不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn)分析

1、機(jī)電技術(shù)2007年第1期經(jīng)驗(yàn)交流79不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn)分析蔡禮權(quán)(福建工程學(xué)院環(huán)境與設(shè)備工程系福建福州350007)摘要通過(guò)自循環(huán)伯努利方程實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)將測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理繪制測(cè)壓管水頭線和總水頭線并對(duì)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行分析指導(dǎo)和幫助學(xué)生實(shí)驗(yàn)更好地理解和掌握能量方程關(guān)鍵詞流體力學(xué)伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)壓管水頭總水頭流速水頭中圖分類號(hào)TV313文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1672480120070179030前言流體動(dòng)力學(xué)方程是研究

2、流體的流動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律能量轉(zhuǎn)換以及流體與固體壁面間的相互作用力等問(wèn)題的方程包括連續(xù)性方程伯努利方程和動(dòng)量方程等三大方程他們分別解釋了流體的質(zhì)量能量及動(dòng)量的關(guān)系與規(guī)律其中伯努利方程采用能量守恒定律解決了液體的流動(dòng)問(wèn)題在液體動(dòng)力學(xué)中占據(jù)十分重要的地位在我系主要的專業(yè)基礎(chǔ)課流體力學(xué)中講述伯努利方程占有相當(dāng)多的篇幅該方程用來(lái)描述流體的各種能量之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系和規(guī)律而伯努利方程實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證是理工科及相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程必開的實(shí)驗(yàn)之一對(duì)于實(shí)驗(yàn)學(xué)生往往只

3、側(cè)重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)成果的分析討論為便于教師指導(dǎo)和學(xué)生參考本文對(duì)以實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)成的圖表進(jìn)行分析幫助引導(dǎo)學(xué)生從更深層面去理解和掌握該方程所體現(xiàn)的規(guī)律性1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)裝置123456789101112131.自循環(huán)供水器2.實(shí)驗(yàn)臺(tái)3.可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速器4.溢流板5.穩(wěn)水孔板6.恒壓水箱7.測(cè)壓計(jì)8.滑動(dòng)測(cè)量尺9.測(cè)壓管10.實(shí)驗(yàn)管道11.測(cè)壓點(diǎn)12.畢托管13.實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥圖1自循環(huán)伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖2沿實(shí)驗(yàn)管道各

4、測(cè)點(diǎn)分布示意圖實(shí)驗(yàn)裝置是采用自循環(huán)伯努利方程實(shí)驗(yàn)儀其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示實(shí)驗(yàn)管道各測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示各測(cè)點(diǎn)中的16812141618為畢托管測(cè)點(diǎn)只供觀察定性分析使用不作為實(shí)驗(yàn)記錄測(cè)點(diǎn)1.2實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)伯努利方程在實(shí)驗(yàn)管路中沿水流方向取n個(gè)過(guò)水截面可以列出進(jìn)口截面1至截萬(wàn)方數(shù)據(jù)機(jī)電技術(shù)2007年第1期經(jīng)驗(yàn)交流81圖3實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)度方向上對(duì)應(yīng)的測(cè)壓管水頭線PP和總頭線EE2.2實(shí)驗(yàn)分析分析表中不同流量下的兩組總水頭數(shù)據(jù)流量越大流速越高沿程流動(dòng)

5、能量損失越大從而定性定量驗(yàn)證了不可壓縮流體恒定流能量方程由圖3可見測(cè)壓管水頭線(PP)沿程有升有降斜率可正可負(fù)而總水頭線(EE)沿實(shí)驗(yàn)管道逐漸下降由此可見流體在流動(dòng)過(guò)程中依據(jù)一定的邊界條件動(dòng)能和勢(shì)能可相互轉(zhuǎn)換如圖2所示測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)7管漸縮部分勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能測(cè)壓管水頭線降低測(cè)點(diǎn)7至測(cè)點(diǎn)9管漸擴(kuò)部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)換成勢(shì)能測(cè)壓管水頭線升高而依據(jù)能量方程E1=E2hw12式中E1為第一截面上的能量E2為第二截面上的能量hw12為沿程損失能量hw12是

6、不可逆的即恒有hw120故E2恒小于E1總水頭線不可能回升總水頭線下降的坡度越大說(shuō)明單位流程上的水頭損失越大同時(shí)從圖3的總水頭線變化趨勢(shì)也定性的證明了伯努利能量方程我們注意到測(cè)點(diǎn)23位于均勻流斷面見圖1測(cè)點(diǎn)高差0.7cm均為37.0cm表明均勻流各斷面上動(dòng)水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布由表1數(shù)據(jù)可知實(shí)驗(yàn)管道上的測(cè)點(diǎn)7的測(cè)壓管液面低于管軸線表明7點(diǎn)附近流斷是真空區(qū)即使拔下測(cè)點(diǎn)7處的皮管也會(huì)發(fā)現(xiàn)水不是往下流這說(shuō)明是氣體跑到實(shí)驗(yàn)管道中去了原因是測(cè)點(diǎn)

7、7點(diǎn)處的管徑小造成該處的流速水頭變大即大部分的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成了動(dòng)能而測(cè)點(diǎn)9的測(cè)壓管液面高出管軸線表明測(cè)點(diǎn)9處在正壓下同理拔下測(cè)點(diǎn)9處的皮管測(cè)點(diǎn)有水流出原因是測(cè)點(diǎn)7至測(cè)點(diǎn)9是水流由小管徑到大管徑的過(guò)程流速水頭由小變大即動(dòng)能又基本轉(zhuǎn)換成勢(shì)能了聯(lián)系到生活中的自來(lái)水供水情況在同一根給水管道上離水塔遠(yuǎn)的地方有水離水塔近的地方反而可能無(wú)水這完全是能量轉(zhuǎn)換引起的觀察測(cè)管10和11由表1中的測(cè)壓管數(shù)值可見兩點(diǎn)的測(cè)管中的液面高低相差比較大且流量越大相差也越大

8、10管高11管低與23測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭顯著這是由于急變流斷面上除重力外還有離心慣性力作用因此不能作為總水頭的計(jì)算斷面在繪制總水頭線時(shí)測(cè)點(diǎn)1011應(yīng)舍棄3結(jié)束語(yǔ)伯努利方程的實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在流體力學(xué)中的表現(xiàn)形式該實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析討論旨在對(duì)教師指導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)員深入思考起到拋磚引玉的作用參考文獻(xiàn)[1]蔡增基龍?zhí)煊逯骶?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].北京中國(guó)建筑工業(yè)出版社1999.[2]毛根海.工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].浙江大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室作者簡(jiǎn)