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中国石油大学（华东）工程流体力学实验报告

实验日期：2014.12.11成绩：

班级：石工12-09学号：12021409姓名：陈相君教师：李成华 同组者：魏晓彤，刘海飞

实验二、能量方程（伯诺利方程）实验

一、实验目的

1．验证实际流体稳定流的能量方程；

2．通过对诸多动水水力现象的实验分析，理解能量转换特性； 3．掌握流速、流量、压强等水力要素的实验量测技能。 二、实验装置

本实验的装置如图2-1所示。

4561011121234567891013121141535791113151719161718191178913321图2-1 自循环伯诺利方程实验装置

1.自循环供水器； 2.实验台； 3.可控硅无极调速器； 4溢流板；5.稳水孔板； 6.恒压水箱； 7.测压机； 8滑动测量尺； 9.测压管； 10.试验管道； 11.测压点； 12皮托管； 13.试验流量调节阀

说明

本仪器测压管有两种：

（1）皮托管测压管（表2-1中标﹡的测压管），用以测读皮托管探头对准点的总水头； （2）普通测压管（表2-1未标﹡者），用以定量量测测压管水头。 实验流量用阀13调节，流量由调节阀13测量。

三、实验原理

在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面（1）至另一断面（i）的能量方程式（i=2,3,…,n）

?2g?2g取a1?a2?????an?1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出 z+p/r值，测

出透过管路的流量，即可计算出断面平均流速，从而即可得到各断面测压管水头和总水头。 四、实验要求

1．记录有关常数实验装置编号 No._4____

-2-2-2均匀段d1= 1.40?10m；缩管段d2=1.01?10m；扩管段d3=2.00?10m；

水箱液面高程?0= 47.6?10m；上管道轴线高程?z=19 ?10m （基准面选在标尺的零点上）

表2-1 管径记录表 2 测点编号 1* 4 3 6* 7 8* 9 10 11 12* 13 14* 15 16* 17 18* 19 -2-2z1?p1??1?12?zi?pi??ivi2?hw1?i

5 -21.40 1.40 1.40 1.40 1.01 1.40 1.40 1.40 1.40 2.00 1.40 管径/10m 两点间距 4 4 6 6 4 13.5 6 10 29.5 16 16 -2/(10m) 2．量测（z?p?）并记入表2-2。

表2-2 数据记录表 实验h h h h h h h h h h h h V/(10?6m3) 245791113153101719次数 1 2 3 44.4 44.4 44.2 44.0 36.2 39.3 39.4 34.5 38.1 36.2 37.0 34.3 40.7 40.7 40.2 39.6 22.2 29.7 30.1 25.3 27.1 23.4 25.3 20.5 36.4 36.4 35.4 34.4 5.3 18.3 19.3 11.8 14.7 8.9 12.0 4.3 3094 3150 3406 t/s 30.10 20.36 16.67 注：hi?zi?pi?为测压管水头，单位：10m，i为测点编号。

-23．计算流速水头和总水头。

表2-3 流速水头计算处理表 管径/10m -2q1=102.79?10?6m3/s v A v2/2g 6.158 3.205 12.566 16.69 32.07 8.18 14.21 52.47 3.41 q2= 154.72?10?6m3/s v A v2/2g 6.158 3.205 15.566 25.13 48.27 10.13 32.22 118.88 5.24 /(10?4m2) /(10?2m/s) /(10?2m) /(10?4m2) /(10?2m/s) /(10?2m) 1.40 1.01 2.00

表2-4 总水头计算处理表 实验 次数 1 2 3 H2 H3 H4 H5 H7 H9 H10 H11 H13 H15 H17 ?63q/(10m/s)H19 58.61 58.61 58.41 58.21 88.67 53.51 53.61 48.71 52.31 50.41 40.41 48.51 72.92 72.92 72.42 71.82 141.08 61.92 62.32 57.52 59.32 55.62 30.54 52.72 92.57 92.57 91.57 90.57 212.65 74.47 75.47 67.97 70.87 65.07 20.8 60.47 120.79 154.72 204.31 算例：以第一组数据为例。 q =V/t=3094/30.1=102.79cm3/s

4．绘制上述成果中最大流量下的总水头线和测压管水头线（轴向尺寸参见图2-2，总水头

线和测压管水头线可以绘在图2-2上）。

五、实验步骤

1．熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是皮托管，以及两者功能的区别。 2．打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。验证同一静止液体的测压管水头线是根水平线。 3．打开阀13，观察思考：

1）不同流速下，同一断面上测压管水头和总水头的变化规律；

测压管水头线是沿水流方向各个测点的测压管液面的连线，它反应的是流体的势能，测压管水头线可能沿线可能下降，也可能上升（当管径沿流向增大时）,因为管径增大时流速减小，动能减小而压能增大，如果压能的增大大于水头损失时，水流的势能就增大，测压管水头就上升。总水头线是在测压管水头线的基线上再加上流速水头，它反应的是流体的总能量，由于沿流向总是有水头损失，所以总水头线沿程只能的下降，不能上升。

2）测点（2）、（3）测管水头同否？为什么？ 不同，测点2、3位于均匀流断面（图2.2），测点高差0.7cm

3）测点（10）、（11）测管水头是否不同？为什么？

不同，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。

4）沿流程总水头和测压管水头的变化规律 测压管水头线(P-P)沿程可升可降，线坡JP可正可负。而总水头线(E-E)沿程只降不升，线坡JP恒为正

5）管道内有没有负压区？ 没有负压区。

4．调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（皮托管供演示用，不必测记读数）。 5．改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。 六、注意事项

自循环供水实验均需注意：计量后的水必须倒回原实验装置，以保持自循环供水。 七、问题分析

1．测压管水头线和总水头线的沿流程变化趋势有何不同?为什么？

测压管水头线(P-P)沿程可升可降，线坡JP可正可负。而总水头线(E-E)沿程只降不升，线坡JP恒为正，即J>0。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。如图所示，测点5至测点7，管渐缩，部分势能转换成动能，测压管水头线降低，JP>0。，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，JP<0。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hw1-2>0，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，如图上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？

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，任一断面起始的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q增大，就增大，则必减小。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，亦增大，线的起落变化更为显著。 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？ 测点2、3位于均匀流断面，测点高差0.7cm，均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm），表明均匀流各断面上，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．试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬

高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。

5．由皮托管测量显示的总水头线与按实测断面平局流速绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原因。

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。总压管液面的连线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绘制的。据经验资料，对于园管紊流，只有在离管壁约的位置，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头线偏高。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的总水头线才更准确。 八、实验总结

通过本次实验，我更加深刻地理解了伯努利方程。应当注意的是，水箱中的水要时刻加满，否则不能溢流。

500400300200123465713589111312141950

1010040406060405001616070017800160900181910001100120015600050100200300400500

图2-2水头线绘制坐标图