不可压缩流体恒定流能量方程 (伯诺里方程)实验.doc

不可压缩流体恒定流能量方程
（伯诺里方程）实验

一、实验目的要求
1、验证流体恒定总流的能量方程；
2、通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性；
3、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。
二、实验装置
本实验的装置如图2.1所示。

图2.1 自循环伯诺里方程实验装置图
1. 自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.溢流板；5.稳水孔板；6.恒压水箱；7.测压计；
8.滑动测量尺；9.测压管；10.实验管道；11.测压点；12.毕托管；13.实验流量调节阀。
说明：
本仪器测压管有两种：
1．毕业托管测压管（表2.1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头，须注意一般情况下与断面总水头不同（因一般），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；
2、普通测压管（表2.1未标*者），用以定量量测测压管水头。
实验流量用阀13调节，流量由体积时间法（量筒、秒表另备）、重量时间法（电子称另备）或电测法测量（以下实验类同）。
三、实验原理
在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面（1）至另一断面（i）的能量方程式（i=2，3，……，n）

取，，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速及，从而即可得到各断面测管水头和总水头。
四、实验方法与步骤
1、熟悉实验设备，分清哪些测压管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。
2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。
3、打开阀13，观察思考1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位置水头、压强水头之间的相互关系；3）测点（2）（3）测管水头同否？为什么？4）测点（12）（13）测管水头是否不同？为什么？5）当流量增加或减少时测管水头如何变化？
4、调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（毕托管供演示，不必测记读数）。
5、改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。
五、实验结果处理与要求
1.有关常数记录表 实验装置台号 2
均匀段D1= 1.38 cm 缩管段D2= 1.00 cm 扩管段D3= 2.00 cm
水箱液面高程▽0= 48.00 cm 上管到轴线高程▽z= 18.00 cm
表2.1 管径记录表
测点编号
1*
2
3
4
5
6*
7
8*
9
10
11
12*
13
14*
15
16*
17
18*
19
管径
1.38
1.38
1.38
1.38
1.01
1.38
1.38
1.38
1.38
2.00
1.38
两点间
4
4
6
6
4
13.5
6
10
29
16
16
注：（1）.测点6、7所在断面内径为，测点16、17为，余均为。
（2）.标“*”者为毕托管测点（测点编号见图2.2）。
（3）.测点2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。
2、测量（）并记入表2.2。
表2.2 测记（）数值表 （基准面选在标尺的零点上） 单位：cm
测点
编号
2
3
4
5
7
9
10
11
13
15
17
19

Q
/s
实验次序
1

2

3

3．计算流速水头和总水头。
4．绘制上述成果中最大流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P（轴向尺寸参见图2.2，总水头线和测压管水头线可以绘在图2.2上）。
提示：
1．P-P线依表2.2数据绘制，其中测点10、11、13数据不用；
2．E-E线依表2.3（2）数据绘制，其中测点10、11数据不用；
3．在等直径管段E-E与P-P线平行

图2—2

表2．2 测记（）数值表 （基准面选在标尺的零点） 单位：cm
测点
编号
2
3
4
5
7
9
10
11
13
15
17
19

Q

实
验
次
数
1
42.10
41.80
41.70
41.20
36.50
39.10
39.00
37.70
38.20
36.9
37.40
35.60

87.98
2
41.30
39.90
39.10
38.70
26.60
32.20
32.40
29.0
30.20
27.20
28.50
24.50

137.04
3
31.30
33.10
32.00
30.60
0.60
15.20
15.70
8.00
11.70
5.30
8.20
0.30

218.25

表2．3 计算数值表
（1）流速水头
管径 d
Q= 87.98 （)
Q= 137.04 （)
Q= 218.25 （)
(cm)
A
（)
V
（cm/s）

(cm)
A
（)
V
（cm/s）

(cm)
A
（)
V
（cm/s）

(cm)
1.38
1.50
58.65
1.76
1.50
91.36
4.26
1.50
145.50
10.82
1.00
0.79
111.37
6.33
0.80
173.49
15.37
0.80
276.27
38.94
2.00
3.14
28.02
0.40
3.14
43.64
0.97
3.14
69.51
22.14

（2）总水头（Z+p/ρg+v2/2g） 单位：cm

测点编号

2
3
4
5
7
9
10
11
13
15
17
19
Q
(cm2/s)
实验
1
43.86
43.56
43.46
42.96
42.83
40.86
40.76
39.46
39.96
38.66
43.73
37.36
87.98

2
45.56
44.16
43.36
42.96
41.37
36.46
36.66
33.26
34.46
31.46
43.87
28.76
137.04
次数
3
42.12
43.92
42.82
41.42
39.54
26.02
26.52
18.82
22.52
16.12
30.34
11.12
218.25

4． 绘制上述结果中最大流量下的总水头线E-E和测压管水头线P-P。

测压管水头线

六、结果分析与讨论
1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？
答：测压管水头线（P-P）沿程可升可降，线坡JP可正可负。而总水头线（E-E）沿程只降不升，线坡J恒为正，即J>0。这是因为水在流动过程中，依据一定边界条件，动能和势能可相互转换。测点5至测点7，管收缩，部分势能转换成动能，测压管水头线降低，Jp>0。测点7至测点9，管渐扩，部分动能又转换成势能，测压管水头线升高，JP<0。而据能量方程E1=E2+hw1-2, hw1-2为损失能量，是不可逆的，即恒有hw1-2>0，故E2恒小于E1，（E-E）线不可能回升。(E-E) 线下降的坡度越大，即J越大，表明单位流程上的水头损失越大，如图2.3的渐扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。
2. 增加，测压管水头线有何变化？为什么？
答：有 如 下 二 个 变 化 ：
（1）流量增加，测压管水头线（P-P）总降落趋势更显著。这是因为测压管水头，任一断面起始时的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q增大，就增大，则必减小。而且随流量的增加阻力损失亦增大，管道任一过水断面上的总水头E相应减小，故的减小更加显著。
（2）测压管水头线（P-P）的起落变化更为显著。
因为对于两个不同直径的相应过水断面有

式中为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时，接近于常数，又管道断面为定值，故Q增大，H亦增大，（P-P）线的起落变化就更为显著。
3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？
答：测点2、3位于均匀流断面（图2.2），测点高差0.7cm，HP=均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm），表明均匀流同断面上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、11在弯管的急变流断面上，测压管水头差为7.3cm，表明急变流断面上离心惯性力对测压管水头影响很大。由于能量方程推导时的限制条件之一是“质量力只有重力”，而在急变流断面上其质量力，除重力外，尚有离心惯性力，故急变流断面不能选作能量方程的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、11应舍弃。
4．毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。
答：与毕托管相连通的测压管有1、6、8、12、14、16和18管，称总压管。总压管液面的连续即为毕托管测量显示的总水头线，其中包含点流速水头。而实际测绘的总水头是以实测的值加断面平均流速水头v2/2g绘制的。据经验资料，对于园管紊流，只有在离管壁约0.12d的位置，其点流速方能代表该断面的平均流速。由于本实验毕托管的探头通常布设在管轴附近，其点流速水头大于断面平均流速水头，所以由毕托管测量显示的总水头线，一般比实际测绘的总水线偏高。
因此，本实验由1、6、8、12、14、16和18管所显示的总水头线一般仅供定性分析与讨论，只有按实验原理与方法测绘总水头线才更准确。