11-水面曲线实验

水面曲线实验一、实验目的要求１．观察棱柱体渠道中非均匀渐变流的十二种水面曲线。２．掌握十二种水面曲线的生成条件。二、实验原理如图所示，十二种水面线分别产于五种不同底上。因而实验时,必须先确定底坡性质，其中需测定的，也是最关键的是平坡和临界坡。平坡可依水准泡或升降标尺值判定。临界底坡应满足下列关系：式中，Pc、Cc、Bc、hc和Rc分别为明槽临界流时的湿周、谢才系数、槽宽、水深和水力半径；n为糙率。（以上公式单位均取米·秒）临界底坡确定后，保持流量不变，改变渠槽底坡，就可以形成陡坡（iic），缓坡（0〈i〈ic），平坡（i=0）和逆坡（i〈0），分别在不同坡度下调节闸板开度，则可得到不同型式的水面曲线。三、实验方法与步骤1.把设备各常数测记于实验表格中。２.开启水泵，调节调速器使水流量最大，待稳定后测量过槽流量，重测两次取其均值。３.计算临界低坡ic值。４.操纵升降机构，至所需的高程读数，使槽底坡度i=ic,观察槽种临界流（均匀流）时的水面曲线。然后插入闸板2，观察闸前和闸后出现的a3型和c3型水面曲线，并将曲线绘于记录纸上。操纵带标尺的升降机构使槽底坡度出现iic(使底坡尽量陡些)，插入闸板2，调节开度，使渠道上同时呈现a2、b2、c2型水面曲线，并绘于记录纸上。6.操纵带标尺的升降机构使槽底坡度出现0iic(使底坡尽量接近于0)、i=0和i0，插入闸板1，调节开度，使渠道上分别出现相应的水面曲线，并绘于记录纸上。（缓坡时，闸板1开启适度，能同时呈现a1、b1、c1型水面曲线）。7.实验结束，关闭水泵。注：在以上实验时，为了在一个底坡上同时呈现三种水面曲线，要求缓坡宜缓些，陡坡宜陡些。四、实验分析与讨论问题一判别临界流除了采用ic方法外，还有其他什么方法？参考答案:临界流有如下特征，据此亦可判别流动是否为临界流动：（1）临界底坡上所形成的、型水面线应趋近于水平线。用直尺直接量测水面至桌平面的垂直距离，可检测其是否水平。（2）临界流时的断面比能E最小，且在临界水深附近比能E微小变化，会引起水深较大变化，故受扰动时水面易产生较大的波动，并形成不稳定的波状水面线。由此可知，当底坡接近临界底坡时，其均匀流的水面线亦呈现波状，等于临界底坡时，波状最为明显。问题二分析计算水面线时，急流和缓流的控制断面应如何选择？为什么？参考答案:在分析计算前，位置及水深已知的断面，谓控制断面。急流控制断面只能选在上游，缓流一般选在下游。这是由于急流干扰波不能向上游传播，而缓流时，干扰波能向上游传播。例如实验中的闸板（上下游附近）位置可选作控制断面，之前为缓流，之后（跃前）流段为急流。根据闸前水深和闸板的开度即可分析计算闸前或闸后（自由出流时）的水面线。又如跌坎是缓流向急流过渡的控制断面。在跌坎偏上游处的断面上，其水深为临界水深、跌坎可作为计算b型水面曲线的控制断面。问题三在进行缓坡或陡坡实验时,为什么在近临界底坡情况下，不容易同时出现三种水面线的流动型式？参考答案:b型水面线位于NN和CC线之间，当底坡接近于临界底坡时，二线间区域很窄，故难以形成b型水面线。为使b型水面线较易生成，应使NN线和CC线之间区域变宽，所以实验时要求缓坡宜缓，陡坡宜陡。问题四请利用本实验装置，独立构思测量活动水槽糙率n的实验方案。（假定水槽中流动为阻力平方区）参考答案:当流动处于紊流阻力平方区时，糙率n根据下列均匀流公式测计：式中，B为槽宽；h水深；A为过水断面，即ABh;L两支点间据；z升降杆标尺读值。需实验测定明渠均匀流时的Q、i、h、B值。计算时，单位应换算成米·秒。实验方法调节底坡，使之产生急流状态均匀流（其中均匀流段，等水深流段长度不短于50cm），测定流量Q、B、h及z值，将实验测值和已知常数代入上述公式即可计算n值。实验分析上述公式仅适用于紊流阻力平方区。但由于本槽很小，最大流量下能达到的雷诺数约为十的四次方，其流动处于紊流过，故上述测计只可做为测n方法的练习。