（三）伯努利能量方程實(shí)驗(yàn)測(cè)定

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、觀察流體流經(jīng)能量方程試驗(yàn)管的能量轉(zhuǎn)化情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析，加深對(duì)

能量方程的理解；

2、掌握流速、流量、壓強(qiáng)等動(dòng)水力學(xué)水力要素的實(shí)驗(yàn)量測(cè)技能：

3、驗(yàn)證靜壓原理。

4、進(jìn)一步掌握有壓管流中，動(dòng)能、壓能和位置能三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

5、測(cè)定管道的測(cè)壓管水頭和總水頭值，并繪制管道的測(cè)壓管水頭線及總水頭線。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)由壓差板、實(shí)驗(yàn)管道、水泵、實(shí)驗(yàn)桌和計(jì)量水箱等組成。

圖3.1能量方程實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

每一組測(cè)壓管都有兩種不同的測(cè)點(diǎn)位置：

一種是測(cè)點(diǎn)處于管道中心位置，稱為畢托管測(cè)壓管（后續(xù)課堂內(nèi)容會(huì)講到），測(cè)量對(duì)應(yīng)截面

的總水頭”=Z+￡+匕（全壓）。注意這里的速度u為管道中心處的點(diǎn)流速，與截面平均速

Pg2g

度v有所差異。但在紊流狀態(tài)下兩者之間差異有限。

另一種是測(cè)點(diǎn)處于管道壁面，稱為普通測(cè)壓管，測(cè)量對(duì)應(yīng)截面的靜壓頭，即只包含Z和2

Pg

兩項(xiàng)。全壓與靜壓之差，稱為動(dòng)壓，即《

2g

三、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

1、熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分清也托管測(cè)壓管和普通測(cè)壓管的區(qū)別以及各自表征的物理量。

2、接上各導(dǎo)壓膠管；

3、檢驗(yàn)測(cè)壓板是否與水立線垂直；

4、啟動(dòng)電泵使水工作循環(huán)，檢查各處是否有漏水的現(xiàn)象。

5、用手堵住出水口突然放水，重復(fù)幾次，直至使實(shí)驗(yàn)管中的氣泡排除。關(guān)閉尾閥，檢查各

個(gè)測(cè)壓管水位高度是否在同一水平線上，如果不在同一水平線上，說明有氣泡存在，必須全部排

除。否則測(cè)量數(shù)據(jù)無效。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1、驗(yàn)證靜壓原理：

啟動(dòng)電泵，關(guān)閉給水閥，此時(shí)能量方程試驗(yàn)管上各個(gè)測(cè)壓管的液柱高度相同，因管內(nèi)的水不

流動(dòng)沒有流動(dòng)損失，因此靜水頭的連線為一平行基準(zhǔn)線的水平線，即在靜止不可壓縮均勻重力流

體中，任意點(diǎn)單位重量的位勢(shì)能和壓力勢(shì)能之和（總勢(shì)能）保持不變，測(cè)點(diǎn)的高度和測(cè)點(diǎn)位置的

前后無關(guān)，記下四組數(shù)據(jù)于表二的最下方格中。

2、測(cè)速：

能量方程試驗(yàn)管上的四組測(cè)壓管的任一組都相當(dāng)于一個(gè)畢托管，可測(cè)得管內(nèi)任一點(diǎn)的流體點(diǎn)

速度，本試驗(yàn)已將測(cè)壓管開口位置在能量方程試驗(yàn)管的軸心，故所測(cè)得的動(dòng)壓為軸心處的，即最

大速度。

畢托管求點(diǎn)速度公式：u=12gh

利用這一公式和求平均流速公式（狂二。//）計(jì)算某一工況（如表中T況2平均速度欄）

各測(cè)點(diǎn)處的軸心速度和平均流速得到表3.1。

在能量方程中，使用截面平均流速v=Q/A。

表3.1

1-12-23-34-45-56-67-78-8

項(xiàng)目

點(diǎn)速度Us(m/s)

平均速度v（m/s）

3、觀察計(jì)算流體、管徑，能量方程試驗(yàn)管（伯努利管）對(duì)能量損失的情況:

在能量方程試驗(yàn)管上布置八對(duì)測(cè)壓管,測(cè)量1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6、7-7、8-8截面上

的總壓和靜壓，全開給水閥門，觀察總壓沿著水流方向的下降情況，這說明流體的總勢(shì)能沿著流

體的流動(dòng)方向是減少的，改變給水閥門的開度，同時(shí)用計(jì)量水箱和秒表測(cè)定不同閥門開度下的流

量及相應(yīng)的八組測(cè)壓管液柱高度，記在數(shù)據(jù)表3.2中。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，繪出流量下的各種水頭線，并解釋圖中現(xiàn)象。

H

0S斷百

能量曲線圖

4、自行設(shè)計(jì)一個(gè)表格，用所取得的數(shù)據(jù)，計(jì)算突然擴(kuò)大斷面和突然縮小斷面的局部水頭損

失及局部阻力系數(shù)。（如單獨(dú)開設(shè)阻力損失實(shí)驗(yàn)，這一部分計(jì)算可以不做）

五、結(jié)束實(shí)驗(yàn)

全開閥門，把管道內(nèi)的水放掉，然后關(guān)閉各閥門。

六、思考

1、為什么截面3和4的直徑一樣，但截面3處的動(dòng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截面4的動(dòng)壓？

2、閥門全關(guān)時(shí)，為什么所有截面的水頭高度會(huì)一樣？

3、為什么截面4的動(dòng)壓會(huì)小于截面1的動(dòng)壓？

4、分析表一的數(shù)據(jù)，結(jié)合連續(xù)性方程，討論不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，管徑與流速之間的

表3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

、測(cè)

1-12-23-34-45-56-67-78-8

Q

全壓櫛壓全壓全壓濟(jì)壓全壓怖壓全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓全壓靜壓cm'/s

次數(shù)cmcmcmc?cmcm(11cmcrnCMcmcmcmcmcmcn

I

2

3

4

5

/

管中心與

珞線而cm

管內(nèi)行ran13.413.421.221.212.912.912.912.9

'兩測(cè)點(diǎn)間距離：Li-2=250mm；LI-3=332mm；LM=500mm；L45=174mm；Ls-6=250mm

（四）雷諾數(shù)的測(cè)定

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、用實(shí)驗(yàn)方法觀察液體層流、紊流的流態(tài)區(qū)別及其相互轉(zhuǎn)換的過程。以加深對(duì)層流、紊流

形態(tài)的感性認(rèn)識(shí)。

2、測(cè)定臨界雷諾數(shù)，掌握?qǐng)A管流態(tài)判別準(zhǔn)則；

3、學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無量綱參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法，并了解其實(shí)用意義。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

如圖4.1所示。供水流量由調(diào)速器控

制，使恒壓水箱4始終保持溢流狀態(tài)，以

穩(wěn)定進(jìn)口處水體壓力。穩(wěn)水隔板的作用是

使水面的擾動(dòng)時(shí)間縮短。有色水調(diào)整流量

后，經(jīng)水管5注入實(shí)驗(yàn)管道8,根據(jù)有色

水散開與否判別流態(tài)。為防止自循環(huán)水體

污染，有色指示水采用自行消色的專用色

水。

三、實(shí)驗(yàn)原理圖4.1雷諾實(shí)驗(yàn)臺(tái)

同一種液體在同一管道中流動(dòng)，當(dāng)I、自循環(huán)供水器；2、實(shí)驗(yàn)臺(tái)；3、調(diào)速器；4、恒

流速不同時(shí)，液體在運(yùn)行中有兩種不同的壓水箱；5、有色水水管；6、穩(wěn)水板；7溢流板；

流態(tài)。當(dāng)流速較小時(shí)，管中水流的全部質(zhì)8、實(shí)驗(yàn)管道；9-流量調(diào)節(jié)閥

點(diǎn)以平行而不互相混雜的方式分層流動(dòng)，這種形態(tài)的游體流動(dòng)稱為層流。當(dāng)流速較大時(shí)，管中水

流各質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相互混雜的運(yùn)動(dòng)，這種形態(tài)的液體流動(dòng)稱為紊流。

Re=?*=KQ

v7idv

K=^—

71du

實(shí)驗(yàn)中，p=1xlO-6/n2/5o在106實(shí)驗(yàn)室和109實(shí)驗(yàn)室中的雷諾實(shí)驗(yàn)儀器，直徑值不同。

請(qǐng)注意記錄106實(shí)驗(yàn)室中黑板上的原始數(shù)據(jù)。

臨界雷諾數(shù)有兩個(gè)：當(dāng)流量從0開始逐漸開大，當(dāng)紅線散開時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)上臨界雷諾數(shù)Re~:

當(dāng)流量由大逐漸關(guān)小，當(dāng)紅線聚成一條穩(wěn)定直線時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)下臨界雷諾數(shù)R。02。上臨界雷諾數(shù)

受干擾較大，數(shù)值不穩(wěn)定，有時(shí)候會(huì)得出臨界雷諾數(shù)高達(dá)幾萬的結(jié)果。而下臨界雷諾數(shù)相對(duì)較穩(wěn)

定。雷諾經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得圓管水流的下臨界雷諾數(shù)Rc,?為2320。這也作為了層流、紊流的流

態(tài)判別依據(jù)。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1、記錄本實(shí)驗(yàn)的有關(guān)常數(shù)（實(shí)驗(yàn)管道直徑d、水的運(yùn)動(dòng)粘度u）。

2、打開水泵，使水箱充水至溢流水位。水面穩(wěn)定后，微微開啟調(diào)節(jié)閥9,調(diào)整有色水流量

控制閥，將有色水注入實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)，有色水形成一直線。再逐步開大調(diào)節(jié)閥9。觀察層流、紊流

兩種流態(tài)的變化。記錄在紊流的幾種不同狀態(tài)下的流量。

3、測(cè)定下臨界雷諾數(shù)。將調(diào)節(jié)閥9開得較大，使管中完全紊流。逐步關(guān)小調(diào)節(jié)閥，每調(diào)節(jié)

一次，需等待一段時(shí)間，紅線穩(wěn)定后再觀察其形態(tài)，直至紅色水流成一直線為止。此時(shí)表明紊流

轉(zhuǎn)化為層流。此時(shí)的雷諾數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)。用量筒、秒表測(cè)量此時(shí)的流量，計(jì)算水流速度。

4、將調(diào)節(jié)閥9開大，從步驟3開始重復(fù)，記錄3組數(shù)據(jù)。

5、將三次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算各次的下臨界雷諾數(shù)，記錄在數(shù)據(jù)表中。

注意事項(xiàng)：

1、緩慢調(diào)節(jié)閥門，尤其當(dāng)流量較小時(shí)，每一次的調(diào)節(jié)量要注意控制。每次調(diào)節(jié)閥門后，都

須等待水流穩(wěn)定，即停留15秒以上。

2、調(diào)節(jié)閥門的過程中，只許逐漸關(guān)小閥門，調(diào)節(jié)過程中不許開大閥門。

3、水箱進(jìn)水量調(diào)到合適位置，保持有少量溢水即可,如果進(jìn)水量過大，將增大水箱液面處

的位置波動(dòng)，從而導(dǎo)致管道內(nèi)壓力波動(dòng)。

4、由于上臨界雷諾數(shù)不容易得到一個(gè)固定值，且參考意義不大，所以在實(shí)驗(yàn)中不要求測(cè)定。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算

實(shí)驗(yàn)流量Q流態(tài)判斷（層流、

紅線形態(tài)體積V(cm3)時(shí)間t(s)雷諾數(shù)Re

組數(shù)(cm3/s)紊流、過渡）

飄散

1微彎、微動(dòng)

穩(wěn)定直線

飄散

2微彎、微動(dòng)

穩(wěn)定直線

飄散

3微彎、微動(dòng)

穩(wěn)定直線

六、思考

I、雷諾數(shù)的量綱是什么？

2、如果閥門從小逐漸開大，所得到的上臨界雷諾數(shù)為何數(shù)值有時(shí)候會(huì)較大?

3、下臨界雷諾數(shù)，在測(cè)量計(jì)算的過程中，受到哪些因素的影響？

（五）節(jié)流式流量計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解文德里和孔板流量計(jì)測(cè)流量的原理及其簡(jiǎn)單構(gòu)造。

2.繪出壓差與流量的關(guān)系，確定文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì)的系數(shù)

二、實(shí)驗(yàn)原理

文丘里流量計(jì)是在管道中常用的流量計(jì)。它包括收縮段、喉管、擴(kuò)散段三部分。i1于喉管過

水?dāng)嗝娴氖湛s，該斷面水流動(dòng)能加大，勢(shì)能減小，造成收縮段前后斷面壓強(qiáng)不同而產(chǎn)生的勢(shì)能差。

此勢(shì)能差可由壓差計(jì)測(cè)得。

孔板流量計(jì)原理與文丘里流量計(jì)相同，根據(jù)能量方程和連續(xù)方程可得出不計(jì)阻力作用時(shí)的文

德里流量計(jì)（孔板流量計(jì)）的流量計(jì)算公式：

武中：4J。一?。装澹?；

（文丘里）

A/2=(Z1+—)-(Z2+—)

pg~pg

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件，管道的實(shí)測(cè)流量Q實(shí)可由體積法測(cè)出。

在實(shí)際液體中，由于阻力的存在，水流通過文德里流量計(jì)（或孔板流量計(jì)）時(shí)有能量損失，故

實(shí)際通過的流量Q實(shí)一般比Q理稍小，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，上式應(yīng)予以修正，實(shí)測(cè)流量與理想流

體情況下的流量之比稱為流量系數(shù)，即

Q理（課本中，孔板流量計(jì)的流量系數(shù)，使用符號(hào)a。）

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與各部分名稱如圖5.1所示。

圖5.1流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.熟悉儀器，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。，

2.啟動(dòng)水泵，打開總進(jìn)水閘閥，使水進(jìn)入管道系統(tǒng)；打開1號(hào)管和2號(hào)管的進(jìn)水閘閥，確

認(rèn)出水管有穩(wěn)定出流。

3.檢查壓差計(jì)內(nèi)是否有氣泡。如有氣泡，必須排除干凈。

4.分別調(diào)整1號(hào)管和2號(hào)管進(jìn)水閘閥，依次增大流量和依次減小流量。量測(cè)各次流量相應(yīng)

的壓差值，使用體積法測(cè)量實(shí)際流量Q（記錄水箱高度，使用秒表記錄時(shí)間）。每管各做6次。

將數(shù)據(jù)記錄在表5.1中。

五、注意事項(xiàng)

1.改變流量時(shí)，需待開關(guān)改變后，水流穩(wěn)定之后（至少需3?5分鐘），方可記錄。

2.當(dāng)管內(nèi)流量較大時(shí)，測(cè)壓管內(nèi)水面會(huì)有波動(dòng)現(xiàn)象c可讀取波動(dòng)水面的最高與最低讀數(shù)的

平均值作為該次讀數(shù)。

六、思考題

1.收縮斷面前與收縮斷面后相比，哪一個(gè)壓強(qiáng)大?為什么？

2.實(shí)驗(yàn)求出的〃值是大于1,還是小于1?是否合理？

3.每次測(cè)出流量系數(shù)〃值是否是常數(shù)?若不是常數(shù)則與哪些因素有關(guān)?

表5.1數(shù)據(jù)記錄和計(jì)算表格

壓差計(jì)讀數(shù)測(cè)量流量

數(shù)據(jù)組數(shù)水箱高度時(shí)間(s)實(shí)際流量(n?/s)

(cmH20)(m3/s)

1

2

1

3

行.

4

管

5

6

1

2

2

3

后

4

管

5

6

結(jié)論：1號(hào)管中，流量系數(shù)。=;2號(hào)管中，流量系數(shù)"=

（六）流動(dòng)阻力水頭損失測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/p>

1、掌握管道沿程阻力系數(shù)2的測(cè)量技術(shù)；

2、通過測(cè)定不同雷諾數(shù)Re時(shí)的沿程阻力系數(shù)"掌握/與Re的影響關(guān)系;

3、測(cè)量彎頭局部阻力系數(shù)4。

f

Ml,Cj

f11活鏤1號(hào)管

D=0=^

U片“閘閥

孔板壓度計(jì),2號(hào)管

D—

1”閘閥

H文丘里充皇計(jì)/3號(hào)管

k『華任旨派星計(jì)

r1"閘闔

L

尸閘閥JF

水稻

?Assn

圖6.1流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置如圖6.1所示。這臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置可對(duì)不可壓縮流體流經(jīng)管道系統(tǒng)的規(guī)律性進(jìn)行比

較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。

利用這臺(tái)裝置可以進(jìn)行的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下：

1、滯流區(qū)和過渡區(qū)摩擦系數(shù)的測(cè)定一利用2號(hào)管進(jìn)行。（見圖1,下同）

2、不同直徑的管子湍流區(qū)磨擦系數(shù)的測(cè)定一一利用1,3號(hào)管子。

3、螺旋槽管（相似于粗糙管）摩擦系數(shù)的測(cè)定。

4、認(rèn)識(shí)文丘里流量計(jì)，測(cè)定它的孔流系數(shù)。

5、驗(yàn)證孔板流量計(jì)的孔流系數(shù)。

6、對(duì)比孔板和文丘利兩種流量計(jì)的阻力損失。

7、認(rèn)識(shí)畢托管流速計(jì)，利用畢托管測(cè)量管內(nèi)流速。

8、測(cè)量90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭的局部阻力系數(shù)。

9、測(cè)量截止閥局部阻力系數(shù)。

10、測(cè)量突然擴(kuò)大管局部阻力系數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)將使用1號(hào)管（水力光滑管），對(duì)層流、紊流狀態(tài)下的沿程阻力損失進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算

分析，弄清沿程阻力損失系數(shù)2和雷諾數(shù)Re的關(guān)系。對(duì)彎管局部阻力損失系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，找出

局部阻力損失與速度頭之間的關(guān)系。

1號(hào)測(cè)管標(biāo)稱直徑40（實(shí)際內(nèi)徑請(qǐng)按樣品管測(cè)量），測(cè)壓孔距為2000毫米。

三、實(shí)驗(yàn)原理

1、沿程阻力系數(shù)4的測(cè)量與計(jì)算

,LV1

h/=A3,------

由達(dá)西公式，d2g

而沿程阻力系數(shù)％,在管道中不同流態(tài)情況下，幾值不相同。在水力光滑管中，4=/低。）

式中，d為管道直徑，L為研究管段的長(zhǎng)度，