多功能水力学实验水槽教学器材研制

张宏伟 周 永 冯玮珺 杭 伟 宋雨衡 孙烨彤

(大连海洋大学土木与海洋学院，辽宁 大连 116023)



多功能水力学实验水槽教学器材研制

张宏伟 周 永 冯玮珺 杭 伟 宋雨衡 孙烨彤

(大连海洋大学土木与海洋学院，辽宁 大连 116023)

以伯努利控制方程为理论依据，量纲分析为研究手段，把流体静力学实验、不可压缩流体恒定流能量方程实验等7个实验课程的器材作为研究内容，对水箱的尺寸、水箱和管道连接布局进行优化，从而在整体上将结构近似、功能单一的水槽实验器材整合一体化，解决了现存水力学实验器材功能单一、占地面积大、结构维护复杂等问题。

水力学实验，实验仪器，水槽，教学大纲

水力学实验，是水力学科教学的一个重要环节，由于人们对流体运动规律认识的局限性，很多流动的规律和公式是通过实验分析而总结出来的。在深化改革，完成教学大纲的要求，以及培养学生独立分析和解决问题的能力，都占有重要的位置。而各高校水力学实验室水槽器材，1999年以来大多数依从浙江大学毛根海先生[1]的实验思想而建立。但这套仪器存在功能单一、占地面积大、维护构件复杂等缺陷，显然现存实验器材数量和近年来的高校大幅度扩招以及教学大纲对学生的独立分析和解决实际问题的能力要求相背驰的。因此，研制多功能实验水槽的工作是迫在眉睫的一项任务。

1 原理分析

本文把流体静力学实验、不可压缩流体恒定流能量方程实验、局部水头损失实验、沿程水头损失实验、雷诺实验、孔口与管嘴出流实验、水头损失综合实验等7个实验课程的器材作为研究内容。分别对不同实验的实验目的和要求、实验设备、实验原理进行了归类整理[2]。

1.1 实验的目的归纳

表1 实验目的归纳表

本文分别针对上述7个实验，所涉及到的测量参数和实验目的进行了归纳如表1所示。

由表1可以看出，所涉及的7个实验所测量的参数和目的，具有相似性。也为我们进行实验设备整合，利用一套测量设备，分别对7个实验进行测量提供了很好的理论依据。

1.2 实验设备归纳

除实验1(静水压强实验)以外，其余6个实验共用仪器：自循环供水器、实验台、可控硅无极调速器、溢流板、稳水孔板、恒压水箱、测压计、滑动测量尺、测压管、实验流量调节阀、回水管、汇水器、实验管道。而不同仪器：静水压强实验有自己独特的测压管、带标尺测压管、连通管、真空测压管、U型测压管、通气阀、加压打气球、截止阀、油柱、水柱、减压放水阀；实验2(不可压缩流体恒定流能量方程实验)毕托管测压点、实验3(局部水头损失实验)扩大实验管段、收缩实验管段。实验4(沿程水头损失实验)自循环高压恒定全自动供水器。实验5(雷诺实验)有色指示水供给箱。实验6(孔口与管嘴出流实验)孔口管嘴、防溅旋扳、测量孔口射流收缩直径的移动触头。实验7(水头损失综合实验)普通测压点、毕托管测压点。

通过分析，整体上除了实验1(静水压强实验)由于自身测量特点所决定具有独特的设备外，其他6个实验皆由恒压水箱、实验管道和测压管构成；而细节上的不同主要体现在实验内容的不同的设备上。

1.3 实验控制方程归纳

7个实验都是基于伯努利控制能量守恒方程(见表2)，进行量纲处理后，将能量单位转化成长度单位。因此所测量的物理量都具有速度水头(净水压强实验速度水头为0)和测压管水头这两个关键物理量。

表2 实验控制方程归纳

综上所述，对于高校水力学实验教学大纲所开设的7个实验：流体静力学实验、不可压缩流体恒定流能量方程实验、局部水头损失实验、沿程水头损失实验、雷诺实验、孔口与管嘴出流实验、水头损失综合实验的内容、原理等进行归纳分析，可以看出该7组实验主要以伯努利控制方程为理论依据，各组实验仪器结构相似度较大、需测量的数据方法相近。因此，多功能水力学实验水

槽以及相应配件优化的研制工作，具有可行性。

依据上述分析，我们将所涉及的7个实验，进行了多功能实验水槽的组合设计，该设计图如图1所示。

2 成果展示

依据上述理论分析和设计图纸，我们将流体静力学实验、不可压缩流体恒定流能量方程实验、局部水头损失实验、沿程水头损失实验、雷诺实验、孔口与管嘴出流实验、水头损失综合实验等7个实验课程的器材相近功能进行整合，最终形成综合实验仪器，见图2。

在该仪器中通过旋转中间开闭控制装置，保证开启一个实验中，其他水槽试管为闭合状态。后置的静水压强水箱可单独进行静水压强实验。从而实现了上述7个实验的实验目的和测量数据可在此多功能水力教学仪器实现。从而达到了占地面积小、一机多能的目的。

3 结语

本文分别通过原理分析、设计改造，最终研制成功了多功能实验水槽教学仪器。从而解决现存水力学实验器材的功能单一、占地面积大、结构维护复杂等问题。

[1] 毛根海.工程流体力学实验指导书与报告[Z].

[2] 高 潮,周 永.土木工程实验教程[M].武汉：华中科技大学出版社，2015.

On development of multifunction hydradulics experimental educational equipment

Zhang Hongwei Zhou Yong Feng Weijun Hang Wei Song Yuheng Sun Yetong

(DepartmentofCivilandMarineInstitute,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

Based on the bernoulic control equation, the paper takes the equipment for the seven experimental courses including the hydrostatics experiment and various compressive fluid constant energy equation and so on by means of the dimension analysis, optimizes the sizes of the tank, tank and the pipeline connection allocation, so as to integrate the water channels’ test devices with similarities and single function, solve the problems in the single function of the existing hydradulics experimental devices, large coverage and complicated structural maintenance.

hydradulics experiment, experimental devices, water channel, teaching program

1009-6825(2017)13-0234-02

2017-02-28

张宏伟(1980- )，男，博士，高级工程师

G642

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