实验25 水面曲线实验
一、实验目的要求
1．观察棱柱体渠道中非均匀渐变流的十二种水面曲线。
2．掌握十二中水面曲线的生成条件。
二、实验装置
为改变明槽底坡，以演示十二种水面曲线，本实验装置配有新型高比速直齿电机驱动的升降机构10。按下10的升降开关，明槽6即绕轴承9摆动，从而改变水槽的底坡。坡度值由升降杆的标尺值（
）和轴承9与升降机上支点水平间距（
）算得；平坡可依底坡水准泡8判定。实验流量由可控硅无级调速器3调控，并用重量法（或体积法）测定。槽身设有两道闸板，用于调控上下游水位，以形成不同水面线型。闸板锁紧轮用以夹紧闸板，使其定位。水深由滑尺量测。
三、实验原理
如图2所示，十二种水面线分别产生于五种不同底坡。因而实验时，必须先确定底坡性质，其中需测定的，也是最关键的是平坡和临界底坡。平坡可依水准泡或升降标尺值判定。临界底坡应满足下列关系：
式中，
、
、
、
和
分别为明槽临界流时的湿周、谢才系数、槽宽、水深和水力半径；n为糙率。（以上公式单位均取米·秒）
临界底坡确定后，保持流量不变，改变渠槽底坡，就可形成陡坡（
），缓坡（
），平坡（
）和逆坡（
），分别在不同坡度下调节闸板开度，则可得到不同型式的水面曲线。
四、实验方法与步骤
1．测记设备有关常数，记录于五.1中。
2．开启水泵，调节调速器使供水流量最大，待稳定后测量过槽流量，重测两次取其均值。
3．计算临界底坡
值。
4．操纵升降机构，至所需的高程读数，使槽底坡度
，观察槽中临界流（均匀流）时的水面曲线。然后插入闸板2，观察闸前和闸后出现的
型和
型水面曲线，并将曲线绘于记录纸上。
5．操纵升降机构使槽底坡度出现
（陡坡）（使底坡尽量陡些），插入闸板2，调节开度，使渠道上同时呈现
水面曲线，并绘于记录纸上。
6．操纵升降机构，使槽中分别出现
（使底坡尽量接近于0）、
和
，插入闸板1，调节开度，使槽中分别出现相应的水面曲线，并绘在记录纸上。（缓坡时，闸板1开启适度，能同时呈现
型水面线）。
7．实验结束，关闭水泵。
注：在以上实验时，为了在一个底坡上同时呈现三种水面曲线，要求缓坡宜缓些，陡坡宜陡些。
五、实验成果及要求
1．记录有关常数：
B=2.0cm n=0.008
=115.6cm（两支点间距）
2．记录及计算
流量：
计算临界底坡（以米，秒为单位）
=1.67cm
3．定性绘制水面线并注明线型于图3上。
六、实验分析与讨论
1．判别临界流除了采用方法外，还有其他什么方法？
临界流有如下特征，据此亦可判别流动是否为临界流动：
(1)临界底坡上所形成的
、
型水面线应趋近于水平线。用直尺直接测量水面至桌平面的垂直距离，可检验其是否水平。
(2)临界流时的断面比能E最小，且在临界水深附近比能E微小变化，会引起水深较大改变（如图4所示），故受扰动时水面易产生较大的波动，并形成不稳定的波状水面线。由此可知，当底坡接近临界底坡时，其均匀流的水面线亦呈现波状，等于临界底坡时，波状最显著。
2．分析计算水面线时，急流和缓流的控制断面应如何选择？为什么？
在分析计算前，位置及水深已知的断面，谓控制断面。急流控制断面只能选在上游，缓流一般选在下游。这是由于急流干扰波不能向上游传播，而缓流时，干扰波能向上游传播。例如实验中的闸板的（上下游附近）位置可选作控制断面，之前为缓流，之后（跃前）流段为急流。根据闸前水深和闸板的开度即可分析计算闸前或闸后（自由出流时）的水面线。又如跌坎是缓流向急流过渡的控制断面。在跌坎偏上游处的断面上，其水深为临界水深、跌坎可作为计算b型水面曲线的控制断面。
3．在进行缓坡或陡坡实验时，为什么在接近临界底坡情况下，不容易同时出现三种水面线的流动形式？
b型水面线位于N-N线和C-C线之间，当底坡接近于临界底坡时，二线间区域很窄，故难以形成b型水面线。为使b型水面线较易生成，应使N-N线和C-C线之间区域变宽，所以实验时要求缓坡宜缓、陡坡宜陡。
4．请利用本实验装置，独立构思测量活动水槽糙率n的实验方案。（假定水槽中流动为阻力平方区）
实验原理 当流动处于紊流阻力平方区时，糙率n根据下列均匀流公式测计：
式中，B为槽宽；h水深；A为过水断面，即A=Bh；
两支点间距；
升降杆标尺读值。
需实验测定明渠均匀流时的Q、i、h、B值。计算时，单位应换算成米·秒。
实验方法 调节底坡，使之产生急流状态均匀流（其中均匀流段，即等水深流段长度不短于50cm），测定流量Q、B、h，及
值，将实验测值和已知常数代入上述公式即可计算n值。
实验分析 上述公式仅适用于紊流阻力平方区。但由于本槽很小，最大流量下能达到的雷诺数约为
，其流动处于紊流过渡区，故上述测计只可做为测n方法的练习。
