水力学（流体力学）实验指导书 - 图文

水力学（流体力学）

实验指导书

编著：刘凡

河北工程大学

目录

1、静水压强实验--------------------------------------------------------3-5页 2 平面静水总压力实验-------------------------------------------- - 6-9页 3、文丘里流量计实验------------------------------------------------10-12页

4、雷诺实验------------------------------------------------------------12-14页 5、管道沿程水头损失实验-----------------------------------------15-16页

6、局部管道水头损失实验----------------------------------------17-19页 7、流线演示实验-----------------------------------------------------20-21页 8、伯努利实验---------------------------------------------------------20-21页

9、涡流系列演示实验------------------------------------------------22-24页

实验一 静水压强实验

一、 实验目的

1、加深对水静力学基本方程物理意义的理解，验证静止液体中，不同点对于

同一基准面的测压管水头为常数（即z+

p。 ?C）

?g2、学习利用U形管测量液体（油）的密度。

3、建立液体表面压强p0>pa，p0

实验设备

在一全透明有机玻璃箱内注入适量的水，并由一乳胶管将水箱与一可升降的调压筒相连。水箱顶部装有排气阀K1，可与大气相通，用以控制容器内液体表面压强。U形管压差计所装液体为油，?油

静水压强仪设备图

三、 实验原理

在重力作用下，水静力学基本方程为

z?p?C ?g表明：当质量力仅为重力时，静止液体内部任意点对同一基准面的z与之和为常数。

重力作用下，液体中任一点静水压强

p两项?gp?p0??gh，

p0为液体表面压强。

p0>pa为正压；p0

实验步骤

1、熟悉仪器，选基准面，测记A、B点高度数值并记录。

2、将调压筒放置适当高度，打开排气阀K1、K2、K3，使水箱内的液面与大气相通，

此时液面压强p0=pa。待水面稳定后，观察各U形压差计的液面位置，以验证等压面原理。关闭排气阀K1和与量杯相通的阀门K2，与测压管相通的阀门K3打开不变。

3、将调压筒缓慢加压升至某一高度，此时水箱内液面压强p0>pa。U形管出现压差?h，在加压的同时，观察右侧A、B管的液柱上升情况，以及各测压管的液面高度变化并测记各测压管的液面标高，记录数据。 4、继续提高调压筒，重复两次。

5、打开排气阀K1、K2使之与大气相通，将调压筒移动到适当的位置，待液面稳定后再关闭K1，与量杯相通的阀门K2打开不变。

6、将调压筒降低至某一高度。此时p0

（真空）现象，重复两次。

7、将调压筒升至适当位置，打开排气阀K1，实验结束。 五、数据处理及要求 选基准面：

记录A、B两点高程： ▽A= ▽B=

实验数据记录表

实验 条件 序 测压管液面（㎝） 号 ▽1 ▽2 ▽3 ▽4 ▽5 ▽6 Za+Pa/r Zb+Pb/r P0=pa 1 1 P0>pa 2 3 1 P0

1.计算在三种情况下A 点B点绝对压强、相对压强。 2.计算在三种情况下水箱自由面上的压强。 3.测定油的密度，对两种实验结果进行比较。 4.通过观察现象和测量结果验证A,B两点Z+P/r=C

实验二 平面静水总压力实验

一、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。 二、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K1，放水开关K2与水箱相连。容器上部放置一扇形体相连的平衡杆，如图1所示。

图1 静水总压力实验仪

三、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：（方向垂直指向受压面）。

P?pCA

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所构成的压强分布的体积。

P??b

若压强分布图为三角形分布，如图2，则

1P=?gH2b 2

1e=H 3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2, 图3，则

1P=?g(H1?H2)ab 2a2H?H2 e?.13H1?H2式中：e—为梯形压强分布图的形心距梯形底边的距离。

图2

本实验设备原理如图4所示，则由力矩平衡原理

其中 G?L0=P?L1； L1?L?e 求出平面静水总压力 P=GL0 L1

L0GL1LYePb

图4 静水总压力实验设备简图

四、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，可通过进水开关或放水开关状态，可通过进水开关或放水开关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并记录。

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，排干净，并将砝码放入盒中。实验结束。 五、注意事项

1、加水或放水时，要注意观察杠杆所处的状态。 2、砝码每套专用，测读砝码要看清其所注克数。

六、数据处理及要求

常数： 天平臂距离L0= cm; 扇形体垂直距离L= cm

扇形体宽度b= cm; a= cm;

数据记录表格

压强分布形式 测次 H(cm) 三角形分布 1 2 3 梯形分布 1 2 3 H(cm) H1(cm) 水位读数 H2(cm) 砝码质量 M(g)

计算表格

压强分布 形式 测次 作用点距 作用力距支底部距离 点垂直距离 (cm) e 三角形 分布 1 2 3 梯形 分布 1 2 3 (cm) L1=L-e 实测 力距 (N*cm) 实测静水 总压力 (N) 理论静水总压力 (N) P理 P实/P理 相对值 Mg*Lo p实=Mg*Lo/L1 作用点距离e及理论静水总压力P理计算结果如下：

三角形分布：e1= P1=

e2= P2=

e3= P3=

梯形分布: e1= P1=

e2= P2=

e3= P3=

实验三 文丘里流量计实验

一、实验目的

1.了解文丘里流量计测流量的原理及其简单构造。 2.通过实验测定文丘里流量计系数?。

3.分析实验值?的准确性，并绘出压差与流量的关系曲线。 二、实验设备（见实验装置） 三、实验原理

文丘里流量计是在管道中常用的流量计。它包括收缩段、喉管、扩散段三部分。由于喉管过水断面的收缩，该断面水流动能加大，势能减小，造成收缩段前后断面压强不同而产生的势能差。此势能差可由传感压差计测得。列上述能量方程如下：（不计水头损失）

2?1?12P2?2?2?????2g (1) ?P1根据连续性方程得: ?1?1??2?2?Q (2)

令?1??2?1

解⑴⑵两式可得计算流量的公式如下：

Q??2P?P?2g?12??21?（2） ?1P?P4?2g?12?d241?（）d12?d2 或Q?

P1?P2式中：

? 为两断面测压管水头差，也即测压计内的液面高差Δh

流量计算公式：

Q理?K?h

式中： K??4D2d2D?d442g；

六、结果要求：

1、分别列出突然扩大与突然缩小局部损失计算公式并计算。 2、实测突然扩大阻力系数与理论阻力系数比较。

实验七 流线演示实验

一、

实验目的

1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以观察在不同边界情况下的流线、旋涡等，增强对流体运动特性的认识。

2、应用流动演示仪表演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡衔现象及非自由射流等，增强对这些现象的感性认识。 二、

实验设备与仪器

流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。而通过各种演示设备就可以演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。现以后者为例加以说明。

图1为流动演示仪的示意图。该仪器用有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示出不同边界条件下的多种水流想象，并显示相应的流线。整个仪器由7个单元组成，每个单元都是一套独立的装置，可以单独使用，亦可以同时使用。

图1 流动演示仪

三、 实验步骤

（一）操作程序

接通电源，打开开关。 （二）演示内容

Ⅰ型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装置能十分清晰地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状况及卡门旋涡现象。

1、驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强

沿圆柱周边的变化情况。

2、边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离

点的位置及分离后的回流形态。

3、卡门涡衔：即圆柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边

界层分离，然后不断交替在圆柱下游两侧产生旋转方向旋涡，并流向下游。

Ⅱ型：显示桥墩、机翼绕流的流线。

该桥墩为圆头方尾的绕流体。水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡衔，并可观察水流绕过机翼时的流动状况。

Ⅲ型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板的过流（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

层分离现象而产生明显的旋涡。

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。

Ⅵ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、突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。

3、在直角转弯处，流线弯曲，越靠近弯道内侧，流速越小，由于流道很不

顺畅，回流区范围较广。

实验八 伯努利方程实验

一、实验目的

1、观察流体流经能量方程试验管的能量转化情况，对实验中出现的现象进

行分析，加深对能量方程的理解。

2、掌握一种测量流体流速的方法。

3、验证静压原理。 二、实验装置

实验台包含有稳压水箱、实验管路、毕托管、静压测点、测压管、压差板、控制阀门和计量水箱(见实体实验装置) 三、实验原理

不停运动着的一切物质，所具有的能量也在不停转化。在转化过程中，能量从一种形式转化为另外一种形式，即遵守能量守恒定律。流体的流动遵循伯努里能量方程。即

u2 Z???常数

?2gP式中： Z — 位置水头

u2 — 速度水头 2gP? —压力水头

2u12P2u2Z1???Z2???hw

?2g?2gP1其中能量损失hw是由沿程摩擦损失hf和局部能量损失hj两部分组成。 四、验证原理

1. 验证静压原理：

启动水泵，等水灌满管道后，关闭供水和尾部两端阀门，这时观察能 量

方程实验管上各个测压管的液柱高度相同，这是因为实验管内的水没有流动，也就没有流动损失，因此静水头的连线为一平行于基准线的水平线， 即在静止不可压缩均布重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和保持不变，并

且测点的高度和测点的前后位置无关。

2．验证能量守恒定律

测速：能量方程实验管上的每一组测压管都相当于一个皮托管 ，可测得

管内任一点的流体点速度，本实验台已将测压管开口位置设在能量方程实验管的轴心，故所测得压强为轴心处的，即最大速度。 轴心速度： Vp?2g?h 式中：

?h——任一断面毕托管与静压测点之间压差。

平均流速： V?QA

式中：

A——实验断面截面积；

Q——根据体积法用计量水箱所测流量。

根据以上公式计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速添入表格，可验证出连续性方程。对于不可压缩流体稳定的流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。 五、操作步骤

〔1〕打开供水阀门使水箱溢流后，检查出水阀门关闭后所有测压管水面是否齐平，若不平并加以排气调平。

〔2〕打开出水阀门观察测压管线和总水头线的变化及位置水头，压强水头之间的关系，观察当流量增加或减少时测压管水头变化情况。

〔3〕调节流量最大，最下及中间值3次，待流量稳定后，每次测量并记录不同管径测压管的读数，同时用秒表，小桶重量法测流量。 六、数据记录与处理

常数： 均匀管d1= ; 细管d2= ;粗管d3= A1= ; A2= ;A3=

水箱液面高程= cm 上管道轴线高程= cm

（基准面选在标尺的零点上，表中1-16的读数代表测点编号）

1、实验数据记录：

管径记录表

测定 编号 管径 d(cm) 测点间 距离 (cm)

测定 编号 实 验 次 数 h1 h2 流速水头记录表

次数 液体总量 v (cm3) 时间 实际流量 t Q1 (s) (cm3/s) 管径 cm 2 3 压差 轴心 Δh 速度 (cm) U 平均流速 u h3 o A B C D E F G H 1、2 3、4 5、6 7、8 9、10 11、12 13、14 15、16 各测点读数表

h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 u2 2g1

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