福州大学：土木工程学院《水力学》课程教学实验指导书

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 水力学 实验指导书 福州大学土木工程学院水力学实验室编 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 水力学 实验指导书 福州大学土木工程学院水力学实验室编 2007 年 7 月 28 日

目 录 前 言 .1 实验项目一：有压管流综合型实验 （一)不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验5 （二)不可压缩流体恒定流动量定律实验.10 (三)毕托管测速实验 14 （四)雷诺实验17 (五)文丘里流量计实验 20 (六)管路沿程阻力系数测定实验 24 (七)管路局部阻力系数测定实验 .30 (八)孔口与管嘴出流实验 34 实验项目二：明渠水力学综合型实验 .38 (一)水跃参数测定实验 38 (二)实用堰流量系数测定实验 .41 (三)宽顶堰流量系数测定实验 .43 实验项目三：开放式水工断面模型综合型实验 .…44 (一)模型设计与制作 44 (二)实验量测与分析. 44

目 录 前 言...........................................................................................1 实验项目一：有压管流综合型实验..................................................5 （一）不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验.............5 （二）不可压缩流体恒定流动量定律实验.....................................10 （三）毕托管测速实验...................................................................14 （四）雷诺实验..............................................................................17 （五）文丘里流量计实验...............................................................20 （六）管路沿程阻力系数测定实验................................................24 （七）管路局部阻力系数测定实验................................................30 （八）孔口与管嘴出流实验............................................................34 实验项目二：明渠水力学综合型实验.............................................38 （一）水跃参数测定实验...............................................................38 （二）实用堰流量系数测定实验....................................................41 （三）宽顶堰流量系数测定实验....................................................43 实验项目三：开放式水工断面模型综合型实验..............................44 （一）模型设计与制作...................................................................44 （二）实验量测与分析...................................................................44

实验项目四：开放式研究型整体模型实验…45 （一)模型设计与制作45 (二)实验量测与分析」 ..45 实验项目五：单项量测实验 .…46 (一）流体静力学实验。46 (二)渗流电模拟实验 52 实验项目六：动手演示型实验54 （一）静压传递自动扬水演示..54 （二)壁挂式自循环流动演示54 (三)自循环流谱流线显示仪 .55 （四)素动机理演示.55 （五)水击综合演示 .55 （六)虹吸演示 55 （七）空化机理演示55 （八)水面曲线的定性实验55

1 实验项目四：开放式研究型整体模型实验.....................................45 （一）模型设计与制作...................................................................45 （二）实验量测与分析...................................................................45 实验项目五：单项量测实验............................................................46 （一）流体静力学实验...................................................................46 （二）渗流电模拟实验...................................................................52 实验项目六：动手演示型实验........................................................54 （一）静压传递自动扬水演示........................................................54 （二）壁挂式自循环流动演示........................................................54 （三）自循环流谱流线显示仪........................................................55 （四）紊动机理演示.......................................................................55 （五）水击综合演示.......................................................................55 （六）虹吸演示..............................................................................55 （七）空化机理演示.......................................................................55 （八）水面曲线的定性实验............................................................55

前 言 一、水力学实验课的改革 水力学及工程流体力学是工科院校土建水利类学科的一门重要的技术基础课。现代水 力学是建立在实验、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，引进荣获国家级一等优秀教学成果奖的浙江大学《水力学》与《工程 流体力学》教学实验综合改革成果，包括新型实验仪器和C1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，小型化，性能优于进口仪器等特点。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。在教学计划学时被大幅度压缩后，实验项目的挑选与组合优化就显得很 重要。以往水力学实验有十几项，每项2学时，就得20多学时。为了压缩学时，同时加 强对学生的创造性思维和综合分析能力的培养，把水力学实验项目分成演示型、单项型、 综合型、设计型和开放式研究型等类型，分述如后。 (一)演示型实验 演示型实验包括水力学模型试验演示和一些水力现象和原理的演示。 1.水力学模型试验演示 本试验演示安排在水力学第一次课（诸论）后进行。其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力学所研究的主要内容。通过试验演示，并经认真观察和思考， 可深刻感到水力学是一门实实在在的、真正有用的课程，进一步明确学习目的性，激发学 习兴趣。同学进一步可思考：模型与原型水流相似吗？如何才能相似？物理量如何换算？ 所有这些问题正是《水力学》或《工程流体力学》要解决的的

1 前 言 一、水力学实验课的改革 水力学及工程流体力学是工科院校土建水利类学科的一门重要的技术基础课。现代水 力学是建立在实验、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，引进荣获国家级一等优秀教学成果奖的浙江大学《水力学》与《工程 流体力学》教学实验综合改革成果，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，小型化，性能优于进口仪器等特点。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。在教学计划学时被大幅度压缩后，实验项目的挑选与组合优化就显得很 重要。以往水力学实验有十几项，每项 2 学时，就得 20 多学时。为了压缩学时，同时加 强对学生的创造性思维和综合分析能力的培养，把水力学实验项目分成演示型、单项型、 综合型、设计型和开放式研究型等类型，分述如后。 （一）演示型实验 演示型实验包括水力学模型试验演示和一些水力现象和原理的演示。 1． 水力学模型试验演示 本试验演示安排在水力学第一次课（诸论）后进行。其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力学所研究的主要内容。通过试验演示，并经认真观察和思考， 可深刻感到水力学是一门实实在在的、真正有用的课程，进一步明确学习目的性，激发学 习兴趣。同学进一步可思考：模型与原型水流相似吗？如何才能相似？物理量如何换算？ 所有这些问题正是《水力学》或《工程流体力学》要解决的的

2.水力现象和原理的演示 此类实验目的在于让学生在实验室里集中快速地观察水流的各种现象，各种妙趣横 生、奇观频现的演示实验能让我们深有“世界真奇妙”之感，有寓教于奇、启迪智慧之神 效，能够激发学习水力学的强烈欲望，引导分析、研究各种水力学问题。这些演示还蕴含 深奥的水力学科学知识，直观生动地揭示了重要的流体运动规律。所有这些是单纯理论教 学，那怕是多媒体教学也难以取代的。 流线、流态、紊动机理、空化、水击、虹吸、静压扬水、能量转换与守恒、动量原理 等演示可由实验指导教师操作、讲解，目的在于在有限的课时内让学生看到更多的水流现 象。有些实验演示可由学生自己操作，并仔细观察水流现象，体会其中之奥妙。 (二)单项型实验 单项型实验包括静水压强测定、渗流电模拟实验等，这些实验内容单一，实验仪器小 巧精细，并自成系统，需要细心操作和反复量测。为培养独立操作能力和认真细致的工作 作风，实验分小组进行，每组2~3人，为克服仪器不足的不利条件，采用课外预约、多批 次、多小组进行的方式。课前要求认真预习。 (三)综合型实验 为了节约课时，提高效率，把以往分散的多个单项实验加以合理综合，分为有压管流 综合实验和明渠水流综合实验两部分。这些综合实验利用实验室原有的玻璃实验槽以及引 进的有压管流和明渠水流多种实验仪进行。该实验的主要内容有：水位测针测水位，毕托 管测流速，薄壁堰测流量，缓流、急流和水跃现象观测，共轭水深、水跃长度测定等。利 用一套设备一次进行多项目实验可大大节省时间（免去了多次开机抽水和稳定时间），还 可一定程度上缓解了学生多、设备少的矛盾。只要充分准备、合理安排就可以增加共用 套设备进行实验的学生数。这项综合实验还可以作为一个断面模型使用，当讲到“相似原 理和模型试验基础”后，可做为一个习题，把实验得到的数据按相似律换算为原型数据。 (四)设计研究型实验 以水力学整体模型试验作为设计型实验。这个实验在水力学实验大厅和露天模型场进 行，这是配合“相似原理和模型试验基础”一章的教学安排的。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 2

2 2． 水力现象和原理的演示 此类实验目的在于让学生在实验室里集中快速地观察水流的各种现象，各种妙趣横 生、奇观频现的演示实验能让我们深有“世界真奇妙”之感，有寓教于奇、启迪智慧之神 效，能够激发学习水力学的强烈欲望，引导分析、研究各种水力学问题。这些演示还蕴含 深奥的水力学科学知识，直观生动地揭示了重要的流体运动规律。所有这些是单纯理论教 学，那怕是多媒体教学也难以取代的。 流线、流态、紊动机理、空化、水击、虹吸、静压扬水、能量转换与守恒、动量原理 等演示可由实验指导教师操作、讲解，目的在于在有限的课时内让学生看到更多的水流现 象。有些实验演示可由学生自己操作，并仔细观察水流现象，体会其中之奥妙。 （二）单项型实验 单项型实验包括静水压强测定、渗流电模拟实验等，这些实验内容单一，实验仪器小 巧精细，并自成系统，需要细心操作和反复量测。为培养独立操作能力和认真细致的工作 作风，实验分小组进行，每组 2~3 人，为克服仪器不足的不利条件，采用课外预约、多批 次、多小组进行的方式。课前要求认真预习。 （三）综合型实验 为了节约课时，提高效率，把以往分散的多个单项实验加以合理综合，分为有压管流 综合实验和明渠水流综合实验两部分。这些综合实验利用实验室原有的玻璃实验槽以及引 进的有压管流和明渠水流多种实验仪进行。该实验的主要内容有：水位测针测水位，毕托 管测流速，薄壁堰测流量，缓流、急流和水跃现象观测，共轭水深、水跃长度测定等。利 用一套设备一次进行多项目实验可大大节省时间（免去了多次开机抽水和稳定时间），还 可一定程度上缓解了学生多、设备少的矛盾。只要充分准备、合理安排就可以增加共用一 套设备进行实验的学生数。这项综合实验还可以作为一个断面模型使用，当讲到“相似原 理和模型试验基础”后，可做为一个习题，把实验得到的数据按相似律换算为原型数据。 （四）设计研究型实验 以水力学整体模型试验作为设计型实验。这个实验在水力学实验大厅和露天模型场进 行，这是配合“相似原理和模型试验基础”一章的教学安排的。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