柏努利方程实验

实验三柏努利方程实验一、实验目的1.观察和测试流体（水）在流动时压力的变化。2.观察和测试流体流过不同管径和位置时压力的变化。3.验证流体流动和静止时所遵循的规律。4.熟悉流体流动中各种能量和压头的概念及其相互转换关系，在此基础上掌握柏努利方程。二、实验装置本实验有两套实验设备。设备1：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，小管又与测压管相通。测量各点的压头由活动测头和水位计标尺共同完成。柏努利方程仪玻璃管规格如下：（1、2号测头距离0.25米；3、4号测头距离0.5米）设备Ⅰ测头编号123456玻璃管内径（m）0.01290.01290.02120.02120.01340.0134设备Ⅱ测头编号1234玻璃管内径（m）0.01340.02200.01300.0130图一第一套实验装置设备2：设备有低位槽、高位槽、测试导管等构成。测试导管的结构尺寸见图二。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-325毫米）ZD=0。A截面和D截面的距离为120mm。A、B、C截面ZA=ZB=ZC=120mm（即标尺为-205毫米）三、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。这三种能量是可以相互转换的。当管路条件改变时（如位置高低、管径大小），它们便会自行转化。如果是粘度为零的理想流体，因为不存在因摩擦和碰撞而产生机械能的消失，因此同一管路的任何两个截面上，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.对实验流体来说，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，即转化为热能了。而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的，这样，对实际流体来说，两个截面上的机械能总和也是不相等的，两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转化成热的机械能，因此在进行机械能的衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到第二个截面上去，其和才等于流体在第一个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的高度称之为“压头”。表示位能的，称为位压头hz；表示动能的，称为动压头hw；表示压力能的，称为静压头hp；表示已消失的机械能的，称为损失压头hf。4.实验装置一中，当活动测头的测压孔正对水的流动方向时，测得的数值为总压头（h）；当测压孔垂直水流方向时，测得的数值为静压头（hp）；与位压头（hz）之和。在实验装置二中，静压头测量管测得的是静压头，而动压头测量管测得的是冲压头，即静压头和动压头之和。又由于玻璃管管径不同，测点的位置和顺序不同，通过实验就可获得不同情况下的能量变化。5.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，它表示流体流经这两个截面之间时机械能的消失。四、实验方法1.开动循环水泵，关闭测量管上的调节阀，旋转测压管，观察并记录各测压管中的液位高度H。2.开测量管调节阀至一定大小，将测压孔转到正对水流方向，观察并记录各测压管的液位高度。3.不改变调节阀开度，将测压孔转到垂直水流方向，观察测压管液位变化，并记录各测压管的液位高度。4.继续开大调节阀，观察测压管液位变化，并记录各测压管的液位高度5.利用秒表和量筒测出每一次的流量。水温：℃图三第二套实验装置测头读数序号123456流量（ml/s）正对垂直正对垂直正对垂直正对垂直正对垂直正对垂直水量时间流量123456表中：“正对”表示测压孔正对水流方向；“垂直”表示测压孔垂直水流方向。（对实验装置二“正对”则是指动压头测量管读数，“垂直”则是指静压头测量管读数）五、实验数据处理和结果分析1.三项能量的互相转化情况⑴.分析零流速下各测点的能量及测头位置的关系。⑵.运用柏努利方程，确定各测点的各项能量：静压能（hp）、动能（hw）和位能（hz）。其中位能根据实验中确定的基准计算。⑶.运用柏努利方程，分析各测点的各项能量变化。例如：同一流速下，各测点之间的能量关系；同一个测点，在不同流速下各项能量之间的变化等。2.阻力损失和流速的关系根据实验数据分析，流速增加对摩擦损失的变化情况，验证guhf22。取一组实验数据说明如下：静止时测压管截面高为565mmH2O流量为0.0865l/s时，测压管液面高443mmH2O流量为0.136l/s时，测压管液面高280mmH2O根据以上数据发现：两者流速增加1.57倍，即u2/u1=v2/v1=0.136/0.0865=1.57但压头损失却增加了2.3倍，即hf2/hf1=（565-280）/（565-443）=2.34可见压头损失与流速平方成正比，即hf2/hf1=(u2/u1)2=1.572=2.47这样就验证了guhf22符合实际。3.验证测速管（毕托管）原理本实验中的活动测头可以测得总压头、静压头与位压头之和，因而能起到一只毕托管的作用。在我们的具体情况下，首先求出各测点管中心的点速度（最大流速umax）：wzphhhhgu)(2max2即：wghu2max然后利用Remax和umax查图求出u，与实测的平均流速比较，分析产生偏差的可能原因。4.确定摩擦系数和局部阻力系数⑴.摩擦系数的测定在管径均匀的一段直管中，将相邻的两测点的总压头差近似为管子的摩擦损失，则可利用此实验确定摩擦系数λ。例：要确定1、2测头间均匀直管的摩擦系数，则gudlhhhf222121式中：h1—测点1处的总压头；h2—相同流速下，测点2处的总压头；l—测点1、2间的距离；d—直管的管径。可以确定摩擦系数λ；另外再根据Re的范围，由经验公式求出λ理论值，与实验值进行比较，分析产生误差的可能原因。⑵.局部阻力系数的确定（以突然缩小为例）相邻两测点间有一段突然缩小的管路，我们将两测点间总压头差近似为管路突然缩小之阻力损失，则可在此设备上确定局部阻力系数。例：若在1、2测头间有突然缩径，则guhhhf222121式中：h1—测点1处的总压头；h2—测点2处的总压头；u—小管中的流速。可以确定局部阻力系数ζ，然后再通过面积比查得经验值，与实验值进行比较，分析差异原因。