水力學實驗作業(yè)指導書#水力學實驗作業(yè)指導書

一、實驗?zāi)康呐c意義

水力學實驗是學習和研究流體力學基本原理的重要手段，其主要目的和意義包括：

（一）驗證水力學基本理論

（二）掌握基本實驗技能

培養(yǎng)實驗操作能力，學會正確使用水力學實驗儀器設(shè)備，掌握數(shù)據(jù)測量、記錄和處理的方法。

（三）分析實際問題

（四）培養(yǎng)科學態(tài)度

培養(yǎng)嚴謹細致的科學實驗態(tài)度，提高觀察、分析和總結(jié)實驗結(jié)果的能力。

二、實驗設(shè)備與儀器

水力學實驗常用的設(shè)備與儀器包括：

（一）基礎(chǔ)設(shè)備

1.實驗水槽：用于水力學現(xiàn)象的觀察和測量，長度通常為1-2米，寬度為0.3-0.5米。

2.水泵：提供實驗所需的水源，流量范圍一般為0.01-0.1立方米/秒。

3.控制閥門：調(diào)節(jié)水流大小和實驗條件，包括進水閥、出水閥等。

（二）測量儀器

1.量水堰/量水槽：測量流量，常見類型包括三角形堰、矩形堰等。

2.壓力計：測量流體壓力，包括U型水銀壓力計、壓力表等。

3.流速儀：測量流體速度，常用類型包括旋槳式流速儀、電磁流速儀等。

4.比壓管：測量兩點之間的壓力差，由透明管組成，便于觀察。

5.液位計：測量液面高度，常用玻璃管或電子液位傳感器。

（三）輔助設(shè)備

1.轉(zhuǎn)子流量計：顯示流量大小，精度較高。

2.計時器：測量時間，常用電子計時器或秒表。

3.量筒/量杯：測量體積，精度要求較高。

4.溫度計：測量水溫，確保實驗條件穩(wěn)定。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜水壓力與深度成正比，方向垂直于作用面。

2.靜水壓強傳遞：帕斯卡原理，即施加于密閉流體上的壓強會等值傳遞到流體各處。

實驗步驟：

(1)按圖組裝實驗裝置，確保各部件連接緊密。

(2)向水槽注水至指定高度，觀察液面是否穩(wěn)定。

(3)連接壓力計，測量不同深度的靜水壓力。

(4)改變?nèi)萜餍螤?，驗證壓力傳遞規(guī)律。

(5)記錄數(shù)據(jù)并計算理論值與實驗值的偏差。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：流體質(zhì)量守恒，即A?v?=A?v?。

2.能量方程：伯努利方程，即能量守恒原理在流體中的應(yīng)用。

3.流體阻力：與流速、管徑、粗糙度等因素有關(guān)。

實驗步驟：

(1)搭建實驗管道，安裝測壓點和流量計。

(2)調(diào)節(jié)閥門，改變流量大小，觀察水頭損失變化。

(3)測量不同斷面的流速和壓力。

(4)計算雷諾數(shù)，分析流動狀態(tài)。

(5)改變管徑或粗糙度，重復實驗并比較結(jié)果。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：流量恒定，斷面流速分布均勻。

2.水面線變化：受渠道坡度、粗糙度等影響。

3.滲流現(xiàn)象：觀察和測量滲流過程。

實驗步驟：

(1)設(shè)置不同坡度的實驗渠道。

(2)調(diào)節(jié)流量，測量水面線高度。

(3)觀察不同粗糙度渠道的水面線形態(tài)。

(4)記錄臨界流態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

(5)分析實驗數(shù)據(jù)，驗證明渠流理論。

四、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

（一）數(shù)據(jù)記錄要求

1.使用實驗記錄表格，清晰標注各參數(shù)名稱和單位。

2.記錄原始數(shù)據(jù)時保留適當位數(shù)小數(shù)，一般保留3位。

3.記錄環(huán)境條件，如水溫、氣壓等。

4.對異常數(shù)據(jù)及時標注并分析原因。

（二）數(shù)據(jù)處理方法

1.計算基本參數(shù)：如流量、流速、壓力等。

2.繪制關(guān)系曲線：如壓力-深度關(guān)系曲線。

3.計算誤差分析：比較實驗值與理論值的偏差。

4.編寫實驗報告：包含實驗?zāi)康?、方法、?shù)據(jù)、結(jié)果和討論。

（三）安全注意事項

1.實驗前檢查設(shè)備是否完好，連接是否正確。

2.實驗過程中防止水濺出，保持實驗臺面干燥。

3.使用工具時注意安全，避免觸電風險。

4.實驗結(jié)束后及時清理設(shè)備，關(guān)閉水源電源。

五、實驗報告要求

1.標題：水力學實驗報告

2.內(nèi)容：實驗?zāi)康摹⒃?、步驟、數(shù)據(jù)、結(jié)果、分析

3.格式：按學校要求格式排版，包含圖表

4.要求：字數(shù)不少于2000字，圖表清晰

5.提交：按時提交電子版和紙質(zhì)版

六、常見問題解答

（一）如何提高實驗精度？

1.使用高精度測量儀器。

2.多次測量取平均值。

3.控制實驗環(huán)境條件穩(wěn)定。

4.減小人為讀數(shù)誤差。

（二）實驗數(shù)據(jù)異常如何處理？

1.檢查儀器是否正常工作。

2.分析可能影響因素。

3.重復實驗驗證結(jié)果。

4.記錄異常情況并分析原因。

（三）如何撰寫實驗報告？

1.按標準格式撰寫。

2.數(shù)據(jù)圖表清晰規(guī)范。

3.結(jié)果分析深入合理。

4.結(jié)論與研究目的對應(yīng)。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜止流體中，某點的壓力僅與該點的深度（相對于自由表面）和流體的密度有關(guān)，方向始終垂直于作用面。在重力作用下，靜水壓強隨深度增加而線性增大。其基本公式為：

p=p?+ρgh

其中：

p為某點的靜水壓強

p?為自由表面處的壓強（通常取大氣壓強）

ρ為流體的密度

g為重力加速度（約9.81m/s2）

h為該點在自由表面下的深度

這一特性可以通過U型管測壓計、水柱壓力計等裝置進行直觀驗證。

2.靜水壓強傳遞：根據(jù)帕斯卡原理，在密閉容器中，施加于流體任一部分的壓強，會大小不變地傳遞到流體的各個部分，并作用于器壁。這一原理在液壓系統(tǒng)（如千斤頂、液壓缸）中有廣泛應(yīng)用。實驗中可以通過向密閉容器注入液體并觀察各連接處壓力計讀數(shù)的變化來驗證。

實驗步驟：

(1)裝置組裝：按照實驗指導書圖示或教師演示，正確連接實驗裝置。這通常包括一個透明水箱（或容器），箱壁上裝有不同深度的測壓孔，連接到U型管測壓計或壓力傳感器。確保所有連接處密封良好，無泄漏。如有需要，使用橡皮管或軟管連接，并確保接口擰緊。檢查測壓計液面是否處于初始參考位置。

(2)初始狀態(tài)設(shè)置：將水箱注水至指定高度，例如距離箱頂0.5米處。觀察液面是否穩(wěn)定，無明顯晃動。關(guān)閉所有控制閥門，確保系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)。

(3)測壓點連接與讀數(shù)：將測壓計的上下兩端分別與水箱的測壓孔連接。確保連接牢固，無氣泡進入測壓管（如果是U型管水銀壓力計或水柱壓力計）。待液面穩(wěn)定后，讀取測壓計的液面高度差（h?和h?）。記錄測壓孔的深度（h）和對應(yīng)的壓力計讀數(shù)。注意區(qū)分測壓計液面的基準點，并確保讀數(shù)精確到最小分度值。

(4)驗證壓力隨深度變化：保持水箱水位不變，選擇箱壁上不同深度的測壓孔（例如，分別在水面下0.2米、0.4米、0.6米、0.8米處），重復步驟(3)，記錄各點的測壓計讀數(shù)和對應(yīng)深度。將測得的壓強（p=ρgh+p?，其中p?為大氣壓，可通過與大氣壓參考計比較得到或忽略，取決于實驗精度要求）與理論計算值（p=ρgh）進行比較。

(5)驗證帕斯卡原理（可選）：如果實驗裝置包含一個帶蓋的密閉容器，可以向其中注入適量液體。連接容器內(nèi)部不同位置的測壓計，施加一個小的壓力（例如用手指輕輕按壓蓋子），觀察并記錄各測壓計讀數(shù)的變化。同樣，可以改變施加壓力的大小或位置，重復觀察和記錄，驗證壓強傳遞的等值性。

(6)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有測得的原始數(shù)據(jù)（測壓孔深度、測壓計讀數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)包含足夠的行和列，并標注單位。

(7)結(jié)果分析與計算：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計算各點的實際壓強，并與理論值進行比較，計算相對誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因（如儀器精度、讀數(shù)誤差、環(huán)境溫度影響、管路氣穴等）。繪制壓強隨深度變化的關(guān)系圖，驗證線性關(guān)系。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：基于質(zhì)量守恒原理，對于不可壓縮流體（如水在常溫常壓下可近似視為不可壓縮），在穩(wěn)定流動中，流體通過管道任一斷面的質(zhì)量流量保持不變。即單位時間內(nèi)通過斷面的流體體積（流量）也保持不變。對于圓形管道，其表達式為：

A?v?=A?v?=Q

其中：

A為管道斷面積

v為管道斷面的平均流速

Q為體積流量

該原理表明，流束截面積增大處，流速減小；截面積減小處，流速增大。

2.伯努利方程：描述了在重力場中做穩(wěn)定流動的、密度不變的理想流體，沿流線方向上壓力、流速和位置高度之間的關(guān)系。其微分形式為：

dp+?ρv2+ρgh=常數(shù)

其中：

dp為沿流線壓強的微小變化

ρ為流體密度

v2/2為流體的動能密度

gh為流體的位能密度

簡單來說，流體在流動過程中，總能量（壓力能+動能+勢能）保持守恒。在兩斷面間，伯努利方程的積分形式為：

p?/ρg+v?2/2g+h?=p?/ρg+v?2/2g+h?

該方程常用于測量流速、計算水頭損失等。

3.流體阻力：實際流體運動時，由于內(nèi)部粘滯性和外部與邊界的摩擦，會產(chǎn)生能量損失，表現(xiàn)為水頭損失（hf）。水頭損失通常分為沿程水頭損失（hf_L，與管道長度成正比）和局部水頭損失（hf_L，發(fā)生在管道形狀變化處，如彎頭、閥門、入口等）?？偹^損失為兩者之和。沿程水頭損失常用達西-韋斯巴赫公式計算：

hf_L=f(L/D)(v2/2g)

其中：

f為達西摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)(Re)和管道相對粗糙度(ε/D)有關(guān)

L為管道長度

D為管道直徑

v為管道平均流速

實驗步驟：

(1)管道系統(tǒng)安裝：搭建實驗管道系統(tǒng)，通常包括一段直管、不同管徑的管段、閥門（調(diào)節(jié)閥、閘閥等）、流量計（如電磁流量計、渦輪流量計或玻璃轉(zhuǎn)子流量計）、測壓點（用橡皮管連接到U型管或數(shù)字壓力計）和尾門（用于測量出口壓力）。確保所有連接牢固，無滲漏。測量并記錄各段管道的直徑（D?,D?...）和長度（L）。

(2)測壓點布置：在直管段上等距離布置測壓點（例如，上下游各布置3-5個測點），距離閥門和流量計入口/出口有一定距離（至少10-20D），以減少局部干擾。記錄每個測壓點到管道入口的距離。如果使用U型管，注意連接時防止氣泡進入。

(3)系統(tǒng)預(yù)充與排氣：向管道系統(tǒng)緩慢充水，同時打開尾門，排出空氣。確保所有測壓點及流量計內(nèi)充滿液體，無氣泡。關(guān)閉尾門。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢打開進水閥和調(diào)節(jié)閥，逐漸增大流量。觀察流量計讀數(shù)和管道流動狀態(tài)（層流或湍流）。對于層流，應(yīng)能看到清晰的流線；對于湍流，流線不規(guī)則且雜亂。在每個穩(wěn)定流量下，記錄流量計的讀數(shù)（Q）。

(5)壓強測量：在每個穩(wěn)定流量下，依次記錄所有測壓點的壓強讀數(shù)（p）。對于U型管，讀取液面高度差；對于壓力傳感器，讀取電壓或數(shù)字信號。記錄環(huán)境溫度（可選，用于密度修正）。注意保持讀數(shù)穩(wěn)定后再記錄。

(6)不同工況測試：改變調(diào)節(jié)閥的開度，獲得多個不同的穩(wěn)定流量工況，重復步驟(4)和(5)，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。至少獲得5-7組有效數(shù)據(jù)。

(7)局部阻力測試（可選）：如果實驗裝置包含局部阻力部件（如彎頭、閥門），可以單獨測量其水頭損失。關(guān)閉直管段上的所有上游閥門（或堵住），只保留局部阻力部件前的測點1和局部阻力部件后的測點2，以及流量計和尾門。在某個穩(wěn)定流量下，記錄流量計讀數(shù)和測點1、測點2的壓強。計算該局部阻力部件造成的水頭損失hf_L=(p?-p?)/(ρg)。

(8)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有原始數(shù)據(jù)（流量、各測壓點壓強、測壓點位置、管道參數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)結(jié)構(gòu)合理，方便后續(xù)計算和繪圖。

(9)結(jié)果分析與計算：

計算各斷面的平均流速v=Q/A。

計算各測壓點的流速水頭v2/2g和測壓管水頭(p/ρg+z)。

繪制測壓管水頭線（總水頭線減去位置水頭z）和測速管水頭線（總水頭線），觀察其變化趨勢，并與理論（理想流體）比較。

根據(jù)測點1和測點2的數(shù)據(jù)，計算該段管道的水頭損失hf=(p?-p?)/(ρg)，并計算沿程水頭損失hf_L=hf-hf_局部（如果測量了局部損失）。

計算不同流量下的沿程摩擦系數(shù)f=hf_L/[L/(Dv2/2g)]。

計算雷諾數(shù)Re=ρvD/μ，其中μ為流體的運動粘度（水的運動粘度隨溫度變化，可查表獲得）。

繪制f隨Re的關(guān)系圖，與理論公式（如Blasius公式、Colebrook公式）或?qū)嶒炃€進行比較。

分析實驗結(jié)果，討論誤差來源，驗證連續(xù)性方程和伯努利方程。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：在長直、坡度不變、斷面形狀及尺寸沿程不變的渠道中，水流狀態(tài)穩(wěn)定，流量恒定，斷面流速分布沿程不變，水深（稱為正常水深）也沿程不變。其水力坡度（渠道底坡i）、水面坡度（S?）、水力半徑R和流速v之間存在關(guān)系：i=S?。

2.水面線變化：對于非均勻流，渠道中不同斷面的水深是變化的，形成水面線。水面線可以是緩坡上的緩流（緩坡緩流，水面線下降），陡坡上的急流（陡坡急流，水面線上升），或臨界坡上的臨界流。常用曼寧公式（Manning'sEquation）描述明渠均勻流：

Q=(1/n)AR^(2/3)S^(1/2)

其中：

Q為流量

n為渠道粗糙系數(shù)

A為渠道斷面積

R為水力半徑（R=A/P，P為濕周）

S為水力坡度（通常取渠道底坡）

3.滲流現(xiàn)象（達西定律）：當水流在多孔介質(zhì)（如沙土、巖石）中流動時，稱為滲流。滲流速度通常遠小于宏觀流速。達西定律描述了滲流速度v與水力梯度（水頭損失與滲流路徑長度之比）的關(guān)系：

v=k(i)=k(ΔH/L)

其中：

k為滲透系數(shù)，反映介質(zhì)透水能力

i或ΔH/L為水力梯度

明渠滲流實驗通常使用透水板或沙箱進行。

實驗步驟：

(1)實驗槽準備：將實驗用明渠（如玻璃水槽、矩形或梯形斷面的木質(zhì)水槽）放置在水平或傾斜的實驗臺上。調(diào)整好渠道底坡（如果可調(diào)）。測量并記錄渠道的長度、寬度、邊坡系數(shù)（如有）。清潔渠道內(nèi)部，確保無雜物。

(2)量水堰/量水槽安裝：在渠道末端安裝量水堰或量水槽，用于測量流量。確保堰板或槽口與渠道底部齊平。測量堰/槽的幾何參數(shù)（如堰高、堰寬、槽口寬度等）。

(3)進口條件設(shè)置：在渠道上游安裝控制閥門和進水口，用于調(diào)節(jié)流量。確保進水口形狀規(guī)整，不產(chǎn)生不必要的渦流。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢開啟進水閥門，逐漸增大流量。觀察渠道中的水流狀態(tài)。使用量水堰/量水槽測量穩(wěn)定流量下的水位（堰上水頭或槽內(nèi)水位）。記錄不同流量下的水位和對應(yīng)的堰/槽流量系數(shù)（如需計算）。至少獲得3-5組有效數(shù)據(jù)。

(5)水面線測量（緩坡均勻流）：對于緩坡渠道，在達到均勻流狀態(tài)后（水流穩(wěn)定，斷面水深不變），測量渠道中不同斷面的水面高程。測量點應(yīng)沿渠道長度等間距布置，在渠道入口、末端以及中間關(guān)鍵位置。使用水準儀或標尺精確測量水面相對于基準面的高度。記錄每個測點的位置（距離起點距離）和水面高程。

(6)水面線測量（非均勻流，可選）：如果渠道坡度變化或設(shè)置了閘門/跌水等干擾物，可以測量非均勻流的水面線。方法同上，但要注意水流狀態(tài)的變化，可能需要在更多位置進行測量。

(7)臨界流現(xiàn)象觀察（可選）：在特定坡度或通過調(diào)整流量，可以觀察到水流從緩流過渡到急流的過程，即臨界流狀態(tài)。觀察并記錄臨界流發(fā)生的條件（如弗勞德數(shù)Fr=1的條件）和現(xiàn)象（如水面突然跌落的形態(tài)）。

(8)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有原始數(shù)據(jù)（流量、水位、測點位置、渠道幾何尺寸、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。

(9)結(jié)果分析與計算：

根據(jù)量測數(shù)據(jù)，計算各斷面的水深、斷面積A、濕周P、水力半徑R。

計算各斷面的流速v=Q/A。

繪制水面線圖，將測得的水面高程與對應(yīng)的位置關(guān)系繪制在坐標系中。

對于均勻流，計算理論正常水深y?，與實測水深比較。計算糙率n。

對于非均勻流，分析水面線的形態(tài)，與理論分析（如水力學教材中的水面線計算方法）比較。

分析實驗中觀察到的各種水流現(xiàn)象（如層流、湍流、臨界流、渦流等）。

討論實驗誤差和改進方法。

#水力學實驗作業(yè)指導書

一、實驗?zāi)康呐c意義

水力學實驗是學習和研究流體力學基本原理的重要手段，其主要目的和意義包括：

（一）驗證水力學基本理論

（二）掌握基本實驗技能

培養(yǎng)實驗操作能力，學會正確使用水力學實驗儀器設(shè)備，掌握數(shù)據(jù)測量、記錄和處理的方法。

（三）分析實際問題

（四）培養(yǎng)科學態(tài)度

培養(yǎng)嚴謹細致的科學實驗態(tài)度，提高觀察、分析和總結(jié)實驗結(jié)果的能力。

二、實驗設(shè)備與儀器

水力學實驗常用的設(shè)備與儀器包括：

（一）基礎(chǔ)設(shè)備

1.實驗水槽：用于水力學現(xiàn)象的觀察和測量，長度通常為1-2米，寬度為0.3-0.5米。

2.水泵：提供實驗所需的水源，流量范圍一般為0.01-0.1立方米/秒。

3.控制閥門：調(diào)節(jié)水流大小和實驗條件，包括進水閥、出水閥等。

（二）測量儀器

1.量水堰/量水槽：測量流量，常見類型包括三角形堰、矩形堰等。

2.壓力計：測量流體壓力，包括U型水銀壓力計、壓力表等。

3.流速儀：測量流體速度，常用類型包括旋槳式流速儀、電磁流速儀等。

4.比壓管：測量兩點之間的壓力差，由透明管組成，便于觀察。

5.液位計：測量液面高度，常用玻璃管或電子液位傳感器。

（三）輔助設(shè)備

1.轉(zhuǎn)子流量計：顯示流量大小，精度較高。

2.計時器：測量時間，常用電子計時器或秒表。

3.量筒/量杯：測量體積，精度要求較高。

4.溫度計：測量水溫，確保實驗條件穩(wěn)定。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜水壓力與深度成正比，方向垂直于作用面。

2.靜水壓強傳遞：帕斯卡原理，即施加于密閉流體上的壓強會等值傳遞到流體各處。

實驗步驟：

(1)按圖組裝實驗裝置，確保各部件連接緊密。

(2)向水槽注水至指定高度，觀察液面是否穩(wěn)定。

(3)連接壓力計，測量不同深度的靜水壓力。

(4)改變?nèi)萜餍螤?，驗證壓力傳遞規(guī)律。

(5)記錄數(shù)據(jù)并計算理論值與實驗值的偏差。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：流體質(zhì)量守恒，即A?v?=A?v?。

2.能量方程：伯努利方程，即能量守恒原理在流體中的應(yīng)用。

3.流體阻力：與流速、管徑、粗糙度等因素有關(guān)。

實驗步驟：

(1)搭建實驗管道，安裝測壓點和流量計。

(2)調(diào)節(jié)閥門，改變流量大小，觀察水頭損失變化。

(3)測量不同斷面的流速和壓力。

(4)計算雷諾數(shù)，分析流動狀態(tài)。

(5)改變管徑或粗糙度，重復實驗并比較結(jié)果。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：流量恒定，斷面流速分布均勻。

2.水面線變化：受渠道坡度、粗糙度等影響。

3.滲流現(xiàn)象：觀察和測量滲流過程。

實驗步驟：

(1)設(shè)置不同坡度的實驗渠道。

(2)調(diào)節(jié)流量，測量水面線高度。

(3)觀察不同粗糙度渠道的水面線形態(tài)。

(4)記錄臨界流態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

(5)分析實驗數(shù)據(jù)，驗證明渠流理論。

四、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

（一）數(shù)據(jù)記錄要求

1.使用實驗記錄表格，清晰標注各參數(shù)名稱和單位。

2.記錄原始數(shù)據(jù)時保留適當位數(shù)小數(shù)，一般保留3位。

3.記錄環(huán)境條件，如水溫、氣壓等。

4.對異常數(shù)據(jù)及時標注并分析原因。

（二）數(shù)據(jù)處理方法

1.計算基本參數(shù)：如流量、流速、壓力等。

2.繪制關(guān)系曲線：如壓力-深度關(guān)系曲線。

3.計算誤差分析：比較實驗值與理論值的偏差。

4.編寫實驗報告：包含實驗?zāi)康摹⒎椒?、?shù)據(jù)、結(jié)果和討論。

（三）安全注意事項

1.實驗前檢查設(shè)備是否完好，連接是否正確。

2.實驗過程中防止水濺出，保持實驗臺面干燥。

3.使用工具時注意安全，避免觸電風險。

4.實驗結(jié)束后及時清理設(shè)備，關(guān)閉水源電源。

五、實驗報告要求

1.標題：水力學實驗報告

2.內(nèi)容：實驗?zāi)康?、原理、步驟、數(shù)據(jù)、結(jié)果、分析

3.格式：按學校要求格式排版，包含圖表

4.要求：字數(shù)不少于2000字，圖表清晰

5.提交：按時提交電子版和紙質(zhì)版

六、常見問題解答

（一）如何提高實驗精度？

1.使用高精度測量儀器。

2.多次測量取平均值。

3.控制實驗環(huán)境條件穩(wěn)定。

4.減小人為讀數(shù)誤差。

（二）實驗數(shù)據(jù)異常如何處理？

1.檢查儀器是否正常工作。

2.分析可能影響因素。

3.重復實驗驗證結(jié)果。

4.記錄異常情況并分析原因。

（三）如何撰寫實驗報告？

1.按標準格式撰寫。

2.數(shù)據(jù)圖表清晰規(guī)范。

3.結(jié)果分析深入合理。

4.結(jié)論與研究目的對應(yīng)。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜止流體中，某點的壓力僅與該點的深度（相對于自由表面）和流體的密度有關(guān)，方向始終垂直于作用面。在重力作用下，靜水壓強隨深度增加而線性增大。其基本公式為：

p=p?+ρgh

其中：

p為某點的靜水壓強

p?為自由表面處的壓強（通常取大氣壓強）

ρ為流體的密度

g為重力加速度（約9.81m/s2）

h為該點在自由表面下的深度

這一特性可以通過U型管測壓計、水柱壓力計等裝置進行直觀驗證。

2.靜水壓強傳遞：根據(jù)帕斯卡原理，在密閉容器中，施加于流體任一部分的壓強，會大小不變地傳遞到流體的各個部分，并作用于器壁。這一原理在液壓系統(tǒng)（如千斤頂、液壓缸）中有廣泛應(yīng)用。實驗中可以通過向密閉容器注入液體并觀察各連接處壓力計讀數(shù)的變化來驗證。

實驗步驟：

(1)裝置組裝：按照實驗指導書圖示或教師演示，正確連接實驗裝置。這通常包括一個透明水箱（或容器），箱壁上裝有不同深度的測壓孔，連接到U型管測壓計或壓力傳感器。確保所有連接處密封良好，無泄漏。如有需要，使用橡皮管或軟管連接，并確保接口擰緊。檢查測壓計液面是否處于初始參考位置。

(2)初始狀態(tài)設(shè)置：將水箱注水至指定高度，例如距離箱頂0.5米處。觀察液面是否穩(wěn)定，無明顯晃動。關(guān)閉所有控制閥門，確保系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)。

(3)測壓點連接與讀數(shù)：將測壓計的上下兩端分別與水箱的測壓孔連接。確保連接牢固，無氣泡進入測壓管（如果是U型管水銀壓力計或水柱壓力計）。待液面穩(wěn)定后，讀取測壓計的液面高度差（h?和h?）。記錄測壓孔的深度（h）和對應(yīng)的壓力計讀數(shù)。注意區(qū)分測壓計液面的基準點，并確保讀數(shù)精確到最小分度值。

(4)驗證壓力隨深度變化：保持水箱水位不變，選擇箱壁上不同深度的測壓孔（例如，分別在水面下0.2米、0.4米、0.6米、0.8米處），重復步驟(3)，記錄各點的測壓計讀數(shù)和對應(yīng)深度。將測得的壓強（p=ρgh+p?，其中p?為大氣壓，可通過與大氣壓參考計比較得到或忽略，取決于實驗精度要求）與理論計算值（p=ρgh）進行比較。

(5)驗證帕斯卡原理（可選）：如果實驗裝置包含一個帶蓋的密閉容器，可以向其中注入適量液體。連接容器內(nèi)部不同位置的測壓計，施加一個小的壓力（例如用手指輕輕按壓蓋子），觀察并記錄各測壓計讀數(shù)的變化。同樣，可以改變施加壓力的大小或位置，重復觀察和記錄，驗證壓強傳遞的等值性。

(6)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有測得的原始數(shù)據(jù)（測壓孔深度、測壓計讀數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)包含足夠的行和列，并標注單位。

(7)結(jié)果分析與計算：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計算各點的實際壓強，并與理論值進行比較，計算相對誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因（如儀器精度、讀數(shù)誤差、環(huán)境溫度影響、管路氣穴等）。繪制壓強隨深度變化的關(guān)系圖，驗證線性關(guān)系。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：基于質(zhì)量守恒原理，對于不可壓縮流體（如水在常溫常壓下可近似視為不可壓縮），在穩(wěn)定流動中，流體通過管道任一斷面的質(zhì)量流量保持不變。即單位時間內(nèi)通過斷面的流體體積（流量）也保持不變。對于圓形管道，其表達式為：

A?v?=A?v?=Q

其中：

A為管道斷面積

v為管道斷面的平均流速

Q為體積流量

該原理表明，流束截面積增大處，流速減??；截面積減小處，流速增大。

2.伯努利方程：描述了在重力場中做穩(wěn)定流動的、密度不變的理想流體，沿流線方向上壓力、流速和位置高度之間的關(guān)系。其微分形式為：

dp+?ρv2+ρgh=常數(shù)

其中：

dp為沿流線壓強的微小變化

ρ為流體密度

v2/2為流體的動能密度

gh為流體的位能密度

簡單來說，流體在流動過程中，總能量（壓力能+動能+勢能）保持守恒。在兩斷面間，伯努利方程的積分形式為：

p?/ρg+v?2/2g+h?=p?/ρg+v?2/2g+h?

該方程常用于測量流速、計算水頭損失等。

3.流體阻力：實際流體運動時，由于內(nèi)部粘滯性和外部與邊界的摩擦，會產(chǎn)生能量損失，表現(xiàn)為水頭損失（hf）。水頭損失通常分為沿程水頭損失（hf_L，與管道長度成正比）和局部水頭損失（hf_L，發(fā)生在管道形狀變化處，如彎頭、閥門、入口等）?？偹^損失為兩者之和。沿程水頭損失常用達西-韋斯巴赫公式計算：

hf_L=f(L/D)(v2/2g)

其中：

f為達西摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)(Re)和管道相對粗糙度(ε/D)有關(guān)

L為管道長度

D為管道直徑

v為管道平均流速

實驗步驟：

(1)管道系統(tǒng)安裝：搭建實驗管道系統(tǒng)，通常包括一段直管、不同管徑的管段、閥門（調(diào)節(jié)閥、閘閥等）、流量計（如電磁流量計、渦輪流量計或玻璃轉(zhuǎn)子流量計）、測壓點（用橡皮管連接到U型管或數(shù)字壓力計）和尾門（用于測量出口壓力）。確保所有連接牢固，無滲漏。測量并記錄各段管道的直徑（D?,D?...）和長度（L）。

(2)測壓點布置：在直管段上等距離布置測壓點（例如，上下游各布置3-5個測點），距離閥門和流量計入口/出口有一定距離（至少10-20D），以減少局部干擾。記錄每個測壓點到管道入口的距離。如果使用U型管，注意連接時防止氣泡進入。

(3)系統(tǒng)預(yù)充與排氣：向管道系統(tǒng)緩慢充水，同時打開尾門，排出空氣。確保所有測壓點及流量計內(nèi)充滿液體，無氣泡。關(guān)閉尾門。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢打開進水閥和調(diào)節(jié)閥，逐漸增大流量。觀察流量計讀數(shù)和管道流動狀態(tài)（層流或湍流）。對于層流，應(yīng)能看到清晰的流線；對于湍流，流線不規(guī)則且雜亂。在每個穩(wěn)定流量下，記錄流量計的讀數(shù)（Q）。

(5)壓強測量：在每個穩(wěn)定流量下，依次記錄所有測壓點的壓強讀數(shù)（p）。對于U型管，讀取液面高度差；對于壓力傳感器，讀取電壓或數(shù)字信號。記錄環(huán)境溫度（可選，用于密度修正）。注意保持讀數(shù)穩(wěn)定后再記錄。

(6)不同工況測試：改變調(diào)節(jié)閥的開度，獲得多個不同的穩(wěn)定流量工況，重復步驟(4)和(5)，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。至少獲得5-7組有效數(shù)據(jù)。

(7)局部阻力測試（可選）：如果實驗裝置包含局部阻力部件（如彎頭、閥門），可以單獨測量其水頭損失。關(guān)閉直管段上的所有上游閥門（或堵?。?，只保留局部阻力部件前的測點1和局部阻力部件后的測點2，以及流量計和尾門。在某個穩(wěn)定流量下，記錄流量計讀數(shù)和測點1、測點2的壓強。計算該局部阻力部件造成的水頭損失hf_L=(p?-p?)/(ρg)。

(8)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有原始數(shù)據(jù)（流量、各測壓點壓強、測壓點位置、管道參數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)結(jié)構(gòu)合理，方便后續(xù)計算和繪圖。

(9)結(jié)果分析與計算：

計算各斷面的平均流速v=Q/A。

計算各測壓點的流速水頭v2/2g和測壓管水頭(p/ρg+z)。

繪制測壓管水頭線（總水頭線減去位置水頭z）和測速管水頭線（總水頭線），觀察其變化趨勢，并與理論（理想流體）比較。

根據(jù)測點1和測點2的數(shù)據(jù)，計算該段管道的水頭損失hf=(p?-p?)/(ρg)，并計算沿程水頭損失hf_L=hf-hf_局部（如果測量了局部損失）。

計算不同流量下的沿程摩擦系數(shù)f=hf_L/[L/(Dv2/2g)]。

計算雷諾數(shù)Re=ρvD/μ，其中μ為流體的運動粘度（水的運動粘度隨溫度變化，可查表獲得）。

繪制f隨Re的關(guān)系圖，與理論公式（如Blasius公式、Colebrook公式）或?qū)嶒炃€進行比較。

分析實驗結(jié)果，討論誤差來源，驗證連續(xù)性方程和伯努利方程。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：在長直、坡度不變、斷面形狀及尺寸沿程不變的渠道中，水流狀態(tài)穩(wěn)定，流量恒定，斷面流速分布沿程不變，水深（稱為正常水深）也沿程不變。其水力坡度（渠道底坡i）、水面坡度（S?）、水力半徑R和流速v之間存在關(guān)系：i=S?。

2.水面線變化：對于非均勻流，渠道中不同斷面的水深是變化的，形成水面線。水面線可以是緩坡上的緩流（緩坡緩流，水面線下降），陡坡上的急流（陡坡急流，水面線上升），或臨界坡上的臨界流。常用曼寧公式（Manning'sEquation）描述明渠均勻流：

Q=(1/n)AR^(2/3)S^(1/2)

其中：

Q為流量

n為渠道粗糙系數(shù)

A為渠道斷面積

R為水力半徑（R=A/P，P為濕周）

S為水力坡度（通常取渠道底坡）

3.滲流現(xiàn)象（達西定律）：當水流在多孔介質(zhì)（如沙土、巖石）中流動時，稱為滲流。滲流速度通常遠小于宏觀流速。達西定律描述了滲流速度v與水力梯度（水頭損失與滲流路徑長度之比）的關(guān)系：

v=k(i)=k(ΔH/L)

其中：

k為滲透系數(shù)，反映介質(zhì)透水能力

i或ΔH/L為水力梯度

明渠滲流實驗通常使用透水板或沙箱進行。

實驗步驟：

(1)實驗槽準備：將實驗用明渠（如玻璃水槽、矩形或梯形斷面的木質(zhì)水槽）放置在水平或傾斜的實驗臺上。調(diào)整好渠道底坡（如果可調(diào)）。測量并記錄渠道的長度、寬度、邊坡系數(shù)（如有）。清潔渠道內(nèi)部，確保無雜物。

(2)量水堰/量水槽安裝：在渠道末端安裝量水堰或量水槽，用于測量流量。確保堰板或槽口與渠道底部齊平。測量堰/槽的幾何參數(shù)（如堰高、堰寬、槽口寬度等）。

(3)進口條件設(shè)置：在渠道上游安裝控制閥門和進水口，用于調(diào)節(jié)流量。確保進水口形狀規(guī)整，不產(chǎn)生不必要的渦流。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢開啟進水閥門，逐漸增大流量。觀察渠道中的水流狀態(tài)。使用量水堰/量水槽測量穩(wěn)定流量下的水位（堰上水頭或槽內(nèi)水位）。記錄不同流量下的水位和對應(yīng)的堰/槽流量系數(shù)（如需計算）。至少獲得3-5組有效數(shù)據(jù)。

(5)水面線測量（緩坡均勻流）：對于緩坡渠道，在達到均勻流狀態(tài)后（水流穩(wěn)定，斷面水深不變），測量渠道中不同斷面的水面高程。測量點應(yīng)沿渠道長度等間距布置，在渠道入口、末端以及中間關(guān)鍵位置。使用水準儀或標尺精確測量水面相對于基準面的高度。記錄每個測點的位置（距離起點距離）和水面高程。

(6)水面線測量（非均勻流，可選）：如果渠道坡度變化或設(shè)置了閘門/跌水等干擾物，可以測量非均勻流的水面線。方法同上，但要注意水流狀態(tài)的變化，可能需要在更多位置進行測量。

(7)臨界流現(xiàn)象觀察（可選）：在特定坡度或通過調(diào)整流量，可以觀察到水流從緩流過渡到急流的過程，即臨界流狀態(tài)。觀察并記錄臨界流發(fā)生的條件（如弗勞德數(shù)Fr=1的條件）和現(xiàn)象（如水面突然跌落的形態(tài)）。

(8)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有原始數(shù)據(jù)（流量、水位、測點位置、渠道幾何尺寸、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。

(9)結(jié)果分析與計算：

根據(jù)量測數(shù)據(jù)，計算各斷面的水深、斷面積A、濕周P、水力半徑R。

計算各斷面的流速v=Q/A。

繪制水面線圖，將測得的水面高程與對應(yīng)的位置關(guān)系繪制在坐標系中。

對于均勻流，計算理論正常水深y?，與實測水深比較。計算糙率n。

對于非均勻流，分析水面線的形態(tài)，與理論分析（如水力學教材中的水面線計算方法）比較。

分析實驗中觀察到的各種水流現(xiàn)象（如層流、湍流、臨界流、渦流等）。

討論實驗誤差和改進方法。

#水力學實驗作業(yè)指導書

一、實驗?zāi)康呐c意義

水力學實驗是學習和研究流體力學基本原理的重要手段，其主要目的和意義包括：

（一）驗證水力學基本理論

（二）掌握基本實驗技能

培養(yǎng)實驗操作能力，學會正確使用水力學實驗儀器設(shè)備，掌握數(shù)據(jù)測量、記錄和處理的方法。

（三）分析實際問題

（四）培養(yǎng)科學態(tài)度

培養(yǎng)嚴謹細致的科學實驗態(tài)度，提高觀察、分析和總結(jié)實驗結(jié)果的能力。

二、實驗設(shè)備與儀器

水力學實驗常用的設(shè)備與儀器包括：

（一）基礎(chǔ)設(shè)備

1.實驗水槽：用于水力學現(xiàn)象的觀察和測量，長度通常為1-2米，寬度為0.3-0.5米。

2.水泵：提供實驗所需的水源，流量范圍一般為0.01-0.1立方米/秒。

3.控制閥門：調(diào)節(jié)水流大小和實驗條件，包括進水閥、出水閥等。

（二）測量儀器

1.量水堰/量水槽：測量流量，常見類型包括三角形堰、矩形堰等。

2.壓力計：測量流體壓力，包括U型水銀壓力計、壓力表等。

3.流速儀：測量流體速度，常用類型包括旋槳式流速儀、電磁流速儀等。

4.比壓管：測量兩點之間的壓力差，由透明管組成，便于觀察。

5.液位計：測量液面高度，常用玻璃管或電子液位傳感器。

（三）輔助設(shè)備

1.轉(zhuǎn)子流量計：顯示流量大小，精度較高。

2.計時器：測量時間，常用電子計時器或秒表。

3.量筒/量杯：測量體積，精度要求較高。

4.溫度計：測量水溫，確保實驗條件穩(wěn)定。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜水壓力與深度成正比，方向垂直于作用面。

2.靜水壓強傳遞：帕斯卡原理，即施加于密閉流體上的壓強會等值傳遞到流體各處。

實驗步驟：

(1)按圖組裝實驗裝置，確保各部件連接緊密。

(2)向水槽注水至指定高度，觀察液面是否穩(wěn)定。

(3)連接壓力計，測量不同深度的靜水壓力。

(4)改變?nèi)萜餍螤?，驗證壓力傳遞規(guī)律。

(5)記錄數(shù)據(jù)并計算理論值與實驗值的偏差。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：流體質(zhì)量守恒，即A?v?=A?v?。

2.能量方程：伯努利方程，即能量守恒原理在流體中的應(yīng)用。

3.流體阻力：與流速、管徑、粗糙度等因素有關(guān)。

實驗步驟：

(1)搭建實驗管道，安裝測壓點和流量計。

(2)調(diào)節(jié)閥門，改變流量大小，觀察水頭損失變化。

(3)測量不同斷面的流速和壓力。

(4)計算雷諾數(shù)，分析流動狀態(tài)。

(5)改變管徑或粗糙度，重復實驗并比較結(jié)果。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：流量恒定，斷面流速分布均勻。

2.水面線變化：受渠道坡度、粗糙度等影響。

3.滲流現(xiàn)象：觀察和測量滲流過程。

實驗步驟：

(1)設(shè)置不同坡度的實驗渠道。

(2)調(diào)節(jié)流量，測量水面線高度。

(3)觀察不同粗糙度渠道的水面線形態(tài)。

(4)記錄臨界流態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

(5)分析實驗數(shù)據(jù)，驗證明渠流理論。

四、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

（一）數(shù)據(jù)記錄要求

1.使用實驗記錄表格，清晰標注各參數(shù)名稱和單位。

2.記錄原始數(shù)據(jù)時保留適當位數(shù)小數(shù)，一般保留3位。

3.記錄環(huán)境條件，如水溫、氣壓等。

4.對異常數(shù)據(jù)及時標注并分析原因。

（二）數(shù)據(jù)處理方法

1.計算基本參數(shù)：如流量、流速、壓力等。

2.繪制關(guān)系曲線：如壓力-深度關(guān)系曲線。

3.計算誤差分析：比較實驗值與理論值的偏差。

4.編寫實驗報告：包含實驗?zāi)康摹⒎椒?、?shù)據(jù)、結(jié)果和討論。

（三）安全注意事項

1.實驗前檢查設(shè)備是否完好，連接是否正確。

2.實驗過程中防止水濺出，保持實驗臺面干燥。

3.使用工具時注意安全，避免觸電風險。

4.實驗結(jié)束后及時清理設(shè)備，關(guān)閉水源電源。

五、實驗報告要求

1.標題：水力學實驗報告

2.內(nèi)容：實驗?zāi)康?、原理、步驟、數(shù)據(jù)、結(jié)果、分析

3.格式：按學校要求格式排版，包含圖表

4.要求：字數(shù)不少于2000字，圖表清晰

5.提交：按時提交電子版和紙質(zhì)版

六、常見問題解答

（一）如何提高實驗精度？

1.使用高精度測量儀器。

2.多次測量取平均值。

3.控制實驗環(huán)境條件穩(wěn)定。

4.減小人為讀數(shù)誤差。

（二）實驗數(shù)據(jù)異常如何處理？

1.檢查儀器是否正常工作。

2.分析可能影響因素。

3.重復實驗驗證結(jié)果。

4.記錄異常情況并分析原因。

（三）如何撰寫實驗報告？

1.按標準格式撰寫。

2.數(shù)據(jù)圖表清晰規(guī)范。

3.結(jié)果分析深入合理。

4.結(jié)論與研究目的對應(yīng)。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜止流體中，某點的壓力僅與該點的深度（相對于自由表面）和流體的密度有關(guān)，方向始終垂直于作用面。在重力作用下，靜水壓強隨深度增加而線性增大。其基本公式為：

p=p?+ρgh

其中：

p為某點的靜水壓強

p?為自由表面處的壓強（通常取大氣壓強）

ρ為流體的密度

g為重力加速度（約9.81m/s2）

h為該點在自由表面下的深度

這一特性可以通過U型管測壓計、水柱壓力計等裝置進行直觀驗證。

2.靜水壓強傳遞：根據(jù)帕斯卡原理，在密閉容器中，施加于流體任一部分的壓強，會大小不變地傳遞到流體的各個部分，并作用于器壁。這一原理在液壓系統(tǒng)（如千斤頂、液壓缸）中有廣泛應(yīng)用。實驗中可以通過向密閉容器注入液體并觀察各連接處壓力計讀數(shù)的變化來驗證。

實驗步驟：

(1)裝置組裝：按照實驗指導書圖示或教師演示，正確連接實驗裝置。這通常包括一個透明水箱（或容器），箱壁上裝有不同深度的測壓孔，連接到U型管測壓計或壓力傳感器。確保所有連接處密封良好，無泄漏。如有需要，使用橡皮管或軟管連接，并確保接口擰緊。檢查測壓計液面是否處于初始參考位置。

(2)初始狀態(tài)設(shè)置：將水箱注水至指定高度，例如距離箱頂0.5米處。觀察液面是否穩(wěn)定，無明顯晃動。關(guān)閉所有控制閥門，確保系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)。

(3)測壓點連接與讀數(shù)：將測壓計的上下兩端分別與水箱的測壓孔連接。確保連接牢固，無氣泡進入測壓管（如果是U型管水銀壓力計或水柱壓力計）。待液面穩(wěn)定后，讀取測壓計的液面高度差（h?和h?）。記錄測壓孔的深度（h）和對應(yīng)的壓力計讀數(shù)。注意區(qū)分測壓計液面的基準點，并確保讀數(shù)精確到最小分度值。

(4)驗證壓力隨深度變化：保持水箱水位不變，選擇箱壁上不同深度的測壓孔（例如，分別在水面下0.2米、0.4米、0.6米、0.8米處），重復步驟(3)，記錄各點的測壓計讀數(shù)和對應(yīng)深度。將測得的壓強（p=ρgh+p?，其中p?為大氣壓，可通過與大氣壓參考計比較得到或忽略，取決于實驗精度要求）與理論計算值（p=ρgh）進行比較。

(5)驗證帕斯卡原理（可選）：如果實驗裝置包含一個帶蓋的密閉容器，可以向其中注入適量液體。連接容器內(nèi)部不同位置的測壓計，施加一個小的壓力（例如用手指輕輕按壓蓋子），觀察并記錄各測壓計讀數(shù)的變化。同樣，可以改變施加壓力的大小或位置，重復觀察和記錄，驗證壓強傳遞的等值性。

(6)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有測得的原始數(shù)據(jù)（測壓孔深度、測壓計讀數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)包含足夠的行和列，并標注單位。

(7)結(jié)果分析與計算：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計算各點的實際壓強，并與理論值進行比較，計算相對誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因（如儀器精度、讀數(shù)誤差、環(huán)境溫度影響、管路氣穴等）。繪制壓強隨深度變化的關(guān)系圖，驗證線性關(guān)系。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：基于質(zhì)量守恒原理，對于不可壓縮流體（如水在常溫常壓下可近似視為不可壓縮），在穩(wěn)定流動中，流體通過管道任一斷面的質(zhì)量流量保持不變。即單位時間內(nèi)通過斷面的流體體積（流量）也保持不變。對于圓形管道，其表達式為：

A?v?=A?v?=Q

其中：

A為管道斷面積

v為管道斷面的平均流速

Q為體積流量

該原理表明，流束截面積增大處，流速減?。唤孛娣e減小處，流速增大。

2.伯努利方程：描述了在重力場中做穩(wěn)定流動的、密度不變的理想流體，沿流線方向上壓力、流速和位置高度之間的關(guān)系。其微分形式為：

dp+?ρv2+ρgh=常數(shù)

其中：

dp為沿流線壓強的微小變化

ρ為流體密度

v2/2為流體的動能密度

gh為流體的位能密度

簡單來說，流體在流動過程中，總能量（壓力能+動能+勢能）保持守恒。在兩斷面間，伯努利方程的積分形式為：

p?/ρg+v?2/2g+h?=p?/ρg+v?2/2g+h?

該方程常用于測量流速、計算水頭損失等。

3.流體阻力：實際流體運動時，由于內(nèi)部粘滯性和外部與邊界的摩擦，會產(chǎn)生能量損失，表現(xiàn)為水頭損失（hf）。水頭損失通常分為沿程水頭損失（hf_L，與管道長度成正比）和局部水頭損失（hf_L，發(fā)生在管道形狀變化處，如彎頭、閥門、入口等）。總水頭損失為兩者之和。沿程水頭損失常用達西-韋斯巴赫公式計算：

hf_L=f(L/D)(v2/2g)

其中：

f為達西摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)(Re)和管道相對粗糙度(ε/D)有關(guān)

L為管道長度

D為管道直徑

v為管道平均流速

實驗步驟：

(1)管道系統(tǒng)安裝：搭建實驗管道系統(tǒng)，通常包括一段直管、不同管徑的管段、閥門（調(diào)節(jié)閥、閘閥等）、流量計（如電磁流量計、渦輪流量計或玻璃轉(zhuǎn)子流量計）、測壓點（用橡皮管連接到U型管或數(shù)字壓力計）和尾門（用于測量出口壓力）。確保所有連接牢固，無滲漏。測量并記錄各段管道的直徑（D?,D?...）和長度（L）。

(2)測壓點布置：在直管段上等距離布置測壓點（例如，上下游各布置3-5個測點），距離閥門和流量計入口/出口有一定距離（至少10-20D），以減少局部干擾。記錄每個測壓點到管道入口的距離。如果使用U型管，注意連接時防止氣泡進入。

(3)系統(tǒng)預(yù)充與排氣：向管道系統(tǒng)緩慢充水，同時打開尾門，排出空氣。確保所有測壓點及流量計內(nèi)充滿液體，無氣泡。關(guān)閉尾門。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢打開進水閥和調(diào)節(jié)閥，逐漸增大流量。觀察流量計讀數(shù)和管道流動狀態(tài)（層流或湍流）。對于層流，應(yīng)能看到清晰的流線；對于湍流，流線不規(guī)則且雜亂。在每個穩(wěn)定流量下，記錄流量計的讀數(shù)（Q）。

(5)壓強測量：在每個穩(wěn)定流量下，依次記錄所有測壓點的壓強讀數(shù)（p）。對于U型管，讀取液面高度差；對于壓力傳感器，讀取電壓或數(shù)字信號。記錄環(huán)境溫度（可選，用于密度修正）。注意保持讀數(shù)穩(wěn)定后再記錄。

(6)不同工況測試：改變調(diào)節(jié)閥的開度，獲得多個不同的穩(wěn)定流量工況，重復步驟(4)和(5)，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。至少獲得5-7組有效數(shù)據(jù)。

(7)局部阻力測試（可選）：如果實驗裝置包含局部阻力部件（如彎頭、閥門），可以單獨測量其水頭損失。關(guān)閉直管段上的所有上游閥門（或堵住），只保留局部阻力部件前的測點1和局部阻力部件后的測點2，以及流量計和尾門。在某個穩(wěn)定流量下，記錄流量計讀數(shù)和測點1、測點2的壓強。計算該局部阻力部件造成的水頭損失hf_L=(p?-p?)/(ρg)。

(8)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有原始數(shù)據(jù)（流量、各測壓點壓強、測壓點位置、管道參數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)結(jié)構(gòu)合理，方便后續(xù)計算和繪圖。

(9)結(jié)果分析與計算：

計算各斷面的平均流速v=Q/A。

計算各測壓點的流速水頭v2/2g和測壓管水頭(p/ρg+z)。

繪制測壓管水頭線（總水頭線減去位置水頭z）和測速管水頭線（總水頭線），觀察其變化趨勢，并與理論（理想流體）比較。

根據(jù)測點1和測點2的數(shù)據(jù)，計算該段管道的水頭損失hf=(p?-p?)/(ρg)，并計算沿程水頭損失hf_L=hf-hf_局部（如果測量了局部損失）。

計算不同流量下的沿程摩擦系數(shù)f=hf_L/[L/(Dv2/2g)]。

計算雷諾數(shù)Re=ρvD/μ，其中μ為流體的運動粘度（水的運動粘度隨溫度變化，可查表獲得）。

繪制f隨Re的關(guān)系圖，與理論公式（如Blasius公式、Colebrook公式）或?qū)嶒炃€進行比較。

分析實驗結(jié)果，討論誤差來源，驗證連續(xù)性方程和伯努利方程。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：在長直、坡度不變、斷面形狀及尺寸沿程不變的渠道中，水流狀態(tài)穩(wěn)定，流量恒定，斷面流速分布沿程不變，水深（稱為正常水深）也沿程不變。其水力坡度（渠道底坡i）、水面坡度（S?）、水力半徑R和流速v之間存在關(guān)系：i=S?。

2.水面線變化：對于非均勻流，渠道中不同斷面的水深是變化的，形成水面線。水面線可以是緩坡上的緩流（緩坡緩流，水面線下降），陡坡上的急流（陡坡急流，水面線上升），或臨界坡上的臨界流。常用曼寧公式（Manning'sEquation）描述明渠均勻流：

Q=(1/n)AR^(2/3)S^(1/2)

其中：

Q為流量

n為渠道粗糙系數(shù)

A為渠道斷面積

R為水力半徑（R=A/P，P為濕周）

S為水力坡度（通常取渠道底坡）

3.滲流現(xiàn)象（達西定律）：當水流在多孔介質(zhì)（如沙土、巖石）中流動時，稱為滲流。滲流速度通常遠小于宏觀流速。達西定律描述了滲流速度v與水力梯度（水頭損失與滲流路徑長度之比）的關(guān)系：

v=k(i)=k(ΔH/L)

其中：

k為滲透系數(shù)，反映介質(zhì)透水能力

i或ΔH/L為水力梯度

明渠滲流實驗通常使用透水板或沙箱進行。

實驗步驟：

(1)實驗槽準備：將實驗用明渠（如玻璃水槽、矩形或梯形斷面的木質(zhì)水槽）放置在水平或傾斜的實驗臺上。調(diào)整好渠道底坡（如果可調(diào)）。測量并記錄渠道的長度、寬度、邊坡系數(shù)（如有）。清潔渠道內(nèi)部，確保無雜物。

(2)量水堰/量水槽安裝：在渠道末端安裝量水堰或量水槽，用于測量流量。確保堰板或槽口與渠道底部齊平。測量堰/槽的幾何參數(shù)（如堰高、堰寬、槽口寬度等）。

(3)進口條件設(shè)置：在渠道上游安裝控制閥門和進水口，用于調(diào)節(jié)流量。確保進水口形狀規(guī)整，不產(chǎn)生不必要的渦流。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢開啟進水閥門，逐漸增大流量。觀察渠道中的水流狀態(tài)。使用量水堰/量水槽測量穩(wěn)定流量下的水位（堰上水頭或槽內(nèi)水位）。記錄不同流量下的水位和對應(yīng)的堰/槽流量系數(shù)（如需計算）。至少獲得3-5組有效數(shù)據(jù)。

(5)水面線測量（緩坡均勻流）：對于緩坡渠道，在達到均勻流狀態(tài)后（水流穩(wěn)定，斷面水深不變），測量渠道中不同斷面的水面高程。測量點應(yīng)沿渠道長度等間距布置，在渠道入口、末端以及中間關(guān)鍵位置。使用水準儀或標尺精確測量水面相對于基準面的高度。記錄每個測點的位置（距離起點距離）和水面高程。

(6)水面線測量（非均勻流，可選）：如果渠道坡度變化或設(shè)置了閘門/跌水等干擾物，可以測量非均勻流的水面線。方法同上，但要注意水流狀態(tài)的變化，可能需要在更多位置進行測量。

(7)臨界流現(xiàn)象觀察（可選）：在特定坡度或通過調(diào)整流量，可以觀察到水流從緩流過渡到急流的過程，即臨界流狀態(tài)。觀察并記錄臨界流發(fā)生的條件（如弗勞德數(shù)Fr=1的條件）和現(xiàn)象（如水面突然跌落的形態(tài)）。

(8)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有原始數(shù)據(jù)（流量、水位、測點位置、渠道幾何尺寸、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。

(9)結(jié)果分析與計算：

根據(jù)量測數(shù)據(jù)，計算各斷面的水深、斷面積A、濕周P、水力半徑R。

計算各斷面的流速v=Q/A。

繪制水面線圖，將測得的水面高程與對應(yīng)的位置關(guān)系繪制在坐標系中。

對于均勻流，計算理論正常水深y?，與實測水深比較。計算糙率n。

對于非均勻流，分析水面線的形態(tài)，與理論分析（如水力學教材中的水面線計算方法）比較。

分析實驗中觀察到的各種水流現(xiàn)象（如層流、湍流、臨界流、渦流等）。

討論實驗誤差和改進方法。

#水力學實驗作業(yè)指導書

一、實驗?zāi)康呐c意義

水力學實驗是學習和研究流體力學基本原理的重要手段，其主要目的和意義包括：

（一）驗證水力學基本理論

（二）掌握基本實驗技能

培養(yǎng)實驗操作能力，學會正確使用水力學實驗儀器設(shè)備，掌握數(shù)據(jù)測量、記錄和處理的方法。

（三）分析實際問題

（四）培養(yǎng)科學態(tài)度

培養(yǎng)嚴謹細致的科學實驗態(tài)度，提高觀察、分析和總結(jié)實驗結(jié)果的能力。

二、實驗設(shè)備與儀器

水力學實驗常用的設(shè)備與儀器包括：

（一）基礎(chǔ)設(shè)備

1.實驗水槽：用于水力學現(xiàn)象的觀察和測量，長度通常為1-2米，寬度為0.3-0.5米。

2.水泵：提供實驗所需的水源，流量范圍一般為0.01-0.1立方米/秒。

3.控制閥門：調(diào)節(jié)水流大小和實驗條件，包括進水閥、出水閥等。

（二）測量儀器

1.量水堰/量水槽：測量流量，常見類型包括三角形堰、矩形堰等。

2.壓力計：測量流體壓力，包括U型水銀壓力計、壓力表等。

3.流速儀：測量流體速度，常用類型包括旋槳式流速儀、電磁流速儀等。

4.比壓管：測量兩點之間的壓力差，由透明管組成，便于觀察。

5.液位計：測量液面高度，常用玻璃管或電子液位傳感器。

（三）輔助設(shè)備

1.轉(zhuǎn)子流量計：顯示流量大小，精度較高。

2.計時器：測量時間，常用電子計時器或秒表。

3.量筒/量杯：測量體積，精度要求較高。

4.溫度計：測量水溫，確保實驗條件穩(wěn)定。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜水壓力與深度成正比，方向垂直于作用面。

2.靜水壓強傳遞：帕斯卡原理，即施加于密閉流體上的壓強會等值傳遞到流體各處。

實驗步驟：

(1)按圖組裝實驗裝置，確保各部件連接緊密。

(2)向水槽注水至指定高度，觀察液面是否穩(wěn)定。

(3)連接壓力計，測量不同深度的靜水壓力。

(4)改變?nèi)萜餍螤睿炞C壓力傳遞規(guī)律。

(5)記錄數(shù)據(jù)并計算理論值與實驗值的偏差。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：流體質(zhì)量守恒，即A?v?=A?v?。

2.能量方程：伯努利方程，即能量守恒原理在流體中的應(yīng)用。

3.流體阻力：與流速、管徑、粗糙度等因素有關(guān)。

實驗步驟：

(1)搭建實驗管道，安裝測壓點和流量計。

(2)調(diào)節(jié)閥門，改變流量大小，觀察水頭損失變化。

(3)測量不同斷面的流速和壓力。

(4)計算雷諾數(shù)，分析流動狀態(tài)。

(5)改變管徑或粗糙度，重復實驗并比較結(jié)果。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：流量恒定，斷面流速分布均勻。

2.水面線變化：受渠道坡度、粗糙度等影響。

3.滲流現(xiàn)象：觀察和測量滲流過程。

實驗步驟：

(1)設(shè)置不同坡度的實驗渠道。

(2)調(diào)節(jié)流量，測量水面線高度。

(3)觀察不同粗糙度渠道的水面線形態(tài)。

(4)記錄臨界流態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

(5)分析實驗數(shù)據(jù)，驗證明渠流理論。

四、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

（一）數(shù)據(jù)記錄要求

1.使用實驗記錄表格，清晰標注各參數(shù)名稱和單位。

2.記錄原始數(shù)據(jù)時保留適當位數(shù)小數(shù)，一般保留3位。

3.記錄環(huán)境條件，如水溫、氣壓等。

4.對異常數(shù)據(jù)及時標注并分析原因。

（二）數(shù)據(jù)處理方法

1.計算基本參數(shù)：如流量、流速、壓力等。

2.繪制關(guān)系曲線：如壓力-深度關(guān)系曲線。

3.計算誤差分析：比較實驗值與理論值的偏差。

4.編寫實驗報告：包含實驗?zāi)康?、方法、?shù)據(jù)、結(jié)果和討論。

（三）安全注意事項

1.實驗前檢查設(shè)備是否完好，連接是否正確。

2.實驗過程中防止水濺出，保持實驗臺面干燥。

3.使用工具時注意安全，避免觸電風險。

4.實驗結(jié)束后及時清理設(shè)備，關(guān)閉水源電源。

五、實驗報告要求

1.標題：水力學實驗報告

2.內(nèi)容：實驗?zāi)康摹⒃?、步驟、數(shù)據(jù)、結(jié)果、分析

3.格式：按學校要求格式排版，包含圖表

4.要求：字數(shù)不少于2000字，圖表清晰

5.提交：按時提交電子版和紙質(zhì)版

六、常見問題解答

（一）如何提高實驗精度？

1.使用高精度測量儀器。

2.多次測量取平均值。

3.控制實驗環(huán)境條件穩(wěn)定。

4.減小人為讀數(shù)誤差。

（二）實驗數(shù)據(jù)異常如何處理？

1.檢查儀器是否正常工作。

2.分析可能影響因素。

3.重復實驗驗證結(jié)果。

4.記錄異常情況并分析原因。

（三）如何撰寫實驗報告？

1.按標準格式撰寫。

2.數(shù)據(jù)圖表清晰規(guī)范。

3.結(jié)果分析深入合理。

4.結(jié)論與研究目的對應(yīng)。

三、實驗原理與方法

（一）流體靜力學實驗

流體靜力學研究流體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.靜水壓力特性：靜止流體中，某點的壓力僅與該點的深度（相對于自由表面）和流體的密度有關(guān)，方向始終垂直于作用面。在重力作用下，靜水壓強隨深度增加而線性增大。其基本公式為：

p=p?+ρgh

其中：

p為某點的靜水壓強

p?為自由表面處的壓強（通常取大氣壓強）

ρ為流體的密度

g為重力加速度（約9.81m/s2）

h為該點在自由表面下的深度

這一特性可以通過U型管測壓計、水柱壓力計等裝置進行直觀驗證。

2.靜水壓強傳遞：根據(jù)帕斯卡原理，在密閉容器中，施加于流體任一部分的壓強，會大小不變地傳遞到流體的各個部分，并作用于器壁。這一原理在液壓系統(tǒng)（如千斤頂、液壓缸）中有廣泛應(yīng)用。實驗中可以通過向密閉容器注入液體并觀察各連接處壓力計讀數(shù)的變化來驗證。

實驗步驟：

(1)裝置組裝：按照實驗指導書圖示或教師演示，正確連接實驗裝置。這通常包括一個透明水箱（或容器），箱壁上裝有不同深度的測壓孔，連接到U型管測壓計或壓力傳感器。確保所有連接處密封良好，無泄漏。如有需要，使用橡皮管或軟管連接，并確保接口擰緊。檢查測壓計液面是否處于初始參考位置。

(2)初始狀態(tài)設(shè)置：將水箱注水至指定高度，例如距離箱頂0.5米處。觀察液面是否穩(wěn)定，無明顯晃動。關(guān)閉所有控制閥門，確保系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)。

(3)測壓點連接與讀數(shù)：將測壓計的上下兩端分別與水箱的測壓孔連接。確保連接牢固，無氣泡進入測壓管（如果是U型管水銀壓力計或水柱壓力計）。待液面穩(wěn)定后，讀取測壓計的液面高度差（h?和h?）。記錄測壓孔的深度（h）和對應(yīng)的壓力計讀數(shù)。注意區(qū)分測壓計液面的基準點，并確保讀數(shù)精確到最小分度值。

(4)驗證壓力隨深度變化：保持水箱水位不變，選擇箱壁上不同深度的測壓孔（例如，分別在水面下0.2米、0.4米、0.6米、0.8米處），重復步驟(3)，記錄各點的測壓計讀數(shù)和對應(yīng)深度。將測得的壓強（p=ρgh+p?，其中p?為大氣壓，可通過與大氣壓參考計比較得到或忽略，取決于實驗精度要求）與理論計算值（p=ρgh）進行比較。

(5)驗證帕斯卡原理（可選）：如果實驗裝置包含一個帶蓋的密閉容器，可以向其中注入適量液體。連接容器內(nèi)部不同位置的測壓計，施加一個小的壓力（例如用手指輕輕按壓蓋子），觀察并記錄各測壓計讀數(shù)的變化。同樣，可以改變施加壓力的大小或位置，重復觀察和記錄，驗證壓強傳遞的等值性。

(6)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有測得的原始數(shù)據(jù)（測壓孔深度、測壓計讀數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)包含足夠的行和列，并標注單位。

(7)結(jié)果分析與計算：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計算各點的實際壓強，并與理論值進行比較，計算相對誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因（如儀器精度、讀數(shù)誤差、環(huán)境溫度影響、管路氣穴等）。繪制壓強隨深度變化的關(guān)系圖，驗證線性關(guān)系。

（二）流體動力學實驗

流體動力學研究流體運動規(guī)律，主要實驗原理包括：

1.連續(xù)性方程：基于質(zhì)量守恒原理，對于不可壓縮流體（如水在常溫常壓下可近似視為不可壓縮），在穩(wěn)定流動中，流體通過管道任一斷面的質(zhì)量流量保持不變。即單位時間內(nèi)通過斷面的流體體積（流量）也保持不變。對于圓形管道，其表達式為：

A?v?=A?v?=Q

其中：

A為管道斷面積

v為管道斷面的平均流速

Q為體積流量

該原理表明，流束截面積增大處，流速減??；截面積減小處，流速增大。

2.伯努利方程：描述了在重力場中做穩(wěn)定流動的、密度不變的理想流體，沿流線方向上壓力、流速和位置高度之間的關(guān)系。其微分形式為：

dp+?ρv2+ρgh=常數(shù)

其中：

dp為沿流線壓強的微小變化

ρ為流體密度

v2/2為流體的動能密度

gh為流體的位能密度

簡單來說，流體在流動過程中，總能量（壓力能+動能+勢能）保持守恒。在兩斷面間，伯努利方程的積分形式為：

p?/ρg+v?2/2g+h?=p?/ρg+v?2/2g+h?

該方程常用于測量流速、計算水頭損失等。

3.流體阻力：實際流體運動時，由于內(nèi)部粘滯性和外部與邊界的摩擦，會產(chǎn)生能量損失，表現(xiàn)為水頭損失（hf）。水頭損失通常分為沿程水頭損失（hf_L，與管道長度成正比）和局部水頭損失（hf_L，發(fā)生在管道形狀變化處，如彎頭、閥門、入口等）?？偹^損失為兩者之和。沿程水頭損失常用達西-韋斯巴赫公式計算：

hf_L=f(L/D)(v2/2g)

其中：

f為達西摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)(Re)和管道相對粗糙度(ε/D)有關(guān)

L為管道長度

D為管道直徑

v為管道平均流速

實驗步驟：

(1)管道系統(tǒng)安裝：搭建實驗管道系統(tǒng)，通常包括一段直管、不同管徑的管段、閥門（調(diào)節(jié)閥、閘閥等）、流量計（如電磁流量計、渦輪流量計或玻璃轉(zhuǎn)子流量計）、測壓點（用橡皮管連接到U型管或數(shù)字壓力計）和尾門（用于測量出口壓力）。確保所有連接牢固，無滲漏。測量并記錄各段管道的直徑（D?,D?...）和長度（L）。

(2)測壓點布置：在直管段上等距離布置測壓點（例如，上下游各布置3-5個測點），距離閥門和流量計入口/出口有一定距離（至少10-20D），以減少局部干擾。記錄每個測壓點到管道入口的距離。如果使用U型管，注意連接時防止氣泡進入。

(3)系統(tǒng)預(yù)充與排氣：向管道系統(tǒng)緩慢充水，同時打開尾門，排出空氣。確保所有測壓點及流量計內(nèi)充滿液體，無氣泡。關(guān)閉尾門。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢打開進水閥和調(diào)節(jié)閥，逐漸增大流量。觀察流量計讀數(shù)和管道流動狀態(tài)（層流或湍流）。對于層流，應(yīng)能看到清晰的流線；對于湍流，流線不規(guī)則且雜亂。在每個穩(wěn)定流量下，記錄流量計的讀數(shù)（Q）。

(5)壓強測量：在每個穩(wěn)定流量下，依次記錄所有測壓點的壓強讀數(shù)（p）。對于U型管，讀取液面高度差；對于壓力傳感器，讀取電壓或數(shù)字信號。記錄環(huán)境溫度（可選，用于密度修正）。注意保持讀數(shù)穩(wěn)定后再記錄。

(6)不同工況測試：改變調(diào)節(jié)閥的開度，獲得多個不同的穩(wěn)定流量工況，重復步驟(4)和(5)，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。至少獲得5-7組有效數(shù)據(jù)。

(7)局部阻力測試（可選）：如果實驗裝置包含局部阻力部件（如彎頭、閥門），可以單獨測量其水頭損失。關(guān)閉直管段上的所有上游閥門（或堵?。槐Ａ艟植孔枇Σ考暗臏y點1和局部阻力部件后的測點2，以及流量計和尾門。在某個穩(wěn)定流量下，記錄流量計讀數(shù)和測點1、測點2的壓強。計算該局部阻力部件造成的水頭損失hf_L=(p?-p?)/(ρg)。

(8)數(shù)據(jù)記錄與整理：將所有原始數(shù)據(jù)（流量、各測壓點壓強、測壓點位置、管道參數(shù)、環(huán)境溫度等）清晰、準確地記錄在預(yù)先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格中。表格應(yīng)結(jié)構(gòu)合理，方便后續(xù)計算和繪圖。

(9)結(jié)果分析與計算：

計算各斷面的平均流速v=Q/A。

計算各測壓點的流速水頭v2/2g和測壓管水頭(p/ρg+z)。

繪制測壓管水頭線（總水頭線減去位置水頭z）和測速管水頭線（總水頭線），觀察其變化趨勢，并與理論（理想流體）比較。

根據(jù)測點1和測點2的數(shù)據(jù)，計算該段管道的水頭損失hf=(p?-p?)/(ρg)，并計算沿程水頭損失hf_L=hf-hf_局部（如果測量了局部損失）。

計算不同流量下的沿程摩擦系數(shù)f=hf_L/[L/(Dv2/2g)]。

計算雷諾數(shù)Re=ρvD/μ，其中μ為流體的運動粘度（水的運動粘度隨溫度變化，可查表獲得）。

繪制f隨Re的關(guān)系圖，與理論公式（如Blasius公式、Colebrook公式）或?qū)嶒炃€進行比較。

分析實驗結(jié)果，討論誤差來源，驗證連續(xù)性方程和伯努利方程。

（三）明渠流實驗

明渠流實驗研究開放渠道中的流體流動，主要原理包括：

1.明渠均勻流：在長直、坡度不變、斷面形狀及尺寸沿程不變的渠道中，水流狀態(tài)穩(wěn)定，流量恒定，斷面流速分布沿程不變，水深（稱為正常水深）也沿程不變。其水力坡度（渠道底坡i）、水面坡度（S?）、水力半徑R和流速v之間存在關(guān)系：i=S?。

2.水面線變化：對于非均勻流，渠道中不同斷面的水深是變化的，形成水面線。水面線可以是緩坡上的緩流（緩坡緩流，水面線下降），陡坡上的急流（陡坡急流，水面線上升），或臨界坡上的臨界流。常用曼寧公式（Manning'sEquation）描述明渠均勻流：

Q=(1/n)AR^(2/3)S^(1/2)

其中：

Q為流量

n為渠道粗糙系數(shù)

A為渠道斷面積

R為水力半徑（R=A/P，P為濕周）

S為水力坡度（通常取渠道底坡）

3.滲流現(xiàn)象（達西定律）：當水流在多孔介質(zhì)（如沙土、巖石）中流動時，稱為滲流。滲流速度通常遠小于宏觀流速。達西定律描述了滲流速度v與水力梯度（水頭損失與滲流路徑長度之比）的關(guān)系：

v=k(i)=k(ΔH/L)

其中：

k為滲透系數(shù)，反映介質(zhì)透水能力

i或ΔH/L為水力梯度

明渠滲流實驗通常使用透水板或沙箱進行。

實驗步驟：

(1)實驗槽準備：將實驗用明渠（如玻璃水槽、矩形或梯形斷面的木質(zhì)水槽）放置在水平或傾斜的實驗臺上。調(diào)整好渠道底坡（如果可調(diào)）。測量并記錄渠道的長度、寬度、邊坡系數(shù)（如有）。清潔渠道內(nèi)部，確保無雜物。

(2)量水堰/量水槽安裝：在渠道末端安裝量水堰或量水槽，用于測量流量。確保堰板或槽口與渠道底部齊平。測量堰/槽的幾何參數(shù)（如堰高、堰寬、槽口寬度等）。

(3)進口條件設(shè)置：在渠道上游安裝控制閥門和進水口，用于調(diào)節(jié)流量。確保進水口形狀規(guī)整，不產(chǎn)生不必要的渦流。

(4)流量調(diào)節(jié)與測量：緩慢開啟進水閥門，逐漸增大流量。觀察渠道中的水流狀態(tài)。使用量水堰/量水槽測量穩(wěn)定流量下的水位（堰上水頭或槽內(nèi)水位）。記錄不同流量下的水位和對應(yīng)的堰/槽流量系數(shù)（如需計算）。至少獲得3-5組有效數(shù)據(jù)。

(5)水面線測量（緩坡均勻流）：對于緩坡渠道，在達到均勻流狀態(tài)后（水流穩(wěn)定，斷面水深不變），測量渠道中不同斷面的水面高程。測量點應(yīng)沿渠道長度等間距布置，在渠道入口、末端以及中間關(guān)鍵位置。使用水準儀或標尺精確測量水面相對于基準面的高度。記錄每個測點的位置（距離起