实验一、流体静力学实验

一、实验目的

1.掌握用液式测压计测量流体静压强的技能。

2.验证不可压缩流体静力学基本方程，加深对位置水头、压力水头和测压管水头的理解。

3.观察真空度（负压）的产生过程，进一步加深对真空度的理解。

4.测定油的相对密度。

5.通过对诸多流体静力学现象的实验分析，进一步提高解决静力学实际问题的能力。

二、实验装置

本实验的装置如图1-1-1所示。

1-测压管；2-带标尺的测压管；3-连通管；4-通气阀；5-加压打气球；6-真空测压管；7-截止阀；8-U形测压管；9-油柱；10-水柱；11-减压放水阀

图1-1-1  流体静力学实验装置图

三、实验原理

1．在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程。

形式一：

z+=const                      (1-1-1a)

形式二：

p=p₀+h                       (1-1-1b)

式中  z——测点在基准面以上的位置高度；

  p——测点的静水压强（用相对压强表示，以下同）；

  p₀——水箱中液面的表面压强；

  ——液体的重度；

  h——测点的液体深度。

2．油密度测量原理。

当U形管中水面与油水界面齐平（见图1-1-2），取油水界面为等压面时，有：

P₀₁=_wh₁=₀H                    （1-1-2）

另当U形管中水面与油面齐平（见图1-1-3），取油水界面为等压面时，有：

P₀₂=_wH=₀H

即

P₀₂=-_wh₂=₀H-_wH                （1-1-3）

图1-1-2                                    图1-1-3

由式（1-1-2）、式（1-1-3）两式联立可解得：

代入式（1-1-2）可得油的相对密度为：

               （1-1-4）

根据式（1-1-4），可以用仪器（不用额外尺子）直接测得。

四、实验要求

1．记录有关常数                                   

实验装置编号No.9

各测点的标尺读数为：

= 2.1 ；   = -2.9 ；   = -5.9 ；

基准面选在测压管2标尺零点所在平面，则= -2.9 ；=-5.9       ；

2．分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，并选择一基准面验证同一静止液体内的任意二点C、D的()是否为常数。

（经验证，同一静止液体内部的任意二点C、D的是常数,见表1-1-1。)

3．求出油的重度。                     

=  8.33×10³。

4．测出管6插入小水杯中水的深度。  

= 4.7 。

五、实验步骤

1．了解仪器的组成及其用法，包括：

（1）各阀门的开关。

（2）加压方法：关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气。

（3）减压方法：开启筒底减压放水阀11放水。

（4）检查仪器是否密封：加压后检查测压管1,2,8的液面高程是否恒定。若下降，则表明漏气，应查明原因并加以处理。

2．记录仪器编号及各常数。

3．进行实验操作，记录并处理实验数据（见表1-1-1和表1-1-2）。

4．量测点静压强。

（1）打开通气阀4（此时p₀=0），记录水箱页面标高▽₀和测压管2的液面标高▽（此时▽=▽）。

（2）关闭通气阀4及截止阀7，用打气球加压使p>0，测记▽及▽。

（3）打开减压放水阀11，使p<0（要求其中一次p<0,即▽<▽）,测记▽及▽。

5．测出测压管6插入小水杯中水的深度。

6．测定油的相对密度d。

（1）开启通气阀4，测记▽。

（2）关闭通气阀4，用打气球加压（p>0），微调放气螺母使U形管中水面与油水界面齐平（见图1-1-2），测记▽及▽（此过程反复进行3次）。

（3）打开通气阀4，待液面稳定后，关闭所有阀门，然后开启减压放水阀11降压（p<0），使U形管中的水面与油面齐平（见图1-1-3），测记▽₀及▽_H（测过程亦反复进行3次）。

六、注意事项

1、用打气球加压、减压需要缓慢，以防液体溢出及油珠吸附在管壁上。打气后务必关闭加压打气球下端的阀门，以防漏气。

2、在实验过程中，装置的气密性要求保持良好。

表1-1-1  流体静压强测量记录及计算表

表1-1-2  油相对密度测量记录及计算表

七、问题分析

1.同一静止液体内的测压管水头线是一条什么线？

答：测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。观察实验可知，同一静止液面内的测压管水头线是一根水平线。

2.当<0时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。

答：<0，相应容器的真空区域包括以下三个部分：

（1）过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占区域，均为真空区域。

（2）同理，过箱顶小不杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。

（3）在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区域。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。

3.若再备一根直尺，试采用另外最简单的方法测定。

答：用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h和H，由式，从而求得。

4.如果测压管太细，对测压管液面的度数将有何影响？

答：设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差。毛细高度：。式中，为表面张力系数；为液体容量；为测压管的内径；为毛细升高。常温的水，，。水与玻璃的浸润角很小，可以认为。于是有（、均以计）。

一般来说，当玻璃测压管的内径大于10时，毛细影响可略而不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机下班玻璃作测压管时，浸润角较大，其较普通玻璃管小。

如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。

5.过C点作一水平面，相对管1,2,8及水箱中的液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？

答：不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。

因为等压面需具备下列5个条件：（1）重力液体；（2）静止；（3）连通；（4）连通介质为同一均质液体；（5）同一水平面。而管5与水箱之间不符合条件（4），相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是水平面。

6.该仪器在加气增压后，水箱液面将下降，而测压管液面将升高H。实验时，若以时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强（H+）与视压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为m，箱体内径为m。

答：加压后，水箱中的液面比基准面下降了，而测压管液面将升高H，由于水量一定，所以有：

本实验中  d=0.8cm, D=20cm，所以得

所以相对误差

相对误差很小，所以计算时，可以不考虑水箱液面的下降。

7.绝对压强与相对压强、真空度的关系是什么？试将的相对压强用真空度表示出来。

答：绝对压强是指以绝对真空为零点而计量的压强。

如自由表面，压力，则

相对压强是以当地大气压为零点而计量的压强，也叫作表压。

因而，相对压强是某点绝对压强超过大气压的数值，即表压为绝对压强与大气压之差。

而工程上不仅会遇到绝对压力大于大气压的情况，还会遇到小于大气压的情况。真空度表示流体的绝对压力小于大气压产生的真空程度，用绝对压力比大气压小多少来表示，即

当时，，所以=。

第二篇：流体静力学实验

实验一、流体静力学实验

一、实验目的

1. 掌握用液式测压计测量流体静压强的技能。

2. 验证不可压缩流体静力学基本方程，加深对位置水头、压力水头和测压管水头的理解。

3. 观察真空度（负压）的产生过程，进一步加深对真空度的理解。

4. 测定油的相对密度。

5. 通过对诸多流体静力学现象的实验分析，进一步提高解决静力学实际问题的能力。

二、实验装置

本实验的装置如图1所示。

1—测压管；2—带标尺的测压管；3—连通管；4—通气阀；5—加压打起球；6—真空测压管；7—截止阀；8—U形测压管；9—油柱；10—水柱；11减压放水阀

图1  流体静力学实验装置图

说明：

1. 所有测管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；

2. 仪器铭牌所注、、为B、C、D的标高；

3. 本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。

三、实验原理

    1．在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程。

    形式一：

    形式二：

    2. 油密度测量原理

当U型管中水面与油水界面齐平（图2），取其顶面为等压面，有：

另当U型管中水面和油面齐平（图3），取其油水界面为等压面，则有：

即

图2                                        图3

由(2)、(3)两式联解可得：

代入(2)式得油的相对密度：

根据式(4)，可以用仪器直接测得。

四、实验要求

1．记录有关常数

实验装置编号No.  13    

各测点的标尺读数为：

=  2.1   ；   =   -2.9   ；   =   -5.9  ；

基准面选在  测压管标尺零点所在平面    ；  

=        ；   =        ；

2．分别求出各次测量时，A、B、C、D点的压强，并选择一基准验证同一静止液体内的任意二点C、D的()是否为常数？答：是常数

3．求出油的重度。

=    8467.2  

4．测出6#测压管插入小水杯水中深度。

=   4.05     

5．完成表1-1及表1-2。

五、实验步骤

1．搞清仪器组成及其用法。包括：

（1）各阀门的开关；

（2）加压方法：关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气；

（3）减压方法：开启筒底阀11放水；

（4）检查仪器是否密封：加压后检查测管l、2、8液面高程是否恒定。若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。

2．记录仪器编号、各常数。

3．实验操作，记录并处理实验数据。

4．量测点静压强。

（1）打开通气阀4，记录水箱液面标高和测压管2的液面标高（此时）。

（2）关闭通气阀4及截止阀7，用打气球加压使p₀>0，测记及。

（3）打开减压放水阀11，使p₀<0（其中一次p_B<0，即），测记及。

5．测出测压管6插入小水杯中的深度。

6．测定油的相对密度d_o。

（1）开启通气阀4，测记；

（2）关闭通气阀4，打气加压( p₀ > 0)，微调放气螺母使U形管中水面与油水交界面齐平（图2），测记及（此过程反复进行3次）。

（3）打开通气阀4，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压(p₀ < 0)，使U形管中的水面与油面齐平（图3），测记及（此过程亦反复进行3次）。

表1-1  流体静压强测量记录及计算表

表1-2  油相对密度测量记录及计算表

六、注意事项

  1．用打气球加压、减压需缓慢，以防液体溢出及油珠吸附在管壁上；打气后务必关闭打气球下端阀门，以防漏气。

2．在实验过程中，装置的气密性要求保持良好。

七、问题分析

1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？

答：以大气压强为标准大气压的水平线。

2．当时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。

答：以测压管做水平面，水平面以上的是真空区域。

3．若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定。

答：测量水面与测压管液面的高度差。

4．如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？

答：若测压管太细会存在毛细管现象。

由于水对玻璃是浸润的，而油对玻璃不浸润，如果玻璃管太细，会使水面的读数比实际值偏大，而油面读数比实际值偏小。

5．过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？

答：不是。左侧1，2测压管相对于此水平面是等压面。因为满足条件：连通，同种液体，绝对静止。而U形管8，由于其中的液体并不是同种液体，故不是等压面。

6．该仪器在加气增压后，水箱液面将下降而测压管液面将升高H，实验时，若以时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为，箱体内径为。

答：半径比为：，

由于，则有：，

故，即，

则。

相对误差为1.0016。

八、心得体会

    通过此次试验，我对真空度有了更深层次的理解，同时对在重力作用下不可压缩流体的经历学方程有了更好的掌握。同时，对平时所学的理论知识、概念，例如位置水头，压力水头等，有了具相的认识。最后，感谢老师对实验的耐心讲解，使我完了此次实验。