《流体力学、泵与泵站综合实验》实验报告

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第二篇：流力实验实验十一 孔口与管嘴出流实验

实验十一 孔口与管嘴出流实验

一、实验目的

1.量测孔口与管嘴出流的流速系数、流量系数、侧收缩系数局部阻力系数及圆柱形管嘴内 的局部真空度。

2.分析圆柱形管嘴的进口形状（圆角和直角）对出流能力的影响及孔口与管嘴过流能力不同的原因。

二、实验装置

图二 孔口、管嘴结构剖面图

三、实验原理

在恒压水头下发生自由出流时孔口管嘴的有关公式为:

    实验测得上游恒压水位及各孔口、管嘴的过流量，利用以上5个公式，从而得出不同形状断面的孔口、管嘴在恒压、自由出流状态下的各水力系数。

根据理论分析，直角进口圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度为

hv = Pv/ρg = 0.75H

     本实验装置可实测出直角进口圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度，打开直角进口管嘴射 流，即可观测到，测管处水柱迅速降低，hv = 0.6 ~ 0.7H。。说明直角进口管嘴在进口处产生 较大真空。但与经验值0.75H。相比，真空度偏小，其原因主要是有机玻璃材料的直角进口锐缘难以达到象金属材料那样的强度。

观察孔口及各管嘴出流水柱的流股形态：

打开各孔口管嘴，使其出流，观察各孔口及管嘴水流的流股形态，因各种孔口、管嘴的形 状不同，过流阻力也不同，从而导致了各孔口管嘴出流的流股形态也不同：圆角管嘴出流水 柱为光滑圆柱，直角管嘴为圆柱形麻花状扭变，圆锥管嘴为光滑圆柱，孔口则为具有侧收缩 的光滑圆柱；

圆锥管嘴虽亦属直角进口，但因进口直径渐小，不易产生分离，其侧收缩断面面积接近出 口面积（µ值以出口面积计），故侧收缩并不明显影响过流能力。另外，从流股形态看，横 向脉动亦不明显，说明渐缩管对流态有稳定作用（工程或实验中，为了提高工作段水流的稳 定性，往往在工作段前加一渐缩段，正是利用渐缩的这一水力特性）。能量损失小，因此其µ值与圆角管嘴相近。

观察孔口出流在d/H ＞ 0.1时与在d/H ＜ 0.1时侧收缩情况：

开大流量，使上游水位升高，使d/H ＜ 0.1，测量相应状况下收缩断面直径dc;再关小流量， 上游水头降低，使d/H ＞ 0.1，测量此时的收缩断面直径dc’的值，可发现当d/H ＞ 0.1时dc’ 增大，并接近于孔径d，这叫作不完全收缩，此时由实验测知，µ也增大，可达0.7左右。

四、实验步骤与方法

1.记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。

2.打开水泵开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开圆柱形管嘴（先旋转旋板挡住管嘴， 然后拔掉橡皮塞，最后旋开旋板），待水面稳定后，测定水箱水面高程标尺读数，用体积法 或数显流量计（两种方法皆可）测定流量，测量完毕，先旋转水箱内的旋板，将管嘴进口盖 好，再塞紧橡皮塞。

3.打开圆锥形管嘴，测记恒压水箱水面高程标尺读数及流量，观察和量测圆柱形管嘴出流时的真空情况。

4.打开孔口，观察孔口出流现象，测量水面高程标尺读数及孔口出流流量，测记孔口收缩 断面的直径（重复测量3次）。改变孔口出流的作用水头（可减少进口流量），观察孔口收缩断面的直径随水头变化的情况。

量测孔口收缩断面直径的方法：用孔口两边的移动触头。先松动螺丝，移动一边触头将其 与水股切向接触，并旋紧螺丝，再移动另一边触头，使与水股切向接触，并旋紧螺丝。再将 旋板开关以顺时针方向关上孔口，用卡尺测量触头间距，即为射流直径。实验时将旋板置于 不工作的孔口或管嘴上，尽量减少旋板对工作孔口、管嘴的干扰。

5.关闭水泵，清理实验桌面及场地。

五、实验成果及要求

实验设备名称                 实验台编号                

实验者                          实验日期                       

孔口管嘴直径及高程：圆角管嘴d1=        10-2m       直角管嘴d1=       10-2m

出口高程 Zl =        10-2m

圆锥形管嘴锥形管嘴d3=          10-2m      孔口 d4=        10-2m

出口高程z3 = Z4 =     10-2m

孔口管嘴实验记录及计算表

实验十四 堰流实验

一、实验目的

1.观察不同δ/H的有坎、无坎宽顶堰或实用堰的水流现象，以及下游水位变化对宽顶堰过流能力的影响。

2.掌握测量堰流流量因数m实验技能，并测定无侧收缩宽顶堰的m值。

二、实验装置

装置说明

1.水位测量一水位测针

    水位测针结构如图二所示，测针杆是可以上下移动的标尺杆，测量时固定在支架套筒中， 套筒上附有游标，测量读数类似游标卡尺，精度一般为0.1毫米。测针杆尖端为与水面接触 点，测量过程中，不宜松动支座或旋动测针。在测量时，测针尖应自上而下逐渐接近水面， 当水位略有波动时，可多次测量取平均值。测量恒定水位时，测针可直接安装，如图一中测针3，也可通过测针筒间接安装，如测针与测针筒6。堰上下游与三角堰量水槽水位分别用测针3与6量测。移动测针3可在槽顶导轨上移动，导轨的纵向水平度在安装调试后应不大于±0.15 mm。

1.明渠流量测量—堰

    明渠流为无压流动，实验室中通常用薄壁堰测量流量。小流量（qv ＜0.1 m3/s)采用 三角形薄壁堰，大流量则用矩形薄壁堰。由于堰的造价低，使用简单、直观、精度保证，在明渠流中使用十分广泛。本实验采用直角三角形薄壁堰。

直角三角形薄壁堰如图三所示。它的流量计算公式常用下列汤普森（Thompson)经验公式

qv = 1.4 H5/2 (m3/s)

式中H单位以m计，适用范围0.05 m＜ H ＜0.25 m，P ＞2H, B＞(3~4)H。测量位置在堰上游 (3-5) H处

    为消除堰加工误差，对本实验装置中的三角形薄壁堰进行了流量率定，采用以下公式计算

qv = A(△h)B

△h = V01 -V00

式中：V01、V00分别为三角堰堰顶水位（实测）和堰顶高程（实验时为常数）。A、B为率定常数，直接标明于设备铭牌上。

2.堰、闸模型

    本实验槽中可换装各种堰、闸模型。通过更换不同堰体，可演示各种堰流现象及其 下游水面衔接型式。包括有侧收缩无坎及其它各种常见宽顶堰流、底流、挑流、面流 和戽流等现象。此外，还可演示平板闸下出流、薄壁堰流。读者在完成规定的实验项 目外，可任选其中一种或几种作实验观察，以拓宽感性知识面。

三、实验原理

1.堰的分类

    根据堰墙厚度或顶长δ与堰上水头H的比值不同而分成三种：薄壁堰（δ/H＜0.67);实用堰（0.67＜δ/H＜2.5);宽顶堰（2.5＜δ/H＜10)。

实验时，需检验δ/H是否在实验堰的相应范围内。

2.堰流流量公式：

自由出流qv = mb√2g*H03/2

淹没出流 qv = σsmb√2g*H03/2

由自由出流流量公式知，只要测定qv、H0，则可得出堰流流量因素m值。

3.堰流流量系数经验公式：

(1)圆角进口宽顶堰

   m = 0.36 + 0.01*（3-P1/H )/(1.2+1.5P1/H)    (当P1/H ＞ 3 时，m=0.36)

式中P1一为上游堰高；

     H —为堰上作用水头。

（2）直角进口宽顶堰

   m = 0.32 + 0.01*（3-P1/H )/(0.46+0.75P1/H)    (当P1/H ＞ 3 时，m=0.32)

1.堰上总作用水头

2.本实验需测记渠宽b,上游渠底高程▽2、堰顶高程▽0、宽顶堰厚度δ、流量qv

及上游水位▽1。进而按下列各式计算确定上游堰高P1、行近流速V0、堰上作用水头

H和总作用水头H0:

P1=▽0-▽2

V0 = qv/b(▽1-▽2)

H = ▽1-▽0

H0 = H + αV02/2g

四、实验内容

1.薄壁堰演示

2.三角形薄壁堰安装于三角堰量水槽5首部，用于测量小流量。

    矩形薄壁堰用于测量较大流量。实验演示可观察水舌的形态，从中了解曲线型实用堰的堰面曲线形状。观察水舌形状时应使水舌下方与大气相通。根据水舌的形状不难理解，如果所设计的堰面低于水舌下缘曲线，堰面就会出现负压，故此类堰称真空堰。真空堰能提高流量因数，但堰面易遭空蚀破坏。若堰面稍突入水舌下缘曲线，堰面受到正压，故称非真空实用堰。因流量不同，水舌形状不同，因而所谓真空堰或非真空堰，都是相对一定流量而言的。 WES堰在设计水头作用下为非真空堰。

    WES曲线型实用堰演示

如图四，当下游水位较低时，过堰水流在堰面上形成急流，沿流程高度降低，流速增大， 水深减小，在堰脚附近断面水深最小(hc), 流速最大。该断面称为堰下游的收缩断面。在收缩断面后的平坡渠道上，形成H3型水面曲线，并通过水跃与尾门前的缓流相衔接。

3.宽顶堰演示

    本实验装置配有无坎、直角进口和圆角进口三种宽顶堰模型，可供不同教学要求选用。

①宽顶堰

    调节流量使过流符合宽顶堰条件2. 5＜δ/H＜10。当4＜δ/H＜10时，如图五所示，为宽顶堰堰流的典型形态。当2. 5＜δ/H＜4时，堰顶只有一次跌落，且无收缩断面。若δ/H＞10，由于堰顶水流的沿程损失，对过水能力有明显影响，已不能忽略，这已属于明渠范畴了。

    宽顶堰出流又分自由出流和淹没出流二种流态：若下游水位不影响堰的过流能力，称为自由出流；在流量不变条件下，若上游水位受下游水位顶托而抬升，这时下游水位已影响堰的过流能力，称为淹没出流。判别淹没出流的条件是hs/H0 ＞ 0.8。hs为下游水位超过堰顶的高度。可调节尾门改变尾水位高度，以形成自由出流或淹没出流实验流态。

②无坎宽顶堰

    俯视图如图六。两侧模型分别被浸湿了的吸盘紧紧吸附于有机玻璃槽壁上。由于侧收缩 的影响，在一定的流量范围内水流呈现两次跌落的形态，如图七所示，与宽顶堰形态相似。 工程中平底河道的闸墩、桥墩的流动均属此种堰型。

五、实验步骤及方法

1.安装堰模型，根据实验要求，可任意选择直角进口宽顶堰、圆角进口宽顶堰、WES型标准剖面实用堰、矩形薄壁堰、无坎宽顶堰中的一种，安装在明槽内的相应位置。

2.启动、流量调节与测量：插上电源，大流量用阀13调节，流量微调用阀10调节。流量 用三角堰量水槽5与三角堰水位测针6测量。

3.水位调节与测量。尾水位用尾门7和升降轮8调节，上、下游水位及槽底、堰顶高程用移动测针3测量。上游水位▽1应在（3?5) H附近处测量。

六、实验成果及要求

1.记录有关信息及实验常数

实验设备名称：                    实验台号：   

实验者：                           实验日期：   

渠宽b=       10-2m；         宽顶堰厚度δ=        10-2m；

上游渠底局程▽2=              10-2m；    堰顶高程▽0 =          10-2m；

上游堰高P1 =▽0 -▽2 =        10-2m；

三角堰流量公式为

qv = A(△h)B          △h = ▽01 -▽00

其中，三角堰顶高程▽00 =          10-2m； A=   ； B=   

直角进口宽顶堰流量系数（m )测记表