水力跃变

注意：本实验使用一种相对大功率的潜水泵。为降低电气风险，该泵只能插入接地故障断路器（GFCI）插座中。确保无其他交流电源设备在实验附近运行。

1. 开放式通道流动装置和水箱的制备（见示意图和照片，图3）

1. 使用厚度约为 6.0 mm、宽度为 9.5 cm 的透明亚克力板，裁切以下长度：2 根 15 cm，2 根 25 cm，1 根 34 cm，1 根 41 cm（图 3a）。建议使用台式锯或激光切割机，以确保边缘相对平整且板材厚度均匀。
2. 在两块 60 × 45 cm 的亚克力板右下角切割孔洞，用于安装流量计（图 3a）。在前面板的右上侧切割一个孔，用于安装流量控制阀。
3. 使用亚克力胶水（例如，SCIGRIP 16）按照图 3a 所示方式粘接亚克力面板。操作亚克力胶水时应确保通风良好并佩戴手套。建议使用针筒涂抹胶水，并用美纹纸胶带固定面板以辅助固化。胶水固化时间应保持 24 至 48 小时。
4. 将流量计安装在前面板上，并使用附带的螺丝固定。在流量计的进水口和出水口安装 1 NPT 转 ½ NPT 的变径接头。再将 ½ NPT 转内径 0.5 英寸的卡箍接头适配器安装到这些接头上。
5. 在闸阀（流量控制阀）上安装一个内径 0.5 英寸和一个内径 0.75 英寸的卡箍接头。使用长约 20 cm 的软管将卡箍接头连接至潜水泵，使阀柄与亚克力外壳右上角的孔对齐（图 3b-c）。
6. 将泵插入下部水箱，并安装阀门，使阀杆穿过安装孔，手柄位于外壳外部（图 3c）。
7. 在流动装置进水口附近插入一块垂直的亚克力板，使其下方留出约 5.0 mm 的开口（图 3b-c）。该部件作为“闸门”（sluice gate），可上下调节，以控制从上部水箱流入水道的水流。
8. 在上部水箱进水口处松散地填充不锈钢丝清洁垫。这有助于使进水水流在水道内均匀分布。
9. 使用一段软塑料软管将阀门出口连接至流量计入口。再用塑料软管将流量计出口连接至上部水箱。确保上部水箱的软管入口牢固固定，以免开启泵时软管摆动移位。
10. 向下部水箱中注水。

2. 实验操作

1. 使用直尺测量闸门下方的间隙高度，并将该值记为 H₁。
2. 启动泵，通过阀门调节流速至不同的流量（5 - 15 l min^-1）。每种情况下，使用直尺测量闸门下游的液面深度（H₂）。
3. 定性观察在不同流速下形成的水跃形态。注意形成水跃的最低临界流速。在较高流速下，应出现更清晰、振幅更大（H₂ - H₁）的水跃。

3. 数据分析

1. 针对每种流量情况，根据体积流量计算入口流速 V₁。 其中 为体积流量，W 为通道宽度。
2. 计算每种情况下的入口弗劳德数（）及理论下游液深（公式 4）。将这些值与实测的下游跃流深度进行比较。

图3：a. 实验设施结构的示意图及尺寸。b. 水跃实验装置的流路示意图。c. 实验设施的标注照片。