水力学实验(最终评为优秀)

《水力学实验》静水压强实验报告指导老师：何建京参加者：静水压强试验仪型号：H0-02实验仪器编号：20010402试验台：水力学实验室13桌水电院08级水工一班一．实验概述1.实验目的①掌握解析法及压力图法，测定矩形平面上的静水总压力。②验证平面静水总压力理论。2.实验原理作用在任意形状平面上的静水总压力P等于该平面形心处的压强pc与平面面积A的乘积：P=PcA方向垂直指向受压面。对于上下边与水面平行的矩形平面上的矩形平面上的静水总压力及其作用点的位置，可采用压力图法：静水总压力P的大小等于压强分布图的面积Ω和以宽度b所构成的压强分布体的体积。P=Ωb若压强分布图为三角形分布，如图，则P=1/2ρgH2be=1/3H式中:e-为三角形压强分布图的形心距底部的距离.HPeH3若压强分布图为梯形分布,如图,则P=1/2ρg(H1+H2)abe=a/3·(2H1+H2)/(H1+H2)式中:e-为梯形压强分布图的形心距梯形底边的距离H1H2ρgH1ρgH23.实验步骤1熟悉仪器,测记有关常数.2用底脚螺丝调平,使水泡居中.3调整平衡锤使平衡杆处于水平状态.4打开进水阀门K1,待水流上升到一定高度后关闭.5在天平盘上放置适量砝码.若平衡杆仍无法达到水平状态,可通过进水开关进水或放水开关放水来调节进放水量直至平衡.6测记砝码质量及水位的刻度数.7重复步骤4～6,水位读数在100mm以下做4次,以上4次.8打开放水阀门K2,将水排净,并将砝码放入盒中.实验结束.4.注意事项1在调整平衡杆时,进水或放水速度要慢.2测度数据时,一定要等平衡杆稳定后再读.二．实验装置及实验数据1.有关常数：（1）天平臂距离L0=27.5cm（2）扇形体垂直距离L=20cm（3）扇形体宽度b=7.5cm2.量测记录表格压强分布形式测次水位读数砝码质量Hmcmg三角形分布14.695026.7510038.4015049.75200梯形分布512.20300613.45350714.65400815.754503.计算表格压强分布形式测次作用点距底部距离作用点距支点垂直距离实测力矩实测静水总压力理论静水总压力相对值eL1=L-eM0=mg·L0P实测=Mo/L1P理论y=P实/P理cmcmN·cmNN三角形分布11.56318.44713.4750.7300.8050.90722.25017.75026.9501.5181.6740.92132.80017.20040.4252.4142.5930.93143.25016.75053.9003.2743.4940.937梯形分布53.84316.15780.8505.0045.2920.94664.01415.98694.3255.9006.2110.95074.13615.864107.806.7957.0930.95884.21815.782118.587.5147.8280.960三．实验成果分析：对于平面静水总压力，用一般的方法很难测出。现在使用杠杆原理来间接求出作用在物体表面上的压力。这个实验装置的设计十分精巧，其中前壁与后壁由于对称所以产生的静水总压力可以抵消，在左侧弧形的部分由于其静水压力作用方向经过杠杆转动轴心，所以其产生的力矩为0。因此能够真正产生力矩作用的只有作用在右侧平面上的静水总压力。静水压强的实际值：可以通过力矩平衡原理求得，表达式为P=GL0L1，式中G为砝码重量，L0为砝码的力臂，L1为平面静水总压力作用点到杠杆的距离。L1=L-e.静水压强的理论值：若压强分布图为三角形分布，P=12ρgH2be=13H若压强分布图为梯形分布，P=12ρg(H1+H2)abe=a3.2H1+H2H1+H2从我们的实验数据可以看出实际压强与理论压强的相对值有y随着水位高度的逐渐增加而不断变大，当H为4.69cm时y值为0.907，当H为15.75cm时y值为0.960。y值经历了从0.9070.9210.9310.9370.9460.9500.9580.960的变化。其中一开始误差较大是由于读数较小引起的。后来误差不断减小是因为每次的绝对误差基本都差不多，但是读数在逐渐变大，所以相对误差会不断减小。最后y值会随着读数的逐渐增加而接近于1将我们所得的平面静水压强理论值和实际值在图中画出，可以发现两者基本差不多，验证了实验的正确性。压强分布图为三角形时，将水位高度H和实测压力利用MATLAB软件进行拟合，如下图。其中横坐标为水位高度，纵坐标为实测压力。可以发现这两个变量成二次抛物线关系。在MATLAB软件中显示的相似度达到0.9997，可知可信度是很高的。再与我们的理论公式P=12ρgH2b进行比较，通过我们实验测量的数据验证了压强分布图为三角形时压力P与H2成正比。压强分布图为梯形时，将水位高度H和实测压力利用MATLAB软件进行拟合，如下图。其中横坐标为水位高度，纵坐标为实测压力。可以发现这两个变量大概成线性关系。在MATLAB软件中显示的相似度达到0.9958，可知可信度是很高的。再与我们的理论公式P=12ρg(H1+H2)ab进行比较，其中H1+H2与水位高度成线性关系。通过我们实验测量的数据确实验证了压强分布图为梯形时压力P与水位高度H成线性关系。通过我们的实验数据很好地证明了静水压强分布的一系列规律，与理论值符合度较高，实验达到了预期效果。所以该实验主要的误差在于我们的读数，下面利用数学建模竞赛中所学到的模型稳定性知识具体分析一下误差的原因以及影响程度：1.由学过的水力学知识，液体表面会存在分子张力，可能会干扰实验最终结果2.使用仪器前未将底座调平3.砝码表面氧化造成质量偏大导致一系列误差4.水中含有杂质，密度超过了1.0，影响实验结果误差总结：实验中出现的一系列误差一方面是由于仪器自身问题引起的，另一方面是由于我们的读数引起的，其中读数不当是实验中的主要误差。下面来分析误差的具体影响程度。假设我们的读数存在∆=-0.1cm的误差，为了使我们的假设具有说服力，我们压强分布图为三角形和梯形时各取一组数据。取H=4.69cm时的数据为例（此时压强分布图为三角形）HeL1=L-eM0=mgL0P实=M0/L1P理y=P实/P理4.691.56318.44713.4750.7300.8050.9074.591.53018.47013.4750.7290.7820.933取H=12.20cm时的数据为例（此时压强分布图为梯形）HeL1=L-eM0=mgL0P实=M0/L1P理y=P实/P理12.203.84316.15780.855.0045.2920.94612.103.83716.16380.855.0025.2430.954我们可以很清楚地看到取H=6.75cm时的数据为例时，实力压力与理论压力的相对值为0.907，如果在我们读数的基础上减少0.1cm时相对值就会变成0.933，准确性大大提高。取H=12.20cm时的数据为例时，实力压力与理论压力的相对值为0.946，如果在我们读数的基础上减少0.1cm时相对值就会变成0.954，所以说明我们的读数变化很小对结果的影响程度是较大的。上面从实际数据来直观地认识了读数的误差对我们最终实验结果的影响。下面从理论上来分析误差对实验的影响：1.对于压强分布为三角形分布：P实=mgL0L−H3,P理=12ρgH2b.求得y=mgL0L−H312ρgH2b。式中水位高度H次数较高，所以对于y值的影响程度较高。从我们上面的数据分析也能看出。2.对于压强分布为梯形分布：P实=mgL0L−a32H1+H2H1+H2，P理=12ρg(H1+H2)ab，求得y发现水位高度对于最后的结果影响程度也较大。所以说在实验过程中应当让三个人都进行读数。另外对于本组试验中为什么每次都会出现P实小于P理，我们解释为是由于水的密度大于1.0，为此在利用公式P=12ρgH2b和P=12ρg(H1+H2)ab计算理论压力时我们取的密度值由于杂质的影响密度值会大于1.0，所以理论值会偏大，这样最终y值会小于1。当然我们也不能排除其他因素的影响。综合上述的系列分析发现本次实验还是比较成功的，实验误差在预期范围之内，实验结果达到了预期的要求，验证了平面静水压力理论。四．实验课小结：水工1班上学期学完了水力学理论知识之后对于水力学的理解还是只存在于概念之中，对于一些理论的感性认识还不是很足。这学期的水力学实验让我加深了对于一些水力学理论的认识，提高了相关的仪器操作水平。在实验过程中我印象最深刻的就是水的脉动现象对于实验精度的影响，在堰流实验时由于水的流速过大会导致读数的精确性受到大大影响，导致我们的实验精度才90%左右。而水位高度读数变化0.1cm之后对于我们实验的最后结果影响程度及其大，所以必须要三个人读数才能保证实验数据的精确性。这在不知不觉中提高了我们实验操作的严谨性。另外的处理数据过程也让我受益匪浅，一开始面对大量的数据显得茫然，后来通过长期的训练终于学会了利用EXCEL和MATLAB软件去学习处理一大堆繁琐的数据，最后通过图表来发现实验数据中所发现的规律。通过水力学实验也让我懂得了理论推理的严谨性，在做文德里管实验时，我学会了利用能量方程来分别推求理论与实际的K值，通过理论分析发现是hw影响了最终的结果。在做流网实验时，流线与等势线必须要垂直还有画图时必须为曲边正方形等一些要求让我印象深刻。另外本次实验y值随着水位高度的不断升高而不断增加且最后会接近于1，这是我们实验数据处理得到的结果。然后我们通过理论分析得到了这种数据的原因，说明了我们的实验数据是没有问题的，实验数据的准确无误很大程度上提高了我们的实验效率。还有我们的实验很多都是验证性实验，所以必须要尽量减少实验所出现的误差。在水力学实验中所学到的科学与严谨一定会对我日后的学习与工作产生好的引导作用。另外还要感谢何老师在实验中所给予我们的热心指导，每当实验中出现一些疑问与难题时，何老师每次都能耐心地把实验中的注意事项以及相关注意点给我们讲清楚。从这八周的实验课，我总结到：必须要课前认真预习，在实验中要尽量减少测量误差，查询相关理论知识。另外实验数据不能伪造，任何一组数据都有其出现的理由。当实验数据偏差较大时应该仔细检查是不是我们的操作步骤有问题还是读数时有问题。经过这八次写实验报告和老师的点评，我学到了如何去写实验报告，比以前有了进步。在写成果分析时我们要考虑到实验原理，结合实验数据和通过实验数据处理得到的图表来进行分析。得出的结论一定要有证据和数据的支撑，不能空穴来风。特别在数据处理方面，同过这八次实验我有了很大提高，知道利用EXCEL、MATLAB等软件去处理数据。通过水力学实验，让我学会了如何分析问题，总结问题，从实验数据以及现象中挖掘其中的必然规律。所学到的这些知识一定会对我日后的学习打下坚实的基础。水工一班水力学实验课，说实话比较繁琐。这也是许多实验课程所共有的特征。尤其是实验数据的整理分析。经常会由于实验时操作的不到位或者仪器有问题等原因导致实验数据变得十分离谱。令人十分头痛。因为我们一般做的都是验证性实验，理论上会产生的结果课本上都已经学过。但是遇到实际问题时，我们发现会产生各种情况。这就要求我们必须运用所学知识进行解释和误差分析。由于两个班交替做实验，所以每当第一次做的时候，总会比较紧张，有些细节没注意什么的。实验报告就做得不太好了。不过这最后一次实验是做的以前做过的。这次我们做得是平面静水总压力实验。实际上就是用力矩平衡的方法来验证水力学书上的平面静水总压力公式：P=pcA。实验分别测量了三角形压强分布图和梯形压强分布图。通过实测数据与理论计算值进行比较，以达到验证的目的。实验装置也十分巧妙，一个扇形水箱，测量的是竖直侧面的静水总压力，由于另一侧面为圆弧面，静水总压力刚好指向圆心，对梁转轴的矩刚好为零，这样就不用考虑圆弧形侧面的静水总压力的影响了。老师您要求是做8组数据。由于有了一次经验，我们做起来也是轻车熟路。但我们还是小心翼翼，力求做到尽量减少人为的偶然误差。实验时，为了使数据更全面，我们做了12