石大水力學實驗指導10水面曲線實驗

（十）水面曲線實驗一、實驗目的要求１、觀察棱柱體渠道中非均勻漸變流的十二種水面曲線。２、掌握十二種水面曲線的生成條件。二、實驗裝置圖10.1水面曲線實驗裝置圖1.自循環(huán)供水器；2.實驗臺；3.可控硅無級調(diào)速器；4.溢流板；5.穩(wěn)水孔板；6.變坡水槽；7.閘板；8.底坡水準泡；9.變坡軸承；10.長度標尺；11.閘板鎖緊輪；12.垂向滑尺；13.帶標尺的升降桿；14.升降機構。為改變明槽底坡，以演示十二種水面曲線，本實驗裝置配有新型高比速直齒電機軀動的升降機構14。按下14的升降開關，明槽6即繞軸承9擺動，從而改變水槽的底坡。坡度值由升降桿13的標尺值（▽z）和軸承9與升降機上支點水平間距（L0）算得；平坡可依底坡水準泡8判定。實驗流量由可控硅無級調(diào)速器3調(diào)控，并用重量法（或體積法）測定。槽身設有兩道閘板，用于調(diào)控上下游水位，以形成不同水面線型。閘板鎖緊輪11用以夾緊閘板，使其定位。水深由滑尺12量測。三、實驗原理如圖10.2所示，十二種水面線分別產(chǎn)生于五種不同底坡。因而實驗時，必須先確定底坡性質(zhì)，其中需測定的，也是最關鍵的是平坡和臨界坡。平坡可依水準泡或升降標尺值判定。臨界底坡應滿足下列關系：圖圖10.2式中，Pk、Ck、Bk、hk和Rk分別為明槽臨界流時的濕周、謝才系數(shù)、槽寬、水深和水力半徑；n為糙率。（以上公式單位均取米·秒）．臨界底坡確定后，保持流量不變，改變渠槽底坡，就可形成陡坡（ｉ＞ik），緩坡（0＜ｉ＜ik），平坡（i＝0）和逆坡（i＜0），分別在不同坡度下調(diào)節(jié)閘板開度，則可得到不同型式的水面曲線。四、實驗方法與步驟測記設備有關常數(shù)，記錄開五.1中。開啟水泵，調(diào)節(jié)調(diào)速器使供水量最大，待穩(wěn)定后測量過槽流量，重測兩次取其均值。計算臨界底坡ik值。操縱升降機構，至所需的高程讀數(shù)，使槽底坡度i=ik,觀察槽中臨界流（均勻流）時的水面曲線。然后插入閘前板2，觀察閘前和閘后出現(xiàn)的c1型和c3型水面曲線，并將曲線繪于記錄紙上。操縱升降機構使槽底坡度出現(xiàn)ｉ＞ik（使底坡盡量陡些），由學生自定和量測槽底坡度，插入閘板２，調(diào)節(jié)開度，使渠道上同時呈現(xiàn)S1、S2、S3水面曲線，并繪于記錄紙上。操縱升降機構，使槽中分別出現(xiàn)0＜ｉ＜ik（使底坡盡量接近于０）、i＝0和i＜0，插入閘板１、調(diào)節(jié)開度，使槽中分別出現(xiàn)相應的水面曲線，并繪在記錄紙上。（緩坡時，閘板１開啟適度，能同時呈現(xiàn)M1、M2、M3型水面線）。實驗結(jié)束，關閉水泵。注：在以上實驗時，為了在一個底坡上同時呈現(xiàn)三種水面曲線，要求緩坡宜緩些，陡坡宜陡些。（當計算出ik后，由學生設計出緩坡坡度和陡坡坡度。）五、實驗成果及要求1、記錄有關常數(shù)：B=cmn=0.008L0=cm(兩支點間距)2、記錄及計算流量：水體V時間流量計算臨界底坡（以米，秒為單位）3、定性繪制水面線并注明線型于圖10.3上。六、實驗分析與討論1、判別臨界除了采用ik方法外，還有其他方法？2、分析計算水面線時，急流和緩流的控制斷面應如何選擇？為什么？3、在進行緩坡或陡坡實驗時，為什么在接近臨界底坡情況下，不容易同時出現(xiàn)三種水面線的流動型式？4、請利用本實驗裝置，由學生獨立構思測量活動水槽糙率n的實驗方案。（假定水槽中流動為阻力平方