水流流速场实验
水流是泥沙运动的主要动力，在与河床、建筑物之间的相互作用中起到决
定性的因素。掌握和了解水流结构及其运动变化规律，是研究和分析河床变形、建筑物相互作用的基础。水流流速场试验系在试验水槽中完成的。综合试验水
槽是一座循环供水的多功能性教学试验水槽。水槽断面宽1.2m，高0.4m，纵向长16.6m，设有直线段10m和弯曲段6.6m。水槽两侧装有自动水位测试仪器，另水槽配有流速测量仪器若干。
一、实验目的
掌握和了解水流结构及其运动变化规律。
二、实验内容
1、测量和研究顺直水槽段两侧水位的沿程变化规律。
2、测量和研究弯曲水槽段两侧水位的沿程变化规律。
3、测量和研究顺直水槽段水流流速沿程、沿水深的变化规律。
4、测量和研究弯曲水槽段水流流速沿程、沿水深的变化规律。
5、计算各流速测点的垂线平均流速，推求和研究垂线平均流速沿程、沿宽度的分布规律。
三、实验要求及注意事项
1、要求做实验前，了解实验内容，理解实验原理，明确实验目的。
2、实验前熟悉具体的实验步骤，记录好有关常数。
3、实验时同组之间注意分工明确，协调合作。
4、在整个实验过程中，要特别注意保持安静，切勿人为扰动水流，造成人为误差。
四、实验仪器及设备
主要实验设备及仪器包括试验水槽、水尺、旋浆式流速仪、采点箱。试验水槽（如图1）是一座循环供水的多功能性教学试验水槽。水槽断面宽1.2m ，高0.4m ，纵向长16.6m ，设有直线段10m 和弯曲段6.6m ，弯曲段中轴线弯曲半径为3m 。
五、实验原理
如图2所示，在顺直水槽与弯曲水槽各设置3个测流断面，每个测流断面设置3条测流垂线，测量并记录每条垂线处的水位。每条垂线沿水深测量和记录相对水深为0.2h 、0.4h 、0.5h 、0.6h 和0.8h 处的流速。根据测量记录的数据分析顺直水槽段与弯曲水槽段水位沿程、沿水槽宽度的分布规律以及水流流速沿程、沿水槽宽度、沿水深的分布规律。
图1 循环供水的多功能性教学试验水槽
图2
六、实验步骤
1、阅读和掌握实验目的、实验要求以及实验内容。
2、熟悉和掌握精密水位仪的使用原理与操作方法。
3、熟悉和掌握旋浆式流速仪的使用原理与操作方法。
4、开启水泵，调节水槽尾门，保持沿程水流恒定状态，并观测、记录水位。
5、分别在顺直水槽与弯曲水槽段设置测流断面，每个断面沿水槽宽度设置3个测流垂线，每条垂线沿水深测量和记录3~5点流速。
6、根据实验结果，整理并分析有关数据，绘制顺直、弯曲段水位、流速分布规律图。
七、数据记录与处理
1、各断面水位与测点流速数据记录与处理
表1 各断面水位与测点流速数据记录表
注：①、垂线1距水槽左岸15cm左右，垂线2位于水槽中间，垂线3距水槽右岸15cm左右。②、垂线平均流速近似取每条垂线水深为0.6h处的测点流速。
2、水位沿程变化图
图3 水位沿程变化图3、垂线平均流速沿程变化图
图4 垂线平均流速沿程变化图
4、水槽直线段（以断面1为例）流速垂向分布图
图5 断面1流速垂向分布图5、水槽弯曲段（以断面5为例）流速垂向分布图
图6 断面5流速垂向分布图
6、垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图
图7 垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图7、垂线平均流速平面分布图
图8
八、成果分析及实验小结
水流是泥沙运动的主要动力，在与河床、建筑物之间的相互作用中起到决
定性的因素。掌握和了解水流结构及其运动变化规律，是研究和分析河床变形、建筑物相互作用的基础。水流流速场实验主要研究顺直水槽、弯曲水槽中水位
平面分布、流速平面分布以及流速沿水深分布情况。
水流流速场试验系在试验水槽中完成的。综合试验水槽是一座循环供水的
多功能性教学试验水槽。水槽断面宽1.2m，高0.4m，纵向长16.6m，设有直线段10m和弯曲段6.6m，弯曲段中轴线弯曲半径为3m。在顺直水槽与弯曲
水槽段各设置3个测流断面（如图2），每个测流断面设置3条测流垂线。实
验时，测量并记录每条垂线处的水位以及每条垂线水深为0.2h、0.4h、0.5h、0.6h和0.8h处的流速。根据测量记录的数据分析顺直水槽段与弯曲水槽段水位、流速的相关分布规律。
水位沿程变化，如图3，顺直水槽段水位无论沿程还是沿水槽宽度方向都
变化不大。弯曲水槽段，断面4、5、6都处于弯曲进口段及顶冲段部分，凸岸水位普遍低于凹岸水位，且凸岸纵比降大于凹岸纵比降。
顺直水槽段，水流流速沿水深分布，见图5。实验数据不太理想，理想情
况下，时均流速沿水深自水面到水底，纵向流速逐渐减小。弯曲水槽段，水流
流速沿水深分布，见图6（断面5）。弯曲水槽段，水流呈螺旋式运动，流速
分布相对复杂。从图6可以看出，断面5中轴线（垂线2）表面流速较大，水
槽左岸（垂线1）中流速较大，水槽右岸（垂线3）底流速较大，但总的来说，流速沿水深分布相对均匀。这可能是横向环流增强水平流层间动量交换导致的。
垂线平均流速平面分布，如图8。在顺直水槽段，可能受到弯道水槽和水
泵出水口偏向的影响，断面1、2、3垂线平均流速平面分布近似一致，水槽两侧流速偏大，尤以水槽左岸（垂线1）较大，中间偏小，垂线平均流速沿程变
化不大。在弯曲水槽段，从断面4、断面5到断面6可见，垂线1上垂线平均
流速不断减小，垂线2、3上垂线平均流速不断增加，但断面4、5总体上，垂线1上流速仍大于垂线2、3上流速，直至断面6，垂线1上流速才开始小于
垂线2、3。由此可见，弯曲水槽进口段，水流动力轴线偏靠在水槽凸岸，但受弯道影响，凸岸垂线平均流速不断减小，凹岸垂线平均流速不断增加，到弯道
顶冲点附近，水流动力轴线开始偏向凹岸。
通过水流流速场试验，我们了解到顺直水槽段、弯曲水槽段沿程沿水槽宽
度方向水位、流速的分布以及流速沿水深分布规律。从理性和感性上，认识了
顺直水流、弯道水流的基本水流结构、水流运动规律。实验达到预期目的。
九、实验思考题解析
1、弯曲水槽两侧水位是否相同，哪一侧水位会升高，为什么会有这种差别？
答：弯曲水槽两侧水位一般不会相同，在没有其他外在因素的影响下，弯
曲水槽外侧水位高。当水流在弯曲水槽中流动时，水流所受质量力，除了重力外，还有因作曲线运动产生的离心力。水流为了平衡这个离心力，通过调整，
使得凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低，形成水面横比降。其实，我们完全可以求解出水流液面方程。有上可知，水流在重力和离心力的共同作用下，根据欧拉平衡方程)(x y z dp dx f dy f dz f ρ=++（x f 、y f 、z f 是单位质量力f 在三个坐标轴上的投影），容易得到压强p 关于x 、y 、z 的具体表达式，而流动水流表面是压强0p =的等压面，因而可以得到水流表面方程。
2、流速垂线分布呈现什么变化规律，一般可以拟合成几种流速垂向分布的经验公式？
答：一般地，水流纵向时均流速自水面到水底逐渐减小，但流速垂线分布规律根据水流运动性质不同分为两大类。一类为层流流速垂线分布规律，另一类为紊流流速垂线分布规律。
一般地，二元明渠层流流速垂线分布呈抛物线分布。紊流流速垂线分布一般可以拟合成对数流速分布和指数流速分布。对数流速分布的一般公式为：
max 0
ln
u y
u u y κ
*
=+
，指数流速公式的一般公式为max (m y u u H =。
3、流速垂向分布在顺直水槽段中轴线与两侧附近是否有差别，为什么？ 答：有差别。垂线流速垂向分布规律大致相同，但水流在水槽两侧受到壁面摩阻力作用，流速大小相对较小。
4、流速垂向分布在弯曲水槽段中轴线与两侧附近有什么变化规律，为什么？ 答：弯曲水槽段，水流呈螺旋式运动，断面5的流速垂向分布见图6。弯曲水槽段中轴线（垂线2）表面流速较大，水槽左岸（垂线1）中流速较大，
水槽右岸（垂线3）底流速较大，但总的来说，流速沿水深分布相对均匀。这可能是横向环流增强水平流层间动量交换导致的。
另外，在弯曲水槽段进口部分，水流动力轴线偏靠凸岸（断面4、5中垂线1流速相对较大，垂线2、3流速相对较小），当水流到达弯道顶冲点附近（断面6）时，水流动力轴线开始向凹岸偏靠，主流开始偏向凹岸（断面6中垂线2、3上流速较之断面4、5增加较大，垂线1上流速则有所减小）。
5、垂线平均流速平面分布在顺直水槽和弯曲水槽段有什么不同？ 答：垂线平均流速平面分布如图8。在顺直水槽段，可能受到弯道水槽和水泵出水口偏向的影响，断面1、2、3垂线平均流速平面分布近似一致，水槽两侧流速偏大，尤以水槽左岸（垂线1）较大，中间偏小。在弯曲水槽段，从断面4、断面5到断面6可见，垂线1上垂线平均流速不断减小，垂线2、3上垂线平均流速不断增加，但断面4、5总体上，垂线1上流速仍大于垂线2、3上流速，直至断面6，垂线1上流速才开始小于垂线2、3。由此可见，弯曲水槽进口段，水流动力轴线偏靠在水槽凸岸，但受弯道影响，凸岸垂线平均流速不断减小，凹岸垂线平均流速不断增加，到弯道顶冲点附近，水流动力轴线开始偏向凹岸。
6、实验条件下的水槽综合糙率系数n 是多少?
答：根据谢才公式和曼宁公式，可得断面平均流速2
1
321h J n
=，进而
可得水槽综合糙率系数2132
h J
n v
=
。
7、为什么在实验中反复强调保持水流恒定的重要性？
答：若水流不恒定，水流中一点处的流速是时间t的函数，而实验时并不能保证所有点的流速是同一时间测得的。因此，若水流不恒定，实验中测得的水流流速统计规律并没有实际意思。