[科普中国]-水力学试验

简介

水力学的研究方法一般有理论分析、实验研究和数值模拟三种，由于水力学问题影响因素错综复杂，以及数学上求解的困难，许多实际流动问题目前还难以通过理论方法精确求解。因此，实验在水力学中占有十分重要的地位，它不仅是理论分析和数值计算成果正确与否的最终检验标准，在某些方面，实验已成为解决问题的主要研究手段。水力学发展史上有许多通过实验了解水流现象、寻求水流运动规律的例子，如著名的雷诺实验、尼古拉兹实验等。在实际工作中，利用模型实验来研究水的流动现象及其与建筑物的相互作用，从而验证及优化设计实施方案已经非常普遍。随着现代流动测量技术的日新月异的发展，实验的量测精度也大大提高。水力学实验研究无论对学科理论的发展还是对解决工程实际问题，都具有极其重要的意义。

基本实验水力学实验是水力学的一个重要组成部分。做好水力学实验对于培养学生的动手能力、 分析能力以及加深对水力学基本理论的理解起着重要作用。水力学的基本实验包括:（1）静水 压强实验；（2）能量方程实验；（3）雷诺实验；（4）沿程水头损失实验；（5）局部阻力系数实验；（6）宽顶堰实验；（7）小桥、涵洞过水实验。1

目的对实验教学而言，水力学实验课程的目的有以下几点：

（1）通过实验观测各种水流现象和量测有关水力要素，增加感性认识，验证、巩固、拓宽理论知识，提高理论分析能力。

（2）学会正确使用有关的常规仪器设备和掌握科学实验的基本方法，正确测量、记录数据和整理分析实验结果，撰写出实验报告，从而培养学生的动手能力和创新思维。

（3）培养学生具有较强的协作能力，严谨、实事求是的工作作风和科学态度。2

测量系统实验室量测系统是一个水力循环系统，由低位水池、水泵、压水管、高位水箱、管道或水槽、试验段、水力要素量测装置和回水管渠所组成。试验段可以在玻璃水槽内、压力管道中或减压箱内、预留的场地上，也可以在专门设计的实验台上。不少的量测直接在现场进行。

水力量测要素水力量测仪器分静态和动态。静态量测仪器量测不随时间变化的水力要素值，动态量测仪器量测各种水力要素瞬时值。

折叠水位和压强测量水位可直接用木或金属制成的直尺插入水中测读，或在水槽侧壁开孔，外接测压管读出槽中水位。实验室中明槽水位或侧压管水面相对高度可用测针施测。有压管流压强或水工构筑物上压强分布同样可用测压管或差压计测读。

折叠流速测量① 毕托管测速。用毕托管量测液体内点上的时间平均流速时，将毕托管正对流速方向，管中水柱升高值h=u/2ɡ，根据测定的h值算出点上流速u。

② 热膜流速仪测速。其原理是借测定探头上金属膜的散热率，估计流经探头的流体速度。金属膜散热率的大小影响电位差，从而记录出流速。热丝测速仪基于同样的作用原理，探头为一根极细的铂丝或钨丝，是量测紊流脉动流速的有效工具。热丝流速仪更多地用于空气流速的测量。

③ 激光流速仪测速。利用激光对水流中示踪颗粒运动的多普勒效应测得的光频率变化，通过瞬时速度与频率变化的线性关系即得瞬时速度。它的最显著的优点是不需要在水流中放入感应部分，因而对水流无干扰，其分辨率也很高。示踪颗粒一般可利用天然水本身所含杂质。

④ 示踪测速。示踪测速法有:

（a）河流水面放置浮标，通过浮标速度的测量测定平均流速；

（b）水槽水面放置纸花，或滴注比重接近于水的四氯化碳和二甲苯的适当混合液体，用连续摄形法配合水槽侧墙上网格坐标计算流速，在水流断面上垂直于流向安设金属丝作为阴极，铜板阳极可以放在水流其他任何合适位置。通电后，沿金属丝产生氢气泡，从所观察的氢气泡运动了解水流情况，称为氢气泡显示技术。如果引入脉冲电流，沿导线将产生一排一排的气泡，就可测量局部流速分布。

⑤ 旋杯流速仪和旋桨流速仪测速。是将水流动量转换成对旋杯或旋桨的冲量，用于河流流速测量。小形旋桨流速仪，可用于实验室测速。

折叠流量测量① 用标准容器或衡器直接测量固定时段内流入容器的水的体积或水的重量，以计算流量；

② 利用量水堰流量公式和实验确定的流量系数计算流量；

③ 利用文丘里管、孔板与管嘴，通过测定上下游断面压强差以计算流量；

④ 沿河流断面将断面分割，用流速仪测定每一分断面的平均流速，测定分断面面积求流量，然后叠加求出全断面流量。

近代水力要素量测趋于自动化。自动化量测使测点定位、移位、信息判读、采样储存、数据处理及成果显示打印等全过程由量测系统的设备自动完成。目前，也出现了整个试验过程自动闭环控制与检测。在试验中水力要素被传感器检测，一方面显示记录，一方面经过传感器反馈执行器，对试验条件进行预定的调整。