实验指导书

说明：标红色——第一、二次实验任选四项

标蓝色——第三次实验项目

目 录

第一部分 演示实验

一、静压传递自动扬水实验??????????????????1 二、水击综合实验??????????????????????3 三、流谱流线显示实验（一）?????????????????6 四、流谱流线显示实验（二）?????????????????8 五、能量方程演示实验????????????????????11

第二部分 量测实验

一、静水压强量测实验（4台）????????????????12 二、流速量测（毕托管）实验?????????????????15 三、沿程水头损失实验????????????????????18 四、管道局部水头损失实验（4台）??????????????22 五、文丘里流量计及孔板流量计率定实验（4台）????????25 六、孔口与管嘴流量系数验证实验（4台）???????????28 七、动量方程验证实验（4台）????????????????31 八、管流流态实验（4台）??????????????????34 九、堰流流量系数的测定实验?????????????????38 十、闸下自由出流流量系数的测定实验?????????????41 十一、水跃实验???????????????????????45 十二、圆柱绕流压强分布测量实验（6台）???????????46 十三、平板边界层实验????????????????????52 十四、翼型表面压强分布???????????????????56 附1：体积法电子流量仪使用方法????????????????60 附2：XSJ－39BI型流量数字积算仪瞬时流量的测读方法??????63

演示实验一 静压传递自动扬水实验

（一）实验目的

通过演示液体静压传递、能量转换与自动扬水的现象。可了解流体的静压传递特性、“静压奇观”的工作原理及其产生条件以及虹吸原理等，有利于培养学生的实验观察分析能力、提高学习兴趣。 （二）实验装置

本实验的装置如图I-1-1所示。

图I-1-1 静压传递扬水仪实验装置图

1．供水管；2．扬水管与喷头；3．上密封压力水箱；4．上集水箱；5．虹吸管；6．逆止阀；7．通气管；8．下水管；9．下密封压力水箱；10．水泵、通气管；11．水泵；12．下集水箱。

本实验装置配备有：

上、下密封压力水箱、扬水喷管、虹吸管、逆止阀、水泵、可控硅无级调速器、水泵过热保护器及集水箱。 （三）实验原理

集水箱4中的具有一定位置势能的水体经下水管8流入下密封压力水箱9，使箱中表面压强增大，并经通气管7等压传至上密封压力水箱3，箱3中的水体在表面压强作用下经过扬水管与喷头2喷射到高处。本实验中喷射高度可达30cm以上。当箱9中的水位满顶后，水压继续上升，直到虹吸管5工作，使箱9中的水体排入下集水箱12。由于箱9与箱3中的表面压强同时降低，逆止阀6被自动开启，水自箱4流入箱3。这时箱4中的水位低

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于管8的进口，当箱9中的水体排完以后，箱4中的水体在水泵11的供给下，亦逐渐漫过8的进口处，于是第二次扬水循环接着开始。如此周而复始，形成了循环式静压传递自动扬水的“静压奇观”现象。 （四） 实验说明及应用 1、“静压奇观”不是“永动机”

实验中水为什么能自动流向高处？它做功所需的能量来自何处？这是因为部分水体从上集水箱4落到下密封水箱9，它的势能传递给了水箱3中的水体，因而获得了能量。经过能量转换，势能变为动能，水才能喷向高处。从总能量来看，在静压传递过程中，只有损耗，没有再生，因而“静压奇观”的现象，实际上是一个能量传递与转换的过程。 2、喷水高度与落差关系

水箱4与水箱9的落差越大，则水箱9与水箱3中的表面压强越大，喷水高度也越高。利用本装置原理，可以设计具有实用性的提水设施，它可把半山腰的水源送到山顶，这种装置的优点是无传动部件，经济、实用。 3、虹吸现象及产生条件

本实验中虹吸管相当于一个带有自动阀门的旁通管。当水箱9没有满顶时，由于水流自水箱4进入水箱9时，部分压能变为动能，并被耗损，虹吸管中水位较低（未满），不可能流动。而当水箱9满顶后，动能减少，耗损降低。当水箱4中的水位超过虹吸管顶时，必然导致虹吸管满管出流，虹吸管工作以后，箱9中的表面压强很快降到大气压强，这时虹吸管仍能连续出水，直至箱9中水体排光，这是因为虹吸管的出口水位低于箱9中的水位。

演示实验二 水击综合实验

（一）实验目的

演示水击波传播、水击扬水、调压筒消减水击等工况，以及水击压强的量测。 （二）实验装置

本实验的装置如图I-2-1所示。

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图I-2-1 水击综合实验仪装置图

1．恒压水箱；2．水击扬水机出水管；3．气压表；4．扬水机截止阀；5．压力室；6．调压筒；7．水泵；8．水泵吸水管；9．供水管；10．调压筒截止阀；11．水击发生阀；12．逆止阀；13．水击室；14．集水箱；15．底座；16．回水管。 本实验装置配备有：

恒压水箱、供水管、调压筒、水击室、压力室、气压表、扬水机出水管、水击发生阀、水泵、可控硅无级调速器及集水箱。 （三）实验原理

1、水击的产生和传播

水泵7能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中，水箱1内设有溢流板和回水管，

能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自水箱1经供水管9和水击室13，再通过水击发生阀11的阀孔流出，回到集水箱14。

实验时，先全关阀10和4，触发起动阀11。当水流通过阀11时，水的冲击力使阀

11上移关闭而快速截止水流，因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压，并使水击室13同时承受这一水击压强。水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管9末端和水击室13内发生负水击压强。

本实验能通过阀11和12的动作过程观察到水击波的来回传播变化现象。即阀11关

闭，产生水击升压，使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到压力表3随着产生压力波动。然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13压强低于压力室5，使逆止阀12关闭，同时，负水击又使阀11下移而开启。这一动作过程既能观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验保持往复的自动工作状态，即当阀

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11再次开启后，水流又经阀孔流出，回复到初始工作状态。这样周而复始，阀11不断开启、关闭，水击现象也就不断地重复发生。

2、水击压强的定量观测

水击（又称水锤）可在极短的时间内产生很大的压强。由于水击的作用时间短、升压

大，通常需用复杂而昂贵的电测系统作为瞬态测量，而本实验中用简便的方法可直接地量测出水击升压值。此法的测压系统是由逆止阀12、压力室5和气压表3组成。阀11每一开一闭都产生一次水击升压，由于作用水头、管道特性和阀的开度均相同，故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次，都将向压力室5内注入一定水量，因而压力室内的压力随着水量的增加而不断累加，一直到其值达到与最大水击压强相等时，逆止阀12才打不开，水流也不再注入压力室5，压力室内的压力也就不再增高。这时，可从连接于压力空腔的压力表3测量压力室5中的压强，此压强即为阀11关闭时产生的最大水击压强。

本实验中工作水头为25cm水柱，气压表显示的水击压强值最大可达300mm汞柱

（408cm水柱）以上，即达到16倍以上的工作水头。这表明水击有可能造成工程破坏。 3、水击的利用——水击扬水原理

水击扬水机由图中的1、9、11、12、13、5、4、2等部件组成。水击发生阀11每关闭一次，在水击室13内就产生一次水击升压，逆止阀12也随之被瞬时开启，部分高压水被注入压力室5，当阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。由于阀11的不断运作，水击连续多次发生，水流亦一次一次地不断注入压力室，因而便源源不断地把水提升到高处。这正是水击扬水机工作原理，本实验中扬水高度为37cm，即超过恒压供水箱作用水头的1.5倍。

水击扬水虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒规律。扬水提升的水量仅仅是供水管流量的一部分，另一部分水量通过阀11的阀孔流出了水击室。正是这后一部分水量把自身具有势能（其值等于供水箱液面到阀11出口处的高差），以动量传输的方式，提供给了扬水机扬水。由于水击的升压可达几十倍的作用水头，因而若提高扬水机的出水管2的高度，水击扬水机的扬程也可相应提高，但出水量会随着高度的增加而减少。 4、水击危害的消除——调压筒（井）的工作原理

如上所述，水击有可利用的一面，但更多的是它对工程具有危害性的一面。例如水击有可能使输水管爆裂、闸阀破坏等。为了消除水击的危害，常在阀门附近设置减压阀或调压筒（井）、气压室等设施。本实验仪器设有由阀10和调压筒6组成水击消减装置。 实验时全关阀4，全开阀10。然后手动控制阀11的开与闭。由气压表3可见，此时水击

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升压最大值约为120mm汞柱，其值仅为阀10关闭时的峰值的1/3。同时，该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位（下面称库水位），而当阀11突然关闭时，调压筒中的水位很快涌高且超过库水位，并出现和竖立U形水管中水体摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。 调压系统中的非恒定流和水击的消减作用，其原理如下：

设了调压筒，在阀11全开下的恒定流时，调压筒中维持于库水位固定自由水面。当阀11突然关闭时，供水管9中的水流因惯性作用继续向下流动，流入调压筒，使其水位上升，一直上升到高出库水位的某一最大高度后才停止。这时管内流速为零，流动处于暂时停止状态，由于调压筒水位高于库水位，故水体作反向流动，从调压筒流向水箱。又由于惯性作用，调压筒中水位逐渐下降，至低于库水位，直到反向流速等于零为止。此后供水管中的水流又开始流向调压筒，调压筒中水位再次回升。这样，伴随着供水管中水流的往返运动，调压筒中水位也不断上下波动，这种波动由于供水管和调压筒的阻尼作用而逐渐衰减，最后调压筒水位稳定在正常水位。

设置调压筒以后，在管道水流的流量急剧改变时仍会有水击发生，但调压筒的设置在相当大程度上限制或完全制止了水击向上游的传播。同时水击波的传播距离因设置调压筒而大为缩短，这样既能避免直接水击的发生，又加快了减压波返回，因而使水击压强峰值大为降低，这就是利用调压筒消减水击危害的原理。

演示实验三 流谱流线显示实验（一）

(一) 实验目的要求

演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流的定常流动，运用电化学法显示流场，使同学们对这些基本流动有一个直观了解。 (二) 实验装置

本实验的装置如图I-3-1所示。

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图I-3-1 流谱流线显示仪

1．显示盘；2．机翼；3．孔道；4．圆柱；5．孔板；6．闸板；7．文丘里管；8．突扩和突缩；9．侧板；10．泵开关；11．对比度调解开关；12．电源开关；13. 电极电压测点；14．流速调节阀；15. 放空阀。（14、15内置于侧板内） 本实验装置配备有：

流线显示盘、前后罩壳、照明灯、小水泵、直流供电装置。 (三) 实验原理

现有的三种流谱仪，分别用于演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流。

1、Ⅰ型 单流道，演示机翼绕流的流线分布。由图可见，机翼向天侧（外包线曲率

较大）流线较密，由连续方程和能量方程知，流线密，表明流速大，压强低：而在机翼向地侧，流线较疏，压强较高。这表明整个机翼受到一个向上的合力，该力被称为升力。实验中为了显示升力方向，在机翼腰部开有沟通两侧的孔道，孔道中有染色电极。在机翼两侧压力差的作用下，必有分流经孔道从向地侧流至向天侧，这可通过孔道中染色电极释放的色素显现出来，染色液体流动的方向，即为升力方向。

此外，在流道出口端（上端）还可观察到流线汇集到一处，并无交叉，从而验证流线

不会重合的特性。

2、Ⅱ型 单流道，演示圆柱绕流。因为流速很低（约为0.5～1.0cm/s），这是小雷诺

数的无分离流动。因此所显示的流谱上下游几乎完全对称。这与圆柱绕流势流理论流谱基本一致；零流线（沿圆柱表面的流线）在前驻点分为左右两支，经900点（u＝umax），而后在背滞点处二者又合二为一。

驻点的流线为何可分可合，这与流线的定义是否矛盾呢？这是不矛盾的。因为在驻点

上流速为零，方向是不确定的。然而，当适当增大流速，Re数增大，此时虽圆柱上游流谱不变，但下游原合二为一的染色线被分开，尾流出现。

3、Ⅲ型 双流道。演示文丘里管、孔板、渐缩和突然扩大、突然缩小、明渠闸板等流段纵

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剖面上的流谱。演示是在小Re数下进行，液体在流经这些管段时，有扩有缩。由于边界本身亦是一条流线，通过在边界上特别布设的电极，该流线亦能得以演示。同上，若适当提高流动的雷诺数，经过一定的流动起始时段后，就会在突然扩大拐角处流线脱离边界，形成漩涡，从而显示实际流体的总体流动图谱。

利用该流线仪，还可说明均匀流、渐变流、急变流的流线特征。如直管段流线平行，为均匀流。文丘里管的喉管段，流线的切线大致平行，为渐变流。突缩、突扩处，流线夹角大或曲率大，为急变流。

特别强调的是，上述实验中，其流道中的流动均为恒定流。因此，所显示的染色线既是流线，又是迹线和脉线（染色线）。因为流线是某一瞬时的曲线，线上任一点的切线方向与该点的流速方向相同；迹线是某一质点在某一时段内的运动轨迹线；脉线是源于同一点的所有质点在同一时刻的连线。固定在流场的起始段上的电极，所释放的颜色流过显示面后，会自动消色。放色——消色对流谱的显示均无任何干扰。另外，在演示中如将泵关闭一下再重新开启的话，还可看到流线上各质点流动方向的变化。

演示实验四 流谱流线显示实验（二）

(一) 实验目的要求

演示流体在多种不同形状流道中的非定常流动图案，鲜明地显示不同边界流场的迹线、边界层分离、尾流、涡旋等流动图谱，便于学生们直观理解流体非定常流动的基本特征及其产生机理。 (二) 实验装置

本实验的装置如图I-4-1所示。

图I-4-1 显示面过流道示意图

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(三) 实验指导

各实验仪演示内容及实验指导提要如下：

ZL—1型（图I-4-1、1）用以显示逐渐扩大、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、 壁面冲击、直角弯道等平面上的流动图像，模拟串联管道纵剖面流谱。

在逐渐扩散段可看到由边界层分离而形成的旋涡，且靠近上游喉颈处，流速越大，涡

旋尺度越小，紊动强度越高；而在逐渐收缩段，无分离，流线均匀收缩，亦无漩涡，由此可知，逐渐扩散段局部水头损失大于逐渐收缩段。

在突然扩大段出现较大的漩涡区，而在突然收缩段只在死角处和收缩断面的进口附近

出现较小的漩涡区。表明突扩段比突缩段有较大的局部损失，而且突缩段的水头损失主要发生在突缩断面后部。

同时由于本仪器突缩段较短，故流谱亦可视为直角进口管嘴的流动图像。在管嘴进口附近，流线明显收缩，并有涡旋产生，致使有效过流断面减小，流速增大，从而在收缩断面上出现真空。

在直角弯道和壁面冲击段，也有多处漩涡区出现。尤其在弯道流中，流线弯曲更剧烈，越靠近弯道内侧，流速越小。近内壁处，出现明显的回流，形成的回流范围较大，将此与ZL－2型中圆角转弯流动对比，直角弯道涡旋大，回流更加明显。

ZL—2型（图I-4-1、2）显示文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴流量

计以及壁面冲击、圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像。

由显示可见，文丘里流量计的过流顺畅，流线顺直，无边界层分离和漩涡产生。在孔板前，流线逐渐收缩，汇集在孔板的孔口处，只在拐角处有小漩涡出现，孔板后的水流逐渐扩散，并在主流区的周围形成较大的漩涡区。由此可见，孔板流量计的过流阻力较大；圆弧进口管嘴流量计入流顺畅，管嘴过流段上无边界层分离和漩涡产生；在圆形弯道段，边界层分离的现象及分离点明显可见，与直角弯道比较，流线较顺畅，漩涡发生区域较小。

ZL—3型（图I-4-1、3）显示30o弯头、直角弯头、45o弯头以及非自由射流等

流段纵剖面上的流动图像。

由显示图像可知，在每一转弯的后面，都因边界层分离而产生漩涡。转弯角度不同，

漩涡大小、形状各异。在圆弧转弯段，流线较顺畅，该串联管道上，还显示局部水头损失叠加影响的图谱。在非自由射流段，射流离开喷口后，不断卷吸周围的流体，形成射流的紊动扩散。在此流段上还可看到射流的“附壁效应”。

该仪器可演示的主要流动现象为：

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各种弯道和水头损失的关系。

短管串联管道局部水头损失的叠加影响。

ZL—4型（图I-4-1、4）显示30o弯头、分流、合流、45o弯头，YF－溢流阀、

闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图像。其中YF－溢流阀为固定的全开状态，蝶阀活动可以调节。

显示可见，在转弯、分流、合流等过流段上，有不同形态的漩涡出现。合流漩涡较为

典型，明显干扰主流，使主流受阻，这在工程上称为“水塞”现象。蝶阀全开时，过流顺畅，阻力小，半开时，尾涡紊动激烈，表明阻力大且易引起振动。YF－溢流阀中流动现象较为复杂。流体经阀门喷出后，在阀芯的大反弧段发生边界层分离，出现一圈漩涡带；在射流和阀座的出口处，也产生一较大的漩涡环带。在阀后，尾迹区大而复杂，并有随机的卡门涡街产生。经阀芯芯部流过的小股流体也在尾迹区产生不规则的左右扰动。调节过流量，涡旋的形态基本不变，表明在相当大的雷诺数范围内，涡旋基本稳定。

5、ZL—5型（图I-4-1、5）用以显示明渠逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像。圆柱绕流是该型演示仪的特征流谱。

由显示可见，单圆柱绕流时的边界层分离状况，分离点位置、卡门涡街的产生与发展过程以及多圆柱绕流时的流体混合、扩散、组合漩涡等流谱。

6、ZL—6型（图I-4-1、6）用以显示明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、直角弯道和正、反流线体绕流等流段上的流动图谱。

桥墩形柱体绕流，由于该绕流体为圆头方尾的钝形体，水流脱离桥墩后，形成一个漩涡区——尾流，在尾流区两侧产生旋向相反且不断交替的漩涡，及卡门涡街。与圆柱绕流不同的是，该涡街的频率具有较明显的随机性。这说明非圆柱体绕流也会产生卡门涡街。 流线形体绕流，流动顺畅，形体阻力最小，这是绕流体的最好形式，。从正、反流线体的对比流动可见，当流线体倒置时，也出现卡门涡街。

7、ZL—7型（图I-4-1、7）是一只“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。经喷嘴喷射出的射流（大信号）可附于任一侧面，若先附于左壁，射流经左通道后，向右出口输出；当旋转仪器表面控制圆盘，使左气道与圆盘气孔相通时（通大气），因射流获得左侧的控制流（小信号），射流便切换至右壁，流体从左出口输出。这时若再转动控制圆盘，切断气流，射流稳定于原通道不变。如要使射流再切换回来，只要再转动控制圆盘，使右气道与圆盘气孔相通即可。因此，该装置既是一个射流阀，又是一个双稳射流控制元件。只要给一个小信号（气流），便能输出一个大信号（射流），并能把脉冲小信号保持记忆下来。

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演示实验五 能量方程演示实验

（一）实验目的

1、观察恒定流情况下，有压管流所具有的位置势能（位置水头）、压强势能（压强水头）和动能（流速水头），以及在各种边界条件下能量守恒及转换的基本规律，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、急变流过水断面上的动水压强分布规律。 4、观察恒定总流连续性方程中速度与管径的变化关系。 （二）实验原理

实际液体在有压管道中作恒定流动时，单位重量液体的能量方程如下：

z1?p1???1v122g?z2?p2??2?2v22g?hw

上式表明：单位重量的液体在流动过程中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。由于实际液体存在粘性，运动的阻力要消耗一定的能量，也就是有部分机械能要转化为热能而散逸，称为水头损失。因而各断面的机械能沿程减小。 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：

z?p??c 或 p?p0??h

但不同的过水断面上c值不同。

在急变流流段上，由于流线的曲率较大，每一质点处存在惯性力，表现为在这个流段中各过水断面上水流的压强分布不符合静水压强分布规律。 （三）实验设备

如图I-5-1所示的能量方程演示仪为自循环的水流系统，在进水管段设有进水阀、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、垂直弯管和水平弯管等有机玻璃管段连接而成，在管道上沿水流方向的若干过水断面的边壁上设有测压孔，在设置测压管的过水断面上同时装有单孔毕托管，用以测量该断面中心点的总水头。在管道的出口还设有尾阀。进水阀和尾阀用来调节和控制流量。 （四）操作步骤和演示内容

1、熟悉设备，分辨测压管和单孔毕托管。

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2、接通电源。

图I-5-1 能量方程演示仪

1、测压排 2、转子流量计 3、尾阀 4、进水阀 5、水箱 6、水泵

3、缓缓打开进水阀，反复开关尾阀将管道及测压管中的空气排净。

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，并了解能量守恒的物理意义及位能、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测压管水头的变化；渐变流过水断面上各点的测压管水头相等，而急变流过水断面上各点的测压管水头不相等；垂直弯管段上的真空现象等。

7、将尾阀开大或关小，观察各测压管水面连线的变化。 8、演示结束后，切断电源。关闭总进水阀。 （五）注意事项

做演示实验时，一定要将管道和测压管中的空气排净。阀门开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，不宜过猛，以免使测压管中的压力上升过快，造成不良后果。 （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？

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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、垂直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？

量测实验一 静水压强量测实验

（一）目的要求

1、量测静水中任一点的压强； 2、测定另一种液体的比重；

3、要求掌握U形管和连通管的测压原理以及运用等压面概念分析问题的能力。 （二）实验设备

实验设备如图II-1-1所示。

图II-1-1 静水压强实验仪

（三）实验步骤及原理

1、打开通气孔，使密封水箱与大气相通，则密封箱中表面压强p0等于大气压强pa。此时开口筒水面、密封箱水面及连通管1、2、3的水面均应平齐。

2、关闭通气孔，将开口筒向上提升到一定高度。开口筒中的少量水将流向密封箱，并影响其它测压管。密封箱中空气的体积将减小而压强将增大。此时p0?pa，待稳定后，开

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口筒与密封箱两液面的压强差为p0?pa??h，两液面高度差h也等于?1??2及

?3??2，而U形管两液面的压差也应等于p0?pa。?是测压管液面高程。

3、如果将开口筒向下降到一定高度，使其水面低于密封箱中的水面，则密封箱中的少量水将流向开口筒。因此，密封箱中的空气的体积将增大而压强将减小，此时p0?pa，这种情况称为真空，待稳定后，以水柱高度表示压强差即为真空度：

pa?p0???2??1??2??3

4、按照以上原理，可以求得密封液体中任一点A的绝对压强p?A。

设A点处在密封箱水面以下的深度为h0A，处在1号管和3号管水面以下的深度分别为h1A和h3A，则：

p?A?p0??h0A?pa??(?1??2)??h0A ?pa??h1A?pa??h3A

此式适用于p0?pa和p0?pa等多种情况。 5、由于连通管和U形管反映着相同的压差，故有：

p0?pa??(?3??2)???(?5??4)??(?7??6)

由此可以求得另一种液体的容重??:

?????3??2???6 ??7?5??4?5??4（四）注意事项

1、首先检查密封箱是否漏气（检查方法自己考虑）。

2、开口筒向上提升时不宜过高，在升降开口筒后，一定要用手拧紧左边的固定螺丝，以免开口筒向下滑动。 （五）量测与计算

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静水压强仪编号 ； 实测数据与计算（见表1-1、表1-2）。 （六）回答问题

1、第1、2、3号管和4、6号管，可否取等压面？为什么？ 2、第1、4、6号管和1、3号管中的液面，是不是等压面？为什么？

表1-1 静水压强量测实验观测数据表 名 称 液面高程 单 位 1 p0>pa 2 1 p0

表1-2 计算表 算序 1 2 3 项 目 测压管液面高程读数 ?1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?6 ?7 厘米 厘米 厘米 厘米 厘米 厘米 厘米 p0?pa 1 p0?pa 1 单位 2 2 ?1??2??3??2??7??6 p0?pa??(?7??6) pA??（[?1??2）?h0A] 14

4 5 6

p?A?pa?pA p0?pa??(?7??6)???(?5??4) ?? 注：设A点在水箱水面下的深度h0A 厘米。

量测实验二 流速量测（毕托管）实验

（一）目的要求

1、通过本次实验，掌握基本的测速工具（毕托管）的性能和使用方法。

2、加深对明槽水流流速分布的认识，并绘制垂线流速分布图，计算垂线平均流速。 （二）仪器设备

毕托管、比压计及水槽简图如图II-2-1。

图II-2-1 毕托管测速简图 （三）实验原理

毕托管是由两根同心圆管组成的管体和A、B两个引管所组成。引管A与毕托管头部顶端小孔相连，引管B与离毕托管头部顶端为3d的断面上的环形分布的小圆孔相通。A、B引管与比压计相连。由于环形孔与毕托管管体的表面垂直，因此它所测得的是不含水流动能的总势能水头z?p?；而引管A连接的顶端小孔由于正对流向，此处为水流的驻点，它

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u2所测得的是包括水流动能在内的总机械能水头z??。当比压计测压牌垂直放置时，

?2gppu2u2测压牌上所反映的两测压管液面差?h?(z??即为测点的流速水)?(z?)??2g?2gp头。

为了提高量测的精度，将测压管倾斜?角，若两测压管液面之间的差为ΔL，则有Δh=ΔLsin?，从而可以求得测点的流速表达式：

u?C2g?h?C2g?Lsin?

式中 C––––流速修正系数，对不同的毕托管，其值由实验率定。本实验使用的毕托管，经率定C=0.999。

垂线流速分布图的画法，垂线平均流速的计算

将所测得的同一垂线各点流速，按选定的比例尺画在坐标纸上。槽底的流速为零，水面的流速矢端为水面以下各点流速矢端连线向上顺延与水面相交的那一点。由水深线及各点流速矢端所围成的矢量图，即为垂线流速分布图，如图II-2-2所示。显然，流速分布图的面积除以水深h，就是垂线所在断面上近似的平均流速V，其表达式为：

S h式中 V––––垂线平均流速（cm/s）； V? S––––垂线流速分布图的面积（cm2）； h––––水深（cm）。

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图II-2-2 垂线流速分布图 （四）方法步骤

1、确定全关阀门，然后接通水泵和涡轮流量数字积算仪的电源。 2、缓慢打开水槽的进水阀门，调节尾门，将水深控制在15厘米左右。

3、用测针测得水深h。如图II-2-2所示，在断面垂线上布置5个测点。毕托管最高点宜在水面以下2厘米，最低点为毕托管的半径(0.4厘米)，其余各点均匀分布在其中。 4、按所布置的垂线及测点位置逐步进行测量。例如：把毕托管放到槽底，同时测读固定毕托管测杆标尺上的读数，稍待稳定后，再测读比压计上的读数?A、?B，这就完成了第1个测点的工作。然后将毕托管依次提升，直至水面下2厘米那一点为止。

5、将测得的数据进行分析整理，并按一定的比例在坐标纸上点绘明槽断面垂线上的流速分布图。 （五）注意事项

1、测速之前，首先要对毕托管、比压计进行排气。排气方法：将毕托管置于防气盒中，从比压计三通管注入有一定压力的水流，使水和空气由毕托管喷出，冲水约3分钟左右并使毕托管淹没于防气盒中。然后打开三通管，在大气压强作用下比压计测管中的水面下降，待降到便于测读的位置时，用止水夹夹紧三通管。待静止稳定后比压计两测管中的水面应该齐平，否则要稍作整平或重新冲水排气，直至两管水面齐平后去掉防水盒方可进行测速工作。

2、实验过程中，为防止进气，毕托管不得露出水面。实验结束后，将毕托管放入防气盒静水中，检查是否进气，若比压计两管水面不平，说明所测数据有误差，应重新冲水排气并重新进行测量。

3、毕托管管体必须正对流向。

4、测读时，视线应垂直于比压计的倾斜面，读取弯液面的最低点读数，当测管中的水面上下脉动时，读取平均值。 （六）量测与计算 1、已知数据

水槽宽度B=10(cm)。毕托管直径d=0.8(cm)。 比压计倾斜角??30?。重力加速度g=980(cm/s2)。 2、实测数据与计算

测针尖接触槽底时读数 厘米；测针尖接触水面时的读数 厘米；

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测针量得水深h= 厘米。

表2－1 垂线流速分布测定表

测点 编号 毕托管测cm 测点到槽cm 斜比压计读数 ?L= cm ?h= cm 杆读数 底高度?A cm ?B cm ?A??B?Lsin?测点 流速u cm/s 垂线平均流速u cm/s 1 2 3 4 5 水面 （七）回答问题

1、毕托管、比压计排气不净，为什么会影响量测精度？

2、为什么必须将毕托管正对来流方向？如何判断毕托管是否正对了流向？ 3、比压计安放位置的高低，是否影响量测数据？为什么？

4、水槽侧壁面附近流速低于中心垂线上的流速，这将如何影响量测结果？

量测实验三 沿程水头损失实验

（一）目的要求

1．加深了解园管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律；

2．掌握管道沿程阻力系数的量测技术和应用气—水压差计及电测仪测量压差的方法； 3．将测得的Re~?关系值与莫迪图对比，并分析其合理性。 （二）实验装置

本实验的装置如图II-3-1所示。低压差用气-水压差计量测；而高压差用电子量测仪（简称电测仪）量测。

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图II-3-1 自循环沿程水头损失实验装置图

1．自循环高压恒定全自动供水器；2．实验台；3．回水管；4．气水压差计；5．测压计支架；6．实验管道；7．电子量测仪；8．滑动测量尺；9．测压点；10．实验流量调节阀；11．供水管与供水阀；12．旁通管与旁通阀；13. 调压筒。 本实验装置配备有：

1．自动水泵与稳压器：自循环高压恒定全自动供水器1由离心泵、自动压力开关、气—水压力罐式稳压器等组成。压力超高时能自动停机，过低时能自动开机。为避免因水泵直接向实验管道供水所造成的压力波动，离心泵先将水送入稳压罐，经稳压后再送向实验管道。

2．旁通管与旁通阀：由于本实验装置所采用水泵，在输送流量较小时有可能时开时停，从而造成供水压力的较大波动。为了避免这种情况出现，供水管道设有与蓄水箱直通的旁通管（图中未标出），通过分流可使水泵持续稳定运行。旁通管中设有旁通阀调节至蓄水箱的分流量，实验流量随旁通阀开度减少（分流量减小）而增大。实际上旁通阀又是本装置用以调节流量的重要阀门之一。

3．调压筒 为了简化排气，连通管上装有调压筒13，调压筒由2只充水（不满顶）的密封立筒构成（参见图II-3-1）。

4．电测仪 由压力传感器（图中未标出）和主机两部分组成。经由连通管将其接入测点。压差读数（以厘米水柱为单位）通过主机显示。 （三）实验原理

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量测实验十一 水跃实验

（一）实验目的

1、 观察平底水槽中所产生的远驱式、临界式及淹没式水跃。 2、 验证平底矩形水槽完整水跃共轭水深理论。 （二）仪器设备

1、可以产生和调节水跃的平底矩形水槽(见图II-11-1)。

2、 恒定供水的水循环系统及高精度的涡轮流量计(同量测实验十)。 3、移动式测针(同量测实验十)。 （三）实验原理

明渠恒定非均匀流理论给出完整水跃共轭水深的关系式为：

h?(1?8Fr12?1) 2h????，则 令共轭水深比h?1??(1?8Fr12?1)?f(Fr1) (1)

2h???上式中跃前断面水流的佛汝德数：Fr1?V1gh??Qbh?gh?

图II-11-1

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将实验点(?,Fr1)与理论关系式(1)绘制在同一张图纸上，即可验证完整水跃方程。 (四) 实验步骤

1、调节流量，并将闸孔开度e调至适当位置，调节尾门使槽中形成位置稳定的远驱

式水跃。

2、待水流稳定（大约需几分钟左右的时间）后，锁紧闸板定位螺栓。 3、利用XSJ－39BI流量数字积算仪测读流量Q。 4、用测针分别测出跃前水深h?和跃后水深h??。 5、调节管道闸阀改变流量Q，重复步骤1~4二至三次。

(五) 测量结果 水槽宽b= cm。 表11－1 测量数据记录计算表 测 次 1 2 3 4 流量 跃前 水深h? 跃后 水深h?? Q (l/s) Fr1 (cm) (cm) ?实?理 h?? ?((1)式) h? （六）数据分析

1、 计算实测数据?、Fr1列入上表；由式(1)计算共轭水深比的理论值?理也列入上表。

2、绘制??f(Fr1)的理论曲线(直线)，再将实验点点绘上去。 （七）实验结论与分析

评价理论与实验的相符性，并分析实验误差的产生原因。

量测实验十二 圆柱绕流表面压强分布测量实验

（一）实验目的和要求

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用多管压力计测量绕流圆柱体表面压强分布，绘制压力分布图，并计算阻力系数。 （二）实验原理

本实验在空气动力学多功能实验台或者二维风洞上进行的。如图II-12-1空气被

风机压入稳压箱，再进入实验段。不计重力影响的伯努力方程为

p0?p??11?V?2?p??V2 22式中，p0和p?分别是稳压箱和来流段的压强，p是圆柱体表面测点的压强。定义测点的压强系数为

p?p?p?p?Cp??

1p0?p??V?22测出压差p?p?和p0?p?就可以计算压强系数Cp. 压差的测量使用多管压差计。将稳压箱压强p0，来流段压强p?，测点压强p接至多管压差计，其测压管液面读数l0、l?和l，见图II-12-2,则有 Cp?p0 稳压箱

收缩段 p? 来流段 ? 实验段 测压孔

l?l?l0?l? 图 II-12-1 圆柱绕流实验

来流速度可以按照下式计算

V???2(p?p)?0???2g(l??l0)cos? ?式中，ρ′和ρ分别表示水和空气的密度，θ是多管压差计的铅直偏角。

在圆柱体表面上布置若干测压点，但只需开设一个测压孔。圆柱体可绕其轴线转动，因而可将测压孔转动到任意位置。

物体的阻力可分为压差阻力和粘性阻力。紊流绕流发生边界层分离时，粘性阻力只占极小份额，因此物体阻力近似等于压差阻力。这样，单位长圆柱体阻力

2?

FD??(p?p?)Rcos?d?

0R是圆柱半径，那么阻力系数

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p?p?cos?d? ?21?V02? 测量时，将半圆弧分成n=36等分，每等分圆心角为??＝5o，即θ＝0o，5o，10o，??，

1CD??1?V2dL22?FD2?180o，共37个测点。积分用梯形公式近似表示：

? CD?Cpcos?d??0??0.5(C?C)?Ccos??p0p36pii? 36?i?1????35式中Cpi为角度θi的测点的压强系数。

图II-12-2 多管压差计示意图

测压管；2．读数板；3．转轴；4．支架；5．连通器；6．底座板；

（三）实验步骤

1．熟悉实验设备和仪器。

2．接好测压计，将圆柱体上的测压孔转动到?＝0的位置，然后接通电源，开启风机，调整风量，待气流稳定后开始读数。在试验过程中，不能再改变风量的大小。 3．转动圆柱体，每隔??＝5o读取一组数据。 4．实验结束时，关闭风机，断电。 （四） 实验数据

实验开始前纪录实验人员姓名，实验时间，设备号，排管压强计倾斜角和圆柱体直径等参数；实验过程中同步纪录空气温度（查表得到空气密度和粘性系数）和各液柱长度 (相应于稳压箱压强，来流段压强，测点的压强)；实验结束后计算来流速度、雷诺数和各测点

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的压强系数，并根据压强系数分布算出阻力系数。 （五）计算机处理数据和绘图

“绕流圆柱体表面压强分布测量数据处理软件”使用Visual C++6.0编制，主要功能有:输入数据表格、计算、实验数据存盘和绘制压强系数分布曲线。软件界面如图II-12-3。 1：控制界面 输入实验参数，点击进入计算、绘图和保存文件等功能。 2：表格界面 表格前三列输入实验数据。表格后两列显示计算结果。

3：图形界面 根据实验结果绘制曲线。图中实线代表理论值，圆点代表实测值。 输入任意单元格的数据时可以用Delete键或者Backspace键来删除和修改。选择菜单命令可以用快捷键，还可以点击工具条的黄色图标。图片和当前数据可以保存为任意后缀的文件。如果选择新建文件，则当前所有数据被置零。计算完毕经检查无误后再保存文件。 查看教材附录，用插值法估算出当前温度下的水，气密度和空气运动粘性系数。 （六）实验结果分析

界面（c）显示的为圆柱体表面压强分布的实验结果（在图中以圆点代表）与理想无旋流解析解（实线）的比较。由图看出，圆柱体表面的边界层在θ接近80o时发生分离，分离后的圆柱体表面压强近似为常数。试解释实验结果与理想流体分析结果的这个差异。

图II-12-3 软件界面示意图

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LV2由达西公式hf??得

d2gdhf2g2gdhf?2hf2???(d/Q)?K2 2LVL4Q

（1）

K??2gd5/8L

另由能量方程，对水平等直径圆管可得

hf?(p1?p2)/?

（2）

压差可用压差计或电测仪测量。 （四）实验方法与步骤

准备1 检查蓄水箱、水位是否够高及旁通阀12是否已关闭。否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数：工作管内径d和实验管长L（标志于蓄水箱）。 准备2 接通电源，全开阀12打开供水阀11，水泵自动开启供水。 准备3 调通量测系统。

（1）通水、排气 对各有关量测仪及其连通管按下列程序充水排气： 实验管道： 关闭旁通阀12，全开供水阀11和出水阀10。

气水压差计： 关闭阀10，全开阀12，松开（气水压差计连通管）止水夹，开启阀11（待测管升至一定高度，再按下列步序适当降低，以保证有足够的量程），全关阀11。 调压筒： 检查调压筒13充水度是否够，当无压下水位低于2/3筒高时，按下列步骤进行充水：关闭阀10，开启阀11，倒置调压筒13，待水充满4/5筒高时，作与上述的逆向操作使其复位，启闭阀10若干次，直至连通管气泡排净为止。

压力传感器： 关闭阀10，开启阀11，打开排气旋钮，待旋孔溢水再拧紧。

（2）校核 关闭阀10，全开阀11，检查气水压差计两测管中水位平否？否则按上述步骤重新排气。 实验量测

（1）调节流量 实验可按流量由小到大依次进行：微开阀10（阀12已全开），使流量逐次增大；在流量较小时，用气水压差计水柱差?h控制，每次增量可取?h=4~6mm（初次小些）。大流量通过渐关旁通阀调大压差，改用电测仪测量，流量增量取?h=40cm（初次）和200cm。注意：

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①流量每调一次，均需稳定2~3分钟，流量愈小，稳定时间愈长； ②每次测流时段不小于8~10秒（流量大可短些）； ③要求变更流量不少于10次。

（2）依次测定压差计测管（或电测仪）读数、相应流量和温度（温度表挂在水箱中）。 （3）结束工作

①关闭阀10，检查?h=0与否。否则表明压差计已进气，需重做实验； ②关闭阀11，切断电源。 (五) 实验成果及要求 1．有关常数。

圆管直径分别为d=0.688cm（1#），d=0.683cm（2#），d=0.690cm（3#）和d=0.685cm（4#），量测段长度L=85cm。 2．记录及计算（见表3-1）

3．绘图分析 绘制lgV~lghf曲线，并确定指数关系hf=Vm中值m的大小。以lgV为横坐标，以lghf为纵坐标，点绘所测的lgV~lghf关系曲线，根据具体情况连成一段或几段直线（相应起始点为1、2）。求直线斜率得

m?lghf2?lghf1lgV2?lgV1

将从图上求得的m值与已知各流区的m值（即层流m=1，紊流光滑管流区m=1.75，粗糙管流区m=2.0，紊流过渡区1.75

1．为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？实验管道安装向下倾斜，是否影响实验结果？

2．据实测m值判别本实验的流区。

3．实际工程中钢管中的流动，大多为紊流光滑区或紊流过渡区，而水电站泄洪洞的流动，大多为紊流阻力平方区，其原因何在？

4．本次实验结果与莫迪图吻合与否？试分析其原因。

表3－1 管道沿程水头损失实验数据记录及计算表

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测体时间 序 积cm3 s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 流量 流速 3cm/s cm/s 水粘度 雷诺温 数2?C cm/s Re 比压计读数 沿程损失hf 沿程损失系数? . . 层流? 64/Re ?h cm 10

量测实验四 管道局部水头损失实验

（一）实验目的

1、掌握测定管道局部水头损失系数?的方法。

2、将管道局部水头损失系数的实测值与理论值进行比较。

3、观测管径突然扩大时旋涡区测压管水头线的变化情况和水流情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况。 （二）实验原理

水流经过局部流段时，由于边界形状的急剧改变，水流将与边界发生分离并出现旋涡，同时水流流速分布发生变化，因而将消耗一部分机械能。由边界形状的急剧改变所消耗的这部分机械能，以单位重量液体的平均能量损失来表示，即为局部水头损失（忽略局部的沿

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程水头损失）。

边界形状的改变有过水断面的突然扩大或突然缩小、弯道及管路上安装的阀门等。 局部水头损失常用流速水头与一系数的乘积表示：

V2 hj??2g式中：?––––局部水头损失系数。系数?是流动形态与边界形状的函数。一般水流Re数足够大时，可认为系数?不再随Re数而变化，而看作常数。

目前仅有管道突然扩大的局部水头损失系数可采用理论分析，得出足够精确的结果。其他情况则需要用实验方法测定?值。圆管突然扩大的局部水头损失可应用动量方程、能量方程以及连续性方程联合求解得到如下公式：

AV222，?2?(2?1) hj??2A12gA2V12或 hj??1，?1?(1?1)

A22g式中：A1和V1分别为突然扩大上游管段的断面面积和平均流速；A2和V2分别为突然扩大下游管段的断面面积和平均流速，其中A1?A2。 （三）实验设备

实验设备及各部分名称如图II-4-1所示。

图II-4-1 局部阻力实验仪

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（四）实验步骤

1、熟悉仪器，记录管道直径D和d。

2、检查各测压管的橡皮管接头是否漏水。

3、启动水泵，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。 4、检查尾阀K全关时测压管的液面是否齐平，若不平，则需排气调平。

5、慢慢打开尾阀K，调出在测压管量程范围内较大的流量，待流动稳定后，记录各测压管液面标高，用体积法测量管道流量，或用电子流量仪测量管道流量。 6、调节尾阀改变流量，重复测量三次。 （五）注意事项

1、实验数据必须在水流稳定后方可进行记录。

2、计算局部水头损失系数时，应注意选择相应的流速水头；所选择的量测断面应选在渐变流上，尤其下游断面应选在旋涡区的末端，即主流恢复并充满全管的断面上。 （六）实验数据处理

1、管道突然扩大局部水头损失系数的记录及计算（见表5）。

2、将实测的局部水头损失系数与理论计算值进行比较，试分析产生误差原因。 （七）思考题

1、试分析实测hj与理论计算hj有什么不同？原因何在？

2、在不忽略管段的沿程水头损失hf的情况下，所测出的?测值与实际的?值相比较，?是偏大还是偏小？在使用此值时是否可靠？

3、当三段管道串联时，如实验装置图II-4-1所示，相应于同一流量情况下，其突然扩大的hj值是否一定大于突然缩小的hj值？

4、不同的Re数时，局部水头损失系数?值是否相同？通常?值是否为一常数？ 5、如果管路系统改成垂直安装，对各个局部水头系数值的大小是否有影响？为什么?

测

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