哈工大水力学实验指导书

水力学 实 验 指 导 书 贾敬秋编 哈尔滨工业大学市政环境学院实验中心 二零一零年三月 前  言 水力学实验是水力学课程中一个不可缺少的重要教学环节。水力学实验的教育目的是： 1. 在实验中观察水流现象，增强感性认识，巩固理论知识的学习。 2. 通过量测实验验证所学水力学原理，提高理论的能力。 3. 学会量测水力要素和使用基本仪器的方法，掌握一定的实验技能，了解现代量测技术。 4. 培养分析实验数据、整理实验成果和编写实验报告的能力。 5. 培养严谨踏实的科学作风和融洽合作的共事态度以及爱护国家财产的良好风尚。 本指道书供环境与交通学院使用。 实验一  文丘里流量计校正实验 一、实验目的： 1、掌握文丘里流量计的测量原理； 2、 验证能量方程、连续方程； 3、 率定文丘里流量计的流量系数μ。 二、实验装置: 本实验的装置如图1所示。 图1.文丘里实验装置图 1、 自循环供水器；2、实验台；3、调速器；4、整流板；5、恒压水箱；6、溢流板；7文丘里流量计；8、气阀；9、测压计；10、滑动标尺；11、多管压差计；12、实验调节阀。 图2.文丘里流量计结构图 其中，文丘里流量计的结构如图2所示。1－1断面d1=1.4cm；2－2断面d2=0.75cm。 三、实验原理： 在文丘里流量计上取断面1－1，2－2列能量方程，令α1=α2=1，不计水头损失，可得： (1) 由连续性方程： (2) 得： 代入（1）式，可得流量计算公式如下： 式中 为两断面测压管水头差Δh。 令 ： 并定义为仪器常数。 于是 可以看出，在已知文丘里流量计两断面的内径时，只要测得测压管水头差，即可得到计算流量Q。 但在实际液体中，由于水头损失的存在，实际通过的流量Q0略小于计算流量Q。 令 为流量系数。μ是一小于1的数，用它来对计算流量进行修正，则实际流量的计算公式为： (3) 本实验即通过测量实际流量Q0和计算流量Q确定μ系数的具体数值。其中实际流量Q0用体积法来测定： V为t时间内通过文丘里流量计水的体积。 四、实验方法与步骤： 1. 准备工作：记录仪器常数并算出值。 2. 打开电源开关，全关实验调节阀，检查测压管读数是否相等，不相等时，分析原因，并予以排除。打开实验调节阀，使测压管高度在可读数范围内。 3. 待水流稳定后读取各测压管的液面读数，同时用秒、量筒测定流量。 4. 逐次改变实验调节阀，改变流量6次,重复步骤3。 5. 把测量值记录在实验表格内，计算出平均流量系数μ。 6. 实验结束，检查测压管读数是否相等，不相等时，分析原因，排除后重新实验。 7. 进行成果分析，回答思考。 五、注意事项： 1. 测压管读数在实验开始和结束时应相等。 2. 调节阀门应缓慢，使测压管的液面在滑尺的读数范围内，每次调节后应待水流稳定后再进行测量。 3. 电源一打开时为最大流量，实验时保持最大流量。 4. 流量系数μ应为一小于1并接近于1的数，若误差较大，将其去掉，分析原因。 六、实验数据及成果 见表1。 七、思考题 1. 文丘里流量计在安装时是否必须保持水平，如不水平，上述计算公式是否仍可应用？ 2. 能量方程和连续性方程的应用条件是什么？本实验是否满足这些条件。 实验二  动量定律实验 一、 实验目的 1、验证不可压缩流体恒定流的动量方程 2、通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素相关性的分析研讨、进一步掌握动量守恒原则 二、 实验装置 本实验装置如图1所示。 图1 1、恒压水箱；2、喷嘴；3、承压板；4、测压管；5、溢流板； 三、 实验原理 恒定总流的动量方程为： 取管嘴和承压板之间的水为隔离体，忽略摩擦阻力，以水平方向为x方向，动量方程转化为： 即： 式中： 为测压管高度； 为承压板面积； 为管嘴流量； 为管嘴流速； 为动量修正系数。 实验中，在恒定流动状态下，只要测定流量 和测压管高度 ，根据仪器常数管嘴直径d和承压板直径D即可计算出动量修正系数 。 应在１．０２～１．０５范围内。 四、 实验方法和步骤 1．熟悉实验装置，记录实验仪器常数。 2．调整测压管，使其处于垂直状态。打开电源。 3．待流动稳定后，测定流量 和测压管高度 。每个溢流高度测两组。 4．改变溢流高度，重复3步骤。 5．进行成果分析，回答思考题。 五、 注意事项： 1、 实验必须在流动稳定后进行。 2、 对流量的测量应注意准确。 六、 实验数据及成果 1．仪器常数：                                                                                        ， 2．记录计算表格： No hC V Δt Q vx cm cm3 s   1             2             3             4             5             6                                                       七、 思考题 1、 实测 值是否在１．０２～１．０５范围内，若不在此范围分析原因。 2、 忽略摩擦阻力对实验的结果会有多大影响，试分析之。 实验三  局部阻力实验 一、 实验目的 1. 掌握三点法、四点法量测局部阻力系数的技能； 2. 通过对圆管突扩、突缩局部阻力的测定，验证突扩局部阻力和突缩局部阻力系数的经验公式； 3. 加深对局部阻力的认识。 二、 实验装置 本实验装置如图1示。 图1  局部阻力实验装置 1、自循环供水器；2、实验台；3、调速器；4、整流板；5、溢流板；6、恒压水箱；7突扩实验管段； 8、测压计；9、滑动标尺；10、测压管；11、突缩实验管段；12、实验流量调节阀 实验管段由小、大、小三段已知管径的管道组成，共设有五个测压点，测点1－3用以测量突扩的局部阻力系数，2－5用以测量突缩的局部阻力系数。 三、 实验原理 1． 经验公式： 突扩局部阻力系数： （1） 突扩局部阻力： （2） 突缩局部阻力系数： （3） 突缩局部阻力： （4） 2． 实测原理： 突扩局部阻力： 列1－2断面能量方程： 变换为： （5） (6) 突缩局部阻力： 同理： (7) (8) 四、 实验方法与步骤 1． 记录实验仪器常数。 2． 全关调节阀，打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管段中的滞留气体。待水箱溢流后，检查各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。 3． 打开调节阀11，待水流稳定后，读取各测压管的液面读数，同时用秒表、量筒测定流量。 4． 逐次改变调节阀，改变流量8次重复步骤3。把测量值记录在实验表格内。实验结束，全关调节阀，检查各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。分析原因，排除后重新实验。 5． 进行成果分析，回答思考题。 五、 注意事项： 1. 在实验开始和结束时，必须检查各测压管液面是否齐平，若不平，则需排除测压管内气体，调平后再实验。 2. 实验前，必须将实验管段中的气体排出。 3. 调节阀门应缓慢，每次调节后应待水流稳定后再进行测量。 4. 实验中应使测点均匀分布，即使每次实验Δｈ的数值差尽量接近。 5. 电源一打开时为最大流量，实验时保持最大流量。 六、 实验数据及成果 1． 仪器常数： 2．记录计算表格：见表1。 记录计算表格 表1.   V t s Q 测压管读 cm 断面1 cm 断面2 cm 断面5 cm cm cm cm cm cm cm 1 2 3 4 5 1                                   2                                   3                                   4                                   5                                   6                                   7                                   8                                                                       七、 思考题 1.结合旋涡仪演示的水力现象，分析局部阻力损失的产生机理。 2.结合实验结论，考察在相同条件下（Ａ１／Ａ２相同），突扩与突缩的局部损失的大小。 3.结合旋涡仪演示的水力现象，分析如何减小局部阻力损失。 实验四  管道沿程阻力系数测定实验 一、实验目的 1、 掌握沿程阻力系数的测定技能； 2、 了解紊流时沿程阻力的规律。 二、 实验装置 本实验装置如图1所示。 图1 1、 自循环供水器；2、实验台；3、调速器；4、整流板；5、溢流板；6、恒压水箱； 7、实验管路；8、测压计；9、滑动标尺；10实验流量调节阀 三、实验原理 在实验管段测压管连接的两个断面列1－2断面能量方程： 因为实验管段水平设置，管径沿程不变，所以  ｚ１＝ｚ2  ｖ１＝ｖ2 ｈｗ＝ｈｆ 于是 四、实验方法与步骤 1、 记录实验仪器常数。 2、全关调节阀，打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管段中的滞留气体。待水箱溢流后，检查各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。 3、打开调节阀11，待水流稳定后，读取各测压管的液面读数，同时用秒表、量筒测定流量。 4、逐次改变调节阀，改变流量6次重复步骤3。把测量值记录在实验表格内。实验结束，全关调节阀，检查各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平。分析原因，排除后重新实验。 5、进行成果分析，回答思考题。 五、注意事项： 1、 在实验开始和结束时，必须检查各测压管液面是否齐平，若不平，则需排除测压管内气体，调平后再实验。 2、 实验前，必须将实验管段中的气体排出。 3、 调节阀门应缓慢，每次调节后应待水流稳定后再进行测量。 4、 实验中应使测点均匀分布，即使每次实验Δｈ的数值差尽量接近。 5、 电源一打开时为最大流量，实验时保持最大流量。 6、 六、 实验数据及成果 仪器常数： ｄ＝  9.22  mm  l1-2=  500  mm  No h1 h2 Δh=hf V Δt Q v λ cm cm cm cm3 s cm/s   1                 2                 3                 4                 5                 6                 7                 8                                                                       七、 思考题 1、 分析影响λ值的因素有那些。 2、 分析各次实验λ值不同的原因。 实验五    阀门性能实验 一、实验目的 1、掌握阀门阻力系数的测定技能； 2、学习无量纲分析数据的方法。 二、实验装置 本实验装置如图1所示。 图1 1、自循环供水器；2、实验台；3、调速器；4、整流板；5、溢流板；6、恒压水箱； 7、实验调节阀；8、测压计；9、滑动标尺；10实验流量调节阀 三、实验原理 在实验管段测压管连接的两个断面列2－3断面能量方程： 因为实验管段水平设置，管径沿程不变，所以  ｚ2＝ｚ3  ｖ2＝ｖ3 ｈｗ＝ｈｆ 于是 四、实验方法与步骤