多功能水力學實驗水槽教學器材研制

張宏偉 周 永 馮瑋珺 杭 偉 宋雨衡 孫燁彤

(大連海洋大學土木與海洋學院，遼寧 大連 116023)

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多功能水力學實驗水槽教學器材研制

張宏偉 周 永 馮瑋珺 杭 偉 宋雨衡 孫燁彤

(大連海洋大學土木與海洋學院，遼寧 大連 116023)

以伯努利控制方程為理論依據，量綱分析為研究手段，把流體靜力學實驗、不可壓縮流體恒定流能量方程實驗等7個實驗課程的器材作為研究內容，對水箱的尺寸、水箱和管道連接布局進行優化，從而在整體上將結構近似、功能單一的水槽實驗器材整合一體化，解決了現存水力學實驗器材功能單一、占地面積大、結構維護復雜等問題。

水力學實驗，實驗儀器，水槽，教學大綱

水力學實驗，是水力學科教學的一個重要環節，由于人們對流體運動規律認識的局限性，很多流動的規律和公式是通過實驗分析而總結出來的。在深化改革，完成教學大綱的要求，以及培養學生獨立分析和解決問題的能力，都占有重要的位置。而各高校水力學實驗室水槽器材，1999年以來大多數依從浙江大學毛根海先生[1]的實驗思想而建立。但這套儀器存在功能單一、占地面積大、維護構件復雜等缺陷，顯然現存實驗器材數量和近年來的高校大幅度擴招以及教學大綱對學生的獨立分析和解決實際問題的能力要求相背馳的。因此，研制多功能實驗水槽的工作是迫在眉睫的一項任務。

1 原理分析

本文把流體靜力學實驗、不可壓縮流體恒定流能量方程實驗、局部水頭損失實驗、沿程水頭損失實驗、雷諾實驗、孔口與管嘴出流實驗、水頭損失綜合實驗等7個實驗課程的器材作為研究內容。分別對不同實驗的實驗目的和要求、實驗設備、實驗原理進行了歸類整理[2]。

1.1 實驗的目的歸納

表1 實驗目的歸納表

本文分別針對上述7個實驗，所涉及到的測量參數和實驗目的進行了歸納如表1所示。

由表1可以看出，所涉及的7個實驗所測量的參數和目的，具有相似性。也為我們進行實驗設備整合，利用一套測量設備，分別對7個實驗進行測量提供了很好的理論依據。

1.2 實驗設備歸納

除實驗1(靜水壓強實驗)以外，其余6個實驗共用儀器：自循環供水器、實驗臺、可控硅無極調速器、溢流板、穩水孔板、恒壓水箱、測壓計、滑動測量尺、測壓管、實驗流量調節閥、回水管、匯水器、實驗管道。而不同儀器：靜水壓強實驗有自己獨特的測壓管、帶標尺測壓管、連通管、真空測壓管、U型測壓管、通氣閥、加壓打氣球、截止閥、油柱、水柱、減壓放水閥；實驗2(不可壓縮流體恒定流能量方程實驗)畢托管測壓點、實驗3(局部水頭損失實驗)擴大實驗管段、收縮實驗管段。實驗4(沿程水頭損失實驗)自循環高壓恒定全自動供水器。實驗5(雷諾實驗)有色指示水供給箱。實驗6(孔口與管嘴出流實驗)孔口管嘴、防濺旋扳、測量孔口射流收縮直徑的移動觸頭。實驗7(水頭損失綜合實驗)普通測壓點、畢托管測壓點。

通過分析，整體上除了實驗1(靜水壓強實驗)由于自身測量特點所決定具有獨特的設備外，其他6個實驗皆由恒壓水箱、實驗管道和測壓管構成；而細節上的不同主要體現在實驗內容的不同的設備上。

1.3 實驗控制方程歸納

7個實驗都是基于伯努利控制能量守恒方程(見表2)，進行量綱處理后，將能量單位轉化成長度單位。因此所測量的物理量都具有速度水頭(凈水壓強實驗速度水頭為0)和測壓管水頭這兩個關鍵物理量。

表2 實驗控制方程歸納

綜上所述，對于高校水力學實驗教學大綱所開設的7個實驗：流體靜力學實驗、不可壓縮流體恒定流能量方程實驗、局部水頭損失實驗、沿程水頭損失實驗、雷諾實驗、孔口與管嘴出流實驗、水頭損失綜合實驗的內容、原理等進行歸納分析，可以看出該7組實驗主要以伯努利控制方程為理論依據，各組實驗儀器結構相似度較大、需測量的數據方法相近。因此，多功能水力學實驗水

槽以及相應配件優化的研制工作，具有可行性。

依據上述分析，我們將所涉及的7個實驗，進行了多功能實驗水槽的組合設計，該設計圖如圖1所示。

2 成果展示

依據上述理論分析和設計圖紙，我們將流體靜力學實驗、不可壓縮流體恒定流能量方程實驗、局部水頭損失實驗、沿程水頭損失實驗、雷諾實驗、孔口與管嘴出流實驗、水頭損失綜合實驗等7個實驗課程的器材相近功能進行整合，最終形成綜合實驗儀器，見圖2。

在該儀器中通過旋轉中間開閉控制裝置，保證開啟一個實驗中，其他水槽試管為閉合狀態。后置的靜水壓強水箱可單獨進行靜水壓強實驗。從而實現了上述7個實驗的實驗目的和測量數據可在此多功能水力教學儀器實現。從而達到了占地面積小、一機多能的目的。

3 結語

本文分別通過原理分析、設計改造，最終研制成功了多功能實驗水槽教學儀器。從而解決現存水力學實驗器材的功能單一、占地面積大、結構維護復雜等問題。

[1] 毛根海.工程流體力學實驗指導書與報告[Z].

[2] 高 潮,周 永.土木工程實驗教程[M].武漢：華中科技大學出版社，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

張宏偉(1980- )，男，博士，高級工程師

G642

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