水力學試驗

水力學實驗研究主要是通過在水流運動的現場或實驗室的水槽、水池、管道、河工模型等實驗設備中對具體流動的觀測和分析，來認識水流運動的規律。水力學實驗包括原型觀測、系統實驗和模型實驗。水力學實驗教學中的實驗屬於系統實驗，而解決工程流體問題則以模型試驗為主。

基本介紹

• 中文名：水力學實驗
• 外文名：Hydraulics experiment
• 套用學科：環境工程
• 適用領域範圍：環境生態
• 性質：實驗
• 實質：認識水流運動的規律

簡介

水力學的研究方法一般有理論分析、實驗研究和數值模擬三種，由於水力學問題影響因素錯綜複雜，以及數學上求解的困難，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。水力學發展史上有許多通過實驗了解水流現象、尋求水流運動規律的例子，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象及其與建築物的相互作用，從而驗證及最佳化設計實施方案已經非常普遍。隨著現代流動測量技術的日新月異的發展，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展還是對解決工程實際問題，都具有極其重要的意義。

基本實驗

水力學實驗是水力學的一個重要組成部分。做好水力學實驗對於培養學生的動手能力、 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）局部阻力係數實驗；（6）寬頂堰實驗；（7）小橋、涵洞過水實驗。

目的

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儀器設備和掌握科學實驗的基本方法，正確測量、記錄數據和整理分析實驗結果，撰寫出實驗報告，從而培養學生的動手能力和創新思維。

（3）培養學生具有較強的協作能力，嚴謹、實事求是的工作作風和科學態度。

測量系統

實驗室量測系統是一個水力循環系統，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、壓力管道中或減壓箱內、預留的場地上，也可以在專門設計的實驗台上。不少的量測直接在現場進行。

水力量測要素

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

摺疊水位和壓強測量

水位可直接用木或金屬製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築物上壓強分布同樣可用測壓管或差壓計測讀。

摺疊流速測量

① 畢託管測速。用畢託管量測液體內點上的時間平均流速時，將畢託管正對流速方向，管中水柱升高值h=u/2ɡ，根據測定的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。熱絲測速儀基於同樣的作用原理，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於空氣流速的測量。

③ 雷射流速儀測速。利用雷射對水流中示蹤顆粒運動的都卜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係即得瞬時速度。它的最顯著的優點是不需要在水流中放入感應部分，因而對水流無干擾，其解析度也很高。示蹤顆粒一般可利用天然水本身所含雜質。

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，或滴注比重接近於水的四氯化碳和二甲苯的適當混合液體，用連續攝形法配合水槽側牆上格線坐標計算流速，在水流斷面上垂直於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。通電後，沿金屬絲產生氫氣泡，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。如果引入脈衝電流，沿導線將產生一排一排的氣泡，就可測量局部流速分布。

⑤ 旋杯流速儀和旋槳流速儀測速。是將水流動量轉換成對旋杯或旋槳的衝量，用於河流流速測量。小形旋槳流速儀，可用於實驗室測速。

摺疊流量測量

① 用標準容器或衡器直接測量固定時段內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係數計算流量；

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，然後疊加求出全斷面流量。

近代水力要素量測趨於自動化。自動化量測使測點定位、移位、信息判讀、採樣儲存、數據處理及成果顯示列印等全過程由量測系統的設備自動完成。目前，也出現了整個試驗過程自動閉環控制與檢測。在試驗中水力要素被感測器檢測，一方面顯示記錄，一方面經過感測器反饋執行器，對試驗條件進行預定的調整。