河流动力学实验指示书(给学生).doc

实验一 顺直河道垂线流速分布实验1.目的意义河道的流速分布是极其复杂的，没有一个大家公认的理论，目前的研究大多假定水流是恒定的、均匀的、二元的时均流速沿河道纵向分布，即其基本理论及其公式都是建立在顺直河道垂线流速分布的基础上进行的。因此，顺直河道的垂线流速分布就成为河流动力学、泥沙运动学、河床演变学以及水力学等学科研究中的最基本的、最主要的也是最简单的一个课题。通过实验增加同学们对顺直河道水流结构的感性认识，掌握顺直河道水流运动规律、分布规律，为将来深入研究流体力学和实际工程中的应用打下基础；了解关于水流运动结构方程式以及各种水流运动的经验或半经验的理论公式的来源和依据，掌握垂线流速的测量方法。2.实验的内容、要求2.1实验内容横断面流速、垂线流速、沿程水位以及水面坡降。2.2实验要求(1) 掌握水位、流速的测量方法。(2) 根据工程水文学关于河道测量的浮标数不少于5条的要求：横断面上的测点不得少于五个（以后的实验要求相同）。(3)垂线上的测点用五点法或六点法；其中，水槽中间垂线上的测点建议用10点法，目的是为了更好的验证垂线流速分布理论。(4) .至少验证或了解指数分布理论、对数分布理论、抛物线分布理论或其它理论中的一种理论的依据。3.仪器设备 主要的仪器设备：6m长玻璃水槽、流速仪，流量及水位测量控制系统。4.实验方法、步骤 第一步：打开进水阀门向水槽中放水；第二步：在流量控制系统中输入设计的流量，使水槽中水位逐渐抬升；第三步：控制尾门附近的水位读数；第四步：当流量计和尾门的水位稳定后即开始测量水槽水深（最小水深h>3cm，水槽同一横断面的水深可视为相同）和沿程水位；第五步：将水槽水深等分，在横断面上间隔35cm测量0h，0.2h，0.4h，0.6h，0.8h，h等各点的流速；第六步：改变流量、水深，继续按35cm的间隔施测横断面上0h，0.2h，0.4h，0.6h，0.8h，h等各点的流速和沿程水位；5.资料整理和实验报告(1) 点绘横断面流速分布曲线、垂线流速分布曲线；(2) 用数学公式（指数式或对数式或其它数学式）描述所点绘的曲线；(3) 用物理理论描述数学公式；(4) 编写并提交实验报告。表1-1 顺直水槽水流试验垂线流速纪录实验名称 断面号 测量者 记录者流量 m3/s 量水堰水位 尾门水位 年 月 日 垂线号垂线水深相对水深流速平均流速备注1n实验二 起动流速实验1、实验目的及意义起动流速是泥沙运动的一个重要的物理指标，实际工程中经常应用，它是判定河道冲淤变化的一个重要的判据。但是，由于泥沙运动的复杂性，目前已有的公式都采取了一系列的假定。因此，泥沙起动的理论是泥沙运动学、河流动力学、河道演变学等学科重点研究的课题之一，也是港口航道、水利水电、资源环境、给排水、管道输送等专业重点研究的课题之一。实验主要的目的意义在于使同学们认识泥沙起动流速公式的几何意义和物理意义，掌握泥沙起动的判定、实验方法以及起动流速在生产中的应用并初步认识泥沙运动的基本概念，建立泥沙运动与水力参数的基本关系。2、实验内容观察并判定泥沙起动的临界状态；测量横断面流速分布、垂线流速分布；测量沿程水位变化（水面坡降）。3、仪器设备在长直水槽中进行，主要的仪器设备：流速仪，自动水位测量系统、已知重率的泥沙、钢尺等。4、实验方法、步骤第一步：在水槽底部铺35cm厚的均匀砂样，刮平整；第二步：关好尾门，打开尾部进水阀门，缓慢地向水槽中放水至3cm以上；第三步：根据设计的流量缓慢地向水槽中加水至510cm以上；第四步：打开尾部阀门缓慢地放水，同时密切观察泥沙颗粒是否起动，直到观察到底部泥沙处于要动不动的临界状态或者有几颗已经动的微动状态；第五步：当观察到有颗粒微动时，记下各水位测点读数（最小水深h>3cm）；第六步：沿横断面测量水深并等分水深（最好选择水槽的中间点），分别测量垂线上各点的流速。5、资料整理和实验报告（1）画出实验布置图：（2）计算垂线平均流速。距水底U1U2U3平均流速1cm2cm3cm4cm5cm（3）分析泥沙起动的水力要素，建立起动流速与水深、粒径的关系，用数学公式（指数式或对数式或其它数学式）描述所点绘的曲线；(4) 根据实验结果对比起动流速经验公式。沙莫夫公式或对数型（5）比较实验值与已知公式计算出的起动流速的差异，在本实验中哪组公式更接近本实验，为什么。6、思考题（1）通过观察泥沙的起动，您发现了有哪些因素将会影响起动流速的结果？（2）在观察泥沙起动的过程中，您会发现水槽边壁的泥沙可能会先动，这是为什么？（3）工程实际中，常用表面流速来判断泥沙的起动与河道冲淤的可能性，这种计算结果与经验公式的计算结果有何差异，应如何调整、更正？实验三 推移质输沙实验1、实验目的及意义无论是航道整治还是水利水电工程，推移质对于河道变形起着主导作用。是河流动力学研究的主要对象之一，而研究河流动力学的最终目的就是要解决河道的泥沙输移问题，这是河流动力学研究的关键。通过实验使同学们认识并建立推移质输沙率与水流运动的关系，加强对泥沙输移与河道冲、淤变化的理解。2、实验内容总输沙量、单位时间的输沙量(输沙率)、横断面流速分布、沿程水位变化。3、仪器设备实验在长直水槽中进行，主要的仪器设备：流速仪，水位测量系统、推移质取样设备、烘干、称重等设备；已知粒径、级配、重率的砂样。4、实验方法、步骤第一步：在水槽中铺好砂样并刮平整； 第二步：关闭尾门，打开尾部进水阀门向水槽中放水（水深3cm以上）；第三步：打开进水阀门向水槽中放水，打开尾门，使泥沙处于运动状态；第四步：当观察到运动的泥沙进入集砂器时即记录起始时间，同时测量横断面流速分布和沿程水位；第五步：经过某一时段以后，将集砂器中的砂样取出并称重；5、资料整理和实验报告（1）计算单位时间的输沙量（即输沙率）；（2）比较由沙漠夫公式、岗恰洛夫公式、爱因斯坦公式计算出的输沙率与本次实验所计算出的输沙率进行比较；（3）编写并提交实验报告。6、思考题（1）粒径对于输沙率的影响主要表现在哪些方面；（2）均匀沙与非均匀沙的输沙率的差异有哪些；实验四 弯道水流特性试验1、实验目的与意义（1）了解弯曲河道水流特性、水流结构特征、流速的纵向和横向分布特征、水位的纵向和横向变化特征；（2）了解并认识弯道环流的形成机理、特征及其作用；（3）了解弯曲河道与顺直河道水流结构、水位变化的差异；（4）了解弯道泥沙的输移机理；（5）了解弯曲河道演变规律。2、实验内容（1）进口直段的横断面流速分布和垂线流速分布；（2）出口直段的横断面流速分布和垂线流速分布；（3）弯道段的横断面流速分布和垂线流速分布；（4）两侧岸边的沿程水位和纵比降；（5）河心的沿程水位和纵比降；（6）沿程横比降；（7）河床底部流速流向及底沙迹线；（8）凸岸、凹岸的演变发展过程。3、实验仪器及布置（1）180°回头弯弯道水槽弯道宽B=40cm, 弯道的纵比降J=1，弯道的半径R=2m（半径是以弯道中轴线算起2m）。（2）测量仪器流速仪、钢板尺。（3）测试断面流速测试断面（5个）： 0°，45°，90°，135°，180°；输沙带测试断面（13个）：0°，15°，30°，15°，45°，60°，75°，90°，105°，120°，135°，150°，165°，180°。4、实验方法及步骤（1）使弯道后段形成均匀流，记录流量Q和水深H。流量在10 L以内，测量弯道后段几个断面的水深是否一样，水深控制在6-7cm，将弯道分成5个断面，分别是0°，45°，90°，135°，180°。（2）分别测量5个断面表面流速测量9条垂线：从左岸起1cm、 5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、39cm。（3）测量左岸 、右岸水深（左岸水深大于右岸）。（4）测量输沙路线：从弯道入口大约1m2m的地方均匀加沙，待输沙带基本稳定后，观察弯道内沙的路线走向，测量13个测量断面输沙带离左岸（凹岸）的距离。5、资料整理和实验报告（1）算出横比降、纵比降；（2）画出水动力轴线（即将5个断面流速最大的点连起来）；（3）画出沙在弯道内的走向图（每隔15°测量输沙带离左岸的距离，然后将13个点连起来）。6、思考题（1）弯道水流的流速分布与顺直河道流速分布有何不同；（2）弯道水流形成的物理因素；（3）取水口等取水建筑物为什么要选在凹岸。