《水力学》课程实验教学指导书（共十五个实验）

《水力学》实验指导书编者：水力学课成组二00九年四月1

1 《 水 力 学 》实验 指导书 编者：水力学课成组 二 OO 九年四月

绪言一、实验的意义和目的：水力学是一门技术科学，它是力学的一个分支，水力学是以水为主要研究对象。依据水力学的特点，水力学实验就更有它的重要性。我们知道水力学问题，是个错综复杂的问题，它的复杂性就在于影响它的因素很多。不只是由理论分析所能解决。有不少水力学公式都是通过实验而总结出来的。在某些场合，实验就成为解决问题的主要途径。因此水力学实验，无论对从事理论研究或对解决生产实际问题都具有极其重要的意义。水力学教学实验的目的主要有以下几个方面：1、观察流动现象，扩大感性认识，提高理论分析的能力。2、验证力学原理，测定经验系数值，以巩固所学的理论知识。3、学会使用实验室的基本量测仪器，掌握一定的实验技能。4、培养分析实验数据、整理实验成果及编写实验报告的能力。5、培养严谨踏实的科学作风以及爱护国家财产的良好品德。二、学生实验守则：1、实验前必须认真进行预习预习时应仔细阅读实验指导书及有关的教材资料，明确实验的目的、要求和相关的实验原理，了解操作步骤和有关的仪器设备，做到心中有数，并列绘出实验需要的表格。2、严肃认真进行实验到实验室后必须保持安静，不得谈笑喧哗，不准吸烟，不准乱动与本实验无关的设备。实验前应先组成小组，由小组长负责召集本组同学讨论试验步骤及量测项目，并进行分工轮换，以便有条不紊和协调一致地进行实验。实验时应按指导书的要求，全神贯注地按步骤进行操作，并注意多观察水流现象，多思考分析问题，及时记录实验原始数据。3、保持良好的科学作风实验时，应尊重原始实验数据，不得任意更改。实验后，应进行必要的检查和补充，经指导教师同意后，方能离开实验室。实验课程完成后，应及时整理实验数据，绘制所要求的关系曲线和认真编写实验报告，按时上交批改。4、遵守规章制度，爱护国家财产实验时必须遵守实验室各项规章制度，服从教师和实验人员的指导，严格遵守操作规程，如发生事故或损坏设备，应立即向指导教师和实验人员报告，查清责任，按学校有关规定赔2

2 绪 言 一、实验的意义和目的： 水力学是一门技术科学，它是力学的一个分支，水力学是以水为主要研究对象。 依据水力学的特点，水力学实验就更有它的重要性。我们知道水力学问题，是个错综复 杂的问题，它的复杂性就在于影响它的因素很多。不只是由理论分析所能解决。有不少水力 学公式都是通过实验而总结出来的。在某些场合，实验就成为解决问题的主要途径。因此， 水力学实验，无论对从事理论研究或对解决生产实际问题都具有极其重要的意义。 水力学教学实验的目的主要有以下几个方面： 1、观察流动现象，扩大感性认识，提高理论分析的能力。 2、验证力学原理，测定经验系数值，以巩固所学的理论知识。 3、学会使用实验室的基本量测仪器，掌握一定的实验技能。 4、培养分析实验数据、整理实验成果及编写实验报告的能力。 5、培养严谨踏实的科学作风以及爱护国家财产的良好品德。 二、学生实验守则： 1、实验前必须认真进行预习 预习时应仔细阅读实验指导书及有关的教材资料，明确实验的目的、要求和相关的实验 原理，了解操作步骤和有关的仪器设备，做到心中有数，并列绘出实验需要的表格。 2、严肃认真进行实验 到实验室后必须保持安静，不得谈笑喧哗，不准吸烟，不准乱动与本实验无关的设备。 实验前应先组成小组，由小组长负责召集本组同学讨论试验步骤及量测项目，并进行分工轮 换，以便有条不紊和协调一致地进行实验。实验时应按指导书的要求，全神贯注地按步骤进 行操作，并注意多观察水流现象，多思考分析问题，及时记录实验原始数据。 3、保持良好的科学作风 实验时，应尊重原始实验数据，不得任意更改。实验后，应进行必要的检查和补充，经 指导教师同意后，方能离开实验室。实验课程完成后，应及时整理实验数据，绘制所要求的 关系曲线和认真编写实验报告，按时上交批改。 4、遵守规章制度，爱护国家财产 实验时必须遵守实验室各项规章制度，服从教师和实验人员的指导，严格遵守操作规程， 如发生事故或损坏设备，应立即向指导教师和实验人员报告，查清责任，按学校有关规定赔

偿和处理。实验中特别注意人身和仪器设备的安全，尽量保持场地的整洁卫生，实验完毕后必须将场地打扫干净，仪器设备按原状整理好。切勿往水中扔脏物废纸，以保持循环水流的清洁。三、水力学实验报告的撰写要求：1、实验报告一般应包括以下内容：（1）实验的目的和要求；（2）实验设备简图：（3）水流现象描述及实验原始记录：（4）实验成果的整理计算和按要求绘制关系曲线图：（5）分析讨论回答思考题并提出结论和问题：2、按上述内容要求认真编写实验报告。实验指导书上所写的原理，仪器设备说明及注意事项不必重新抄写。3、实验报告必须每人独立完成一份，并按时上交。报告书一律用16开纸书写，要求文字通顺，字迹清楚，表格曲线必须应用相应的工具绘制，实验曲线应画在方格纸或对数纸上。4、实验报告经教师批改发回后，应认真阅读及时改正。不合格的需要重写实验报告或重作实验。实验报告应妥为保管，学期结束时按需要集中整理上交，以备进行考3

3 偿和处理。实验中特别注意人身和仪器设备的安全，尽量保持场地的整洁卫生，实验完毕后 必须将场地打扫干净，仪器设备按原状整理好。切勿往水中扔脏物废纸，以保持循环水流的 清洁。 三、水力学实验报告的撰写要求： 1、实验报告一般应包括以下内容： （1）实验的目的和要求； （2）实验设备简图； （3）水流现象描述及实验原始记录； （4）实验成果的整理计算和按要求绘制关系曲线图； （5）分析讨论回答思考题并提出结论和问题； 2、按上述内容要求认真编写实验报告。实验指导书上所写的原理，仪器设备说明及注意 事项不必重新抄写。 3、实验报告必须每人独立完成一份，并按时上交。报告书一律用 16 开纸书写，要求文 字通顺，字迹清楚，表格曲线必须应用相应的工具绘制，实验曲线应画在方格纸或对数纸上。 4、实验报告经教师批改发回后，应认真阅读及时改正。不合格的需要重写实验报告或重作实 验。实验报告应妥为保管，学期结束时按需要集中整理上交，以备进行考

目录（一）水静力学实验16（二）能量方程（伯诺里方程）实验10（三）动量定律实验14（四）毕托管测速实验17（五）雷诺实验19（六）文丘里流量计实验22（七）沿程水头损失实验27（八）局部水头损失实验30（九）孔口与管嘴出流实验33（十）水面曲线实验37（十一）堰流实验43（十二）水跃实验47（十三）消能池实验51(十四)消能坎(墙）实验55（十五）挑流消能实验4

4 目 录 （一）水静力学实验 . 1 （二）能量方程（伯诺里方程）实验 . 6 （三）动量定律实验 . 10 （四）毕托管测速实验 . 14 （五）雷诺实验 . 17 （六）文丘里流量计实验 . 19 （七）沿程水头损失实验 . 22 （八）局部水头损失实验 . 27 （九）孔口与管嘴出流实验 . 30 （十）水面曲线实验 . 33 （十一）堰流实验 . 37 （十二）水跃实验 . 43 （十三）消能池实验 . 47 （十四）消能坎（墙）实验 . 51 （十五）挑流消能实验 . 55

（一）水静力学实验一、实验目的要求1、掌握用测压管测量静水压强的技能；2、验证不可压缩水静力学基本方程；3、通过对诸多水静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际问题的能力。二、实验装置本实验的装置如图1.1图示?图1.1水静力学实验装置图1.测压管；2.带标尺测压管：3.连通管：4.真空测压管；5.U型测压管：6.通气阀：7.加压打气球：8.截止阀，9.油柱；10.水柱，11.减压放水阀。说明1、所有测管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；2、仪器铭牌所注V、Vc、V.系测点B、C、D标高：若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准，则VVc、V,亦为Z、Zc、Zp;3、本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。三、实验原理1、在重力作用下不可压缩水静力学基本方程=+P = constY5

5 （一）水静力学实验 一、实验目的要求 1、掌握用测压管测量静水压强的技能； 2、验证不可压缩水静力学基本方程； 3、通过对诸多水静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际问题的能力。 二、实验装置 本实验的装置如图 1.1 图示 图 1.1 水静力学实验装置图 1.测压管; 2.带标尺测压管; 3.连通管; 4.真空测压管; 5.U 型测压管; 6.通气阀; 7.加压打气球; 8.截止阀; 9.油柱; 10.水柱; 11.减压放水阀。 说明 1、所有测管液面标高均以标尺（测压管 2）零读数为基准； 2、仪器铭牌所注 B、C、 D 系测点 B、C、D 标高；若同时取标尺零点作为静力学 基本方程的基准，则 B、C、 D 亦为 Z B、ZC、Z D ； 3、本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。 三、实验原理 1、在重力作用下不可压缩水静力学基本方程 const p z + = 

或(1.1)p=po+m式中：一被测点在基准面以上的位置高度；p——被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同；一水箱中液面的表面压强：po——液体容量；h一被测点液体深度。另对装有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面可得油的比重S。有下列关系：h,So=Ko_(1.2)h, +h,YoIDe图（1.2)图1.3据此可用仪器（不用另外尺）直接测得S。。四、实验方法与步骤1、搞清仪器组成及其用法。包括：1）各阀门的开关：2）加压方法关闭所有阀门（包括截止阀）。然后用打气球充气。3）减压方法开启筒底阀11放水：*该式推导如下：当U型管中水面与油水面齐平（图1.2），取其顶面为等压面，有Poi=rwhi=r.H(1.a)另当U型管中水面和油面齐平（图1.3），取其油水界面为等压面，则有又是Po2=-rwh2=roH-rwH(1.b)Po2+rwH=roH由(1.a)、(1.b)两式联解可得：H=hi+h2代入式(1.a)得：hYo(1.c)h,+h?ry6

6 或 p = p0 + h (1.1) 式中： z ——被测点在基准面以上的位置高度； p——被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同； p0——水箱中液面的表面压强；  ——液体容量； h——被测点液体深度。 另对装有水油（图 1.2 及图 1.3） U 型测管，应用等压面可得油的比重 0 S 有下列关系： 1 2 0 1 0 h h h S + = =    （1.2） 图（1.2） 图 1.3 据此可用仪器（不用另外尺）直接测得 0 S 。 四、实验方法与步骤 1、搞清仪器组成及其用法。包括： 1）各阀门的开关； 2）加压方法 关闭所有阀门（包括截止阀）。然后用打气球充气。 3）减压方法 开启筒底阀 11 放水； *该式推导如下： 当 U 型管中水面与油水面齐平（图 1.2），取其顶面为等压面，有 PO1=rWh1=roH (1.a) 另当 U 型管中水面和油面齐平（图 1.3），取其油水界面为等压面，则有 P02+rwH=r0H 又是 P02=-rwh2=roH-rwH (1.b) 由(1.a)、 (1.b)两式联解可得： H=h1+h2 代入式(1.a)得： 1 2 0 1 h h h rw + =  (1.c)

表 1.1液体静压强测量记录及计算表单位：cm压强水头测压管水头+水箱液面√。PL=Vu-VoP=Vu-VePc=Vu-Ve20+/实验条件次序测压管液面PD=VA-VDr1rrrTPa=0112Po>03Po02且U型管中水面与油水交界面齐平3SrF'N/cm?1roFPe-02且U型管中水面与油面齐平37

7 表 1.1 液体静压强测量记录及计算表 单位：cm 实验条件 次序 水箱液面 0 测压管液面 H 压强水头 测压管水头 = H − 0 A r P H B B r P =  −  H C C r P =  −  H D D r P =  −  r P Z C C + r P Z D D + P0=0 1 P0>0 1 2 3 P00 且 U 型管中水面与 油水交界面齐平 1 S0= r0= 3N/cm3 2 3 P0<0 且 U 型管中水面 与油面齐平 1 2 3

4）检查仪器是否密封加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。2、记录仪器号No.及各常数（记入表1.1)。3、量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。1)打开通气阀6（此时P=0），记录水箱液面标高V。和测管2液面标高V(此时V。=V);2)关闭通气阀6及截止阀8，加压使之形成P>0，测记V。及Vn；3)打开放水阀11,使之形成P0），微调放气螺母使U形管中水面与油水交界面齐平（图1.2），测记V。及√H（此过程反复进行3次）；3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（P。<0），使U形管中的水面与油面齐平（图1.3），测记V。及√H（此过程亦反复进行3次）。五、实验成果及要求：1、记录有关常数。实验装置台号NO.各测点的标尺读数为：N Icm3VB=cm,V=cm,Vp=cm,。=2、分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，并选择一基准检验同一静止液体的CD的是否为常数。任意二点C、1Z+N /cm33、求出油的容量。Yo=4、测出4#测压管插入小水杯水中深度。△h4=cm.8

8 4）检查仪器是否密封 加压后检查测管 1、2、5 液面高程是否恒定。若下降，表明漏 气，应查明原因并加以处理。 2、记录仪器号 No.及各常数（记入表 1.1）。 3、量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。 1) 打开 通气阀 6（ 此时 p0 = 0 ）， 记录 水箱 液面 标高 0 和测管 2 液 面标高 ( ) H 此时0 = H ； 2)关闭通气阀 6 及截止阀 8，加压使之形成 P0  0 ，测记 0 及 H ； 3)打开放水阀 11,使之形成 P0  0 (要求其中一次  0  pB ,即 H  B ),测记 0 及 H 。 4、测出 4 #测压管插入小水杯中的深度。 5、测定油比重 0 S 。 1）开启通气阀 6，测记 0 ； 2）关闭通气阀 6，打气加压（ P0  0 ），微调放气螺母使 U 形管中水面与油水交界面齐 平（图 1.2），测记 0 及 H （此过程反复进行 3 次）； 3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀 11 降压（ 0 p0  ）， 使 U 形管中的水面与油面齐平（图 1.3），测记 0 及 H （此过程亦反复进行 3 次）。 五、实验成果及要求： 1、记录有关常数。 实验装置台号 NO. 各测点的标尺读数为： B = cm， C = cm ，D = cm， 3   = N / cm 。 2、分别求出各次测量时， A、B、C、D 点的压强，并选择一基准检验同一静止液体的 任意二点 C、D 的         +  p z 是否为常数。 3、求出油的容量。 3 0  = N / cm 4、测出 4#测压管插入小水杯水中深度。 △h4= cm

六、实验分析与讨论1、同一静止液体内的测管水头线是根什么线？2、当Ps<0时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。3、若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定0°4、如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？5、过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？★6、用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？☆7、该仪器在加气增压后，水箱液面将下降S而测压管液面将升高H，实验时，若以P。=0时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强(H+)与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm，箱体内径为20cm。O

9 六、实验分析与讨论 1、同一静止液体内的测管水头线是根什么线？ 2、当 PB  0 时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。 3、若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定 0  。 4、如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？ 5、过 C 点作一水平面，相对管 1、2、5 及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？ 哪一部分液体是同一等压面？ ☆6、用图 1.1 装置能演示变液位下的恒定流实验吗？ ☆7、该仪器在加气增压后，水箱液面将下降  而测压管液面将升高 H ，实验时，若以 p0 = 0 时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强 (H + ) 与视在压强 H 的 相对误差值。本仪器测压管内径为 0.8cm ，箱体内径为 20cm

（二）能量方程（伯诺里方程）实验一、实验目的要求1、验证液体恒定总流的能量方程2、通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性；3、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。二、实验装置本实验的装置如图2.1所示。101112a图2.1自循环伯诺里方程实验装置图1、自循环水供水器：2、实验台：3、可控硅无级调速器：4、溢流板：5、稳水孔板：6、恒压水箱：7、测压计：8、滑动测量尺：9、测压管：10、实验管道：11、测压点：12、毕托管：13、实验流量调节阀。说明本仪器测压管有两种：1、毕托管测压管（表2.1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头H(=Z+P+))，须注意一般情况下H"与断面总水头H(=++%）不同（因一般2g2gLu≠U），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势：2、普通测压管（表2.1未标*者），用以定量量测测压管水头。10

10 （二）能量方程（伯诺里方程）实验 一、实验目的要求 1、验证液体恒定总流的能量方程； 2、通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能 量转换特性； 3、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。 二、实验装置 本实验的装置如图 2.1 所示。 图 2.1 自循环伯诺里方程实验装置图 1、自循环水供水器；2、实验台； 3、可控硅无级调速器； 4、溢流板； 5、稳水孔板；6、恒压水箱； 7、测压计； 8、滑动测量尺；9、测压管；10、实验管道；11、测压点；12、毕托管；13、实验流量调节阀。 说 明 本仪器测压管有两种： 1、毕托管测压管（表 2.1 中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头 ) 2 ( 2 g p u H  = Z + +  ，须注意一般情况下 H  与断面总水头 ) 2 ( 2 g p H z   = + + 不同（因一般 u   ），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势； 2、普通测压管（表 2.1 未标*者），用以定量量测测压管水头