1、1静水力学实验仪器说明与教学指导一、实验装置1. 仪器装置简图图一 流体静力学实验装置图1. 测压管 2. 带标尺测压管 3. 连通管 4. 真空测压管5. U 型测压管 6. 通气阀 7. 加压打气球 8. 截止阀9. 油柱 10. 水柱 11. 减压放水阀说明:(1)所有测管液面标高均以标尺(测压管 2)零读数为基准；(2)仪器铭牌所注 B、 C、 D 系测点 B、C、D 标高，若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准, 则 B、 C、 D 亦为ZB、Z C、Z D；(3)本仪器中所有阀门旋柄均以顺管轴线为开。22.功能(1)用于训练测压管测量流体静压强的基本技能；(2)验证不可压缩流体静
2、力学基本方程；(3)可供分析研究马利奥特容器的变液位下恒定流实验及其他十余项定性、定量实验。3.技术特性(1)为台式装置实验仪，由透明有机玻璃精制的静压水箱、加气增压和放水减压装置以及用透明有机玻璃管特制的单管式测压管、U 型测压管、倒虹吸真空度测压管和连通管等组成；(2)设有一带刻度标尺的测压管，可供各项定量实验的测量, 示值精度 0.1cm，(3)设有为强化负压实验直观效果而设计的真空度演示装置；(4)不需外接电源；(5)实验仪专用实验台：长宽=150cm 55cm。二、安装使用说明1.安装 仪器拆箱以后，按图检查各个部件是否完好。先熟悉各部件，再按装置图所示，将有机玻璃管、打气球等各部件
3、安装好，并在放水减压阀下面放一 800ml 烧杯。2.注水、注油 打开加水橡皮塞往水箱内注水，水质要好，最好为蒸馏水，使水箱内液面界于 A、B 两点之间。在 5#U 型管中加满蒸馏水， 再加入待测容重的油约 20cm 高左右。待测容重的油可选用缝纫机油等。在箱顶的方盒中，加适量红色蒸馏水，一般液面低于盒子顶口 12cm。3.密封检查 加压后检查水箱是否渗水及测管 1、2、5 液面高程是否恒定，若测管液面下降，表明漏气，可用肥皂水检查泄漏处，并作密封处理。4.清洗 本实验仪久置后，水中污垢粘附于内表，需清洗。清洗时，需拆下仪器底盖，待清洗干净后，重新取一块橡皮垫，涂上凡士林，粘贴在底板上，再装好
4、底盖。35.日常保养(a) 仪器使用时间久后，橡皮管老化，可能导致实验仪漏气、渗水，需更换橡皮套管。更换时切勿硬拔，宜剪断后再拆换；(b) 仪器切勿置于阳光照射之下；(c) 若阀座处漏气、渗水时，可将阀门取下，重新包裹生料带后装上即可；若阀门旋塞处渗漏，应取下旋塞加抹黄油，装上即可；(d) 未使用时，加防尘罩，以防尘埃进入。6.维修 若仪器密封性能不好，需检查维修。检查：在各阀关闭状态下，打气加压，然后用肥皂水涂抹各可能漏气处，即可查出漏气点。维修：如有机玻璃脱胶或裂损，可用氯仿粘补，其他参考 5(a)、(c)两点。三、教学指导1.设计思想实验的目的，一是配合理论课教学，帮助理解掌握教学知识；
5、二是培养学生分析、解决问题的能力和动手操作的能力。后一点随着教育改革的深入已更受注重了。静水力学实验仪的设计，是在深入分析静水力学基本概念、基本方程、基本应用和基本量测等知识结构基础上进行的，尽量把知识性、分析性融汇一体。把仪器作为载体，充分扩大知识信息量，努力让学生在进入流体力学与水力学的第一堂实验课静水力学实验课时，就能获得一次“什么是能力培养”的高品位实验体现。本实验涉及的知识内容；(1) 具体概念主要有：绝对压强、相对压强、真空、测压管位置水头、压强水头、测管水头、测压管水头线、等压面等；(2) 基本方程(1)Zpconst(2)h=+0为了验证方程(1)，本实验仪在同一箱体内的任意二
6、点 C、D 处各4设一测压点，并和连通测压管相连；为了验证方程(2)，本仪器设有可测量 p0 的测管 4、标尺管 2 和连通管 3；(3) 基本应用为灵活应用测压管，在本仪器中，设计有马利奥特变液位下恒定流装置和油库内液面高度检测器装置。而这其中的部分内容，曾作为硕士研究生入学试题；(4) 基本测量为便于加压，设置了加压打气球；为减压而设置了通气阀 6 和放水阀 11；为显示真空，设置了测压管 4 及小水杯；为测点压强设置了带刻度测压管 2。为培养学生的实验综合测量分析能力，还特意设置了盛有油、水的U 型管，要求在给定条件下分别实验测量，并建立联立方程求解，从而大大地加强了训练力度。鉴于以上设
7、计思路，我们设计并研制出了这套全有机玻璃的、功能较齐全的静水力学实验装置。经过多年来的不断完善和改进，现已在国内外推广使用，并能完全满足上述教学要求。2. 实验原理图二 图三在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程(1)Zpconst或 (2)h=+05式中：Z 被测点在基准面的相对位置高度；p 被测点的静水压强(用相对压强表示, 以下同)；p0 水箱中液面的表面压强； 液体容重；h 被测点的液体深度。另对装有水、油(如图二及图三)U 型测管，应用等压面可得油的比重 S0 有下列关系(3)Shw012据此可用仪器(不另用尺子)直接测得 S0。3. 实验内容定量测量实验另见实验报告解答，以下介绍主
8、要的定性分析实验。(1) 判别测压管和连通管。按定义, 凡具有自由液面的连通管都是测压管，即 1、2、4、5 都是测压管，当通气阀关闭时，3 管无自由液面是连通管。(2) 判别测压管高度、压强水头、测压管水头和位置水头。例如对测点 C 而言，若基准面选在 D 点所在的水平面上，那么测管 2 的液面到 C 点的垂直距离即为 C 点的测压管高度，也就是 C 点的压强水头(p C/)；C 点到 D 点的垂直高度即为 C 点的位置水头 (ZC)；测管液面到基准面的垂直高度即为 C 点的测压管水头(Z C+pC/)。(3) 观察测管水头线。测压管液面的连线就是测压管水头线。打开通气阀，1、2、3 均为测
9、压管，从这三管液面的连线可以看出，对于同一静止液体，测管水头线是一根水平线。(4) 观察正压现象和真空现象。关闭通气阀和 4 管上的截止阀，捏动打气球对箱体内加压，这时测压管液面高于水箱液面，箱体内 p00。打开放水阀减低箱内压强，使测管液面低于水箱液面，这时箱体内 p00，再打开截止阀，在大气压力作用下，4 管中的液面就会升到一定高度，说明箱体内出现了真空。(5) 验证静水力学基本方程。6先选定一个任意的水平面作为基准面，由于 C、D 两点是水箱水体中的任意两点，由观察可知，C、D 两点测压管的液面是水平面，又由于任意改变箱体内的压强，结果仍相同，因此有ZpconstcD(6) 利用测压管测
10、定点压强。若要测定 C 点的压强，已知水的容重，C 点的标尺读数和 C 点测压管液面的标尺读数，根据 ，即可测出 C 点的压强水头。pH0(7) 判别等压面。关闭通气阀门，打开截止阀，稍加压，使 为 2cm 左右，判别p0/下列几个平面是不是等压面；a. 过 C 点作一水平面，相对 1、2、5 管及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？b. 过 5 管中的油水分界面作一水平面，对 U 型管中液体而言，这个水平面是不是等压面？c. 过 4 管中的液面作一水平面，对 4 管中液体和方盒中液体而言，该水平面是不是等压强？根据等压面 4 个判别条件：静止、连通、均质、同一水平面。可判定上述 b、c
11、是等压面。在 a 中，相对 1、2 管及水箱中液体而言，它是等压面，但相对管中的水或油来讲，它都不是同一等压面。(8) 测定箱体内空气的真空度。先利用标尺读出水箱液面的标尺读数 h, 再利用减压放水阀放掉一点水，使水箱内产生真空。要测定其真空度，只要读出测管读数 h，即有 h 真空 =0-h。(9) 确定箱体内的真空区域。当测管液面低于水箱液面时，说明箱体内出现了真空，它的真空区域除了箱内空腔外，还包括部分水体。真空区域的划定可通过测管液面作一个等于大气压强的等压面，水箱内在这个等压面以上的水体和气体的压强均小于大气压强，也就是说，该等压面以上均为真空区域。在 U 型管中充水的一侧也有一个真空
12、区域，其分界面位置必位于7油表面以下某一高度。(10)测定油的容重。可用二种方法来测定，最简单的是另备一根直尺，只要打开通气阀，使 p0=0，量出油柱高度和油水交界面以上的水柱高度，便可求得 油 。另一种方法是只用仪器本身的标尺管，按上述“实验原理”中所提方法，测出 油 。(11) 观察变水位下的恒定流现象。关闭各通气阀门，打开放水阀放水，稍候，可看到气体从 C 孔进入水箱。这时，由于水箱中水位不断下降，对通过阀门的出流现象往往容易误认为是非恒定流。但实际上这是一股恒定水流。因为测压管1 的液面始终在 C 点的水平面上，说明作用于阀门前的总水头没有变化，这是由于空气的充入改变了箱体内空腔的真空
13、度，使等于大气压强的等压面的位置高度维持不变。医学上的点滴注射就是其中一例，称马利奥特容器。当箱内液面降到 C 点高度以下，这股水流就变成了非恒定流。(12) 观察箱体内真空度变化。变水位下恒定流时，4 管中的液柱就是箱体内液面的真空高度，随着水箱内液面的下降，4 管中的液柱高也会随着下降。但短时间内很难看出 4 管中液柱的这一变化规律，可让学生观察分析判定。(13) 油库内液面高度检测器原理。在清华大学编 80 年版水力学中，习题 1-12 所示的油库内油面高度检测器，可利用本实验仪作演示。打气加压，使箱内的空气充满 4 管。这时测压管 2 中高出水箱液面的液柱高度为 h，即可得知小水杯(相
14、当于油箱)中的液位高度，如果小水杯内装的是水，那么此 h 即为测管 4 插入小水杯中的深度。4. 成果分析(1)测压管太细，对测压管液面读数造成的影响。设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算hd4cos8式中，为表面张力系数；为液体的容量；d 为测压管的内径； h 为毛细升高。常温(t=20)的水， =7.28dyn/mm， =0.98dyn/mm3。水与玻璃的浸润角很小，可认为 cos=1.0。于是有(h、 d 单位均为 mm)hd297.一般来说，当玻璃测压管的内径大于 10mm 时，毛细影响可略而不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦
15、较净水小；当采用有机玻璃管作测压管时，浸润角 较大，其 h 较普通玻璃管小。如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。(2) 该仪器在加气增压后，水箱液面将下降 而测压管液面将升高H，实验时，若以 p0=0 时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强(H+)与视在压强 H 的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm，箱体内径为 20cm。加压后, 水箱液面比基准面下降了 ，而同时测压管 1、2 的液面各比基准面升高了 H，由水量平衡原理得242dD则2()本实验仪 d0.8cm ，D20cm故 / H0.0032于是相对误差有H/10320因而可略去不计。其实，对单根测压管的容器若有 D/d10 或对两根测压管的容器D/d7 时，便可使0.01。注: 8为了充分利用现代化教学手段，提高实验教学质量，本室开发了该实验 CAI 计算机虚拟仿真软件和数据处理软件，可随仪器配购，以上软件说明请参考相关资料。
