能量转换演示的实验报告

实验三能量转换演示的实验

一．实验目的

(1)熟悉流动流体具有的各种能量和压头的概念，了解它们之间的相互转换关系，在此基

础上，掌握柏努利方程。

(2)掌握流体在管内流动时流体阻力的表现形式

二．实验内容和原理

实验内容

(1)测量几种情况下的压头，并作分析比较。

(2)测定管中水的平均流速和点C2、D1 处的点流速，并做比较。

实验原理

(1)流体流动具有三种机械能：位能、动能、和静压能。它们均可以用一段液柱高度来表

示其大小，所以又称之为位压头、动压头和静压头。

(2)流体在流动过程中，由于管路情况的变化，如位置的高低，管径的大小或者流经不同

的管件等，这三种机械能相互转化。

(3)理想流体的粘度为零，流动过程将不产生任何机械能损失，如果流体做稳定流动。则

在同一管路中的任何两个截面上。尽管这三种机械能各自大小不尽相同。但其总和是相等的。

(4)实际流体的的粘度不为零，由于内摩擦力的作用，在流动过程中，部分机械能将转化

成热能而损耗掉。因此，不同的截面，总的机械能是不相等的，二者之差，便是阻力损失。

(5)因此在进行机械能衡算时，就必须将这部分机械能加在第二截面上去，其和才等于流

体在第一截面的机械能总合。单位流体在流动过程中的机械能衡算式，称之为柏努利方程。

三．主要仪器设备

不锈钢离心泵 SZ-037 型

低位槽 490×400×500 材料不锈钢

高位槽 295×195×380 材料有机玻璃

四．操作方法和实验步骤

1.将低位槽灌有一定数量的蒸馏水，关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导管出口调节

阀门而后启动离心泵。

2.逐步开大离心泵出口调节阀当高位槽溢流管有液体溢流后，调节导管出口调节阀为全

开位置。

3.流体稳定后读取A、B、C、D截面静压头和冲压头并记录数据。

4. 关小导管出口调节阀重复步骤。

5. 分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结果。

6. 关闭离心泵，实验结束。

五． 实验数据记录和处理

A 截面的直径14mm ；

B 截面的直径28mm ；

C 截面、

D 截面的直径14mm ；以D 截面中心线为零基准面（即标尺为-325mm ）Z D =0。 A 截面和D 截面的距离为120mm 。A 、B 、C 截面Z A =Z B =Z C =120 mm （即标尺为-205mm ） 由以上实验数据可以分析到 以第一套第一组为例进行分析：

1. 冲压头的分析

冲压头为静压头与动压头之和。从实验观测到在A 、B 截面上的冲压头依次下降，这符合下式所示的从截面1流至截面2的柏努利方程。

21,212

22)2()2(1

--+=+f H g

u g p g u g p ρρ

2. 损失计算

A 、

B 截面间静压头的分析，由于两截面同处于一水平位置，截面面积比A 截面面积大。这样B 处的流速比A 处小。设流体从A 流到B 的压头损失为H f ，A-B 以A-B 面列柏努利方程。

B A f B

B A A H g

u g p g u g p -++=+,2

2)2()2(ρρ

Z A =Z B

B

A f

B A

A B H g u g u g p g p ---=-,22

)22()(1ρρ

阀门全开时：Hf,A-B=543-469+（ZA-ZB ）=74mmH 2O 阀门半开时：Hf,A-B=564-512+（ZA-ZB ）=52 mmH 2O 最小流量时：Hf,A-B=574-533+（ZA-ZB ）=41 mmH 2O

阀门全开时：Hf ，B-C=469-460+(ZB-ZC)=9 mmH 2O 阀门半开时：Hf ，B-C=512-506+(ZB-ZC)=6 mmH 2O 最小流量时：Hf ，B-C=533-524+(ZB-ZC)=9 mmH 2O

阀门全开时：Hf,C-D=460-480+(ZC-ZD)=100 mmH 2O 阀门半开时：Hf,C-D=506-554+(ZC-ZD)=72 mmH 2O 最小流量时：Hf,C-D=524-606+(ZC-ZD)=38 mmH 2O

阀门全开时：Hf,A-D=543-480+(ZA-AD)=183 mmH 2O 阀门半开时：Hf,A-D=564-554+(ZA-AD)=130 mmH 2O 最小流量时：Hf,A-D=574-606+(ZA-AD)=88 mmH 2O

即两截面处的静压头之差是由动压头减小和两截面间的压头损失来决定

B A f B A

H g

u g u ->-,22

221使得：在实验导管出口调节阀全开时，A 处的静压头为492mmH 2O 柱，B 处的静压头为458mmH 2O 柱P A >P B 。说明B 处的动能转化为静压能。

3．C 、D 截面间静压头的分析：

出口阀全开时，C 处和D 处的静压头分别为360和380mmH 2O 柱，从C 到D 静压头增大了20mmH 2O 柱。这是因为，在C 、D 间列柏努利方程。由于D 、C 截面积相等即动能相同。 D C f D C C

D H z z g

p g p ---=-,)()(

ρρ 从C 到D 的增大值，决定于（Z C -Z D ）和H f ，C-D 。当（Z C -Z D ）大于和H f ，C-D 时，静压头的增值为正，反之，静压头的增值为负。

4． 压头损失的计算：。

以出口阀全开时从C 到D 的压头损失和H f ，C-D 为例。因为在C 、D 两截面间列柏努利方程。

D C f D D

D C C C H Z g

u g p Z g u g p -+++=++,2

222ρρ 所以，压头损失的算法之一是用冲压头来计算： )()2()2(22,D C D D C C D

C f Z Z g u g p g

u g p H -+??????+-+=-ρρ

阀门全开时：Hf,C-D=460-480+(ZC-ZD)=100 mmH 2O 阀门半开时：Hf,C-D=506-554+(ZC-ZD)=72 mmH 2O 最小流量时：Hf,C-D=524-606+(ZC-ZD)=38 mmH 2O

压头损失的算法之二是用静压头来计算：（u C =u D ） )()(

,D C D

C D C f Z Z g

p g p H -+-=-ρρ 阀门全开时：Hf,C-D=360-380+(ZC-ZD)=100 mmH 2O 阀门半开时：Hf,C-D=433-482+(ZC-ZD)=71 mmH 2O 最小流量时：Hf,C-D=465-550+(ZC-ZD)=35 mmH 2O

两种计算方法所得结果一致，说明所得实验数据是正确的。