流体机械能转换实验

流体机械能转换实验

一、实验目的

熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其互相转换关系，在此基础上掌握柏努利方程。

二、实验原理

1. 流体在流动时具有三种机械能：即①位能，②动能，③压力能。这三种能量可以互相转换。当管路条件改变时（如位置高低，管径大小），它们会自行转换。如果是粘度为零的理想流体，由于不存在机械能损失，因此在同一管路的任何二个截面上，尽管三种机械能彼此不一定相等，但这三种机械能的总和是相等的。

2. 对实际流体来说，则因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消失，即转化成了热能。而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的。对实际流体来说，这部分机械能相当于是被损失掉了，亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的，两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能。因此在进行机械能衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到下游截面上，其和才等于流体在上游截面上的机械能总和。

3. 上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表示位能的，称为位压头；表示动能的，称为动压头（或速度头）；表示压力的，称为静压头；已消失的机械能，称为损失压头（或摩擦压头）。这里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有的能量。

4. 当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直时，测压管内液柱高度（从测压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。

5. 当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高度，即为测压孔处液体的动压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和，我们称之为“总压头”。

6. 任何两个截面上位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示液体流经这两个截面之间时机械能的损失。

三、实验装置(如图3-3)

试验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、水槽、水泵等组成。活动测压头的小管端部封闭，管身开有小孔，小孔位置与玻璃管中心线平齐，小管与测压管相通，转动活动测压头就可以测量动、静压头。

管路分成四段，由两段不同直径的玻璃管所组成。中间相对较粗管段的内径约为34毫米，其余部分的内径约为13毫米。第四段的位置，比第三段低约5毫米，阀A供调节流量之用。

图3-3 柏努利演示实验装置

四、实验步骤

1. 关闭A阀，旋转测压管，观察并记录个测压管中的液位高度H。

2. 开动循环水泵，开阀A至一定大小，将测压孔转到正对水流方向及垂直水流方向，观察并记录各测压管相应的液位高度H1。

3. 不改变测压孔位置，继续开大A阀，观察测压管液位变化。并记录各测压管液位的相应高度H2。

五、实验数据记录

d=1.5cm D=2.5cm

由实验数据得U1 =0.8429 m/s U2=1.06937 m/s

在同一截面处，对中心处与管壁处列伯努利方程，以1处为例：

由于Z1=Z2 忽略阻力损失，外功为零，则可算得右边约等于左边，等式成立

同理可求得其他

七、思考题

1. 关闭A阀，各测压管旋转时，液位高度有无变化？这一现象说明什么？这一高度的物理意义又是什么？

无变化，说明测压管测得的液位与测压管无关，只与该点压力有关，高度代表着该点的压力大下

2.当测压孔正对水流方向时，各测压管的液位高度H的物理意义是什么？

测得是动压头和静压头之和

3.为什么H＞H1（对同一点而言）？为什么距离水槽越远，（H-H1）的差值越大？其物理意义是什么？

4.测压孔正对水流方向，开大阀A，流速增大，动压头增大，为什么测压管的液位反而下降？

该店机械能一定，动能增大，则静压能减小，测压管的液位降低。

5.将测压孔由正对水流方向，转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降？下降的液位代表什么压头？2、3两点及4、5两点各自下降的液位是否相等？这一现象说明了什么？

代表静压头。