡皮管接头是否接紧。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.关闭尾阀K，检查测压管与毕托管的液面是否齐平。若不平，则需检查管路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及B处的压强分布规律。6.本实验共做三次，流量变化由大变小。2.5实验数据记录与处理81.有关常数记录d5＝cm，d1＝cm。（d5即d，d1即D）2.实验数据记录与计算（测压管高度单位为cm）测次145689A量筒内水的质量（g）测量时间（s）流量（m3/s）测压管液面高总压管液面高测压管液面高总压管液面高测压管液面高总压管液面高测压管液面高总压管液面高测压管液面高总压管液面高测压管液面高总侧测压管高外侧测压管高中间测压管高内侧测压管高1234567891093.实验结果(1)绘制测压管水头线和总水头线（任选一组）。????123456789CAB10?3-8?????????(2)计算断面5和断面2的平均流速和毕托管测点流速。2.6注意事项1.尾阀K开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，不要使测压管水面下降太多，以免空气倒吸入管路系统，影响实验进行。2.流速较大时，测压管水面有脉动现象，读数时要读取时均值。2.7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？103.在逐渐扩大的管路中，测压管水头线是怎样变化的？3动量方程实验3.1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.将测出的冲击力与用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。3.2实验原理应用力矩平衡原理如图3—1，求射流对平面板和曲面板的作用力。力矩平衡方程：1GLFL,LGLF1式中：F－射流作用力；L－作用力力臂；G1－砝码重量；L1－砝码力臂。恒定总流的动量方程为)(1122vvQF若令112，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图3-1动量原理实验简图11)cos1(QvF式中：Q－管嘴的流量；v－管嘴流速；－射流射向平面或曲面板后的偏转角度。90Qv平时，F平F：水流对平面板的冲击力135(1cos135)1.7071.707QvQvF平时，F180(1cos180)22QvQvF平时，F3.3实验设备实验设备及各部分名称见图3—2，实验中配有090的平面板和0180及0135的曲面板，另备大小量筒及秒表各一只。3.4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。加法码并调节砝码位置，使杠杆处于水平状态，达到力矩平衡。记录砝码质量和力臂Ll。4.用质量法测量流量Q用以计算F理。5.改变溢流板高度，使水头和流量变化，重复上述步骤。6.将平面板更换为曲面板(0135及0180)，又可实测和计算不同流量的作用力。7.关闭抽水机，将水箱中水排空，砝码从杠杆中取下，实验结束。12水箱水箱图3-2动量原理实验仪开关杠杆砝码水准气泡平衡锤支点LL13.5实验数据记录相关常数：L＝cm，管径d＝cm水的质量（g）时间（s）流量（L/s）流速（m/s）砝码质量（g）力臂L1（cm）F理(N)F实(N)误差（％）090013501803.6注意事项1.量测流量后，量筒内水必须倒进接水器，以保证水箱循环水充足。2.测流量时，计时与量简接水一定要同步进行，以减小流量的量测误差。3.测流量一般测两次取平均值，以消除误差。3.7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？133.实验中，平衡锤产生的力矩没有加以考虑，为什么？4雷诺实验4.1实验目的1.观察层流和紊流的流动特征及其转变情况，以加深对层流、紊流形态的感性认识。2.测定层流与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，即vhflg~lg曲线，并计算图中的斜率m和临界雷诺数Rek。4.2实验原理同一种液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可有两种不同的流态。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，这种形态的液体流动叫层流。当流速较大时，管中水流各质点间发生互相混杂的运动，这种形态的液体流动叫做紊流。层流与紊流的沿程水头损失规律也不同。层流的沿程水头损失大小与断面平均流速的1次方成正比，即0.1vhf。紊流的沿程水头损失与断面平均流速的1.75～142.0次方成正比，即0.2~75.1vhf。视水流情况，可表示为mfkvh，式中m为指数，或表示为vmkhflglglg。每套实验设备的管径d固定，当水箱水位保持不变时，管内即产生恒定流动。沿程水头损失fh与断面平均流速v的关系可由能量方程导出：fhgvpZgvpZ222222221111当管径不变，21vv，取0.121所以hpZpZhf)()(2211h值可以由压差计读出。在圆管流动中采用雷诺数来判别流态：vdRe式中：v－圆管水流的断面平均流速；d－圆管直径；－水流的运动粘滞系数。当ReRek(下临界雷诺数)时为层流状态，Rek＝2320；ReRek’(上临界雷诺数)时为紊流状态，Rek’在4000~12000之间。4.3实验设备实验设备及各部分名称见图4—1所示。15?????4—1???????????????K124.4实验步骤(一)观察流动形态将进水管打开使水箱充满水，并保持溢流状态；然后用尾部阀门调节流量，将阀门微微打开，待水流稳定后，注入颜色水。当颜色水在试验管中呈现一条稳定而明显的流线时，管内即为层流流态，如图1所示。随后渐渐开大尾部阀门，增大流量，这时颜色水开始颤动、弯曲，并逐渐扩散，当扩散至全管，水流紊乱到已看不清着色流线时，这便是紊流流态。(二)测定vhf~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用质量法测量。用天平量测水的质量m，根据水的密度计算出体积V，用秒表计时间T。流量TVQ。相应的断面平均流速AQv。4.流量用尾阀调节，共做10次。当Re2500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16vdRe。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。4.5实验数据记录1.有关常数管径d=cm，水温T＝°C。2.实验数据及处理测次质量m（g）时间t（s）流量Q（cm3/s）雷诺数流速(m/s)h(cm)123456789103.绘制水头损失hf和断面平均流速的对数关系曲线，即vhflg~lg曲线，并计算图中的斜率m和临界雷诺数Rek。（用方格纸或对数纸）174.6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