伯努利实验讲义.doc

伯努利方程实验讲义
(CEA-F02)
一、实验目的
流动流体所具有的总能量是由各种形式的能量所组成，并且各种形式的能量之间又可相互转换。当流体在导管内作定常流动时，在导管的各截面之间的的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡算基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程的管路计算、流体压强、流速与流量的测量，以及流体输送等问题，都有着十分重要的作用。
本实验采用一种称之为伯努利实验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。通过实验，加深对流体流动过程基础本原理的理解。
二、实验原理
对于不可压缩流体，在导管内作定常流动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为衡算基准，则对确定的系统即可列出机械衡算方程：

J·kg–1(1)

若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为

m液柱(2)

式中：Z—流体的位压头，m液柱；
P—流体的压强，Pa；
u—流体的平均流速，m·s–1；
ρ－流体的密度，kg·m–3；

－流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg–1；
－流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。

下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。
不可压缩流体的机械能衡算方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如：
(1)当流体为理想液体时，于是式(1)和(2)可简化为

J·kg–1(3)

m液柱(4)

该式即为伯努利(Bernoulli)方程。

(2)当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则(1)和(2)时又可简化为

J·kg–1(5)

m液柱(6)

(3)当流体处于静止状态时，则(1)和(2)时又可简化为

(7)

(8)

或者将上式可改写为
P2－P1=ρg(Z1－Z2)(9)
这就是流体静力学基本方程。
三、实验装置
本实验装置主要由实验导管、稳压溢流水槽和三对侧压管所组成。
实验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分三处设置压管。每处测压管有一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头。

图1伯努利实验装置流程
1．稳压水槽2．实验导管3．出口调节阀4．静压头测量管5．冲压头测量管
四、实验方法
实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变。最后，设法排尽设备内的空气泡。
实验可按如下步骤进行：
(1)关闭试验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测试点(A、B和C三点)的压强。
(2)开启实验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点的压头变化。
(3)缓慢开启实验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头，动压头和损失压头。
实验过程中必须注意如下几点：
(1)实验前一定要将实验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会干扰实验现象和测量的准确性。
(2)开启进水阀向稳压水槽注水，或开关实验导管出口调节阀时，一定要缓慢的调节开启程度，并随时注意设备内的变化。
(3)试验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。
(4)为了便于观察侧压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。
五、实验结果
1．量并记录试验基本参数
流体种类：
试验导管内径：dA=16mm
dB=25mm
dC=16mm
实验系统的总压头：H=450mmH2O
2．非流动体系的机械能分布及其转换
(1)实验数据记录

实验序号12345水温T/℃水的密度ρ/kg·m-3各静压头
测量管的
水柱高度A点rA/mmB点rB/mmC点rC/mm
(2)验证流体静力学方程
3．流动体系的机械能分布及其转换
(1)实验数据记录
实验序号123456水的流量Vs(ml/s)静
压
头PA/ρgmmH2OPB/ρgmmH2OPC/ρgmmH2O动压
头U2A/2gmmH2OU2B/2gmmH2OU2C/2gmmH2O损失压
头Hf(1－A)mmH2OHf(1－B)mmH2OHf(1－C)mmH2O
(2)验证流动流体的机械能衡算方程
六、思考题
1.什么是理想流体？
2.什么叫着定常流动？
3.在流体的流动中，压强跟流速是否有关？