什么是水力学实验?

什么是水力学实验?

[拼音]：shuilixue shiyan

[外文]：hydraulic experiment

对水力现象进行观测和试验的技术。液体流动是一种非常复杂的过程，很多流动规律有待研究。单纯用数理分析，在多数情况下难以得出正确结果，而必须依赖于实验。水力学实验的目的是探索规律，验证理论，确定系数或常数，进行水力学专题研究，解决生产实际问题。实验内容主要有：量测系统、水力要素量测和模型试验。

量测系统

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。

水力要素量测

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。

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。

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＝u2/2ɡ，根据测定的h值算出点上流速u(图1)。

（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（图2）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。

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（见堰流）；

（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。

模型试验

许多涉及液流的工程问题，需要进行模型试验。某些大型水工构筑物必须经过模型试验。在实验室内，按所规划的实物根据相应的模型律，以缩小的比例制成模型进行模拟实验，就实物在运转中可能遇到的各种因素，对不同设计方案的模型所产生的影响加以观测，从而了解各种影响因素在定性上或定量上的作用，以供方案选择、工程决策或问题判明作参考。

模型液流和原型水流（即实物水流）之间应当满足力学相似。力学相似包括几何相似、运动相似和动力相似。

（1）几何相似是原型水流和模型液流相应长度成比例，相应角度相等。

（2）运动相似是在几何相似的基础上，原型和模型的相应点上(如果为非恒流需加上相应时间上)的流速方向相同，大小成同一比例。

（3）动力相似要求作用在原型和模型上相应力成比例。作用在液体上的力有重力、压力、粘性力、表面张力等，使这些外力的合力和水流惯性力处于平衡状态。

设计一个模型由于技术上的限制，不可能同时把所有的外力都考虑，因而只能考虑主要的作用力。

（1）当决定液体流动状态的主要作用力为重力时，要求原型和模型的惯性力和重力之比相等，即原型和模型的弗劳德数相等。明渠流和波浪运动的主要作用力是重力，模型设计遵循弗劳德模型律。

（2）当决定液流运动状态的主要作用力为粘性力时，要求原型和模型的惯性力和粘性力之比相等，即原型和模型的雷诺数相等。管流和潜体绕流，主要作用力是粘性阻力，模型设计遵循雷诺模型律。但是当雷诺数相当大时，惯性阻力占绝对优势，水流进入自动模型区，则只要达到几何相似，不必遵循雷诺模型律，即能实现力学相似。

有了速度比例，结合长度比例和密度比例，即可求出任意参变量（例如力、压强、流量等）的比例，将实验结果换算为原型参变量。

参考书目

南京水利科学研究所，水利水电科学研究院：《水工模型试验》，水利电力出版社，北京，1959。R.J.Emrich，Fluid Dynamics，Methods of Experimental Physics，Vol.18，Academic Press，New York，1981.