周慶宏

【摘 要】綜述了《恒定總流伯努利方程實(shí)驗(yàn)》的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求、實(shí)驗(yàn)裝置介紹、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟。結(jié)合定性實(shí)驗(yàn)與定量實(shí)驗(yàn)的實(shí)操與研究，以及對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探索，加深學(xué)生對(duì)伯努利方程的理解，并完成對(duì)恒定總流伯努利方程的驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、伯努利方程實(shí)驗(yàn)、測(cè)壓管水頭

引言

《流體力學(xué)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的專業(yè)核心課程之一，以培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、重實(shí)踐、強(qiáng)能力的機(jī)械創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，為知識(shí)的掌握和靈活運(yùn)用提供必要支持;通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可提高解決實(shí)際問題、主動(dòng)解決問題的能力以及創(chuàng)造能力。

伯努利方程是能量守恒定律在液體流動(dòng)過(guò)程中的具體體現(xiàn)形式，在流體力學(xué)中占據(jù)十分重要的地位。該實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)基礎(chǔ)且重要實(shí)驗(yàn)之一，結(jié)合理論課程所學(xué)知識(shí)，驗(yàn)證恒定流伯努利方程的準(zhǔn)確性。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求

1.深入理解總水頭、測(cè)壓管水頭、動(dòng)能和勢(shì)能、機(jī)械能損失、平均流速、壓強(qiáng)等重要流體力學(xué)基本概念;2.觀察恒定流條件下管道斷面或管程高度發(fā)生改變時(shí)，水流的位置勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能的沿程變化規(guī)律，進(jìn)一步掌握能量轉(zhuǎn)換特性;3.觀察并研究均勻流、漸變流、急變流及水流的特征，提高對(duì)流體力學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)分析能力;4.通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)總水頭線和測(cè)壓管水頭線，驗(yàn)證恒定總流的能量方程，從而更全面掌握恒定總流伯努利方程;5.通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的科研能力。

二、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

1、本實(shí)驗(yàn)的裝置如下圖所示：

2、實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明

1）流量?jī)x的使用方法：需先排氣調(diào)零，待水箱溢流后，間歇性全開、全關(guān)管道出水閥13數(shù)次，排除連通管內(nèi)氣泡。再全關(guān)閥13，待穩(wěn)定后將流量?jī)x調(diào)零。再檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測(cè)壓管水面是否齊平，如不平則需查明故障原因（例連通管受阻、漏氣或夾氣泡等）并加以排除，直至調(diào)平。測(cè)流量時(shí)，水流穩(wěn)定后，流量?jī)x所顯示的數(shù)值即為瞬時(shí)流量值。

2）本儀器測(cè)壓點(diǎn)有兩種：畢托管測(cè)壓點(diǎn)和普通測(cè)壓點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明只要開孔的切平面與來(lái)流方向垂直，彎針管畢托管的彎角從90～180均不影響測(cè)流速精度。

畢托管測(cè)壓點(diǎn)與測(cè)壓計(jì)的測(cè)壓管連接后，用以測(cè)量畢托管探頭對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)的總水頭值，近似替代所在斷面的平均總水頭值，可用于定性分析，但不能用于定量計(jì)算。普通測(cè)壓點(diǎn)與測(cè)壓計(jì)的測(cè)壓管連接后，用以測(cè)量相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭值。

測(cè)點(diǎn)⑥、⑦為喉管段。

3）恒定流操作：全開調(diào)速器，此時(shí)水箱保持溢流，閥門13開度不變情況下，實(shí)驗(yàn)管道出流為恒定流。非恒定流操作：調(diào)速器開、關(guān)過(guò)程中，水箱6無(wú)溢流情況下，實(shí)驗(yàn)管道出流為非恒定流。

三、實(shí)驗(yàn)原理

1、伯努利方程。在實(shí)驗(yàn)管路中沿管內(nèi)水流方向取n個(gè)過(guò)水?dāng)嗝?，在恒定流?dòng)時(shí)，可以列出進(jìn)口斷面（1）至另一斷面（i）的伯努利方程式（i=2，3…，n）：;取1=2=n…=1，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測(cè)壓管中讀出值，測(cè)出通過(guò)管路的流量，即可計(jì)算出斷面平均流速v及，從而可得到各斷面測(cè)管水頭和總水頭。

2、過(guò)流斷面性質(zhì)。均勻流或漸變流斷面流體動(dòng)壓強(qiáng)符合靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律，即在同一斷面上，但在不同過(guò)流斷面上的測(cè)壓管水頭不同，;急變流斷面上。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟

1、定性分析實(shí)驗(yàn)

1）驗(yàn)證同一靜止液體的測(cè)壓管水頭線是根水平線;2）觀察不同流速下，某一斷面上水力要素變化規(guī)律;3）驗(yàn)證均勻流斷面上，動(dòng)水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布;4）觀察沿流程總能坡線的變化規(guī)律;5）觀察測(cè)壓管水頭線的變化規(guī)律;6）利用測(cè)壓管水頭線判斷管道沿程壓力分布。

2、定量分析實(shí)驗(yàn)——伯努利方程驗(yàn)證與測(cè)壓管水頭線測(cè)量分析實(shí)驗(yàn)

1）熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分清哪些測(cè)管是普通測(cè)壓管，哪些是畢托管測(cè)壓管，以及兩者功能的區(qū)別;2）打開開關(guān)供水，使水箱充水待水箱溢流，檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測(cè)壓管水面是否齊平;3）調(diào)節(jié)閥13開度，待流量穩(wěn)定后，測(cè)記各測(cè)壓管液面讀數(shù)，同時(shí)測(cè)記實(shí)驗(yàn)流量（畢托管供演示用，不必測(cè)記讀數(shù)）。4）改變流量?jī)纱?，重?fù)上述測(cè)量。其中一次閥門開度大到使19號(hào)測(cè)管液面接近標(biāo)尺零點(diǎn)。待流量穩(wěn)定后，測(cè)記各測(cè)壓管液面讀數(shù)，同時(shí)測(cè)記實(shí)驗(yàn)流量;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需注意：實(shí)驗(yàn)時(shí)流量不宜太小，以保證測(cè)量精度;當(dāng)改變流量時(shí)，必須在流量穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量;5）結(jié)合實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算流速水頭和總水頭，繪制上述成果中最大流量下的總水頭線和測(cè)壓管水頭線，驗(yàn)證伯努利方程實(shí)驗(yàn)。

3、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——改變水箱中的液位高度對(duì)喉管真空度影響的實(shí)驗(yàn)研究

本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求利用上述實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)改變水箱中的液位高度對(duì)喉管真空度影響的實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。利用變水頭實(shí)驗(yàn)可證明該結(jié)論是否正確。

為避免引水管道的局部負(fù)壓，可采取的技術(shù)措施有：（a）減小流量;（b）增大喉管管徑;（c）降低相應(yīng)管線的安裝高程;（d）改變水箱中的液位高度。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)繪制出的總水頭線和測(cè)壓管水頭線，以及對(duì)驗(yàn)證伯努利方程實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證情況，還需思考以下問題：

1、測(cè)壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢(shì)有何不同？為什么？

2、閥門開大，使流量增加，測(cè)壓管水頭線有何變化？為什么？

3、由畢托管測(cè)量的總水頭線與按實(shí)測(cè)斷面平均流速繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其原因。

4、為什么急變流斷面不能被選作能量方程的計(jì)算斷面？