流力實驗實驗十一孔口與管嘴出流實驗

1、實驗十一 孔口與管嘴出流實驗1、 實驗?zāi)康?.量測孔口與管嘴出流的流速系數(shù)、流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)局部阻力系數(shù)及圓柱形管嘴內(nèi) 的局部真空度。2.分析圓柱形管嘴的進口形狀（圓角和直角）對出流能力的影響及孔口與管嘴過流能力不同的原因。2、 實驗裝置圖二 孔口、管嘴結(jié)構(gòu)剖面圖3、 實驗原理在恒壓水頭下發(fā)生自由出流時孔口管嘴的有關(guān)公式為: 實驗測得上游恒壓水位及各孔口、管嘴的過流量，利用以上5個公式，從而得出不同形狀斷面的孔口、管嘴在恒壓、自由出流狀態(tài)下的各水力系數(shù)。根據(jù)理論分析，直角進口圓柱形外管嘴收縮斷面處的真空度為hv = Pv/g = 0.75H本實驗裝置可實測出直角進口圓柱形外管嘴收縮斷面處的

2、真空度，打開直角進口管嘴射 流，即可觀測到，測管處水柱迅速降低，hv= 0.6 0.7H。說明直角進口管嘴在進口處產(chǎn)生 較大真空。但與經(jīng)驗值0.75H。相比，真空度偏小，其原因主要是有機玻璃材料的直角進口銳緣難以達到象金屬材料那樣的強度。觀察孔口及各管嘴出流水柱的流股形態(tài)：打開各孔口管嘴，使其出流，觀察各孔口及管嘴水流的流股形態(tài)，因各種孔口、管嘴的形 狀不同，過流阻力也不同，從而導(dǎo)致了各孔口管嘴出流的流股形態(tài)也不同：圓角管嘴出流水 柱為光滑圓柱，直角管嘴為圓柱形麻花狀扭變，圓錐管嘴為光滑圓柱，孔口則為具有側(cè)收縮 的光滑圓柱；圓錐管嘴雖亦屬直角進口，但因進口直徑漸小，不易產(chǎn)生分離，其側(cè)收縮斷面面

3、積接近出 口面積（µ值以出口面積計），故側(cè)收縮并不明顯影響過流能力。另外，從流股形態(tài)看，橫 向脈動亦不明顯，說明漸縮管對流態(tài)有穩(wěn)定作用（工程或?qū)嶒炛?，為了提高工作段水流的穩(wěn) 定性，往往在工作段前加一漸縮段，正是利用漸縮的這一水力特性）。能量損失小，因此其µ值與圓角管嘴相近。觀察孔口出流在d/H> 0.1時與在d/H< 0.1時側(cè)收縮情況：開大流量，使上游水位升高，使d/H<0.1，測量相應(yīng)狀況下收縮斷面直徑dc;再關(guān)小流量， 上游水頭降低，使d/H>0.1，測量此時的收縮斷面直徑dc的值，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)d/H>0.1時dc 增大，并接近于孔徑d，這叫

4、作不完全收縮，此時由實驗測知，µ也增大，可達0.7左右。4、 實驗步驟與方法1.記錄實驗常數(shù)，各孔口管嘴用橡皮塞塞緊。2.打開水泵開關(guān)，使恒壓水箱充水，至溢流后，再打開圓柱形管嘴（先旋轉(zhuǎn)旋板擋住管嘴， 然后拔掉橡皮塞，最后旋開旋板），待水面穩(wěn)定后，測定水箱水面高程標(biāo)尺讀數(shù)，用體積法 或數(shù)顯流量計（兩種方法皆可）測定流量，測量完畢，先旋轉(zhuǎn)水箱內(nèi)的旋板，將管嘴進口蓋 好，再塞緊橡皮塞。3.打開圓錐形管嘴，測記恒壓水箱水面高程標(biāo)尺讀數(shù)及流量，觀察和量測圓柱形管嘴出流時的真空情況。4.打開孔口，觀察孔口出流現(xiàn)象，測量水面高程標(biāo)尺讀數(shù)及孔口出流流量，測記孔口收縮 斷面的直徑（重復(fù)測量3次）。改

5、變孔口出流的作用水頭（可減少進口流量），觀察孔口收縮斷面的直徑隨水頭變化的情況。量測孔口收縮斷面直徑的方法：用孔口兩邊的移動觸頭。先松動螺絲，移動一邊觸頭將其 與水股切向接觸，并旋緊螺絲，再移動另一邊觸頭，使與水股切向接觸，并旋緊螺絲。再將 旋板開關(guān)以順時針方向關(guān)上孔口，用卡尺測量觸頭間距，即為射流直徑。實驗時將旋板置于 不工作的孔口或管嘴上，盡量減少旋板對工作孔口、管嘴的干擾。5.關(guān)閉水泵，清理實驗桌面及場地。五、實驗成果及要求實驗設(shè)備名稱 實驗臺編號實驗者實驗日期孔口管嘴直徑及高程：圓角管嘴d1= 10-2m 直角管嘴d1= 10-2m出口高程 Zl= 10-2m圓錐形管嘴錐形管嘴d3=

6、10-2m 孔口 d4= 10-2m出口高程z3 = Z4 = 10-2m孔口管嘴實驗記錄及計算表分類項目直角進口形管嘴園角進口形管嘴圓錐形管嘴孔口水箱液位H(10-2m)體積V（ 10-6m3)時間t(s)流量Q(10-6m3/s)平均流量（10-6m3 / s)作用水頭H。 (10-2m)面積A（ m2 )流量系數(shù)µ測壓管讀數(shù)h (m)真空度hv (m )收縮直徑dc (m )收縮斷面Ac (m2)收縮系數(shù)S流速系數(shù)阻力系數(shù)實驗十四 堰流實驗1、 實驗?zāi)康?.觀察不同/H的有坎、無坎寬頂堰或?qū)嵱醚叩乃鳜F(xiàn)象，以及下游水位變化對寬頂堰過流能力的影響。2.掌握測量堰流流量因數(shù)m實驗技

7、能，并測定無側(cè)收縮寬頂堰的m值。二、實驗裝置裝置說明1.水位測量一水位測針 水位測針結(jié)構(gòu)如圖二所示，測針桿是可以上下移動的標(biāo)尺桿，測量時固定在支架套筒中， 套筒上附有游標(biāo)，測量讀數(shù)類似游標(biāo)卡尺，精度一般為0.1毫米。測針桿尖端為與水面接觸 點，測量過程中，不宜松動支座或旋動測針。在測量時，測針尖應(yīng)自上而下逐漸接近水面， 當(dāng)水位略有波動時，可多次測量取平均值。測量恒定水位時，測針可直接安裝，如圖一中測針3，也可通過測針筒間接安裝，如測針與測針筒6。堰上下游與三角堰量水槽水位分別用測針3與6量測。移動測針3可在槽頂導(dǎo)軌上移動，導(dǎo)軌的縱向水平度在安裝調(diào)試后應(yīng)不大于±0.15 mm。1. 明

8、渠流量測量堰 明渠流為無壓流動，實驗室中通常用薄壁堰測量流量。小流量（qv <0.1 m3/s)采用 三角形薄壁堰，大流量則用矩形薄壁堰。由于堰的造價低，使用簡單、直觀、精度保證，在明渠流中使用十分廣泛。本實驗采用直角三角形薄壁堰。直角三角形薄壁堰如圖三所示。它的流量計算公式常用下列湯普森（Thompson)經(jīng)驗公式qv = 1.4 H5/2 (m3/s)式中H單位以m計，適用范圍0.05 m< H <0.25 m，P >2H, B>(34)H。測量位置在堰上游 (3-5) H處 為消除堰加工誤差，對本實驗裝置中的三角形薄壁堰進行了流量率定，采用以下公式計算qv

9、= A(h)Bh = V01 -V00式中：V01、V00分別為三角堰堰頂水位（實測）和堰頂高程（實驗時為常數(shù)）。A、B為率定常數(shù)，直接標(biāo)明于設(shè)備銘牌上。2.堰、閘模型 本實驗槽中可換裝各種堰、閘模型。通過更換不同堰體，可演示各種堰流現(xiàn)象及其 下游水面銜接型式。包括有側(cè)收縮無坎及其它各種常見寬頂堰流、底流、挑流、面流 和戽流等現(xiàn)象。此外，還可演示平板閘下出流、薄壁堰流。讀者在完成規(guī)定的實驗項 目外，可任選其中一種或幾種作實驗觀察，以拓寬感性知識面。3、 實驗原理1.堰的分類 根據(jù)堰墻厚度或頂長與堰上水頭H的比值不同而分成三種：薄壁堰（/H<0.67);實用堰（0.67</H<

10、2.5);寬頂堰（2.5</H<10)。實驗時，需檢驗/H是否在實驗堰的相應(yīng)范圍內(nèi)。2.堰流流量公式：自由出流qv = mb2g*H03/2淹沒出流 qv = smb2g*H03/2由自由出流流量公式知，只要測定qv、H0，則可得出堰流流量因素m值。3.堰流流量系數(shù)經(jīng)驗公式：(1)圓角進口寬頂堰 m = 0.36 + 0.01*（3-P1/H )/(1.2+1.5P1/H) (當(dāng)P1/H > 3 時，m=0.36)式中P1一為上游堰高； H 為堰上作用水頭。（2）直角進口寬頂堰 m = 0.32 + 0.01*（3-P1/H )/(0.46+0.75P1/H) (當(dāng)P1/H

11、> 3 時，m=0.32)1.堰上總作用水頭2.本實驗需測記渠寬b,上游渠底高程2、堰頂高程0、寬頂堰厚度、流量qv及上游水位1。進而按下列各式計算確定上游堰高P1、行近流速V0、堰上作用水頭H和總作用水頭H0:P1=0-2V0 = qv/b(1-2)H = 1-0H0 = H + V02/2g4、 實驗內(nèi)容1.薄壁堰演示2.三角形薄壁堰安裝于三角堰量水槽5首部，用于測量小流量。 矩形薄壁堰用于測量較大流量。實驗演示可觀察水舌的形態(tài)，從中了解曲線型實用堰的堰面曲線形狀。觀察水舌形狀時應(yīng)使水舌下方與大氣相通。根據(jù)水舌的形狀不難理解，如果所設(shè)計的堰面低于水舌下緣曲線，堰面就會出現(xiàn)負壓，故此類

12、堰稱真空堰。真空堰能提高流量因數(shù)，但堰面易遭空蝕破壞。若堰面稍突入水舌下緣曲線，堰面受到正壓，故稱非真空實用堰。因流量不同，水舌形狀不同，因而所謂真空堰或非真空堰，都是相對一定流量而言的。 WES堰在設(shè)計水頭作用下為非真空堰。 WES曲線型實用堰演示如圖四，當(dāng)下游水位較低時，過堰水流在堰面上形成急流，沿流程高度降低，流速增大， 水深減小，在堰腳附近斷面水深最小(hc), 流速最大。該斷面稱為堰下游的收縮斷面。在收縮斷面后的平坡渠道上，形成H3型水面曲線，并通過水躍與尾門前的緩流相銜接。3. 寬頂堰演示 本實驗裝置配有無坎、直角進口和圓角進口三種寬頂堰模型，可供不同教學(xué)要求選用。寬頂堰 調(diào)節(jié)流量

13、使過流符合寬頂堰條件2. 5</H<10。當(dāng)4</H<10時，如圖五所示，為寬頂堰堰流的典型形態(tài)。當(dāng)2. 5</H<4時，堰頂只有一次跌落，且無收縮斷面。若/H>10，由于堰頂水流的沿程損失，對過水能力有明顯影響，已不能忽略，這已屬于明渠范疇了。 寬頂堰出流又分自由出流和淹沒出流二種流態(tài)：若下游水位不影響堰的過流能力，稱為自由出流；在流量不變條件下，若上游水位受下游水位頂托而抬升，這時下游水位已影響堰的過流能力，稱為淹沒出流。判別淹沒出流的條件是hs/H0 >0.8。hs為下游水位超過堰頂?shù)母叨?。可調(diào)節(jié)尾門改變尾水位高度，以形成自由出流或淹沒出流

14、實驗流態(tài)。無坎寬頂堰 俯視圖如圖六。兩側(cè)模型分別被浸濕了的吸盤緊緊吸附于有機玻璃槽壁上。由于側(cè)收縮 的影響，在一定的流量范圍內(nèi)水流呈現(xiàn)兩次跌落的形態(tài)，如圖七所示，與寬頂堰形態(tài)相似。 工程中平底河道的閘墩、橋墩的流動均屬此種堰型。5、 實驗步驟及方法1.安裝堰模型，根據(jù)實驗要求，可任意選擇直角進口寬頂堰、圓角進口寬頂堰、WES型標(biāo)準(zhǔn)剖面實用堰、矩形薄壁堰、無坎寬頂堰中的一種，安裝在明槽內(nèi)的相應(yīng)位置。2.啟動、流量調(diào)節(jié)與測量：插上電源，大流量用閥13調(diào)節(jié)，流量微調(diào)用閥10調(diào)節(jié)。流量 用三角堰量水槽5與三角堰水位測針6測量。3.水位調(diào)節(jié)與測量。尾水位用尾門7和升降輪8調(diào)節(jié)，上、下游水位及槽底、堰頂高程用移動測針3測量。上游水位1應(yīng)在（35) H附近處測量。6、 實驗成果及要求1.記錄有關(guān)信息及實驗常數(shù)實驗設(shè)備名稱： 實驗臺號：實驗者： 實驗日期：渠寬b=10-2m； 寬頂堰厚度=10-2m；上游渠底局程2=10-2m； 堰頂高程0 =