水力学 有压管流测压管水头线的绘制

天津农学院高职升本科专业课考试大纲水文水资源工程专业《水力学》辅导大纲水力学课程的主要任务是使学生掌握水流运动的一般规律和专业必需的基础知识，学会一般水力分析计算方法和实验技术，具有运用所学知识分析和解决问题的能力。

1.具有一定的理论基础：能正确理解水力学中的一些基本概念及其物理意义；正确区分流动类型，流动形态和局部流动现象；正确理解和运用恒定流的连续方程、能量方程、动量方程。

2.掌握基本的水力学计算方法。

如静水总压力的计算；堰闸过水能力的计算；管道的水力计算；明渠水流水力计算等。

第一章绪论1-1 水力学的定义、任务及其在专业中的应用。

1-2 液体的基本特征和主要物理性质：惯性（质量与密度）；万有引力特性（重量与容量），粘滞性。

1-3 液体作为连续介质和理想液体的概念。

说明：1．本章的重点是液体的主要物理力学性质，着重掌握密度、容重概念、计算及其关系，粘滞性要弄清概念及定义。

2．要强调单位的重要性，一律采用国际单位制，指出国际单位制与工程单位制两者之间换算关系。

3．理解水力学的定义和任务以及液体的主要物理性质。

第二章静水压强与静水总压力（一）目的要求：明确静水压强及其分布规律，理解静水压强基本方程式的物理意义和几何意义。

掌握平面壁和曲面壁上静水总压力的计算方法。

（二）内容：2-1 静水压强及其特性。

2-2 静水压强的分布规律。

一、静水压强的基本方式。

二、绝对压强、相对压强和真空值。

三、测压管水头与单位势能。

四、压强的计算单位。

2-3 等压面及静水压强的测算。

2-4 静水总压力的计算。

一、静水压强分布图。

二、作用在平面上的静水总压力计算。

三、作用在曲面上静水总压力计算。

（三）说明：1．本章的重点是静水压强及其基本方程式、静水压强分布图的绘制以及作用在平面和园柱形曲面上的静水总压力。

2．绝对压强、相对压强、真空度等概念，应认真掌握。

3．作用在平面上静水总压力计算，主要掌握矩形平面上图解法，任意平面壁上解析法着重讲计算总压力的公式的意义及应用，推导可从简进行，压力中心的计算公式可不进行推导。

§5-2-4 总水头线和测压管水头线的绘制§5-2-4-1绘制总水头线和测压管水头线的具体步骤测压管水头线与能头线的绘制的具体步骤(观看动画)绘制管道的测压管水头线，是为了了解管中动水压强沿程变化的情况。

，计算相应的流速υi、沿程水头损失h fi和１、根据和顺利完成的流量Ｑｉ局部水头损失h ji。

２、自管道进口到出口,算出第一管段两端的总水头值,并绘出总水头线.３、在绘制测压管水头线之前，常先绘制总水头线，这是因为任一断面的测压管水头等于该断面的总水头与流速水头之差。

在绘制总水头线时，局部水头损失可作为集中损失绘在边界突然变化的断面上，沿程水头损失则沿程逐渐增加的，因此总水头线在有局部水头损失的地方是突然下降的，而在有沿程水头损失的管段中则是逐渐下降的。

从总水头线向下减去相应断面的流速水头值，便可绘出测压管水头线。

也可算出各断面的测压管水头值，即可绘出管道的测压管水头线。

管道出口断面压强受到边界条件的控制。

由总水头线，测压管水头线和基准线三者的相互关系可以明确地表示出管道任一断面各种单位机械能量的大小。

§5-2-4-2 绘制总水头线和测压管水头线应注意的问题沿管长均匀分布。

１、在绘制总水头线和测压管水头线时，等直径管段的ｈｆ２、在等直径管段中，测压管水头线与总水头线平行。

３、在绘制水头线时，应该注意管道出口的边界条件条件，如图５－６所示。

图５－６图５－７当上游行近流速水头时，总水头线的起点在上游液面，如图５－６（ａ），当时，总水头线在起点较上游液面高出，如图５－６（ｂ）。

４、此外，还应注意管道出口的边界条件，如图５－７所示。

图５－７（ａ）为自由出流，测压管水头线的终点应画在出口断面的形心上；图５－７（ｂ）为淹没出流，且下游流速水头，测压管水头线的终点应与下游液面平齐；图５－７（ｃ）亦为淹没出流，且下游流速水头，表示管流出口的动能没有全部损失掉，一部分转化为动能，为尚有一部分转化为下游势能，使下游液面抬高，高于管道出口断面的测压管水头，故测压管水头线的终点应低于下游液面。

水力学实验报告实验组别： A1 实验组员：实验日期： 5月5日;5月7日;5月10日土木系2019年5月1 流体静力学综合型实验一、实验目的和要求1. 掌握用测压管测量流体静压强的技能；2. 验证不可压缩流体静力学基本方程；3. 通过对诸多流体静力学现象的实验观察分析，加深流体静力学基本概念理解，提高解决静力学实际问题的能力。

二、实验原理1．在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程pz C gρ+= 或 gh p p ρ+=0 式中：z —— 被测点相对基准面的位置高度；p —— 被测点的静水压强（用相对压强表示, 以下同）； p 0 —— 水箱中液面的表面压强；ρ —— 液体密度； h —— 被测点的液体深度。

三、实验内容与方法1. 定性分析实验(1) 测压管和连通管判定。

(2) 测压管高度、压强水头、位置水头和测压管水头判定。

(3) 观察测压管水头线。

(4)判别等压面。

(5) 观察真空现象。

(6) 观察负压下管6中液位变化 2. 定量分析实验 (1) 测点静压强测量。

根据基本操作方法，分别在p 0 = 0、p 0 > 0、p 0 < 0与p B < 0条件下测量水箱液面标高∇0和测压管2液面标高∇H ，分别确定测点A 、B 、C 、D 的压强p A 、p B 、p C 、p D 。

实验数据处理与分析参考四。

四、 数据处理及成果要求1. 记录有关信息及实验常数实验设备名称： 静力学实验仪 实验台号：__No.1___ 实 验 者：____________A1组7人_______实验日期：_5月7号_各测点高程为：∇B = 2.1 ⨯10-2m 、∇C = -2.9 ⨯10-2m 、∇D = -5.9 ⨯10-2m 基准面选在 2号管标尺零点上 z C = -2.9 ⨯10-2m 、z D = -5.9 ⨯10-2m 2. 实验数据记录及计算结果（参表1，表2） 3. 成果要求(1) 回答定性分析实验中的有关问题。

§5-2-4 总水头线和测压管水头线的绘制§5-2-4-1绘制总水头线和测压管水头线的具体步骤测压管水头线与能头线的绘制的具体步骤(观看动画)绘制管道的测压管水头线，是为了了解管中动水压强沿程变化的情况。

１、根据和顺利完成的流量Ｑｉ，计算相应的流速υi、沿程水头损失h fi和局部水头损失h ji。

２、自管道进口到出口,算出第一管段两端的总水头值,并绘出总水头线.３、在绘制测压管水头线之前，常先绘制总水头线，这是因为任一断面的测压管水头等于该断面的总水头与流速水头之差。

在绘制总水头线时，局部水头损失可作为集中损失绘在边界突然变化的断面上，沿程水头损失则沿程逐渐增加的，因此总水头线在有局部水头损失的地方是突然下降的，而在有沿程水头损失的管段中则是逐渐下降的。

从总水头线向下减去相应断面的流速水头值，便可绘出测压管水头线。

也可算出各断面的测压管水头值，即可绘出管道的测压管水头线。

管道出口断面压强受到边界条件的控制。

由总水头线，测压管水头线和基准线三者的相互关系可以明确地表示出管道任一断面各种单位机械能量的大小。

§5-2-4-2 绘制总水头线和测压管水头线应注意的问题１、在绘制总水头线和测压管水头线时，等直径管段的ｈｆ沿管长均匀分布。

２、在等直径管段中，测压管水头线与总水头线平行。

３、在绘制水头线时，应该注意管道出口的边界条件条件，如图５－６所示。

图５－６当上游行近流速水头时，总水头线的起点在上游液面，如图５－６（ａ），当时，总水头线在起点较上游液面高出，如图５－６（ｂ）。

４、此外，还应注意管道出口的边界条件，如图５－７所示。

图５－７图５－７（ａ）为自由出流，测压管水头线的终点应画在出口断面的形心上；图５－７（ｂ）为淹没出流，且下游流速水头，测压管水头线的终点应与下游液面平齐；图５－７（ｃ）亦为淹没出流，且下游流速水头，表示管流出口的动能没有全部损失掉，一部分转化为动能，为尚有一部分转化为下游势能，使下游液面抬高，高于管道出口断面的测压管水头，故测压管水头线的终点应低于下游液面。

（三）伯努利能量方程实验测定一、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、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能：3、验证静压原理。

4、进一步掌握有压管流中，动能、压能和位置能三者之间的转换关系。

5、测定管道的测压管水头和总水头值，并绘制管道的测压管水头线及总水头线。

二、实验设备本实验台由压差板、实验管道、水泵、实验桌和计量水箱等组成。

图3.1 能量方程实验台示意图每一组测压管都有两种不同的测点位置：一种是测点处于管道中心位置，称为毕托管测压管（后续课堂内容会讲到），测量对应截面的总水头g u g p Z H 22++=ρ（全压）。

注意这里的速度u 为管道中心处的点流速，与截面平均速度v 有所差异。

但在紊流状态下两者之间差异有限。

另一种是测点处于管道壁面，称为普通测压管，测量对应截面的静压头，即只包含Z 和gp ρ两项。

全压与静压之差，称为动压，即gu 22。

三、实验准备工作1、熟悉实验设备，分清毕托管测压管和普通测压管的区别以及各自表征的物理量。

2、接上各导压胶管；3、检验测压板是否与水平线垂直；4、启动电泵使水工作循环，检查各处是否有漏水的现象。

5、用手堵住出水口突然放水，重复几次，直至使实验管中的气泡排除。

关闭尾阀，检查各个测压管水位高度是否在同一水平线上，如果不在同一水平线上，说明有气泡存在，必须全部排除。

否则测量数据无效。

四、实验步骤1、验证静压原理：启动电泵，关闭给水阀，此时能量方程试验管上各个测压管的液柱高度相同，因管内的水不流动没有流动损失，因此静水头的连线为一平行基准线的水平线，即在静止不可压缩均匀重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和（总势能）保持不变，测点的高度和测点位置的前后无关，记下四组数据于表二的最下方格中。

2、测速：能量方程试验管上的四组测压管的任一组都相当于一个毕托管，可测得管内任一点的流体点速度，本试验已将测压管开口位置在能量方程试验管的轴心，故所测得的动压为轴心处的，即最大速度。

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前言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 0+ρg h 可得p A =ρg 水(▽3-▽A ) p B =ρg 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 0=ρg 水(▽1-▽2)= ρg 水（▽3-▽4）=ρg X （▽5-▽6）ρg X =6543∇-∇∇-∇ρg 水 或ρg X =6521∇-∇∇-∇ρg 水3. 若水箱内气体压强p 0≠p a ,则p 1≠p 2、p 3≠p 4、p 5≠p 6。

第7章孔口、管嘴出流和有压管路一、教学目的与任务1本章的目的（1）．使学生了解有压管流的特点；（2）．理解自由出流、淹没出流的概念；（3）．使学生掌握孔口和管嘴出流的水力计算。

二、重点、难点1重点孔口、管嘴的计算问题2难点缝隙流动三、教学方法本章内容是学生通过流体力学基本方程的学习，将其应用到典型的实际流动当中。

进一步增强学生分析、解决实际问题的能力，本章讲授时，要注重理论联本章内容与闸门、阀门、水龙头、喷嘴、汽化器、车辆减震器等等有关，这些构件在机械行业内十分常见，我们日常生活中也很常见。

研究孔口出流和缝隙流动特性对上述构件的性能有密切关系。

§7-１孔口出流一、薄壁孔口：L/d 2即壁面厚度与孔口直径之比小于等于2的孔口。

1.薄壁小孔口：H 10d即作用水头大于十倍的孔口直径。

2.薄壁大孔口：作用水头相对较小，孔口断面上流动不均匀的流动，称薄壁大孔口。

二、管嘴（厚壁孔口）1.圆柱管嘴圆柱管嘴十分常见，被广泛使用用途：增大流量原理：在管嘴内部形成一收缩断面（内收缩），具有一定真空，可提高流速。

管嘴长度:L=(3-4)d2.其他形式管嘴（1）收缩管嘴（2）扩张管嘴（3）流线型管嘴三、自由出流和淹没出流1.自由出流：流体直接排入大气2.淹没出流：流体出流处的压力不为大气压力四、完善收缩和不完善收缩完善收缩：薄壁孔口自由出流的流束周围均匀收缩。

不完善收缩：部分收缩或不收缩五、定常出流和非定常出流定常出流：出流系统的作用水头可以近似不变的出流，否则为非定常出流。

薄壁小孔口定常自由出流这里作用水头为H,设出流为完善收缩，根据研究知收缩断面在0.5d 处， 收缩系数为：以孔口和收缩断面中心线为基准，列1－1到 C-C 断面的方程：取 薄壁小孔口可忽略沿程损失，局部损失为： 与上式联立得令则出流流量为令 为流速系数 则流量为：若P0=0,即容器与大气相通，则：• 薄壁小孔出流参数由 所决定，由实验给出, 由上述定义决定。

壹、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C gp z =+ρ）。

2、学习利用U 形管测量液体密度。

3、建立液体表面压强a p p >0，a p p <0的概念，并观察真空现象。

4、测定在静止液体内部A 、B 两点的压强值。

二、实验原理在重力作用下，水静力学基本方程为：C gp z =+ρ 它表明：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gp ρ两项之和为常数。

重力作用下，液体中任何一点静止水压强gh p p ρ+=0，0p 为液体表面压强。

a p p >0为正压；a p p <0为负压，负压可用真空压强v p 或真空高度v h 表示：abs a v p p p -= gp h v v ρ= 重力作用下，静止均质液体中的等压面是水平面。

利用互相连通的同一种液体的等到压面原理，可求出待求液体的密度。

三、实验设备在一全透明密封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。

水箱顶部装有排气孔1k ，可与大气相通，用以控制容器内液体表面压强。

若在U 形管压差计所装液体为油，水油ρρ<，通过升降调压筒可调节水箱内液体的表面压强，如图1-1所示。

图 1—1四、实验步骤1、熟悉仪器，测记有关常数。

2、将调压筒旋转到适当高度，打开排气阀1k ，使之与水箱内的液面与大气相通，此时液面压强a p p =0。

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。

3、关闭排气阀1k ，将调压阀升至某一高度。

此时水箱内的液面压强a p p >0。

观察各测压管的液面高度变化并测记液面标高。

4、继续提高调压筒，再做两次。

5、打开排气阀1k ，使之与大气相通，待液面稳定后再关闭1k （此时不要移动调压筒）。

6、将调压筒降至某一高度。

此时a p p <0。