热工流体综合实验-总流伯努利方程实验

热工流体综合实验－气动基础部分

不可压粘性流体定常总流伯努利方程实验

一、实验目的和要求

1．在流体在管内作定常稳定流动过程中，观察和记录垂直测压管测压管水头（z +p/γ）、速度水头（v2/(2g)）沿流程的变化情况, 验证流体恒定总流的伯努利方程关系式(机械能形式的沿总流束的能量方程)，以加深对实际运动流体伯努利方程关系式的认知和理解。

2．通过对有关现象的实验分析和讨论，进一步掌握有压管流中三种机械能分量之间的能量转换特性，对比实际水流总水头线与理想流体总水头线，深化因粘性而引起流动沿程水头损失和局部水头损失的工程实际概念。

3．掌握流体过水断面流量、平均流速、静压和总压的实验测量的基本技能。

4. 要求原始记录数据及处理数据手填，曲线手绘，回答问题手写。

二、实验装置与测量仪器

图1 所示为航空工程实验中心自循环水流伯努利方程验证实验装置。

图1 自循环水流伯努利方程实验装置示意

l 自循环供水器（下水箱） 2. 实验台桌 3 可控硅无级调速器 4 溢流板 5 多孔稳水板

6 恒压水箱（上水箱） 7液柱式测压仪 8 可滑动测量尺 9竖直测压管 10 实验管道

11各个测压点（从左往右按小字编号） 12 总压毕托管测点示意 13手轮式流量调节阀

本实验装置中，测压管测到的压强有两种类型：

1．表1.1中上标标有*号的测点所连接的测压管为毕托管，用以测读毕托管所正对

水流点处的总水头值H ’（= Z+g

u p

22

+γ）。H ’值与当地过流断面上的总水头值H （=Z

＋g v p 22

+γ）是不同的，因为u ≠ v ，所以毕托管测得的水头线只能定性表示总水头的变化趋势。

2．表1.1中未标*号的测点所连接的测压管为壁面点测压管，用以定量测定当地过流断面上对应的测压管静水头值（z + p/γ）。

3．实验管道水流流量用阀门13来控制调节，体积流量值采用体积（量筒）－时间（秒表）方法进行测定（Q=体积/时间）, 有的也可采用重量-时间法等来测定。

三、实验的基本原理

在实验管路中,沿管内水流方向取 n 个缓变过水断面，进口断面（1）至另一断面（i ）的总流束的柏努利能量方程表达式为:

Z 1＋g v a p 22

1

11

+γ= Z i ＋g

v a p i i i 22

+γ+h w i -1

这里，i=2，3, … … ,n ，实验近似取1a = 2a =… …= n a =1。

根据选好的测量基准坐标零点，从设置的各断面的竖直测压管中，读出相应的测压管水头值（Z+

γ

p

）值。同时，测量出通过管路的水流量，由此计算出各断面上水流的

平均流速v 及其速度头g

av 22

。从而，即可获得各个断面所具有的总水头值。

四、实验方法和步骤

1. 熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者测量功能的区别。

2. 打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，关闭调节阀，检查所有测压管水面是否处于齐平。如不平, 则需查明故障原因（可能原因: 连通管受阻, 漏气，夹气泡，管壁破裂等）, 并加以排除，直至调到基本齐平（等压等位面）为止。

3. 开启阀门13至适当开度，待水流稳定且管道也无气泡后，观察并思考： a ）测压管水头线和总水头线的变化趋势；

b）测点（2）、（3）测管水头线齐平否？为什么？

c）测点（10）、（11）测管水头线齐平否？为什么？

d）当流量增加（阀门开大）或减少（阀门开小）时, 测管水头值如何变化？

4. 适当增大阀门13的开度，待流量稳定后(1分钟以上)，开始测量记录各个测压管液面的读数，并用体积-时间法测记实验流量（量筒中至少得接纳500ml的水量，注意1ml=1cm3），填入记录表格。然后, 可计算出：管中水流的流量值（体积/时间），不同断面水流速度值及速度头（动压头）值，并填入记录表格。

注意本实验中毕托管供演示视觉看使用，可不记录毕托管对应的测管液面读数。

5. 改变流量两次，分别进行测量、记录和初步计算。其中一次可尝试阀门开度大到使7号测管或18号测管液面位置接近于最低状态。

6．请指导教师检查测量记录和初步计算结果，同意结束实验后整理收拾实验台。

五、实验参数记录要求与实验测量结果

1．记录和测量有关常数

实验时间：地点：指导教师：

实验装置名称和编号：

主体圆管内壁直径D1=1.35 cm

文丘里管喉部内壁直径D2=0.7 cm

扩大管内壁直径D3=2 cm

水箱液面高程（距台面）▽0 =46 cm

上管道轴线高程（距台面）▽2= 22 cm

温度t= ℃

各个测点编号及分布间距见表1.1，其中测点具体位置见图1.1。

表1.1 圆管各测点之间的距离（单位：cm）

231

（2）标“*”者为毕托管测压点；

（3）测点 2、3为直管均匀流段同一断面上的两个位置测压点，10、11为直弯管非均匀流段同一断面上的两个位置测点。

2．量测垂直测压管水头值（z + p/γ）

将测读的数值分别记入表1 .2中。

表1.2 (z + p/γ) 测记表( 滑动标尺零点水平线为高度基准面, 单位：cm )

3. 计算管道水流的速度头值及总水头值(数值保留至小数点两位)

将结果分别填入表1.3和表1.4。注意：g=981cm/s2 ,α≈1.

表1.4 水流的总水头值（Z ＋

g

v a p

22+

γ

）计算用表 (单位: cm , α≈1 )

六、实验结果绘图与分析

1. 分别绘制最大流量、最小流量下的总水头线（E-E ）和测压管水头线（P-P ）. 提示：1）将总水头线、测压管水头线绘制在空白图2（a ）和图2（b ）上。

2）P －P 线依照表1.2记录数据进行绘制，其中测点10、11数据不绘； 3）E －E 线依照表1.4记录数据进行绘制，其中测点10、11数据不绘； 4）在等直径管段，E －E 线与 P －P 线应是平行的。

(a) 绘制最大流量下的水头线

（b）绘制最小流量下的水头线

图2 实验水头线绘制用坐标网格图

2.试回答以下问题：

1）实验正式测量前，为什么需要将垂直测压管和实验管道里的空气泡排除？

2）本实验装置测点10、11处的流动是缓变流或是急变流？

3) 分别分析测绘出的测压管水头线P-P、总水头线E-E各自沿程变化的特点，它

们是否符合书中所讲的一般变化规律？

4）测压管水头值随流量的增大（阀门开大）如何变化？为什么？（提示：依据

测压管水头值来分析，E为总水头值）5）根据本实验装置和仪器中的介绍，指出由以上测量数据所绘制的总水头线与毕托管测出的总水头线（若实验中记录此读数的话）为什么有一定差异？

6）本实验装置的初始总水头E0是由谁来提供的？为什么稳压水箱中要设置溢流板？为什么喉管测点7处水流的压强最低？

七、参考资料

1．气体动力学基础，王新月主编，西北工业大学出版社，2006年版

2．工程流体力学实验，莫乃榕编著，华中科大出版社，2008年版

3．流体力学实验指导书，上海交通大学，2010年汇编

4．流体力学实验指导书，北京航空航天大学，2007年汇编。