能量方程实验

不可压缩流体定常流能量方程实验班级学号姓名实验日期指导教师北京航空航天大学流体所1不可压缩流体定常流能量方程实验一、实验目的要求1．验证不可压定常流的能量方程；2．通过对流体动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的能量转换特性；3．掌握流速、流量、压强等流体动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１所示：图１自循环能量方程实验装置图l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2说明：仪器测压管有两种：①毕托管测压管（表1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头H’（=Z+gup22），须注意一般情况下H’与断面总水头H（=Z＋gvp22）不同（因一般u≠v），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1中未标*者），用以定量量测测压管水头。实验流量用阀13调节，流量由体积时间法或重量时间法测量。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）Z1＋gvap22111=Zi＋gvapiii22+hwi1取1a=2a=……=na=1,选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出Z+p值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及gav22，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：31）测压管水头线（P--P）和总水头线（E--E）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（毕托管供演示用，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。6．收拾实验台，整理数据。五、实验报告要求1．简要写出实验原理和实验步骤。2．记录有关常数。均匀段（cm）D1=1.37缩管段（cm）D2=1.00扩管段（cm）D3=2.00水箱液面高程（cm）▽o=44.5上管道轴线高程（cm）▽z=16表1管径记录表注：①测点6、7所在断面内径为D2,测点16、17为D3，其余均为D1；②标“*”者为毕托管测点（测点编号见图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。测点编号1*23456*78*9101112*1314*1516*1718*19管径cm1.371.371.371.371.001.371.371.371.372.001.37两点间距4466413.561029161643．量测（Z＋p）并记入表2表2测记数值表(基准面选在标尺的零点上)单位：cm测点编号234579101113151719Qcm3/s实验次序148.0048.0048.0047.8046.0046.5546.5046.1546.1045.6045.5845.0047.26243.8043.8043.4043.0030.0035.3034.8032.0033.4030.2031.6037.20130.956338.2038.3037.3036.508.0020.5019.4013.1016.5010.0013.003.20193.5844．计算流速水头和总水头表3（1）流速水头管径d(cm)Q=47.26(cm3/s)Q=130.956(cm3/s)Q=193.584(cm3/s)A(cm2)V(cm/s)gva22(cm)A(cm2)V(cm/s)gva22(cm)A(cm2)V(cm/s)gva22(cm)1.371.47432.060.52441.47488.8444.0271.474131.3328.801.000.78560.201.8490.785166.82314.1990.785246.60431.0272.003.14215.040.11543.14241.6790.8863.14261.6121.937表3（2）总水头（Z＋gvap22）测点编号23457913151719Qcm3/s实验次序148.524448.524448.324447.84947.07446.62446.124445.695445.524447.260247.82647.42747.02744.19939.32737.42734.22732.48641.227130.956347.0046.1045.3039.02729.3025.3018.8014.93712.00193.5845．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，总水头线和测压管水头线可以绘在图2上）5提示：①P－P线依表2数据绘制，其中测点10、11、13数据不用；②E－E线依表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2六、实验分析及讨论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：测压管水头线和总水头线的变化趋势的不同之处：测压管水头线会随管径变化有较大的波动。当管径减小时，测压管水头线下降；当管径变大时，测压管水头线上升。而总水头沿流线方向有减小的趋势，变化较为平缓。原因是测压管水头线是沿水流方向各个测点的测压管液面的连线，它反应的是流体的势能。测压管水头线沿水流方向可能下降，也可能上升（当管径沿流向增大时）。因为管径增大时流速减小，动能减小而压能增大，如果压能的增大大于水头损失时，水流的势能就增大，测压管水头就上升。总水头线是在测压管水头线的基线上再加上流速水头，它反应的是流体的总能量，由于沿流向总是有水头损失，所以总水头线沿程只能的下降，不能上升。62．流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？答：流量增加，测压管水头线下降。因为测压管水头22222ppvQHZEEggA，管道过流断面面积A为定值时，Q增大，22vg就增大，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pZ的减小更加显著。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，同一流速的测压管读数基本相同，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，同一流速的测压管读数相差较大，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，还有离心惯性力，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．试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。*5．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。