水力学(流体力学)实验指导书汇总

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

实验一 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z+

pC）。 g2、学习利用U形管测量液体（油）的密度。

3、建立液体表面压强p0>pa，p0实验设备

在一全透明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。水箱顶部装有排气阀K1，可与大气相通，用以控制容器内液体表面压强。U形管压差计所装液体为油，油<水，通过升降调压筒可调节水箱内液体的表面压强，另升降调压筒下降时，吸管可将量杯中水吸上来可验证有机玻璃箱为负压，如图所示。

静水压强仪设备图

三、 实验原理

在重力作用下，水静力学基本方程为

zpC g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与之和为常数。

重力作用下，液体中任一点静水压强

pp0gh，

p0为液体表面压强。

p两项gp0>pa为正压；p0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压面原理，可求出待求液体的密度。 四、

实验步骤

1、熟悉仪器，选基准面，测记A、B点高度数值并记录。

2、将调压筒放置适当高度，打开排气阀K1、K2、K3，使水箱内的液面与大气相通，

此时液面压强p0=pa。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。关闭排气阀K1和与量杯相通的阀门K2，与测压管相通的阀门K3打开不变。

3、将调压筒缓慢加压升至某一高度，此时水箱内液面压强p0>pa。U形管出现压差h，在加压的同时，观察右侧A、B管的液柱上升情况，以及各测压管的液面高度变化并测记各测压管的液面标高，记录数据。 4、继续提高调压筒，重复两次。

5、打开排气阀K1、K2使之与大气相通，将调压筒移动到适当的位置，待液面稳定后再关闭K1，与量杯相通的阀门K2打开不变。

6、将调压筒降低至某一高度。此时p0（真空）现象，重复两次。

7、将调压筒升至适当位置，打开排气阀K1，实验结束。 五、数据处理及要求 选基准面：

记录A、B两点高程： ▽A= ▽B=

实验数据记录表

实验 条件 序 测压管液面（㎝） 号 ▽1 ▽2 ▽3 ▽4 ▽5 ▽6 Za+Pa/r Zb+Pb/r P0=pa 1 1 P0>pa 2 3 1 P01.计算在三种情况下A 点B点绝对压强、相对压强。 2.计算在三种情况下水箱自由面上的压强。 3.测定油的密度，对两种实验结果进行比较。 4.通过观察现象和测量结果验证A,B两点Z+P/r=C

实验二 平面静水总压力实验

一、实验目的

1、掌握解析法及压力图法，测定矩形平面上的静水总压力。 2、验证平面静水压力理论。 二、实验设备

在自循环水箱上部安装一敞开的矩形容器，容器通过进水开关K1，放水开关K2与水箱相连。容器上部放置一扇形体相连的平衡杆，如图1所示。

图1 静水总压力实验仪

三、实验原理

作用在任意形状平面上的静水总压力P等于该平面形心处的压强pC与平面面积A的乘积：（方向垂直指向受压面）。

PpCA

对于上、下边与水面平行的矩形平面上的静水总压力及其作用点的位置，可采用压力图法。

静水总压力P的大小等于压强分布图的面积和以宽度b所构成的压强分布的体积。

Pb

若压强分布图为三角形分布，如图2，则

1P=gH2b 21e=H 3式中：e—为三角形压强分布图的形心距底部的距离。 若压强分布图为梯形分布，如图2, 图3，则

1P=g(H1H2)ab 2a2HH2e.1

3H1H2式中：e—为梯形压强分布图的形心距梯形底边的距离。

图2

本实验设备原理如图4所示，则由力矩平衡原理

其中 GgL0=PgL1； L1Le

求出平面静水总压力 P=GL0 L1L0GL1LYePb

图4 静水总压力实验设备简图

四、实验步骤

1、熟悉仪器，测记有关常数。 2、用底脚螺丝调平，使水准泡居中。 3、调整平衡锤使平衡杆处于水平状态。

4、打开进水阀门K1，待水流上升到一定高度后关闭。

5、在天平盘上放置适量砝码。若平衡杆仍无法达到水平状态，可通过进水开关或放水开关状态，可通过进水开关或放水开关来调节进放水量直至平衡。

6、测记砝码质量及水位的刻度数并记录。

7、重复步骤4~6，水位读数在100mm以下做3次，以上做3次。 8、打开放水阀门K2，排干净，并将砝码放入盒中。实验结束。 五、注意事项

1、加水或放水时，要注意观察杠杆所处的状态。2、砝码每套专用，测读砝码要看清其所注克数。

六、数据处理及要求

常数： 天平臂距离L0= cm; 扇形体垂直距离L= cm

扇形体宽度b= cm; a= cm;

数据记录表格

压强分布形式 测次 H(cm) 三角形分布 1 2 3 梯形分布 1 2 3 H(cm) H1(cm) 水位读数 H2(cm) 砝码质量 M(g)

计算表格

压强分布 形式 测次 作用点距 作用力距支底部距离 点垂直距离 (cm) e 三角形 分布 1 2 3 梯形 分布 1 2 3 (cm) L1=L-e 实测 力距 (N*cm) 实测静水 总压力 (N) 理论静水总压力 (N) P理 P实/P理 相对值 Mg*Lo p实=Mg*Lo/L1 作用点距离e及理论静水总压力P理计算结果如下：

三角形分布：e1= P1=

e2= P2=

e3= P3=

梯形分布: e1= P1=

e2= P2=

e3= P3=

实验三 文丘里流量计实验

一、实验目的

1.了解文丘里流量计测流量的原理及其简单构造。 2.通过实验测定文丘里流量计系数。

3.分析实验值的准确性，并绘出压差与流量的关系曲线。 二、实验设备（见实验装置） 三、实验原理

文丘里流量计是在管道中常用的流量计。它包括收缩段、喉管、扩散段三部分。由于喉管过水断面的收缩，该断面水流动能加大，势能减小，造成收缩段前后断面压强不同而产生的势能差。此势能差可由传感压差计测得。列上述能量方程如下：（不计水头损失）

112P22222g (1)

P1根据连续性方程得:

令

1122Q (2)

121

解⑴⑵两式可得计算流量的公式如下：

Q2PP2g12221（） 1PP42g12d241（）d12d2 或Q

P1P2式中：

 为两断面测压管水头差，也即测压计内的液面高差Δh

流量计算公式：

Q理Kh

式中： K

4D2d2Dd442g；

管道的实测流量Q实，根据实验室的设备条件，可由体积法测出。 在实际液体中，由于阻力的存在，水流通过文丘里流量计时有能量损失，故实际通过的流量Q实一般比Q理稍小，因此在实际应用时，上式应予以修正，实测流量与理论流量之比称为流量系数，即

四、实验步骤

1.熟悉仪器，记录有关数据。

Q实 Q理⑴ 记录仪器常数d1、d2，并算出k值。

⑵ 检查测压计液面是否水平，如果不在同一水面上，必须将橡皮管内空气

排尽，使两测压管的液面处于水平状态，方能进行实验。 ⑶ 全部开启出水阀门。 ⒉进行实验

(1)启动抽水机，打开进水开关，使水进入水箱，并使水箱水面保持溢流，使水位恒定。

(2)检查实验过程中橡皮管内是否进入空气泡并挤压排气。

(3)开启进水阀门调至一较大流量，使测压计高差达到最大值，作为第一个实验点，测读并记录传感器上流量计压差Δh的读数。 (4)用秒表和重量法测定流量，记下时间t和重量。

(5)逐渐关小进水流量，测读Δh，m和t，如此共进行6-8次。 五、注意事项

每次调节流量应比较缓慢，调节完后，实验过程中不可再动前后进出水阀。 六、数据记录与处理

仪器常数： d1＝ cm ； d2＝ cm; 桶重=

K4D2d2Dd442g= cm

2。5

/s

实测压管高差 验 次 Δh=h1-h2 数 kpa cm 1 2 3 4 5 6 7 8

求：

重量 m g 体积 时间 v cm3 s t 理论流量 cm3/s Q理Kh 实际流量 cm3/s Q实V T流量系数 μ=Q实/Q理 流量系数μ平均= 七、思考题：

1.文丘里流量计在安装时，是否必须保证水平？如不水平倾斜放置，上述流量公式是否仍可应用? K值是否改变？ 2．绘制理论Q、实际Q与Δh关系曲线图。

实验四 雷诺实验

一、实验目的

1、观察层流和紊流的流动特征及其转变情况，以加深对层流、紊流形态的感性认识。

2、测定层流与紊流两种流态与断面平均流速之间的关系。 3. 通过实验计算临界雷诺数 二、实验设备(见实体实验装置) 三、实验原理

同一种液体在同一管道中流动，当流速不同时，液体可有两种不同的流态。 在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平均流速V，这时候如果微启带色水阀门，带色水就会与无色水在管路中沿轴线同步向前流动，带色水呈一条带色直线，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的带色直线出现脉动，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，出现流动质点的横向脉动，使色线完全扩散与无色水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。

在圆管流动中采用雷诺数来判别流态：

d2dV由于雷诺数：Re (其中：υ= Q /A ，Q ; A)

4T式中： d ─管径（cm） υ－流体流速（cm/s）

ν －流体的运动粘度（cm 2/s）

Q ─ 流 量 （cm3/s） A－管路的横截面积（cm 2） V---重量法测量体积（cm3 ） T---时间（s）

当ReRec(下临界雷诺数)时为层流状态，Rec2320；

ReRec'(上临界雷诺数)时为紊流状态，Rec'在4000:12000之间。 四、实验步骤

1.启动水泵，向稳压水箱加水。水箱水满之后，将进水阀门关小，使水箱的水位保持有一定的溢流。

2.微开出水阀门，使实验管中的水流有稳定而较小的流速。

3.微开颜色水液罐下的小阀门，使色液从细管中不断流出，此时，可能看到管中的色液液流与管中的水流同步在直管中沿轴线向前流动，色液呈现一条细直流线，这说明在此流态下，流体的质点没有垂直于主流的横向运动，有色直线没有与周围的液体混杂，而是层次分明的向前流动。此时的流体即为层流。（若看不到这种现象，可再逐渐关小阀门，直到看到有色直线为止）

4.逐渐缓慢开大阀门至一定开度时，可以观察到有色直线开始出现脉动，但流体质点还没有达到相互交换的程度，此时，即象征为流体流动状态开始转换的临界状态（上临界点），当时的流速即为上临界流速。

5.继续开大阀门，即会出现流体质点的横向脉动，继而色线会被全部扩散与水混合，此时的流态即为紊流。此后，如果把阀门逐渐关小，关小到一定开度时，又可以观察到流体的流态从紊流转变到层流的临界状态（下临界点）。继续关小阀门，试验管中会再次出现细直色线，流体流态转变为层流。

6.在两种临界状态下分别用小桶、秒表即重量法测量体积，计录时间T和重量m，水温。

7.按以上步骤反复重复测量3次。将测试结果记入实验记录表中。

8.计算临界雷诺数Rek 五、注意事项

1、水箱水满之后，进水阀门一定要关小，使水箱的水位保持有一定的溢流，界面一定要平稳成为恒定流。

2、颜色水阀门一定要调劲量小。 3、测量重量时间不要过小。

六、实验数据计算和处理

常数： 管径d= cm; 断面面积A= cm 2

水温 t = 度； 粘滞系数ν= cm 2/s

临界 测重量 状态 次 g m 上 临 界 下 临 界

时间 s t 体积 g/cm3 V 流量 cm3/s Q=V/t 临界流速 cm/s υ=Q/A 临界 雷诺数 Re平均值 d Re 1 2 3 1 2 3

实验五 管道沿程水头损失实验

一、实验目的

1、测定稳定均匀流在不同流速时沿程水头损失系数的方法，并分析其规律。 2、了解不同流态时沿程阻力系数λ和雷诺数

Re的关系。

3、绘制沿程水头损失系数与雷诺数Re的对数关系曲线。 二、实验设备(见实体实验装置) 三、实验原理

对通过一等直径管道中的恒定水流，在任意两过水断面11、22上写能量方程，可得

hfz1p1/gz2p2/g

由此表明，两测压管内液柱的高差，就是L长度的沿程水头损失hf。

lv2hf

d2g 式中：d：实验管内径（m） L：两测点距离（m） υ：流速（m/s）

通过实验得到

hf，再通过计量水箱测量出流体的流量，计算出流体的流速

υ，既可求得沿程阻力系数λ：

zp/gz2p2/g 11lv2d2ghf lv2d2g 在实验中，通过配合调节实验管道入口处和出口处阀门，改变管内流速时，

测压管中

的液柱高差也随之变化，由此可得出一系列的流速和相应的沿程水头损失。把所测实验数据换算为对数值， 四、实验步骤

1.熟悉实验设备装置的结构及其流程记录有关常数。

2.检查传感压差计的连接管中是否有气，液面是否齐平，若不平，则需排气调平。

3.启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。 4.调节尾阀K，使流量在压差计量程范围内达到最大，待水流稳定后记录压差计读数，水温和量测其流量，流量用体积法量测。

5.逐渐关闭尾阀K，依次减小流量，量测各次流量和相应的压差值，共6-8次。

6.用温度计测记本次实验的水温t，并查得相应的值，从而可计算出相应于每次流量下的雷诺数Re值。 五、数据记录与处理

有关常数：

管径 d= cm ； 管长l= cm ； 断面面积A= cm 2 粘滞系数ν= cm 2/s 水温= ℃

序 号 测压管压差 重量 Hf= h1- h2 kp 1 2 3 4 5 6 7 8 cm m g 体积 V cm3 时间 t s 流量 流速 阻力雷诺数 Re lgRe lg100λ Q=V/t cm3/S υ=Q/A 系数 cm/s λ

六、结果要求：

用坐标纸或对数纸绘制lg100λ~lgRe曲线，并进行成果分析及小结

实验六 管道局部水头损失实验

一、实验目的

1.掌握测定管道局部水头损失系数的方法。

2.将管道局部水头损失系数的实测值与理论值进行比较。

3.观察管径突然扩大时漩涡区测压管水头线的变化情况，以及其他各种边界突变情况下的测压管水头线的变化情况。 二、实验设备(见实体实验装置) 三、实验原理

由于边界形状的急剧改变，主流就会与边界分离出现漩涡以及水流流速分布的改组，从而消耗一部分机械能。单位重量液体的能量损失就是局部水头损失。

局部水头损失：

v2hj

2g管道局部水头损失目前仅有突然扩大可采用理论分析。其它情况则需要用实验方法测定值。突然扩大的局部水头损失可应用动量方程与能量方程及连续方程联合求解得到如下公式：

2Av2hj2， 221

2gA12v12Ahj1， 111

2gA22式中：A1和v1分别为突然扩大上游管段的断面面积和平均流速；

A2和v2分别为突然扩大下游管段的断面面积和平均流速。

1、突然扩大：（理论上）

A1V12hj(1)A22g

(1A12)A2

定时采用三点法计算，由于水柱高差hhw中既存在局部阻力hj，又含有沿程阻力hf，所以可通过设置在突扩前后各测点读取数值后，经流长比例换算后，可得出hjhwhf。计算实测ζ：

hw=hj+hf1-2；

hj= hw—Δh23/2

V12hj/

2g2、突然收缩

经验值：缩0.5(1A2)，实验用四点法计算，同样，在读得突缩管段A1的水头损失后，按流长比例换算，分别将两端沿程损失除去，由此得：

hj= hw- hf4-5= hw-（Δh34/2+Δh56）

缩hj缩/四、实验步骤

1.熟悉仪器，记录有关常数。

2.检查各测压管的橡皮管是否有气泡及接头是否接紧，如有气泡应先反复将管内及橡皮管内气泡排出。

3.检查尾阀K全关时，测压管的液面是否齐平，若不平，则需排气调平。 4.启动抽水机，打开进水阀门，使水箱充水，并保持溢流，使水位恒定。 5.慢慢打开尾阀K，使流量在测压管量程范围内最大，待流动稳定后，记录测压管液面标高，用重量法测量管道流量，记录体积V,时间t。 6.调节尾阀改变流量，重复测量6~8次。 五、数据记录与处理 有关常数：

大管直径 D= cm; 大管断面面积A1= cm 2 小管直径d= cm; 小管断面面积A2= cm 2

V2缩2g

记录数据表格 测 次 重量 m g 1 2 3 4 5 6 7 V t 体积 cm3 时间 S 流量 cm3/s Q h1 h2 测压管读数 cm h3 h4 h5 h6 计算处理表格 状测 态 次 实测 流量 Q cm3/s 突 然 扩 大 1 2 3 4 5 6 7 突 然 缩 小 1 2 3 4 5 6 流速 υ1 流速 水头 流速 υ2 cm/s υ2 流速 水头 测压管高差 cm h23 局部 损失 cm hj 阻力 系数 阻力 系数 υ1 cm/s u2 2gu2 2g h34 h56 ξ理 ξ实测

7 六、结果要求： 1、分别列出突然扩大与突然缩小局部损失计算公式并计算。 2、实测突然扩大阻力系数与理论阻力系数比较。

实验七 流线演示实验

一、

实验目的

1、应用流动演示仪演示各种不同边界条件下的水流形态，以观察在不同边界情况下的流线、旋涡等，增强对流体运动特性的认识。

2、应用流动演示仪表演示水流绕过不同形状物体的驻点、尾流、涡衔现象及非自由射流等，增强对这些现象的感性认识。 二、

实验设备与仪器

流线可以形象地显示各种水流形态及其水流内部质点运动的特性。而通过各种演示设备就可以演示出流线。常用的有烟风洞、氢气泡显示设备，及流动演示仪等。现以后者为例加以说明。

图1为流动演示仪的示意图。该仪器用有机玻璃制成，通过在水流中掺气的方法，演示出不同边界条件下的多种水流想象，并显示相应的流线。整个仪器由7个单元组成，每个单元都是一套的装置，可以单独使用，亦可以同时使用。

图1 流动演示仪

三、

实验步骤

（一）操作程序

接通电源，打开开关。 （二）演示内容

Ⅰ型：显示圆柱绕流等的流线，该单元装置能十分清晰地显示出流体在驻点处的停滞现象、边界层分离状况及卡门旋涡现象。

1、驻点：观察流经圆柱前端驻点处的小气泡运动特性，可了解流速与压强

沿圆柱周边的变化情况。

2、边界层分离：流线显示了圆柱绕流边界层分离现象，可观察边界层分离

点的位置及分离后的回流形态。

3、卡门涡衔：即圆柱的轴与水流方向垂直，在圆柱的两个对称点上产生边

界层分离，然后不断交替在圆柱下游两侧产生旋转方向旋涡，并流向下游。

Ⅱ型：显示桥墩、机翼绕流的流线。

该桥墩为圆头方尾的绕流体。水流在桥墩后的尾流区内也产生卡门涡衔，并可观察水流绕过机翼时的流动状况。

Ⅲ型：显示逐渐收缩、逐渐扩散及通过孔板的过流（或丁坝）纵剖面上的流线图像。

1、在逐渐收缩段、流线均匀收缩，无旋涡产生；在逐渐扩散段可看到边界

层分离现象而产生明显的旋涡。

2、在孔板前，流线逐渐收缩，汇集于孔板的过流孔口处，只在拐角处有小

旋涡出现；孔板后水流逐渐扩散，并在主流区周围形成较大的旋涡回流区。

Ⅵ型：显示管道突然扩大和突然收缩时的管道纵剖面上的流线图像。 1、在突然扩大段出现强烈的旋涡区。 2、突然收缩段仅在拐角处出现旋涡。

3、在直角转弯处，流线弯曲，越靠近弯道内侧，流速越小，由于流道很不

顺畅，回流区范围较广。

实验八 伯努利方程实验

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、掌握一种测量流体流速的方法。

3、验证静压原理。 二、实验装置

实验台包含有稳压水箱、实验管路、毕托管、静压测点、测压管、压差板、控制阀门和计量水箱(见实体实验装置) 三、实验原理

不停运动着的一切物质，所具有的能量也在不停转化。在转化过程中，能量从一种形式转化为另外一种形式，即遵守能量守恒定律。流体的流动遵循伯努里能量方程。即

u2常数 Z2gP式中： Z — 位置水头

u2 — 速度水头 2gP —压力水头 2u12P2u2Z1Z2hw

2g2gP1其中能量损失hw是由沿程摩擦损失hf和局部能量损失hj两部分组成。 四、验证原理

1. 验证静压原理：

启动水泵，等水灌满管道后，关闭供水和尾部两端阀门，这时观察能 量

方程实验管上各个测压管的液柱高度相同，这是因为实验管内的水没有流动，也就没有流动损失，因此静水头的连线为一平行于基准线的水平线， 即在静止不可压缩均布重力流体中，任意点单位重量的位势能和压力势能之和保持不变，并

且测点的高度和测点的前后位置无关。

2．验证能量守恒定律

测速：能量方程实验管上的每一组测压管都相当于一个皮托管 ，可测得

管内任一点的流体点速度，本实验台已将测压管开口位置设在能量方程实验管的轴心，故所测得压强为轴心处的，即最大速度。 轴心速度： Vp2gh 式中：

h——任一断面毕托管与静压测点之间压差。

平均流速： VQA

式中：

A——实验断面截面积；

Q——根据体积法用计量水箱所测流量。

根据以上公式计算某一工况各测点处的轴心速度和平均流速添入表格，可验证出连续性方程。对于不可压缩流体稳定的流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。 五、操作步骤

〔1〕打开供水阀门使水箱溢流后，检查出水阀门关闭后所有测压管水面是否齐平，若不平并加以排气调平。

〔2〕打开出水阀门观察测压管线和总水头线的变化及位置水头，压强水头之间的关系，观察当流量增加或减少时测压管水头变化情况。

〔3〕调节流量最大，最下及中间值3次，待流量稳定后，每次测量并记录不同管径测压管的读数，同时用秒表，小桶重量法测流量。 六、数据记录与处理

常数： 均匀管d1= ; 细管d2= ;粗管d3= A1= ; A2= ;A3=

水箱液面高程= cm 上管道轴线高程= cm

（基准面选在标尺的零点上，表中1-16的读数代表测点编号）

1、实验数据记录：

管径记录表

测定 编号 管径 d(cm) 测点间 距离 (cm)

测定 编号 实 验 次 数 h1 h2 流速水头记录表

次数 液体总量 v (cm3) 时间 实际流量 t Q1 (s) (cm3/s) 管径 cm 2 3 压差 轴心 Δh 速度 (cm) U 平均流速 u u2 2go A B C D E F G H 1、2 3、4 5、6 7、8 9、10 11、12 13、14 15、16 各测点读数表

h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 1

Z+

实验 h2 次数 1 2 3

h4 h6 h7 P记录表 h8 h10 h11 h12 h14 h16 Pu2 Z++总水头记录表

2g 实验

H2 H4 H6 H18 H10 H12 H14 次数

]1

2

3

七、成果要求：

1、解释实验与验证结果的关系。

2、在恒定流下，测压管水头线沿管轴线逐渐升高表示： （1） 管径变小 （2） 管径变大 （3） 管径不变

（4） 管径管轴线高程逐渐抬高。

3、用坐标纸绘制最大流量下的总水头线和测压管水头线 。

（轴向尺寸为测点间间距）

H16

实验九 液体强迫涡演示实验

一、

实验目的

1、观察液体在容器中绕中垂轴作旋转运动的现象。 2、加深对处于相对平衡状态下液体运动的感性认识。

3、观察在重力和惯性力共同作用下的等压面是一个旋转抛物面，质量力与等压面正交。 二、实验设备

盛水圆筒可在马达的带动下旋转（如图1）。

图1 液体相对平衡装置

三、

实验原理

盛有液体的容器绕其铅垂的中心轴z以等角速度旋转，如图3-6所示。

图3-6 液体相对平衡实验简图

在重力Gmg及惯性力F= m2r（r为所考虑的液体质点A的质量）。达到平衡状态后，则作用在液体上的单位质量力在三个坐标上的投影为

X=2rcos2xY=2rsin2y

Z=-g则由欧拉液体平衡微分方程式可得

P=g(2r22gz)C

对于自由液面与Oz轴的交点D处，

x=y=z=0, p=p00

则 C0 上式简化为 P=g(2r22gz)

由于等压面是p为常数的方程，所以有

P=g(2r22gz)C

表明等压面为围绕Oz轴的旋转抛物面方程。

2r2z）=h 若令 （2g

得 pgh

可知：相对平衡液体在铅垂线上的压强同样按静水压强规律分布。 四、实验步骤

1、在圆筒中加入适量的水。 2、接通电源，开动马达。

3、旋转调速旋钮，达到适当转速。转速太大水可能泼出，太小形不成旋转抛物面。

液体蓝金组合涡演示实验

一 、实验目的

1、通过实验建立组合涡的概念。

2、验证组合涡的核心是强迫涡周界是自由涡。 二 、实验设备

在内外嵌套的两个筒的间距中装入被测液体，马达带动外筒旋转（如图）

三 、实验步骤

1.在圆筒中加入适量的水。 2.接通电源，开动马达。

3.旋转调速旋钮，达到适当转速。转速太大水可能泼出，太小形不成旋转抛物面。

液体自由涡演示实验

一 实验目的

1. 通过实验了解自由涡形成的特征

2. 通过实验了解自由涡的水流是无旋运动