河流動力學(xué)實驗指示書(給學(xué)生)資料

1、實驗一 順直河道垂線流速分布實驗1. 目的意義河道的流速分布是極其復(fù)雜的，沒有一個大家公認(rèn)的理論，目前的研究大多 假定水流是恒定的、 均勻的、 二元的時均流速沿河道縱向分布， 即其基本理論及 其公式都是建立在順直河道垂線流速分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 因此，順直河道的垂 線流速分布就成為河流動力學(xué)、 泥沙運(yùn)動學(xué)、 河床演變學(xué)以及水力學(xué)等學(xué)科研究 中的最基本的、最主要的也是最簡單的一個課題。通過實驗增加同學(xué)們對順直河道水流結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，掌握順直河道水流運(yùn) 動規(guī)律、分布規(guī)律，為將來深入研究流體力學(xué)和實際工程中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)；了解關(guān)于水流運(yùn)動結(jié)構(gòu)方程式以及各種水流運(yùn)動的經(jīng)驗或半經(jīng)驗的理論公式 的來源和依

2、據(jù)，掌握垂線流速的測量方法。2. 實驗的內(nèi)容、要求2.1 實驗內(nèi)容橫斷面流速、垂線流速、沿程水位以及水面坡降。2.2 實驗要求(1) 掌握水位、流速的測量方法。(2) 根據(jù)工程水文學(xué)關(guān)于河道測量的浮標(biāo)數(shù)不少于 5 條的要求：橫斷面上的 測點(diǎn)不得少于五個(以后的實驗要求相同) 。(3) 垂線上的測點(diǎn)用五點(diǎn)法或六點(diǎn)法；其中，水槽中間垂線上的測點(diǎn)建議用10 點(diǎn)法，目的是為了更好的驗證垂線流速分布理論。(4) .至少驗證或了解指數(shù)分布理論、 對數(shù)分布理論、 拋物線分布理論或其它 理論中的一種理論的依據(jù)。3. 儀器設(shè)備主要的儀器設(shè)備： 6m 長玻璃水槽、流速儀，流量及水位測量控制系統(tǒng)4. 實驗方法、步驟

3、第一步：打開進(jìn)水閥門向水槽中放水； 第二步：在流量控制系統(tǒng)中輸入設(shè)計的流量，使水槽中水位逐漸抬升； 第三步：控制尾門附近的水位讀數(shù)；第四步：當(dāng)流量計和尾門的水位穩(wěn)定后即開始測量水槽水深(最小水深h3cm，水槽同一橫斷面的水深可視為相同)和沿程水位；第五步：將水槽水深等分， 在橫斷面上間隔 35cm 測量 0h，0.2h，0.4h，0.6h，0.8h，h 等各點(diǎn)的流速；第六步：改變流量、水深，繼續(xù)按 35cm 的間隔施測橫斷面上 0h，0.2h，0.4h，0.6h，0.8h， h等各點(diǎn)的流速和沿程水位；5. 資料整理和實驗報告(1) 點(diǎn)繪橫斷面流速分布曲線、垂線流速分布曲線；(2) 用數(shù)學(xué)公式(

4、指數(shù)式或?qū)?shù)式或其它數(shù)學(xué)式)描述所點(diǎn)繪的曲線；(3) 用物理理論描述數(shù)學(xué)公式；(4) 編寫并提交實驗報告。表 1-1 順直水槽水流試驗垂線流速紀(jì)錄實驗名稱斷面號測量者記錄者流量 m3/s量水堰水位尾門水位年 月 日垂線號垂線水深相對水深流速平均流速備注1n實驗二 起動流速實驗1、實驗?zāi)康募耙饬x 起動流速是泥沙運(yùn)動的一個重要的物理指標(biāo)，實際工程中經(jīng)常應(yīng)用，它是 判定河道沖淤變化的一個重要的判據(jù)。 但是， 由于泥沙運(yùn)動的復(fù)雜性， 目前已有 的公式都采取了一系列的假定。 因此，泥沙起動的理論是泥沙運(yùn)動學(xué)、 河流動力 學(xué)、河道演變學(xué)等學(xué)科重點(diǎn)研究的課題之一，也是港口航道、水利水電、資源環(huán) 境、給排水、

5、 管道輸送等專業(yè)重點(diǎn)研究的課題之一。 實驗主要的目的意義在于使 同學(xué)們認(rèn)識泥沙起動流速公式的幾何意義和物理意義， 掌握泥沙起動的判定、 實 驗方法以及起動流速在生產(chǎn)中的應(yīng)用并初步認(rèn)識泥沙運(yùn)動的基本概念， 建立泥沙 運(yùn)動與水力參數(shù)的基本關(guān)系。2、實驗內(nèi)容 觀察并判定泥沙起動的臨界狀態(tài)；測量橫斷面流速分布、垂線流速分布； 測量沿程水位變化（水面坡降） 。3、儀器設(shè)備 在長直水槽中進(jìn)行，主要的儀器設(shè)備：流速儀，自動水位測量系統(tǒng)、已知 重率的泥沙、鋼尺等。4、實驗方法、步驟第一步：在水槽底部鋪 35cm 厚的均勻砂樣，刮平整； 第二步：關(guān)好尾門， 打開尾部進(jìn)水閥門， 緩慢地向水槽中放水至 3cm 以上

6、； 第三步：根據(jù)設(shè)計的流量緩慢地向水槽中加水至 510cm 以上； 第四步：打開尾部閥門緩慢地放水，同時密切觀察泥沙顆粒是否起動，直 到觀察到底部泥沙處于要動不動的臨界狀態(tài)或者有幾顆已經(jīng)動的微動狀態(tài)； 第五步：當(dāng)觀察到有顆粒微動時， 記下各水位測點(diǎn)讀數(shù) （最小水深 h3cm）； 第六步：沿橫斷面測量水深并等分水深（最好選擇水槽的中間點(diǎn)） ，分別測 量垂線上各點(diǎn)的流速。5、資料整理和實驗報告1）畫出實驗布置圖：2）計算垂線平均流速距水底U1U2U3平均流速1cm2cm3cm4cm5cm3）分析泥沙起動的水力要素，建立起動流速與水深、粒徑的關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式（指數(shù)式或?qū)?shù)式或其它數(shù)學(xué)式）描述所點(diǎn)繪的

7、曲線；（4） 根據(jù)實驗結(jié)果對比起動流速經(jīng)驗公式。沙莫夫公式Vc 1.144gddh 1/ 6或?qū)?shù)型Vc2g( s )d1.75lg8.8Hd955）比較實驗值與已知公式計算出的起動流速的差異，在本實驗中哪組公 式更接近本實驗，為什么。6、思考題（ 1）通過觀察泥沙的起動，您發(fā)現(xiàn)了有哪些因素將會影響起動流速的結(jié) 果？（2）在觀察泥沙起動的過程中，您會發(fā)現(xiàn)水槽邊壁的泥沙可能會先動，這 是為什么？（3）工程實際中，常用表面流速來判斷泥沙的起動與河道沖淤的可能性， 這種計算結(jié)果與經(jīng)驗公式的計算結(jié)果有何差異，應(yīng)如何調(diào)整、更正？實驗三 推移質(zhì)輸沙實驗1、實驗?zāi)康募耙饬x 無論是航道整治還是水利水電工程，推

8、移質(zhì)對于河道變形起著主導(dǎo)作用。 是河流動力學(xué)研究的主要對象之一， 而研究河流動力學(xué)的最終目的就是要解決河 道的泥沙輸移問題， 這是河流動力學(xué)研究的關(guān)鍵。 通過實驗使同學(xué)們認(rèn)識并建立 推移質(zhì)輸沙率與水流運(yùn)動的關(guān)系，加強(qiáng)對泥沙輸移與河道沖、淤變化的理解。2、實驗內(nèi)容總輸沙量、單位時間的輸沙量 （輸沙率 ）、橫斷面流速分布、沿程水位變化。3、儀器設(shè)備 實驗在長直水槽中進(jìn)行，主要的儀器設(shè)備：流速儀，水位測量系統(tǒng)、推移 質(zhì)取樣設(shè)備、烘干、稱重等設(shè)備；已知粒徑、級配、重率的砂樣。4、實驗方法、步驟 第一步：在水槽中鋪好砂樣并刮平整； 第二步：關(guān)閉尾門，打開尾部進(jìn)水閥門向水槽中放水（水深3cm 以上）；第三

9、步：打開進(jìn)水閥門向水槽中放水，打開尾門，使泥沙處于運(yùn)動狀態(tài)； 第四步：當(dāng)觀察到運(yùn)動的泥沙進(jìn)入集砂器時即記錄起始時間，同時測量橫 斷面流速分布和沿程水位；第五步：經(jīng)過某一時段以后，將集砂器中的砂樣取出并稱重；5、資料整理和實驗報告（1）計算單位時間的輸沙量（即輸沙率） ；（2）比較由沙漠夫公式、崗恰洛夫公式、愛因斯坦公式計算出的輸沙率與 本次實驗所計算出的輸沙率進(jìn)行比較；（3）編寫并提交實驗報告。6、思考題（1）粒徑對于輸沙率的影響主要表現(xiàn)在哪些方面；（2）均勻沙與非均勻沙的輸沙率的差異有哪些；實驗四 彎道水流特性試驗1、實驗?zāi)康呐c意義（1）了解彎曲河道水流特性、 水流結(jié)構(gòu)特征、 流速的縱向和橫

10、向分布特征、 水位的縱向和橫向變化特征；（2）了解并認(rèn)識彎道環(huán)流的形成機(jī)理、特征及其作用；（3）了解彎曲河道與順直河道水流結(jié)構(gòu)、水位變化的差異；（4）了解彎道泥沙的輸移機(jī)理；（5）了解彎曲河道演變規(guī)律。2、實驗內(nèi)容（1）進(jìn)口直段的橫斷面流速分布和垂線流速分布；（2）出口直段的橫斷面流速分布和垂線流速分布；（3）彎道段的橫斷面流速分布和垂線流速分布；（4）兩側(cè)岸邊的沿程水位和縱比降；（5）河心的沿程水位和縱比降；（6）沿程橫比降；（7）河床底部流速流向及底沙跡線；（8）凸岸、凹岸的演變發(fā)展過程。3、實驗儀器及布置（1）180回頭彎彎道水槽彎道寬 B=40cm, 彎道的縱比降 J=1，彎道的半徑

11、R=2m（半徑是以彎道 中軸線算起 2m）。（2）測量儀器 流速儀、鋼板尺。（3）測試斷面 流速測試斷面（ 5 個）： 0，45，90，135，180； 輸沙帶測試斷面（ 13 個）： 0， 15， 30， 15， 45， 60， 75，90， 105， 120， 135， 150， 165， 180S1S13D=4.0mV1S2 S12V5彎道水流特性試驗測試斷面布置示意圖V34、實驗方法及步驟（1）使彎道后段形成均勻流，記錄流量 Q 和水深 H。流量在 10 L 以內(nèi)，測量彎道后段幾個斷面的水深是否一樣，水深控制在6-7cm，將彎道分成 5 個斷面，分別是 0， 45， 90，135， 180。（2）分別測量 5 個斷面表面流速測量 9 條垂線：從左岸起 1cm、 5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、 35cm、39cm。3）測量左岸 、右岸水深（左岸水深大于右岸）（4）測量輸沙路線：從彎道入口大約 1m2m 的地方均勻加沙，待輸沙帶基本穩(wěn)定后，觀察彎道