化工原理——流体力学实验集锦

柏努利方程实验（一）实验目的1、了解流体以恒定流流经特定管路（柏努利方程实验管）时一些（四个）特定截面上的总压头、测压管压头，并计量出相应截面的静压头和动压（），再绘制出近似的压头线，从而加深对柏利方程的理解和认识。2、学会各种压头的测试和计量方法。3、了解一种测量流体流速方法皮托管测速方法的原理。（二）实验装置及其工作原理实验装置的结构示意图如图1所示。柏努利方程实验装置主要由恒水位水箱6、柏努利方程实验管4、测压管5、蓄水箱7、离心泵供水系统（自循环）和电测流量装置等组成。恒水位水箱6靠溢流来维持其恒定水位，在水箱左下部装接水平放置的柏努利方和实验管4，恒水位水箱中的水可经柏努利方程实验管以恒定流流出，并可通过出水阀门2调节其出流量。恒定流以一定流量流经实验管道时，通过布设在实验管4个截面上的测压孔及其测压管（8根）5，可以观察到相应截面上的各各压头的高低，从而可以分析管道中稳定液流的各种能量形式、大小及其相互转化关系。图4-2 柏努利方程实验装置结构示意图1-电测流量装置及其计量水箱 2-出水阀门 3-流量显示仪 4-柏努利方程实验管5-测压管 6-恒水位水箱 7-储水箱 8-水泵 9-进水阀门 10-实验台桌 11-集水槽实验时，还需要测定液流的流量。在阀门2的下面，装有回水箱和计量水箱，计量水箱里装有电测流量装置1（由浮子、光栅计量尺光电传感器组成），可以在电测流量仪3上直接数显出实验时的流体流量（数显出流体积W立升和相应的出流时间 秒从而可以计算出流量Vs来）。回水箱和计量水箱中的水可以通过集水槽12，回流到储水箱7中。柏努利方程实验管4上每个测量截面上的一组测压管都相当于一个皮托管，所以，通过实验，也可以了解一种测量流量的原理和方法。（三）实验操作1、实验前的准备1）关闭出水阀门22）打开进水阀门9后，按下流量显示仪3上的水泵开关，启动水泵8，向恒水位水箱6上水。3）在水箱接近放满时，调节阀门9，使恒水位水箱达到溢流水平，并保持有一定的溢流。4）适度打开出水阀门2，使柏努利方程实验管出流，此时，恒水位水箱应仍能保持恒水位，且还有一定的溢流。否则，应调节阀门9使其达到恒水位并有适量溢流。（注意：整个实验过程都就满足这个要求）。5）实验测试之前，在作上述准备工作过程中，应排尽管路和测压管中的空气。6）测试前，应仔细检查并调节电测流量装置，使其能够正常工作。2、进行测量具体步骤如下：1）调节出水阀门2至一定开度。2）待液流稳定，且检查恒水位水箱的恒定水位后，测读柏努利方程实验管四个截面四组测压管的液柱高度。可以重复测读三次，合理选择稳定的读数或取其三次的平均值，以提高测试的准确度。3）利用电测流量装置测定此工况下的液流流量。4）改变出水阀门2的开度，在新工况下重复上述测试。5）上术实验测试完成后，可以关闭出水阀门2，观察到各测压管中的水面与恒水位水箱的水面相齐平，以此验证静压原理。6）将以上测试数据记入实验记录表中。说明各测量截面上的两个测压管， 一个测压管测定的是相应截而的总压头（Z+），另一个测压管测定的是同一截面上的测压管压头（Z+），把这些实验数据直接记入实验记录表的相应栏目中。在表中还应记入各工况的液流流量、实验管路各段的内径和压头。（四）实验数据处理1、柏努利方程实验：1）在测度所得实验数据的基础上，计算出柏努利方程实验管各测试截面的相应动压头和静压头：动压头：=总压头-测压管压头静压头：=测压管压头-位压头Z 2）绘制一定工况下的四个测试截面的各种压头和近似的压头线（如图4-3）。图4-3 柏努利方程实验管的压头和压头线附表一：测点编号液柱高或差工况序号IIIIIIIV流量m3/s1总压头Z+测压管压头Z+静压头压头损失hW2总压头Z+测压管压头Z+静压头压头损失hW能量方程实验管中心线距基准线的高度Z（即位压头）(mm)实验管测试截面的内径（mm）静压头（mm）3）运用柏努利方程进行分析，解释各压头的变化规律。例如：可以看出能量损失沿着流体流动方向是增大的：II与I比较，其位压头相同，但II点比I点的静压头大，这是由于管径变粗，流速变慢，动压头转变为静压头；III与II比较，其位压头相同，而III点的静压头小了，这是静压头转变为动压头了；IV与III比较，两管径相同，动压头基本相同，但IV点的静压头比III点的增大了，这是由于位头转化为静压头了。实验结果还清楚地说明了连续方程，对于不可压缩流体的稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。2、测速实验能量方程实验管上四组测压管的任一组都相当于一个皮托管，可测得管内的流体速度。由于本实验台将总压头测压管轩于能量方和实验管的轴线，所以测得的动压头代表了轴心处的最大流速。皮托管求点速度公式为：此处，为相应截而上两侧压管的动压头差（即流速水头）。而管内的平均流速可以通过流量来确定，平均流速公式为：在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度。测试结果可记入附表二中附表二测点编号流速项目I管径： mmII管径： mmIII管径： mmIV管径： mm轴心速度u(m/s)平均速度思考题部分答案：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（P-P）沿 程 可 升 可 降 。而 总 水 头 线（E-E）沿 程 只 降 不 升 。这 是 因 为 水 在 流 动 过 程 中 ，依 据 一 定 边 界 条 件 ，动 能 和 势 能 可 相 互 转 换。 测 点5 至 测 点7， 管 收 缩， 部 分 势 能 转 换 成 动 能， 测 压 管 水 头 线 降 低。 测 点7至 测 点9，管 渐 扩，部 分 动 能 又 转 换成 势 能 ，测 压 管 水 头 线 升 高 。而 据 能 量 方 程E1=E2+hw1-2, hw1-2为 损 失 能 量 ，是 不 可 逆 的 ，即 恒 有 hw1-20，故 E2恒 小 于E1，（E-E）线 不 可 能 回 升。(E-E) 线 下 降 的 坡 度 越 大 ，即J越 大 ，表 明 单 位 流 程 上 的 水 头 损 失 越 大 ，如 图2.3的 渐 扩 段 和 阀门 等 处 ，表 明 有 较 大 的 局 部 水 头 损 失 存 在 。2流 量 增 加 ，测 压 管 水 头 线 有 何 变 化 ？为 什 么 ？答：有 如 下 二 个 变 化 ：（1）流 量 增 加 ，测 压 管 水 头 线（P-P）总 降 落 趋 势 更 显著。这 是 因 为 测 压 管 水 头， 管 道 过 流 断 面 面 积A为 定 值 时 ，Q增 大 ，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 的 减 小 更 加 显 著 。（2）测 压 管 水 头 线（P-P）的 起 落 变 化 更 为 显 著 。因 为 对 于 两 个 不 同 直 径 的 相 应 过 水 断 面 有式 中 为 两 个 断 面 之 间 的 损 失 系 数 。管 中 水 流 为 紊 流 时 ， 接 近 于 常 数 ，又 管 道 断 面 为 定 值 ，故Q增 大 ，H亦 增 大 ，（P-P）线 的 起 落 变 化 就 更 为 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 （如图） ，测 点 高 差0.7cm，HP=均 为 37.1cm（偶 有 毛 细 影 响 相 差0.1mm），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 ，测 压 管 水 头 差 为7.3cm，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 ，尚 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由 毕 托 管 测 量 显 示 的 总 水 头 线 与 实 测 绘 制 的 总 水 头 线 一 般 都 有 差 异 ， 试 分 析 其 原 因 。答：与 毕 托 管 相 连 通 的 测 压 管 有1、6、8、12、14、16和18管 ，称 总 压 管 。总 压 管 液 面 的 连 续 即 为 毕 托 管 测 量 显 示 的 总 水 头 线 ，其 中 包 含 点 流 速 水 头 。而 实 际 测 绘 的 总 水 头 是 以 实 测 的 值 加 断 面 平 均 流 速 水 头v2/2g绘 制 的 。据 经 验 资 料 ，对 于 园 管 紊 流 ，只 有 在 离 管 壁 约 0.12d的位 置 ，其 点 流 速 方 能 代 表 该 断 面 的 平 均 流 速 。由 于 本 实验 毕 托 管 的 探 头 通 常 布 设 在 管 轴 附 近 ，其 点 流 速 水 头 大 于 断 面 平 均 流 速 水 头 ，所 以 由 毕 托 管 测 量 显 示 的 总 水 头线 ，一 般 比 实 际 测 绘 的 总 水 线 偏 高 。 因此，本实验由1、6、8、12、14、16和18管所显示的总水头线一般仅供定性分析与讨论，只有按实验原理与方法测绘总水头线才更 准 确 。