水力學(xué)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

水力學(xué)的研究方法一般有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種，由于水力學(xué)問題影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，以及數(shù)學(xué)上求解的困難，許多實(shí)際流動(dòng)問題目前還難以通過(guò)理論方法精確求解。因此，實(shí)驗(yàn)在水力學(xué)中占有十分重要的地位，它不僅是理論分析和數(shù)值計(jì)算成果正確與否的最終檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在某些方面，實(shí)驗(yàn)已成為解決問題的主要研究手段。水力學(xué)發(fā)展史上有許多通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解水流現(xiàn)象、尋求水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的例子，如著名的雷諾實(shí)驗(yàn)、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)等。在實(shí)際工作中，利用模型實(shí)驗(yàn)來(lái)研究水的流動(dòng)現(xiàn)象及其與建筑物的相互作用，從而驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施方案已經(jīng)非常普遍。隨著現(xiàn)代流動(dòng)測(cè)量技術(shù)的日新月異的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)的量測(cè)精度也大大提高。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究無(wú)論對(duì)學(xué)科理論的發(fā)展還是對(duì)解決工程實(shí)際問題，都具有極其重要的意義。

水力學(xué)實(shí)驗(yàn)是水力學(xué)的一個(gè)重要組成部分。做好水力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、 分析能力以及加深對(duì)水力學(xué)基本理論的理解起著重要作用。水力學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)包括:（1）靜水 壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)；（2）能量方程實(shí)驗(yàn)；（3）雷諾實(shí)驗(yàn)；（4）沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)；（5）局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)；（6）寬頂堰實(shí)驗(yàn)；（7）小橋、涵洞過(guò)水實(shí)驗(yàn)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的目的有以下幾點(diǎn)：

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)各種水流現(xiàn)象和量測(cè)有關(guān)水力要素，增加感性認(rèn)識(shí)，驗(yàn)證、鞏固、拓寬理論知識(shí)，提高理論分析能力。

（2）學(xué)會(huì)正確使用有關(guān)的常規(guī)儀器設(shè)備和掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法，正確測(cè)量、記錄數(shù)據(jù)和整理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。

（3）培養(yǎng)學(xué)生具有較強(qiáng)的協(xié)作能力，嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度。

實(shí)驗(yàn)室量測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)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(yàn)段、水力要素量測(cè)裝置和回水管渠所組成。試驗(yàn)段可以在玻璃水槽內(nèi)、壓力管道中或減壓箱內(nèi)、預(yù)留的場(chǎng)地上，也可以在專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。不少的量測(cè)直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

水力量測(cè)儀器分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)量測(cè)儀器量測(cè)不隨時(shí)間變化的水力要素值，動(dòng)態(tài)量測(cè)儀器量測(cè)各種水力要素瞬時(shí)值。

水力學(xué)試驗(yàn)折疊水位和壓強(qiáng)測(cè)量

水位可直接用木或金屬制成的直尺插入水中測(cè)讀，或在水槽側(cè)壁開孔，外接測(cè)壓管讀出槽中水位。實(shí)驗(yàn)室中明槽水位或側(cè)壓管水面相對(duì)高度可用測(cè)針施測(cè)。有壓管流壓強(qiáng)或水工構(gòu)筑物上壓強(qiáng)分布同樣可用測(cè)壓管或差壓計(jì)測(cè)讀。

水力學(xué)試驗(yàn)折疊流速測(cè)量

① 畢托管測(cè)速。用畢托管量測(cè)液體內(nèi)點(diǎn)上的時(shí)間平均流速時(shí)，將畢托管正對(duì)流速方向，管中水柱升高值h=u/2ɡ，根據(jù)測(cè)定的h值算出點(diǎn)上流速u。

② 熱膜流速儀測(cè)速。其原理是借測(cè)定探頭上金屬膜的散熱率，估計(jì)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(cè)速儀基于同樣的作用原理，探頭為一根極細(xì)的鉑絲或鎢絲，是量測(cè)紊流脈動(dòng)流速的有效工具。熱絲流速儀更多地用于空氣流速的測(cè)量。

③ 激光流速儀測(cè)速。利用激光對(duì)水流中示蹤顆粒運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)測(cè)得的光頻率變化，通過(guò)瞬時(shí)速度與頻率變化的線性關(guān)系即得瞬時(shí)速度。它的最顯著的優(yōu)點(diǎn)是不需要在水流中放入感應(yīng)部分，因而對(duì)水流無(wú)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(cè)速。示蹤測(cè)速法有:

（a）河流水面放置浮標(biāo)，通過(guò)浮標(biāo)速度的測(cè)量測(cè)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(dāng)混合液體，用連續(xù)攝形法配合水槽側(cè)墻上網(wǎng)格坐標(biāo)計(jì)算流速，在水流斷面上垂直于流向安設(shè)金屬絲作為陰極，銅板陽(yáng)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(yùn)動(dòng)了解水流情況，稱為氫氣泡顯示技術(shù)。如果引入脈沖電流，沿導(dǎo)線將產(chǎn)生一排一排的氣泡，就可測(cè)量局部流速分布。

⑤ 旋杯流速儀和旋槳流速儀測(cè)速。是將水流動(dòng)量轉(zhuǎn)換成對(duì)旋杯或旋槳的沖量，用于河流流速測(cè)量。小形旋槳流速儀，可用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)速。

水力學(xué)試驗(yàn)折疊流量測(cè)量

① 用標(biāo)準(zhǔn)容器或衡器直接測(cè)量固定時(shí)段內(nèi)流入容器的水的體積或水的重量，以計(jì)算流量；

② 利用量水堰流量公式和實(shí)驗(yàn)確定的流量系數(shù)計(jì)算流量；

③ 利用文丘里管、孔板與管嘴，通過(guò)測(cè)定上下游斷面壓強(qiáng)差以計(jì)算流量；

④ 沿河流斷面將斷面分割，用流速儀測(cè)定每一分?jǐn)嗝娴钠骄魉?，測(cè)定分?jǐn)嗝婷娣e求流量，然后疊加求出全斷面流量。

近代水力要素量測(cè)趨于自動(dòng)化。自動(dòng)化量測(cè)使測(cè)點(diǎn)定位、移位、信息判讀、采樣儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理及成果顯示打印等全過(guò)程由量測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備自動(dòng)完成。目前，也出現(xiàn)了整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)閉環(huán)控制與檢測(cè)。在試驗(yàn)中水力要素被傳感器檢測(cè)，一方面顯示記錄，一方面經(jīng)過(guò)傳感器反饋執(zhí)行器，對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行預(yù)定的調(diào)整。2100433B

液體流動(dòng)是一種非常復(fù)雜的過(guò)程，很多流動(dòng)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(jié)果，而必須依賴于實(shí)驗(yàn)。水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)的目的是探索規(guī)律，驗(yàn)證理論，確定系數(shù)或常數(shù)，進(jìn)行水力學(xué)專題研究，解決生產(chǎn)實(shí)際問題。

水力模型試驗(yàn)研究，包括模型相似理論，模型的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和制造，測(cè)試系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)，模型試驗(yàn)方案優(yōu)選和試驗(yàn)測(cè)取資料的處理分析，并預(yù)見原型工程中可能存在的問題，為工程提供設(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)和改進(jìn)方案。水力模型試驗(yàn)?zāi)苡蒙倭康慕?jīng)費(fèi)，完善工程設(shè)計(jì)，并節(jié)省建設(shè)投資，得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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

現(xiàn)代水力學(xué)和過(guò)去相比， 其研究方法也有顯著的進(jìn)步與變化。不僅是實(shí)驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)代化， 而且將更多地研究水流運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部機(jī)理， 更多地應(yīng)用數(shù)理分析與概率統(tǒng)計(jì)的方法。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展、計(jì)算水力學(xué)的建立為水力學(xué)的研究開辟了新的途徑， 對(duì)于水力學(xué)的發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1870年左右，弗勞德(W. Froude)進(jìn)行船舶模型試驗(yàn)：1885年，雷諾(O．Reynolds)進(jìn)行摩塞(Mersey)河模型試驗(yàn)；1898年，恩格斯(H．Engels)首創(chuàng)河工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行天然河流的模型試驗(yàn)。20世紀(jì)以來(lái)，水力模型得到更大發(fā)展。在中國(guó)較早的有1935年進(jìn)行的淮河楊莊和三河活動(dòng)壩模型試驗(yàn)，以及長(zhǎng)江馬當(dāng)段水道整治模型試驗(yàn)。1949年后，水力模型試驗(yàn)在中國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，建立了大量的水工試驗(yàn)室，模型試驗(yàn)技術(shù)也有很大提高和發(fā)展。尤其在20世紀(jì)后半葉，中國(guó)在水電建設(shè)和河流整治方面進(jìn)行了大規(guī)模的室內(nèi)試驗(yàn)，在設(shè)備條件和技術(shù)方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展。