恒定總流伯努利方程實驗綜述報告

周慶宏

【摘 要】綜述了《恒定總流伯努利方程實驗》的實驗目的與要求、實驗裝置介紹、實驗原理及實驗內容與操作步驟。結合定性實驗與定量實驗的實操與研究，以及對設計性實驗的探索，加深學生對伯努利方程的理解，并完成對恒定總流伯努利方程的驗證。

【關鍵詞】流體力學實驗、伯努利方程實驗、測壓管水頭

引言

《流體力學》是機械設計制造及其自動化專業教學計劃中的專業核心課程之一，以培養厚基礎、高素質、重實踐、強能力的機械創新型人才為目標，流體力學實驗不僅加深學生對理論知識的理解，為知識的掌握和靈活運用提供必要支持;通過設計性實驗，可提高解決實際問題、主動解決問題的能力以及創造能力。

伯努利方程是能量守恒定律在液體流動過程中的具體體現形式，在流體力學中占據十分重要的地位。該實驗是流體力學基礎且重要實驗之一，結合理論課程所學知識，驗證恒定流伯努利方程的準確性。

一、實驗目的與要求

1.深入理解總水頭、測壓管水頭、動能和勢能、機械能損失、平均流速、壓強等重要流體力學基本概念;2.觀察恒定流條件下管道斷面或管程高度發生改變時，水流的位置勢能、壓強勢能和動能的沿程變化規律，進一步掌握能量轉換特性;3.觀察并研究均勻流、漸變流、急變流及水流的特征，提高對流體力學現象的實驗分析能力;4.通過實驗數據，繪制相應總水頭線和測壓管水頭線，驗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.通過設計性實驗，訓練理論分析與實驗研究相結合的科研能力。

二、實驗裝置簡圖

1、本實驗的裝置如下圖所示：

2、實驗裝置說明

1）流量儀的使用方法：需先排氣調零，待水箱溢流后，間歇性全開、全關管道出水閥13數次，排除連通管內氣泡。再全關閥13，待穩定后將流量儀調零。再檢查調節閥關閉后所有測壓管水面是否齊平，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，直至調平。測流量時，水流穩定后，流量儀所顯示的數值即為瞬時流量值。

2）本儀器測壓點有兩種：畢托管測壓點和普通測壓點。實驗表明只要開孔的切平面與來流方向垂直，彎針管畢托管的彎角從90～180均不影響測流速精度。

畢托管測壓點與測壓計的測壓管連接后，用以測量畢托管探頭對準點的總水頭值，近似替代所在斷面的平均總水頭值，可用于定性分析，但不能用于定量計算。普通測壓點與測壓計的測壓管連接后，用以測量相應測點的測壓管水頭值。

測點⑥、⑦為喉管段。

3）恒定流操作：全開調速器，此時水箱保持溢流，閥門13開度不變情況下，實驗管道出流為恒定流。非恒定流操作：調速器開、關過程中，水箱6無溢流情況下，實驗管道出流為非恒定流。

三、實驗原理

1、伯努利方程。在實驗管路中沿管內水流方向取n個過水斷面，在恒定流動時，可以列出進口斷面（1）至另一斷面（i）的伯努利方程式（i=2，3…，n）：;取1=2=n…=1，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速v及，從而可得到各斷面測管水頭和總水頭。

2、過流斷面性質。均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規律，即在同一斷面上，但在不同過流斷面上的測壓管水頭不同，;急變流斷面上。

四、實驗內容與操作步驟

1、定性分析實驗

1）驗證同一靜止液體的測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律;3）驗證均勻流斷面上，動水壓強按靜水壓強規律分布;4）觀察沿流程總能坡線的變化規律;5）觀察測壓管水頭線的變化規律;6）利用測壓管水頭線判斷管道沿程壓力分布。

2、定量分析實驗——伯努利方程驗證與測壓管水頭線測量分析實驗

1）熟悉實驗設備，分清哪些測管是普通測壓管，哪些是畢托管測壓管，以及兩者功能的區別;2）打開開關供水，使水箱充水待水箱溢流，檢查調節閥關閉后所有測壓管水面是否齊平;3）調節閥13開度，待流量穩定后，測記各測壓管液面讀數，同時測記實驗流量（畢托管供演示用，不必測記讀數）。4）改變流量兩次，重復上述測量。其中一次閥門開度大到使19號測管液面接近標尺零點。待流量穩定后，測記各測壓管液面讀數，同時測記實驗流量;實驗過程中需注意：實驗時流量不宜太小，以保證測量精度;當改變流量時，必須在流量穩定后再進行測量;5）結合實驗記錄數據，計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壓管水頭線，驗證伯努利方程實驗。

3、設計性實驗——改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的實驗研究

本設計性實驗要求利用上述實驗裝置，設計改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的實驗方案并進行自主實驗。利用變水頭實驗可證明該結論是否正確。

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

五、實驗結果與分析

通過繪制出的總水頭線和測壓管水頭線，以及對驗證伯努利方程實驗的驗證情況，還需思考以下問題：

1、測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什么？

2、閥門開大，使流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？

3、由畢托管測量的總水頭線與按實測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算斷面？