水力学实验指导书

本科教学实验指导书水力学实验

易文敏

编写

李克锋

四川大学水利水电学院

水力学与山区河流开发保护国家重点实验室

水力学实验课的基本任务是：观察分析水流现象，验证所学理论，学会和掌握科学实验的方法和操作技能，培养整理实验资料和编写实验报告的能力。

在进行实验的过程中，要注意培养自己的动手能力和独立工作的能力。使每个实验者有观察现象，进行操作和组织实验的机会，并能独立进行整理分析实验成果，受到实验技能的基本训练。

各项实验分别介绍了每个实验的目的、原理、实验设备、步骤、注意事项，以及可供实验者编写实验报告时参考的表格。要求做好实验后，实验者要独立认真完成一份实验报告，按时交指导教师批阅。

为了使实验者能深入地掌握和巩固有关实验内容，每个实验项目的结尾都列有一定数量的思考题，供实验者进一步深入思考，并要求在实验报告中作出书面回答，随实验报告交指导教师审阅批改。

实验一静水压强

一、 实验目的：

1.

实测容器中的静水压强； 2.

测定X 液体的容重； 3. 通过实验，掌握静水压强的基本方法和了解测压计的应用。

二、 实验设备：

如图所示，1管和2管、3管和4管、5管和6管组成三支U 型管，其中5管和6管组 成的U 型管装X 液体，其余U 型管装水。1管、3管和5管与大气连通，2管、4管和6管 与水箱顶部连通。3管和4管组成的U 型管的底部与水箱的 A 点连通，1管和2管组成的U 型管的底部与水箱的 B 点连通。水箱底部与调压筒连通。

三、实验原理：

利用调压筒的升降来调节水箱内液体表面压强和液体内各点的压强。

1. 根据静水压强基本公式： p=p o + pgh 可得

PA= pg 水(▽ 3- ▽ A )

PB = pg 水(▽ 1

-▽ B ) 2. 由于2、4、6管与水箱顶部连通，所以 2、4、6管液面压强与水箱液面压强相同，于是 可得：

p o = pg 水（▽ 1 -▽ 2）= pg 水（▽ 3八4） = pg X （▽ 5-^6） -三 压

调

压

筒

pg x= pg水或p g x= pg水

3. 若水箱内气体压强P O M p a则p i工p2、p3M p4、p5M p6。

当P o <P a时，则水箱液体表面真空度P k=pg水（▽ 2刀1 ）

用水柱咼来表示为：h k=^ 2- ▽ 1

四、实验步骤：

1. 认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2. 熟悉仪器，记录常数。

3. 第一种状态，

将调压筒放到最底位置，放开水箱顶部的弹簧夹，使水箱内部气压等于大气压，然后夹上弹簧夹，使水箱内部气体与外界大气隔断。

分三次调高调压筒。每次调高后，等到水位稳定后，记录各测压管水位读数。

4. 第二种状况，

将调压筒放到最高位置，放开水箱顶部的弹簧夹，使水箱内部气压等于大气压，然后夹上弹簧夹，使水箱内部气体与外界大气隔断。

分三次调低调压筒。每次调低后，等到水位稳定后，记录各测压管水位读数。记录表格（仅供参考）

计算结果表：（仅供参考）

2. 测读测压管水面高程时应迅速、准确，并一律以自由液面的凹面中心点位置为准。时，要保持眼睛、

观测凹面中心点及刻度尺的刻度三者在同一水平面上，以排除读数误差。

六、思考题：

1. 简述如何测定容器内液体任意点的静水压强。

2. 在什么状态下，U 型管两边的液面在同一水平面上。

3. 在实验中，调压筒的作用是什么？

实验二

能量方程验证实验

一、实验目的： 1.

实测有压输水管路中的数据，绘制管路的测压管水头线和总水头线，

以验证能量方程并

观察测压管水头线沿程随管径变化的情况。 2. 掌握“体积法”测流量的方法。

3. 观察弯道水流压强分布规律。

二、实验设备：

实验装置由实验桌、供水系统、回水系统、量测装置、实验管道等组成。其中实验管道 由直管、手收缩渐变管、扩散渐变管、弯管组成，在管道内安装有微型比托管，并有连通管 与测压管相连接，实验管道壁上开有测压孔，同样有连通管与测压管相连接。

三、实验原理：

1. 在直管、渐变管壁上开的测压孔所测的数值即是测压孔所在位置

断面的测压管水头，即z+卫。将各断面的测压管水头水位沿流向

g

连接起来，即是测压管水头线。

2. 用体积法可测出管道通过的流量，利用连续性方程可计算出各断 面的平均流

速和流速水，将各断面的测压管水头与该断面流速水 头相加，即可得到该断面的总水头。各断面的总水头的连线，即 为总水头线。

3. 微型比托管所测的水头为比托管管嘴所在位置的总水头 量测

水箱 :=_

回水管

水箱

抽水机

水箱

溢流管

供水管

四、实验步骤:

1. 熟悉实验设备后，打开尾阀，接通电源，启动供水系统。

2. 等到供水稳定后，用吸耳球排除测压管中的气体。 关闭尾阀，观察测压管中的水位是否

在

同

一

水

平

面

上

，

判

断

是

否

排

完

气

体

。

水头数据记录表：(仅供参考) 流量测定记录：(仅供参考)

有关常数：量测水箱水平面积

A=145cm 2

计算结果表：(仅供参考)

1.流量不要太大，以免有些测压管水位过低，影响读数，甚至引起管道吸进空气，影响实

2.

验。

一定要在水流恒定后才能量测。

3. 实验结束后，一定要关闭电源，拔掉电源插头。

4. 流速较大时，测压管水位有波动，读数时要读取时均值。

5. 实验时一定要注意安全用电。

六、思考题

1. 计算1断面和5断面比托管所测点流速。

2. 绘制测压管水头线和总水头线。

3. 比较比托管所测总水头和用平均流速计算出的总水头之间的大小。

4. 分析水流在直道和弯道处的测压管水头在各部位的大小情况。

实验三文丘里实验

一、实验目的：

1. 测定文丘里管流量系数卩值。

2. 绘制文丘里管的流量Q与压差计压差△ h之间的关系曲线。

3. 学习、了解自动量测系统的使用方法。

二、实验设备：

尾阀

实验装置由实验桌、供水系统、回水系统、文丘里管等组成，其中文丘里管由收缩段、喉管和扩散段组成。在收缩段和喉管上开有测压孔，并与测压管连通。实验装置另外配备有自动

测压和流量自动量测系统。

三、实验原理：

首先列出1断面和2断面的能量方程式，并设a i~ 1,a 2- 1,且不考虑两断面之间的水头损失，则有：

2 2

2L +V L =^+生（1）

g 2g g 2g

代入（1）式得：

P l P2

= v2 [（也）2-1] g 2g A2

2g P i P2

[（A1）2i] g

A

2

C T=G h

C T为文丘里的理论常数。由于实际液体在运动中存在水头损失，故实际通过的流量Q

与理论流量Q T有误差，所以把Q/Q T叫做文丘里管流量系数，用卩表示：

四、实验步骤：

1. 熟悉实验指导书，了解实验目的、原理和设备结构。

2. 打开尾阀，接通水泵电源，给水箱供水。

3. 关闭尾阀，排除管道和测压管中的气体，直到测压管的水位读数相等。

4. 打开尾阀，使管道通过较大流量，且测压管的水位均能读数。等到水流稳定后，开始测定测压管水位和流量，并

记录。

5. 控制尾阀，减小流量，使测压管水位差减小4cm左右，等到水流稳定后，继续测定。

6. 测次大于6次后，且压差分布均匀，实验可以结束。

7. 关闭电源。

流量数据记录表：（仅供参考）

2测次量测水箱

时间s 流量Q

cm3/s

测压管水头

初咼cm 终高

cm

净高

cm

体积

cm3h1（cm）h2（cm）

1 2 3 4 5 6

iA=vA 2=V l

A2

理论流量: Q T=A i V i=A i

2g

<2）2

1]

P i P2

g

计算结果表：（仅供参考）

文丘里管断面直径、面积: d i= 1.9 cm d 2= 1 cm A cm 1 2 3 A 2= cm 2

五、注意事项：

1. 在实验中，一定要注意用电安全。

2. 在操作过程中，动作不要过大、过猛，以免损坏仪器。

3. 使用自动量测系统时，一定要按老师要求进行操作。

六、思考题：

实验四孔口与管嘴出流实验

一、实验目的：

1. 观察典型孔口及管嘴出流时的流动现象及园柱形管嘴的局部真空。

2. 测定孔口及管嘴出流时的流量系数卩值。

二、实验设备：

实验装置由供水系统、恒定水头水箱、回水系统和量测系统组成。在恒定水头水箱的侧壁上安装管嘴（或开有孔口）。另外配有秒表一字只。

三、实验原理：

孔口（管嘴）出流的计算公式:

Q=A c Xv= £A 2gH =3 A. 2gH

_ Q

3 = _______

A、2gH

式中为孔口出流时收缩断面处的平均流速，H为孔口中心线上的水头，Q为流量，A c 为收缩断面的面积。

四、实验步骤：

1. 接通电源，开启水泵，给水箱供水。

2. 等到水位稳定后，逐个开通孔口（管嘴），认真观察出流现象，并测量水头及流量。园柱

管嘴出流时，测量其收缩断面处的真空度。

量测水箱水平面积A= 100cm 2

1. 接通、关闭电源时要注意安全。

2. 实验时，动作要轻，不能用力过猛，以免损坏仪器。

六、思考题：

1.比较各孔口及管嘴的流量系数大小，并说明原因。

实验五动量方程实验

一、实验目的：

实测射流对平板或曲板的作用力，并验证恒定流动量方程式。

二、实验设备：

实验装置如图所示，由实验桌、有压供水系统、喷流装置、天平、流量量测装置和回水系统组成。

天平

测量水

箱阀门

三、实验原理：

恒定总流的动量方程为：

刀F= p Q（3 2V2X- 3 i V lx）

水流从喷嘴中，以速度射向平面（或曲面），当水流被阻挡以后，对称分开，若不考虑

摩擦力的作用，水流将以同样大小的速度离开平面（或曲面），即V1和V2的大小相等，但方向不同。射流情况如图所示：

2

V 1,其关系是:

根据以上情况可得动量方程:

R=p Q （v 1 -V 2C0S a ）

由于 P =— , v i =v 2= v 2 2gz 并设 B 2=1.3 1=1,可得:

g R= —Q. v 2

g

2gz (1-cOS a )( a 为流入方向与流出方向的夹角 ） Q V=

A (A 为喷嘴口断面面积）

四、实验步骤： 1.

认真阅读实验目的、原理和注意事项。 2.

熟悉实验设备构造。 3.

调平天平。关闭流量调节阀。 4.

接通电源，打开水泵。稍等片刻后，调节调压阀，排除压力水箱中的气体， 并将水压调。 5.

用定位件固定天平，在天平 A 端加上砝码。 6.

缓慢打开流量调节阀。调整流量大小，使天平平衡，稍等片刻后测定流量。 7.

增加砝码，再次测量。 8. 关闭流量调节阀，关闭电源，结束实验。 数据记录表：（仅供参考）

喷嘴口直径d= 0.8cm 喷嘴口面积 A= ___________ c m 2 喷嘴口距平（曲）面板距离z= cm 测量水箱水平面积 S = 200 c m 2

度

当水流以流速v 从喷嘴口射出，经过一个射流高度 z 到达平面（或曲面）后，其流速将变为

2 2 V

V 1 =_L +Z 2g 2g

即 v 1= . v 2 2gz

五、注意事项:

1.

在开水泵前，一定要关闭流量控制阀，以免损坏天平。 2.

控制流量时，一定要缓慢。 3.

实验做完后，要先关流量控制阀，再关水泵。 4. 实验时一定要注意用电安全。

六、思考题：

1.

为什么控制流量时，一定要缓慢 ？ 2. 比较实测作用力与计算作用力的大小，分析其原因。

实验六雷诺实验

一、 实验目的：

1.

观察水流的流态，即层流和紊流现象。 2. 测定临界雷诺数。

二、 实验设备：

实验装置如图所示，由实验桌、供水系统、实验管道、流量量测系统、流线指示装置和 回水系统组成。

、实验原理:

实际液体有两种不同的运动型态，即层流和紊流。

当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。

当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫 做紊流。

水流的型态由其流动时的雷诺数决定，

尾阀

雷诺数R e = 一

式中，v —管中平均流速，d —管径，u —运动粘滞系数。

R e <2000为层流 R e >2000为紊流

四、实验步骤：

1. 熟悉实验指示书。

2. 接通电源，开启水泵给水箱供水。

3. 到水箱里的水开始溢流后，轻轻打开尾阀，使管道通过小流量，再打开指示剂开关，使 颜色水流入管道。

4. 反复缓慢增大（或减小）流量，仔细观察层流和紊流现象。

5. 从大到小（或从小到大）缓慢调整流量，在临界流速时（即流态开始转换时） ，测定其

雷诺数。

6.

实验完毕后，先关闭指示剂开关，然后关闭水泵，拔掉电源。

实验记录表：（仅供参考） 管径d= cm

水温T= C

2

五、注意事项:

1. 调整流量时，一定要慢，且要单方向调整（即从大到小或从小到大） ，不能忽大忽小。

2. 指示剂开关的开度要适当，不要过大或过小。

3. 判断临界流速时，一定要准确。

4. 不要震动水箱、水管，以免干扰水流。

5.

实验时一定要注意用电安全。

六、思考题

1. 为什么调整流量时，一定要慢，且要单方向调整。

2. 要提高实验精度，应该注意哪些问题?

_ 0.01775

u

- 2 （T

1 0.0337T

0.00022T 2

据前人实验资料得知，下临界雷诺数比较稳定,

5000~20000之间。因此一般认为：

水温）

R e =2000。而上临界雷诺数变化很大，约在

实验七管流沿程阻力实验

实验目的:

1. 测定有压管流沿程水头损失及沿程阻力系数入值。

2. 绘制lgh f --------------- l gv和IgR e ----------------- lg入关系曲线，确定h f=Kv n中的n值。

二、实验设备：

实验设备如图所示：实验装置由实验桌、供水系统、实验管道、流量量测水箱和回水管组成。其中在实验管道上开有两个测压孔，并安装有测压管，测压孔的距离为L。

、实验原理：

列出1、2断面的能量方程：

2 2

P l V i P2 V2 .

z i+ + = Z2+ + +h f

g 2g g 2g

由于管道直径不变，所以两断面流速水头相等，于是有:

h f=( z 1 + -^)- ( Z2+ -P2) =△ h

g g

即1、2两断面间的沿程水头损失等于两断面间的测压管水头差。

根据达西公式

V2L

h f=入-

2gd

于是入=2gd h f=2gd △ h

V2L V2L

式中，入一管道沿程阻力系数，d—实验管管径，h f―― 1、2两断面间的沿程水头损失，

L―― 1、2两断面间的距离，v—管中平均流速，g—重力加速度。

用体积法测定管道通过的流量Q由于管径已知，所以求得平均流速V。由此可以计算

出沿程阻力系数入。

水流在不同的流区及不同的流态下，其沿程水头损失与断面平均流速的关系是不同的。

在层流状态下，沿程水头损失与断面平均流速成正比；在紊流状态下，沿程水头损失与断面

的平均流速的1.75~2次方成正比。

四、实验步骤：

1. 认真阅读实验指示书，熟悉实验目的和要求。

2. 熟悉实验装置的结构。

3. 接通电源，开启水泵给水箱供水，打开尾阀。

4. 等到水开始溢流后，排除测压管中的气体。在关闭尾阀的条件下，检查两根测压管的液位是否在同一平面上，

从而判断气体是否排完。

5. 把尾阀开到最大，这时实验管道通过的流量最大，测压管的液位差最大 (即压差最大)。

水流稳定后，开始测量流量和压差，并记录。

6. 减小尾阀的开度，减小实验流量，压差的减小量控制在4cm左右(即压差比上次减小

2cm).水流稳定后，再开始测量水温、流量和压差，并记录。

7. 重复实验，每次压差下降要均匀，直到流量为0.检查数据无误后，关闭电源，结束实验.

数据记录表：(仅供参考)管径d=_cm 实验段长度L = 70_cm 水温T= ______________________ C

2

注：初咼i、终咼2是指测量水箱里的水位。

五、注意事项：

1. 实验操作时，动作一定要轻，不要用力过猛，以免损坏仪器。

2. 压差下降要均匀，便于绘制曲线，提高实验精度。

3. 水位波动时，读取时均值。

4. 整理资料时，一定要注意单位的统一。

5. 实验时一定要注意用电安全。

六、思考题：

1. 分析最大流量和最小流量的流态及流区。

2. 为什么调整流量时，压差下降要均匀。

3. 绘制loghf-logv 和logRe-log 入曲线。

实验八管流局部阻力实验

一、实验目的：

1. 测定圆管突然扩大的局部水头损失，掌握管流局部水头损失的测定方法。

2. 验证圆管突然扩大、突然缩小局部水头损失的理论公式。

3. 绘制测压管水头曲线。

二、实验设备：

实验装置由实验桌、供水系统、实验管道、测压管、流量量测水箱和回水系统等组成。其中实验管道由细管到粗管的突然扩大部分、粗管到细管的突然缩小部分和弯道部分组成。

三、实验原理:

在实际管流中，由于管径的变化或结构局部的突变，使流动结构从新调整，并产生旋涡, 使能量产生损失。如管道直径的突然扩大或缩小、急弯、岔口等情况。

由能量方程可知，管流突然扩大的局部水头损失即是图中i―― i断面到2――2断面的水头损失，

2

h j 实=(z i+R + i V^)-(z 2+b +

实g 2g g

2g

式中a a取i,测压管水头（z i+R）、（Z2+

g

2话

ZZ则根据体积法所测流量Q和管径d i和d2算出流速2g

管流突然扩大局部水头损失的理论公式:

2

经验公式h j=Z V2-

2g

Z0.5(1-—)

A i V I、V2从而得到。

2g

2⑴纠2p-(

A2 d i

d2

2

2 2 V i

)]—

2g

由能量方程可知，管道突然缩小的局部水头损失即是图中i ―― i断面到2――2断面的能量损失

2 2

h j实》十却Z2诗,

式中aa取i，测压管水头（Z i+卫匚）、(Z 2+理

g

在测压管中读取，流速水头

2

i V i

2g

2

—则根据体积

2g

法所测流量Q和管径d i、得到。d2计算出流速V I、V2后，从而

i V i

P2）从测压管中直接读取。流速水头

g

2g)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ucn4.html