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。
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：
g
v g p z g v g p z 222
2
222111+
ρ+=+ρ+ (1)
由连续性方程：
2211A v A v =
(2)
得：22
11211
2)(d d v A A v v == 代入（1）式，可得流量计算公式如下：
??????ρ+-ρ+?-π=
)()(21
)(4221142
12
1
g p z g p z g d d d Q
式中)()(2211g
p
z g p z ρρ+-+
为两断面测压管水头差Δh 。 令
：2
K π
=
于是h k Q ?=
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Q 0略小于计算流量Q 。 令Q
Q 0
=
μ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： Q Q μ=0 (3)
本实验即通过测量实际流量Q 0和计算流量Q 确定μ系数的具体数值。其中实际流量Q 0用体积法来测定：t
V
Q =
0 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，同时用秒表、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，回答思考题。
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所示。
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：
2
2
1)1(A A -'＝ｅ
ζ （1） 突扩局部阻力：
g
v
h e je
22
1'='
ζ （2）
突缩局部阻力系数：
)1(5.03
5
A A s -
='ζ （3） 突缩局部阻力：
g
v h s
js
225
'='
ζ （4） 2．实测原理： 突扩局部阻力：
列1－2断面能量方程：
je f h h g
v g p z g v g p z ++++=++212
2
22211122－αραρ
变换为：
]2)[(]2)[(212
2
222111－f je h g
v g p z g v g p z h +++-++=αραρ （5）
323221h h h h f f -=-＝－
g
v
h je e 22
1
=
ζ (6)
突缩局部阻力： 同理：
]2)[(]2)[(42
4
4432333--+++--++=fB B f js h g
v g p z h g v g p z h αραρ (7)
g
v
h js s 225
=
ζ (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：
mm D d 92.911== mm D d d 1.19232=== mm D d d 92.9354=== mm l 20021=-
mm l 20032=- mm l B 1003=- mm l B 1004=- mm l 10054=-
________
)1(2
2
1=-
='A A e ζ _______)1(5.03
5
=-
='A A s ζ 2．记录计算表格： 见表1。
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。
实验三 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
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：
ｗh g
v g p z g v g p z +α+ρ+=α+ρ+222
2
222111
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
h g
p g p h f ?=ρ-ρ=
2
1
g
v d l h f 22
λ=
2
2v
g
l d h
?=λ
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。
六、 实验数据及成果
仪器常数：
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。
实验四 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
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：
ｗh g
v g p z g v g p z +α+ρ+=α+ρ+222
2
222111
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
212－h h f ?= f h h h -?=-32ｍ
2
2/
v g h m =ζ
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、实验的第一组数据应将实验阀门调至较小，实验流量调节阀门调至较小，使测压管3能读到数据。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、逐次开大实验阀门，流量调节阀门不变，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，全关流量调节阀，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、实验的第一组数据应将实验阀门调至较小，实验流量调节阀门调至较小，使测压管3能读到数据。然后，逐渐开大实验阀门。
六、实验数据及成果
1、仪器常数：
七、思考题
１、同一开度下，不同流量时ζ是定值还是变值。
２、不同开度下，同一流量时ζ是定值还是变值。为什么？
八、绘图
在坐标纸上绘出Q/Qｍａｘ－ζ图。
实验五宽顶堰实验
一、实验目的
1．测定宽顶堰的流量系数m。
2．观察宽顶堰的流动状态和水跌的流动现象。
二、实验装置
本实验装置如图1所示。
图1
1、变坡水槽；
2、宽顶堰；
3、液位计；
4、变坡千斤顶；
5、尾门；
6、循环水泵；
7、流量调节阀
三、 实验原理
自由式无侧收缩宽顶堰流量为：
23
02H g mb Q =
式中：Q 为宽顶堰上流量； m 为流量系数； b 为堰宽；
0H 为包括流速水头的堰上水头。
其中：g
v H H 22
0α+=
所以：
5
.10
2H g b Q m =
别列津斯基根据实验提出经验公式：
0.30≤≤H
p 时 H
p H p m 75
.046.0301.032.0+-
+=
H
p
>3.0时 32.0=m 上式中：p 为堰的坎高。
四、 实验方法和步骤
1． 测定堰的坎高p ，堰宽b ，底坡高度0h 等仪器常数。熟悉仪器结构。
2． 开动水泵电机，打开进水阀门，调节尾门，使其为自由式宽顶堰，调节、观察水面曲线形状。 3． 用高度尺测量堰上游水深，用量杯、秒表测水体积、时间，记入记录表内。 4． 改变流量，重复步3骤四次。
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。
3．液位计应位于堰口5H以上上游处。
4．测针应与液面刚刚接触为测量点。
六、实验数据及成果
1．仪器常数：
h mm，p= mm
b mm，=
=
七、分析思考题
1．实际测量所得的m与别列津斯基根据实验提出经验公式的计算结果是否相符。若误差较大，试分析之。
实验六三角堰流量计的标定实验
一、实验目的
1．标定三角堰的流量系数A和B。
2．观察三角堰的流动状态。
二、实验装置
本实验装置如图1所示。
图1
1、变坡水槽；
2、三角堰；
3、液位计；
4、变坡千斤顶；
5、尾门；
6、循环水泵；
7、流量调节阀
三、实验原理
当θ=90o，H=0.05~0.55时，自由式无侧收缩三角堰流量的经验公式为：
.2
47
Q=
.1H
343
m3计。
式中Q为流量，单位以s
H为自堰口顶点算起的堰上水头，单位以m计。
但是由于制作过程中三角堰的形状不能完全保证，或由于其他原因造成其系数不确定。假设三角堰流量的公式为：
B
Q=
AH
本实验即通过实验实际标定三角堰的流量系数A和B。对于多组数据可通过计算机计算，或公式两端取对数后进行计算。
四、实验方法和步骤
h等仪器常数。熟悉仪器结构。
1．测定堰顶的高度
2．开动水泵电机，打开进水阀门，使其为自由式三角堰，调节、观察水面曲线形状。
3．用高度尺测量堰上游水深，用量杯、秒表测水体积、时间，记入记录表内。
4．改变流量，重复步3骤四次。
五、实验数据及成果
1．仪器常数：
h mm
=
2
六、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。
3．液位计应位于堰口5H以上上游处。
4．测针应与液面刚刚接触为测量点。
七、思考题
1．三角堰的流量系数A和B与经验公式的数据是否相近或相符？如不符，造成三角堰的流量系数A 和B不符的原因是什么？
2．推导三角堰的流量公式。
实验七水跃实验
一、实验目的
1．测定水跃的水头损失和消能率。
2．观察水跃的流动现象，了解水跃类型及其结构的基本特征。
二、实验装置
本实验装置如图1所示。
图1
1、变坡水槽；
2、闸门；
3、液位计；
4、变坡千斤顶；
5、尾门；
6、循环水泵；
7、流量调节阀
三、实验原理
水跃是明渠流动中水流从急流状态过渡到缓流状态的现象。如图2所示。其中h ’
和h ”
为跃前、跃后
水深。
水跃前、后两段面单位重量流体的机械能之差为水跃的消能量，其公式为：
()h h h h E j
'
'''-''=
?43
水跃的消能率为：
1
E E j ?=
η
式中：E 1为水跃前段面单位重量流体的总机械能：
g
v h E 22
11+'=
图2
四、实验方法和步骤
h等仪器常数。熟悉仪器结构。
1．测定渠宽b，底坡高度
2．开动水泵电机，打开进水阀门，调节闸门和尾门，使其形成远驱式，调节、观察水面曲线形状。
3．待稳定后，用高度尺测量堰上、下游水深，用量杯、秒表测水体积、时间，记入记录表内。
4．改变流量，重复步3骤四次。
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。
3．测针应与液面刚刚接触为测量点。
一、实验数据及成果
1．仪器常数：
h mm
=
b mm，=
二、思考题
1．简单说明水跃的消能原理。
2．自行演示水跃的三种形式，分析各种水跃的消能率，
实验八动量定律实验
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：
)(1122v v Q F ββρ-=
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：
)0(x c x x v Q A gh P F -=-=-=βρρ
即：
x c Qv A gh /=β
式中：
c h 为测压管高度；
A 为承压板面积；
Q 为管嘴流量；
x v 为管嘴流速；
β为动量修正系数。
实验中，在恒定流动状态下，只要测定流量Q 和测压管高度c h ，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β。β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Q 和测压管高度c h 。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：
=，mm
=
D20
mm
d12
七、思考题
１、实测β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。
实验九、演示实验
9.1雷诺数实验
一、实验目的
1、观察液体在不同流动状态时流体质点的运动规律
2、观察流体由层流变紊流及由紊流变层流的过度过程
3、 测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数2c e R
二、 实验原理及实验设备
流体在管道中流动，由两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。雷诺数的物理意义，可表征为惯性力与粘滞力之比。
在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H 不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均速度v ，微启红色水阀门，这是红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周围的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现相互交换的现象，流体的流动呈临界状态。如果将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态微紊流运动。
雷 诺 数 实 验 图
1.水箱及潜水泵
2.上水管
3. 溢流管
4. 电源
5.整流栅
6.溢流板
7.墨盒
8. 墨针
9. 实验管 10. 调节阀 11. 接水箱 12. 量杯 13. 回水管 14实验桌
雷诺数表达式ν
d
V R e ?=
，根据连续方程：A V=Q ，A
Q V =
流量Q 用体积法测出，即在Δt 时间内流入计量水箱中流体的体积ΔV 。
t
V
Q ?=
4
2
d A π=
式中：A —管路的横截面积； d —管路直径； V —流速；
ν—水的粘度。
三、实验步骤
1、 准备工作：将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度H 不变。
2、缓慢开启阀门7，使玻璃管中水稳定流动，并开启红色阀门9，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。
3、开大出口阀门7，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，在逐渐关小出口阀门7，观察玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量。重复三次，即可算出下临界雷
诺数。
四、实验内容
（1）观察两种流态
启动水泵供水，使水箱充水至溢流状态，经稳定后，微微开启调节阀，并注入颜色水于实验管道内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后，逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，可观察到由紊流转变为层流的水力特征。
（2）测定临界雷诺数，再现当年雷诺实验全过程。 a.测定下临界雷诺数
开启调节阀，使管中完全紊流，再逐步关小调节阀，注意，调节过程中只许关小、不许开大阀门，且每调节一次流量（即关小一次阀门）后，需待稳定一段时间再观察其形态，直至使颜色水流刚好成一直线，即表明由紊流刚好转为层流，此时可测得下临界雷诺数值为2000~2300之间。而雷诺在实验时得出圆管流动的下临界雷诺数为2320，原因是下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关，雷诺进行实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量实验由于受环境干扰因素影响，很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在2000~2300之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍的圆管下临界雷诺数一般是2000。如果测得雷诺数太小，应开阀至紊流后再重新测量。
b. 测定上临界雷诺数
开启水泵，水箱溢流后，微开调节阀使管中出现层流，逐渐开大调节阀，注意，只许开大，不许关小阀门，待颜色水流刚好散开，表明由层流刚好转为紊流，即有上临界雷诺值。根据实验测定，上临界雷诺数实测值在3000~5000范围之内，与操作的快慢，水箱的紊动度，及外界的干扰等密切相关。有关学者做了大量试验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。
（3）层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面的差异如下表：
（4）雷诺数的物理意义。
雷诺数可以看作为液流惯性与粘滞力的比值。要理解这一点可以从惯性力与粘滞力的量纲进行分析。惯性力=ma =dt dv W =
ρ，其中体积W 为特征长度L 的立方，即[W ]=[L ]3；加速度dt
dv
的量纲用特征流速与时间的量纲之比来表示，即]
[]
[t v dt dv =?
???
??所以惯性力的量纲为
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