化工原理实验精品课程

实验二、柏努利方程实验

 

一、实验目的：

1．通过实验，加深对流动流体中各种能量或压头及其相互转化概念的理解，在此基础上熟练掌握柏努利方程；

2．观察流速的变化规律，从而理解流体流动的连续性方程；

3．观察各项压头变化的规律。

 

二、实验原理：

不可压缩的流体在管路中做稳定流动时，由于管路条件改变（如位置高低、管径大小、距离远近），引起各种机械能之间自行转化，其关系可由流动过程中能量衡算式——柏努利方程式描述，即

                      （2-2）

1．对于无粘性的理想流体，则流体质点之间无摩擦和碰撞就无机械能的损失，即        ，管路上任意两个截面上每种机械能并不一定相等，但机械能的总和是相等的。

2．对于实际流体而言，因为有粘性存在内摩擦，流动过程中消耗部分机械能，此机械能转化为热能而不可恢复。对实际流体的两个截面上的机械能总是不相等，两者差额就是这部分转化为热能的机械能，因此进行机械能衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到第二个截面上去。

3．上述几种机械能都可以用测量管中的一段流体柱的高度来表示。该流体柱高度称为“压头”。表示位能的，称为位压头；表示动能的称为动压头（或速度头）；表示压力能的，称为静压头（或压强压头）；消失的机械能称为损失压头（或摩擦压头）。

4．静压测量管与水流方向垂直，测量管内液位高度（从测量管算起）即为静压头,它反映测压点处液体静压强的大小。测量管处液体的位压头则由测量管的几何高度决定。

5．测量管的测压孔正对水流方向，所测得的液位高度称为冲压头，冲压头即为静压头和动压头之和。

6．任意两个截面上，位压头、动压头、静压头、三者总和之差即为损失压头，即表示流体流经这两个截面之间时机械能的消耗。 

 

三、实验装置及流程：

1．实验装置示意图及流程：

图2-4柏努利方程实验——实验装置示意图及流程

1．贮水箱；2．离心泵；3．回流阀；4．调节阀；5．溢流管；6．高位槽；

7、9、11、13．静压测量管；8、10、12、14．冲压测量管；15．出口调节阀

实验装置由测试玻璃管、测量管、不锈钢离心泵、高位槽、贮水箱等组成。测试玻璃管被制成粗细、高低各不相同的四段，如图2-4所示。截面A、C、D的直径均为14mm，截面B的直径为28mm，其中截面D比截面A、B、C中心水平位置低90mm。在各截面处均有一根小孔接在测试玻璃管管壁上的垂直测量管和一根小孔位于玻璃管中心线上正对水流方向的垂直测量管。

2．实验仿真界面

 

图2-5  柏努利实验——仿真界面

 

四、实验步骤及注意事项

（1）实验步骤：

1）将贮水箱灌有一定量的水，关小离心泵出口调节阀及关闭出口调节阀启动离心泵。

2）逐步开大离心泵出口调节阀，使高位槽溢流管有水溢出。

3）检查玻璃测试管和测量管内有无气泡，若有气泡可开大测试管出口阀让水流带走，测量管内的气泡可用橡皮吸球吸除。

4）出口调节阀关闭时，水没流动，观察并记录各测试管的液位高度H。

5) 开启出口调节阀至半开，观察并记录观察并记录各截面测量管的液位高度H′。

6) 将出口调节阀全开时，观察并记录各测量管的液位高度H″。

7) 实验结束，关闭离心泵。

（2）注意事项：

1) 不要将离心泵出口阀开得太大，以免使水流冲到高位槽外，同时导致高位槽液面不稳定。

2）当测试管出口调节阀开大时应检查高位槽内的液面是否稳定，当液面下降时应适当开大泵出口调节阀。

3) 测试管出口调节阀须缓慢地关小，以免造成流量突然下降，测量管中水溢出管外。

4) 检查玻璃测试管及测量管内有无空气泡，发现气泡应及时排除。

5) 离心泵不要在空转和泵出口阀门全关的情况下工作。

 

五、思考题:

1．  实验测试管出口阀全关时，各测量管内液位高H有无变化？这一现象说明什么？这一高度H的物理意义又是什么？

2．  用静力学原理分析截面4与截面3的静压头那个大，为什么？

3．  测压孔正对水流方向的测量管，其液位高度H′的物理意义是什么？

4．  对同一点测得H和H′哪个大，为什么？为什么距离水槽越远，（H - H′）差值越大？这一差值的物理意义是什么？

5．  当测试管出口调节阀全开时，截面1与截面2的静压头哪个大，为什么？

6．  当测试管出口调节阀半开时，由所测得的实验数据计算水流从截面3至截面4的压头损失。