静水压强及真空仪的研制流体力学是一门重要的专业基础课，具有较强的实践性。对流体静力学的学习和研究除了课堂理论教学外，还需结合试验室的操作、动手平台，通过试验来达到进一步巩固理论知识的目的。流体力学由两部分组成，即流体静力学及流体动力学。前者是研究流体在静止状态下的一些基本特征和规律; 后者则主要研究流体在运动状态下的特性及规律。本文基于水静力学，研制了静水压强及真空试验仪，并通过试验进行了验证。该仪器可在实验室测定液体内部任意一点的相对压强的仪器，为水力学实验室的建设起到了良好的促进作用。1 设计原理静止液体里，根据液体的特性，既不会有切应力，也不会产生拉应力，而只有压应力，质点间的互相作用或质点与边界之间的相互作用只能以压应力的形式来体现，因为这个压应力发生在静止状态的液体中，所以在水力学中称之为“静水压强”。根据液体的物理力学性质，处于静止状态的液体之间以及质点与边壁之间的相互作用力是通过压强的形式来表现的，所以水静力学的核心问题就是根据平衡条件来求解静水压强的分布。掌握了静水压强的分布规律就能确定静止水体作用于各种水工建筑物壁面上的作用力，因此水静力学的知识具有重要的实际意义。设计原理是以水静力学理论为基础，即在重力作用下的静止液体中，压强随深度按线形规律变化。静止液体中任一点压强 p 都于表面压强 P0与从该点到液体自由表面的单位面积上对液柱重量 γh 之和，即:P= P0+γh根据该理论设计的仪器主体为密闭水箱，水箱中液面可承受不同压力，即常压、正压和负压。为改变水箱中液面压力，设计了调压给水、退水装置。为展现水箱中静水压强分布规律，设计了表现水箱中不同点压强大小的测压排。2 仪器的结构及作用( 1) 调压给水装置。该部分由有机玻璃储水筒和螺旋升降装置组成，储水筒底部有管路与静水压力实验箱相通。通过储水筒的升降可使静水压力实验箱中水体液面为常压、正压或负压( 形成真空) 。 ( 2) 静水压力实验箱。为仪器主体，由有机玻璃制成，用于盛装被测液体，右侧有管路与调压给水装置相通，右侧中部、底部、顶部分别有管路与测压管相通，顶部还有活塞可使箱体内部开启或密闭。箱体尺寸 40 cm × 20 cm × 10 cm，箱体容积为 8 L。( 3) 测压排。位于仪器右侧，由 7 根测压管组合而成，分别与水箱不同点连通，用于表现水中不同表面压强下被测点的压力水头分布特征。其中有两根测压管装入酒精，可用于水力学方法测定液体容重。测压排侧边设置标尺，可测读测压管水位标高。( 4) 有机玻璃底座。由 80 cm × 30 cm × 0.8cm 的有机玻璃板制作，用于组装仪器各部分，便于拆卸维修。仪器的结构见图 1。图 1 静水压强及真空仪器原理图3 实验设计参照理论教学的要求，结合该仪器性能，设计了以下实验。设计此试验的目的是在 p0＞ pa及 p0＜ pa两种条件压强的测定液体内任意点的压强 p，深入理解相对压强、绝对压强及真空意义，理解真空产生的条件，真空和负压的关系。学会针对不同条件下的压强，选用不同形式的测压管测任意点的压强，以及应用静水压强基本方程 p = p0+ γh，推导压强大小，并且应用水力学的方法测定不同液体的容重。3.1 试验方法仪器装置由水头调节器、密封容器和测压管排组成。通过水头调节器升降，使容器内进水或退水，在气阀关闭时使容器内气体( 或液体表面) 为大于大气压强( p0＞ pa) 或小于 大气压强( p0＜ pa) 。密闭容器用于盛装被测液体，右侧底部有开口通过管路与水头调节器液体连通，左侧底部与左侧中部有开口，为液体内部压强测定点 A、B，分别与 5 号测压管和 6、7 号测压管连通。顶部设有气阀，通过气阀开启或闭合，使容器内部与大气连通或关闭，顶部还有一开口分别与 1、3、7 号测压管连通。左侧测压管排的 7 支测压管功能分别为: 测定液体表面压强，用 1、2 号管或 6、7 号管测定液体内部 A 点及 B 点压强用 5 管和 6 管。3、4 号管的连通方式同 1、2 号管，3、4 号装入其他液体( 如酒精) ，利用这 4 支测压管，可以测定其他液体容重。3.2 实验过程( 1)在进行实验过程中，有以下 3 个环节需要完成。( 1) p0= pa。初始状态，开启气阀，使液体表面压强等于大气压强，即 p0= pa，此时水头调节器，容器内及 5、6、7 测压管液面，根据连通器原理，其液面应在同一水平面上，表明仪器处于正常状态，可以开始进行实验。( 2) p0＞ pa。实验开始，开启气阀，将水头调节器降底至最低位置，此时容器内水在重力作用下流向水头调器，关闭气阀，再将水头调节上升到最高位置，此时水头调节器中的水在重力作用下流向容器内，由于气阀已关闭，容器内气体不能排出，而使液面压强 p0大于气压强 pa，A、B 两点的压强也相应增加，此时与大气连通的 2、4、5、6 号测压管水位上升，与容器顶部连通的测压管水位下降，测压管水头差值即为液体表面相对压强，待各测压关水位稳定后，将其水头值记录于表 1。( 3) p0＜ pa。实验开始，开启气阀，此时水头调节器已在最高位，待容器内气体与大气相等时关闭气阀，再将水头调节器降到最低位，容器内的水在重力作用下流向水头调节器的储水筒。此情况下，容器内气体低于大气压，即液面压强 p0＜ pa，相应 A、B 点的压强 76 也降低，这时位于容器内部某个面，此面与 5、6 管液面在同一水平面上，该面之上的压强 p0＜ pa，其相对压强为负，根据水力学对真空的定义，只要低于大气压强，即产生真空，该面之上即有真空度，其值 p真= pa－ p，此时与大气连通的 2、4、5、6 号测压管水位下降，与密闭容器顶部联通的 1、3、7 号测压管水位上升，其相应测压管水头差值即为容器内液体表面真空高度，乘上水的容重 γ 水，即为表面真空压强。待各测压管水位稳定后，将其水头值如下表 1. 3.3 实验成果根据静水压强基本方程在 p0＞ pa及 p0＜ pa两种表面压强下求 A、B 点的相对压强，表面真空高度，表面真空压强以及 A 点真空高度，A 点的真空压强，并且用水力学方法求，酒精容重，计算公式及求解方法见表 2。