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 水工模型试验 实验指导书 福州大学土木工程学院水工模型实验室编 2007年7月28日
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 水工模型试验 实验指导书 福州大学土木工程学院水工模型实验室编 2007 年 7 月 28 日
目 录 前 言 .1 实验项目一：水工模型试验量测仪器的参观与操作认识实习4 实验项目二：水工建筑物模型一泄水建筑物消能型式实验6 实验项目三：水工建筑物模型一泄水建筑物过流能力实验…10 实验项目四：定床河流模型实验13 实验项目五：动床河流模型实验…16 实验项目六：输移物质和热量传输模型实验20
目 录 前 言...........................................................................................1 实验项目一：水工模型试验量测仪器的参观与操作认识实习.........4 实验项目二：水工建筑物模型——泄水建筑物消能型式实验.........6 实验项目三：水工建筑物模型——泄水建筑物过流能力实验.......10 实验项目四：定床河流模型实验....................................................13 实验项目五：动床河流模型实验....................................................16 实验项目六：输移物质和热量传输模型实验.................................20
前 言 一、水工模型试验实验课的改革 水工模型试验是工科院校土建水利类学科的一门专业实践课程。水流运动是一种非常 复杂的自然现象，对各种作用力存在的情况和它们发展的规律可通过水工模型实验来复演 或预演原型的复杂水流现象，通过方案比较和修改可获得水工建筑物的优化布置和体型， 从而为水利工程规划、设计、运行、管理提供科学的理论和技术的指导。目前在许多领域 里采用水工模型以解决工程问题已成为公认的标准方法。 水工水力学问题的研究是建立在实验、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，包括新型实验仪器和CA!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，。引进的CI实验教学软件教学 辅助功能齐全。每项实验CI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。 二、水工模型试验实验课的目的 水工模型试验实验教学的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工 模型试验所研究的主要内容。 以水工建筑物整体模型试验作为设计型实验，在水力学实验大厅和露天模型场进行。 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
1 前 言 一、水工模型试验实验课的改革 水工模型试验是工科院校土建水利类学科的一门专业实践课程。水流运动是一种非常 复杂的自然现象，对各种作用力存在的情况和它们发展的规律可通过水工模型实验来复演 或预演原型的复杂水流现象，通过方案比较和修改可获得水工建筑物的优化布置和体型， 从而为水利工程规划、设计、运行、管理提供科学的理论和技术的指导。目前在许多领域 里采用水工模型以解决工程问题已成为公认的标准方法。 水工水力学问题的研究是建立在实验、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，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，。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。 二、水工模型试验实验课的目的 水工模型试验实验教学的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工 模型试验所研究的主要内容。 以水工建筑物整体模型试验作为设计型实验，在水力学实验大厅和露天模型场进行。 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。 归纳而言，水工模型试验课程实验的目的主要是为了培养学生以下三方面的基本技能 和基本知识： 知识方面：通过实验操作和测量，培养水利专业的本科生了解有关水工模型试验的基 本原理和主要方法，要求学生掌握进行水工模型试验所需的多方面基本知识，初步具备从 事试验量测工作的基本操作技能，为今后从事水工结构的科研设计工作打下基础。 能力方面：本课程的实验教学重点在于使学生掌握模型试验的实验设计技巧，使学生 能够综合考虑工程对试验的要求，基本原理、定动床河道模型、操作技术、量测技术等力 面的因素，对一般工程项目进行试验方案的筹划，以便得出正确的试验成果，具备应用量 纲分析、流动相似的基本原理进行模型实验和科学研究的初步能力，掌握仪器和实验设施 的操作技能：具备通过自学获取新知识的能力。 素质方面：通过课程实验教学，了解水工模型试验在水利工程建设中的重要地位以及 模型试验的发展进程和现状。初步具备从事试验量测工作的基本技能。 三、水工模型试验教学实验守则 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。 四、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 2
2 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。 归纳而言，水工模型试验课程实验的目的主要是为了培养学生以下三方面的基本技能 和基本知识： 知识方面：通过实验操作和测量，培养水利专业的本科生了解有关水工模型试验的基 本原理和主要方法，要求学生掌握进行水工模型试验所需的多方面基本知识，初步具备从 事试验量测工作的基本操作技能，为今后从事水工结构的科研设计工作打下基础。 能力方面：本课程的实验教学重点在于使学生掌握模型试验的实验设计技巧，使学生 能够综合考虑工程对试验的要求，基本原理、定动床河道模型、操作技术、量测技术等方 面的因素，对一般工程项目进行试验方案的筹划，以便得出正确的试验成果，具备应用量 纲分析、流动相似的基本原理进行模型实验和科学研究的初步能力，掌握仪器和实验设施 的操作技能；具备通过自学获取新知识的能力。 素质方面：通过课程实验教学，了解水工模型试验在水利工程建设中的重要地位以及 模型试验的发展进程和现状。初步具备从事试验量测工作的基本技能。 三、水工模型试验教学实验守则 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。 四、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。 五、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 六、水工模型试验实验室概况 本实验室与水力学实验室共用所有资源和设备，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=8Ocm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50m。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
3 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。 五、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。 六、水工模型试验实验室概况 本实验室与水力学实验室共用所有资源和设备，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