水力學試驗基本實驗

水力學實驗是水力學的一個重要組成部分。做好水力學實驗對于培養(yǎng)學生的動手能力、 分析能力以及加深對水力學基本理論的理解起著重要作用。水力學的基本實驗包括:（1）靜水 壓強實驗；（2）能量方程實驗；（3）雷諾實驗；（4）沿程水頭損失實驗；（5）局部阻力系數(shù)實驗；（6）寬頂堰實驗；（7）小橋、涵洞過水實驗。

水力學的研究方法一般有理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬三種，由于水力學問題影響因素錯綜復雜，以及數(shù)學上求解的困難，許多實際流動問題目前還難以通過理論方法精確求解。因此，實驗在水力學中占有十分重要的地位，它不僅是理論分析和數(shù)值計算成果正確與否的最終檢驗標準，在某些方面，實驗已成為解決問題的主要研究手段。水力學發(fā)展史上有許多通過實驗了解水流現(xiàn)象、尋求水流運動規(guī)律的例子，如著名的雷諾實驗、尼古拉茲實驗等。在實際工作中，利用模型實驗來研究水的流動現(xiàn)象及其與建筑物的相互作用，從而驗證及優(yōu)化設計實施方案已經(jīng)非常普遍。隨著現(xiàn)代流動測量技術的日新月異的發(fā)展，實驗的量測精度也大大提高。水力學實驗研究無論對學科理論的發(fā)展還是對解決工程實際問題，都具有極其重要的意義。

對實驗教學而言，水力學實驗課程的目的有以下幾點：

（1）通過實驗觀測各種水流現(xiàn)象和量測有關水力要素，增加感性認識，驗證、鞏固、拓寬理論知識，提高理論分析能力。

（2）學會正確使用有關的常規(guī)儀器設備和掌握科學實驗的基本方法，正確測量、記錄數(shù)據(jù)和整理分析實驗結果，撰寫出實驗報告，從而培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新思維。

（3）培養(yǎng)學生具有較強的協(xié)作能力，嚴謹、實事求是的工作作風和科學態(tài)度。

實驗室量測系統(tǒng)是一個水力循環(huán)系統(tǒng)，由低位水池、水泵、壓水管、高位水箱、管道或水槽、試驗段、水力要素量測裝置和回水管渠所組成。試驗段可以在玻璃水槽內(nèi)、壓力管道中或減壓箱內(nèi)、預留的場地上，也可以在專門設計的實驗臺上。不少的量測直接在現(xiàn)場進行。

水力量測儀器分靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)量測儀器量測不隨時間變化的水力要素值，動態(tài)量測儀器量測各種水力要素瞬時值。

水力學試驗折疊水位和壓強測量

水位可直接用木或金屬制成的直尺插入水中測讀，或在水槽側壁開孔，外接測壓管讀出槽中水位。實驗室中明槽水位或側壓管水面相對高度可用測針施測。有壓管流壓強或水工構筑物上壓強分布同樣可用測壓管或差壓計測讀。

水力學試驗折疊流速測量

① 畢托管測速。用畢托管量測液體內(nèi)點上的時間平均流速時，將畢托管正對流速方向，管中水柱升高值h=u/2ɡ，根據(jù)測定的h值算出點上流速u。

② 熱膜流速儀測速。其原理是借測定探頭上金屬膜的散熱率，估計流經(jīng)探頭的流體速度。金屬膜散熱率的大小影響電位差，從而記錄出流速。熱絲測速儀基于同樣的作用原理，探頭為一根極細的鉑絲或鎢絲，是量測紊流脈動流速的有效工具。熱絲流速儀更多地用于空氣流速的測量。

③ 激光流速儀測速。利用激光對水流中示蹤顆粒運動的多普勒效應測得的光頻率變化，通過瞬時速度與頻率變化的線性關系即得瞬時速度。它的最顯著的優(yōu)點是不需要在水流中放入感應部分，因而對水流無干擾，其分辨率也很高。示蹤顆粒一般可利用天然水本身所含雜質(zhì)。

④ 示蹤測速。示蹤測速法有:

（a）河流水面放置浮標，通過浮標速度的測量測定平均流速；

（b）水槽水面放置紙花，或滴注比重接近于水的四氯化碳和二甲苯的適當混合液體，用連續(xù)攝形法配合水槽側墻上網(wǎng)格坐標計算流速，在水流斷面上垂直于流向安設金屬絲作為陰極，銅板陽極可以放在水流其他任何合適位置。通電后，沿金屬絲產(chǎn)生氫氣泡，從所觀察的氫氣泡運動了解水流情況，稱為氫氣泡顯示技術。如果引入脈沖電流，沿導線將產(chǎn)生一排一排的氣泡，就可測量局部流速分布。

⑤ 旋杯流速儀和旋槳流速儀測速。是將水流動量轉(zhuǎn)換成對旋杯或旋槳的沖量，用于河流流速測量。小形旋槳流速儀，可用于實驗室測速。

水力學試驗折疊流量測量

① 用標準容器或衡器直接測量固定時段內(nèi)流入容器的水的體積或水的重量，以計算流量；

② 利用量水堰流量公式和實驗確定的流量系數(shù)計算流量；

③ 利用文丘里管、孔板與管嘴，通過測定上下游斷面壓強差以計算流量；

④ 沿河流斷面將斷面分割，用流速儀測定每一分斷面的平均流速，測定分斷面面積求流量，然后疊加求出全斷面流量。

近代水力要素量測趨于自動化。自動化量測使測點定位、移位、信息判讀、采樣儲存、數(shù)據(jù)處理及成果顯示打印等全過程由量測系統(tǒng)的設備自動完成。目前，也出現(xiàn)了整個試驗過程自動閉環(huán)控制與檢測。在試驗中水力要素被傳感器檢測，一方面顯示記錄，一方面經(jīng)過傳感器反饋執(zhí)行器，對試驗條件進行預定的調(diào)整。2100433B

液體流動是一種非常復雜的過程，很多流動規(guī)律有待研究。單純用數(shù)理分析，在多數(shù)情況下難以得出正確結果，而必須依賴于實驗。水力學模型實驗的目的是探索規(guī)律，驗證理論，確定系數(shù)或常數(shù)，進行水力學專題研究，解決生產(chǎn)實際問題。

水力模型試驗研究，包括模型相似理論，模型的規(guī)劃、設計和制造，測試系統(tǒng)的布置設計，模型試驗方案優(yōu)選和試驗測取資料的處理分析，并預見原型工程中可能存在的問題，為工程提供設計需要的數(shù)據(jù)和改進方案。水力模型試驗能用少量的經(jīng)費，完善工程設計，并節(jié)省建設投資，得到較大的經(jīng)濟效益。

將水力學的基本原理用于解決各個生產(chǎn)部門的實際問題， 根據(jù)各個領域的液流運動特點， 水力學又形成了很多各具特色的學科分支。傳統(tǒng)的水力學主要隨著水利(包括防洪、灌溉、水電、水運和海港等)工程的發(fā)展而發(fā)展起來的，其中主要有下列幾個學科分支：管道水力學、河渠水力學、水工建筑物水力學、水力機械水力學、河口海岸動力學、地下水水力學等。實際上這也就是傳統(tǒng)上水力學所研究的主要內(nèi)容。主要研究領域已從傳統(tǒng)的水利工程擴展為水資源的開發(fā)和管理及其對環(huán)境的影響， 并且日益遍及到各個生產(chǎn)部門， 還崛起了一批新興的水力學分支 (例如水資源水力學、環(huán)境水力學等)。水力學的研究已從水量擴展到水質(zhì); 單相流動擴展到多相流動; 等溫流動擴展到變溫流動。

現(xiàn)代水力學和過去相比， 其研究方法也有顯著的進步與變化。不僅是實驗技術的現(xiàn)代化， 而且將更多地研究水流運動的內(nèi)部機理， 更多地應用數(shù)理分析與概率統(tǒng)計的方法。而計算機技術的飛躍發(fā)展、計算水力學的建立為水力學的研究開辟了新的途徑， 對于水力學的發(fā)展將會產(chǎn)生深遠的影響。

1870年左右，弗勞德(W. Froude)進行船舶模型試驗：1885年，雷諾(O．Reynolds)進行摩塞(Mersey)河模型試驗；1898年，恩格斯(H．Engels)首創(chuàng)河工實驗室進行天然河流的模型試驗。20世紀以來，水力模型得到更大發(fā)展。在中國較早的有1935年進行的淮河楊莊和三河活動壩模型試驗，以及長江馬當段水道整治模型試驗。1949年后，水力模型試驗在中國得到廣泛的應用，建立了大量的水工試驗室，模型試驗技術也有很大提高和發(fā)展。尤其在20世紀后半葉，中國在水電建設和河流整治方面進行了大規(guī)模的室內(nèi)試驗，在設備條件和技術方面有了長足的發(fā)展。