土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学'）部分实验指导&实玲报告 Ⅱ型：显示桥墩、机翼绕流的流线」 该桥嫩为圆珠笔头方尾的绕流体。水流在桥嫩后的尾流区内也产生卡门涡 街，并可观察水流绕过机时的运动状秀 Ⅲ型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板（或丁坝）纵剖面上的流线图像。 1、在逐渐收缩段，流线均匀收缩，无旋涡产生：在逐渐扩散段可看到边界 层层分离而产生明显的漩涡。 2。在引板前，流线逐渐收缩.汇集干引板的过流引口处，只在拐角处有一 小旋涡出现：孔板后水流逐渐扩散 ，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。 Ⅳ型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。 1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。 2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。 3、在直角转变处，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于水流通道很 不畅顺，回流区范围较广 四、注意事项 此处注意调节进气阀的进气量，使气泡大小适中，流动演示更清晰。 五、思考题 1、旋涡区与水流能量损失有什么关系？ 2、指出演示设备中的急变流区。 3、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？ 4、卡门涡街具有什么特征？对绕流物体有什么影响？ 叁、能量（伯努利）方程实验 一、实验目的 1、观察恒定流的情况下，当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。 、测定管道的测压管水头和总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水 头线。 二、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： ++a pg 2g =++，+么 pg 2g 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 存 粘性，液体 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 机械能应沿程减少。 对于均匀流和渐变流断面，其压强分布符合静水压强分布规律： 6
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学’）部分实验指导&实验报告 6 Ⅱ型：显示桥墩、机翼绕流的流线。 该桥墩为圆珠笔头方尾的绕流体。水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡 街，并可观察水流绕过机翼时的运动状态。 Ⅲ型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板（或丁坝）纵剖面上的流线图像。 1、在逐渐收缩段，流线均匀收缩，无旋涡产生；在逐渐扩散段可看到边界 层层分离而产生明显的漩涡。 2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有一 小旋涡出现；孔板后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。 Ⅳ型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。 1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。 2、在突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。 3、在直角转变处，流线弯曲，越靠近弯道内侧流速越小，由于水流通道很 不畅顺，回流区范围较广。 四、注意事项 此处注意调节进气阀的进气量，使气泡大小适中，流动演示更清晰。 五、思考题 1、旋涡区与水流能量损失有什么关系？ 2、指出演示设备中的急变流区。 3、空化现象为什么常常发生在旋涡区中？ 4、卡门涡街具有什么特征？对绕流物体有什么影响？ 叁、能量(伯努利)方程实验 一、实验目的 1、观察恒定流的情况下，当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和总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水 头线。 二、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： hw g v g p z g v g p z + + = + + + 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 α ρ α ρ 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转化为热能而散逸，即水头损失。因而 机械能应沿程减少。 对于均匀流和渐变流断面，其压强分布符合静水压强分布规律：
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学'）部分实验指导&实验报告 :+卫=C或p=B+Pgh 但不同断面的C值不同 (a) 图3一1 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3一1()，离心力与重力方向相反，所以 P幼<P· 下凹曲面边界上的急变流断面如图3一1(6)，离心力与重力方向相同，所以 P动>P 三、实验设备 实验设备及各部分名称如图3一2所示。 水相 L234 抽水机凸 水箱 能量方程实验仪 四、实验步骤 1、分辩测压管与毕托管检查橡胶管接头是否接紧。 2、启动抽水机，打开进水阀，使水箱充水并保持溢流，使水位恒定。 3、关闭尾阀k,检查测压管和毕托管的液面是否齐平。若不平，则需要检 查管路中是否存在气泡并排出。 4、打开尾阀k,在液面稳定后，量测测压管及毕托管水头，同时测量该级
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学’）部分实验指导&实验报告 7 C g p z + = ρ 或 p = p 0 + ρgh 但不同断面的 C 值不同。 图 3—1 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—1(a),离心力与重力方向相反，所以 p动 < p静 。 下凹曲面边界上的急变流断面如图 3—1(b),离心力与重力方向相同，所以 p动 > p静 。 三、实验设备 实验设备及各部分名称如图 3—2 所示。 四、实验步骤 1、分辩测压管与毕托管检查橡胶管接头是否接紧。 2、启动抽水机，打开进水阀，使水箱充水并保持溢流，使水位恒定。 3、关闭尾阀 k ，检查测压管和毕托管的液面是否齐平。若不平，则需要检 查管路中是否存在气泡并排出。 4、打开尾阀 k ，在液面稳定后，量测测压管及毕托管水头，同时测量该级
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学'）部分实验指导&实玲报告 的流量。 五、实验要求及注意事项 1、在管流流量Q固定不变的情况下，观察管段内流体在不同位置的测压管 水头线： 2、在某一级稳定流情况下，测定沿流各过水断面的平均位置高度2、测压管 高度尽流建水头罗及总水头日值。 2g 3、尾阀开启一定要缓慢，并注意测压管中的水位的变化，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 4、流速较大时，测压管水面有脉动现象，读数要读取均值 六、思考题 1、实验中哪个测压管水面下降最大？为什么？ 花管中的水面高度能否低于测压管中的水面 在逐渐扩大的管路中，测压管水头线是怎样变化的？ 肆、动量方程实验 一、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。 二、实验原理 应用力矩平衡原理如图4-1，求射流对平面和曲面板的作用力。 力矩平衡方程： FL=Gh.F=Gh 式中：F一射流作用力：L一作用力力臂 G一砝码重量：L一砝码力臂。 恒定总流的动量方程为 ∑F=pCB5-B),若令B2=B=1,且只 考虑其中水平方向作用力，则可求得射流对平 图4-1 面板和曲面板的作用力公式为： F=pon(1-cosa)
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学’）部分实验指导&实验报告 8 的流量。 5、观察急变流断面 A 和 B 处的压强分布规律。 6、本实验共做四次。 五、实验要求及注意事项 五、实验要求及注意事项 五、实验要求及注意事项 五、实验要求及注意事项 1、在管流流量 Q 固定不变的情况下，观察管段内流体在不同位置的测压管 水头线； 2、在某一级稳定流情况下，测定沿流各过水断面的平均位置高度 z、测压管 高度 g p ρ 、流速水头 g v 2 2 α 及总水头 H 值。 3、尾阀 k 开启一定要缓慢，并注意测压管中的水位的变化，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。 4、流速较大时，测压管水面有脉动现象，读数要读取均值。 六、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？ 3、在逐渐扩大的管路中，测压管水头线是怎样变化的？ 肆、动量方程实验 一、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。 二、实验原理 应用力矩平衡原理如图 4-1，求射流对平面和曲面板的作用力。 力矩平衡方程： FL = GL1 ， L GL F 1 = 式中： F —射流作用力； L—作用力力臂； G —砝码重量； L1—砝码力臂。 恒 定 总 流 的 动 量 方 程 为 ( ) ∑ = 2 2 − 1 1 F ρQ β v β v ，若令 β 2 = β1 =1，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： F = ρQv(1− cosα) 图 4-1
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学'）部分实验指导&实验报告 式中：Q一管嘴的流量；一管嘴的流速；α一射流射向平面或曲面板后的偏转角度。 a=90时，F年=p2r F学一水流对平面板的冲击力： a=135时，F=p21-cos135)=1.707p0r=1.707F a=180°时，F=p01-cos180)=2p2m=2F* 三、实验设备 实验设备及各部分名称见图4一1。 水箱 平」砝 8 水箱 图42动量原理实验仪 四、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，使水箱充满水并保持溢流。此时水流从管嘴射出，冲击平 板中心，标尺倾斜。加砝码并调节砝码位置，使杠杆处于水平状态，达到力矩平 衡。记录砝码质量和力臂L。 4、用体积法测量流量Q用以计算F: 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(a=135“及a=180·)又可实测和计算不同流 量的作用力： 7、关闭抽水机，将水箱中的水排空，砝码从杠杆上取下，实验结束。 五、注意事项及要求 1、量测流量后，量简内的水必须倒进接水器，以保证水箱循环水充足： 2、测流量时，计时与量筒接水与离开均需要同步进行，以减小流量的量测 误差： 3、测流量一般测取两次，取平均值，以消除误差
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学’）部分实验指导&实验报告 9 式中：Q—管嘴的流量； v—管嘴的流速；α —射流射向平面或曲面板后的偏转角度。 � α = 90 时， F平 = ρQv F平 —水流对平面板的冲击力； � α = 135 时， F = ρQv(1− cos135 ) = 1.707ρQv = 1.707F平 � � α = 180 时， F = ρQv(1− cos180 ) = 2ρQv = 2F平 � 三、实验设备 实验设备及各部分名称见图 4—1。 四、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，使水箱充满水并保持溢流。此时水流从管嘴射出，冲击平 板中心，标尺倾斜。加砝码并调节砝码位置，使杠杆处于水平状态，达到力矩平 衡。记录砝码质量和力臂 L1。 4、用体积法测量流量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（ � α = 135 及 � α = 180 ）又可实测和计算不同流 量的作用力； 7、关闭抽水机，将水箱中的水排空，砝码从杠杆上取下，实验结束。 五、注意事项及要求 五、注意事项及要求 五、注意事项及要求 五、注意事项及要求 1、量测流量后，量筒内的水必须倒进接水器，以保证水箱循环水充足； 2、测流量时，计时与量筒接水与离开均需要同步进行，以减小流量的量测 误差； 3、测流量一般测取两次，取平均值，以消除误差
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学'）部分实验指导&实验报告 六、思考题 1、厂与厂有差异，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？ 3、实验中，平衡锤产生的力矩没有加以考虑，为什么？ 伍、雷诺实验 一、实验目的 1、测定层流和紊流两种流态的水头损失与断面平均流速之间的关系。 2、绘制水头损失力，和断面平均流速的对数关系曲线，并计算图中的斜率m 和临界雷诺数R。 二、实验原理 层流与紊流的沿程水头损失规律不一样，根据试验，水头损失与断面平均流 速之问的关系式用力，=“表示，层流状态时，沿程水头损失大小与断面平均流 速的1次方成正比，即力，x”:而在素流状态时，沿程水头损失大小与断面平 均流速的1.75~2.00次方成正比，即力，x720。 每大实验设备的管径一定，当水箱水位保持不变时，管内即产生恒定流，沿 程水头损失力，与断面平均流速"的关系可由能量方程导出： +及+正=5+++ pg 2g pe 28 当管径不变时，片=乃2，取41=02≈1.0， 所以 ,=G+）-(6+)=h。 pg (△h)值由压差计读取。 在圆管流动中采用雷诺数来判别流态： 4 式中：一系数；v一水流的运动粘滞系数；d一圆管直径：Q一流量 当R<R(下临界雷诺数)时为层流状态，R,=2320: 当R>R(上临界雷诺数)时为层流状态，凡在4000~12000之间。 10
土木工程基础实验之四（水力学‘流体力学’）部分实验指导&实验报告 10 六、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？ 3、实验中，平衡锤产生的力矩没有加以考虑，为什么？ 伍、雷诺实验 一、实验目的 1、、测定层流和紊流两种流态的水头损失与断面平均流速之间的关系。 2、绘制水头损失 f h 和断面平均流速的对数关系曲线，并计算图中的斜率m 和临界雷诺数 c Re 。 二、实验原理 层流与紊流的沿程水头损失规律不一样，根据试验，水头损失与断面平均流 速之间的关系式用 m f h = kv 表示，层流状态时，沿程水头损失大小与断面平均流 速的 1 次方成正比，即 1.0 h v f ∝ ；而在紊流状态时，沿程水头损失大小与断面平 均流速的 1.75～2.00 次方成正比，即 1.750～02.0 h v f ∝ 。 每大实验设备的管径一定，当水箱水位保持不变时，管内即产生恒定流，沿 程水头损失 f h 与断面平均流速v 的关系可由能量方程导出： h f g v g p z g v g p z + + = + + + 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 α ρ α ρ 当管径不变时， 1 2 v = v ，取α1 = α 2 ≈ 1.0， 所以 h g p z g p h z f = ( + ) − ( + ) = ∆ 2 2 1 1 ρ ρ 。 （∆h）值由压差计读取。 在圆管流动中采用雷诺数来判别流态： Q Q k d vd R e = = = ν π ν 4 ； π d ν k 4 = 式中：k —系数；ν —水流的运动粘滞系数；d —圆管直径；Q —流量 当 c Re < Re （下临界雷诺数）时为层流状态， = 2320 c Re ； 当 ' c Re > Re （上临界雷诺数）时为层流状态， ' c Re 在 4000～12000 之间