周慶宏

【摘 要】綜述了《恒定總流伯努利方程實驗》的實驗?zāi)康呐c要求、實驗裝置介紹、實驗原理及實驗內(nèi)容與操作步驟。結(jié)合定性實驗與定量實驗的實操與研究，以及對設(shè)計性實驗的探索，加深學(xué)生對伯努利方程的理解，并完成對恒定總流伯努利方程的驗證。

【關(guān)鍵詞】流體力學(xué)實驗、伯努利方程實驗、測壓管水頭

引言

《流體力學(xué)》是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)教學(xué)計劃中的專業(yè)核心課程之一，以培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、重實踐、強能力的機械創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，流體力學(xué)實驗不僅加深學(xué)生對理論知識的理解，為知識的掌握和靈活運用提供必要支持;通過設(shè)計性實驗，可提高解決實際問題、主動解決問題的能力以及創(chuàng)造能力。

伯努利方程是能量守恒定律在液體流動過程中的具體體現(xiàn)形式，在流體力學(xué)中占據(jù)十分重要的地位。該實驗是流體力學(xué)基礎(chǔ)且重要實驗之一，結(jié)合理論課程所學(xué)知識，驗證恒定流伯努利方程的準(zhǔn)確性。

一、實驗?zāi)康呐c要求

1.深入理解總水頭、測壓管水頭、動能和勢能、機械能損失、平均流速、壓強等重要流體力學(xué)基本概念;2.觀察恒定流條件下管道斷面或管程高度發(fā)生改變時，水流的位置勢能、壓強勢能和動能的沿程變化規(guī)律，進一步掌握能量轉(zhuǎn)換特性;3.觀察并研究均勻流、漸變流、急變流及水流的特征，提高對流體力學(xué)現(xiàn)象的實驗分析能力;4.通過實驗數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)總水頭線和測壓管水頭線，驗證恒定總流的能量方程，從而更全面掌握恒定總流伯努利方程;5.通過設(shè)計性實驗，訓(xùn)練理論分析與實驗研究相結(jié)合的科研能力。

二、實驗裝置簡圖

1、本實驗的裝置如下圖所示：

2、實驗裝置說明

1）流量儀的使用方法：需先排氣調(diào)零，待水箱溢流后，間歇性全開、全關(guān)管道出水閥13數(shù)次，排除連通管內(nèi)氣泡。再全關(guān)閥13，待穩(wěn)定后將流量儀調(diào)零。再檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測壓管水面是否齊平，如不平則需查明故障原因（例連通管受阻、漏氣或夾氣泡等）并加以排除，直至調(diào)平。測流量時，水流穩(wěn)定后，流量儀所顯示的數(shù)值即為瞬時流量值。

2）本儀器測壓點有兩種：畢托管測壓點和普通測壓點。實驗表明只要開孔的切平面與來流方向垂直，彎針管畢托管的彎角從90～180均不影響測流速精度。

畢托管測壓點與測壓計的測壓管連接后，用以測量畢托管探頭對準(zhǔn)點的總水頭值，近似替代所在斷面的平均總水頭值，可用于定性分析，但不能用于定量計算。普通測壓點與測壓計的測壓管連接后，用以測量相應(yīng)測點的測壓管水頭值。

測點⑥、⑦為喉管段。

3）恒定流操作：全開調(diào)速器，此時水箱保持溢流，閥門13開度不變情況下，實驗管道出流為恒定流。非恒定流操作：調(diào)速器開、關(guān)過程中，水箱6無溢流情況下，實驗管道出流為非恒定流。

三、實驗原理

1、伯努利方程。在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過水?dāng)嗝妫诤愣鲃訒r，可以列出進口斷面（1）至另一斷面（i）的伯努利方程式（i=2，3…，n）：;取1=2=n…=1，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速v及，從而可得到各斷面測管水頭和總水頭。

2、過流斷面性質(zhì)。均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規(guī)律，即在同一斷面上，但在不同過流斷面上的測壓管水頭不同，;急變流斷面上。

四、實驗內(nèi)容與操作步驟

1、定性分析實驗

1）驗證同一靜止液體的測壓管水頭線是根水平線;2）觀察不同流速下，某一斷面上水力要素變化規(guī)律;3）驗證均勻流斷面上，動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布;4）觀察沿流程總能坡線的變化規(guī)律;5）觀察測壓管水頭線的變化規(guī)律;6）利用測壓管水頭線判斷管道沿程壓力分布。

2、定量分析實驗——伯努利方程驗證與測壓管水頭線測量分析實驗

1）熟悉實驗設(shè)備，分清哪些測管是普通測壓管，哪些是畢托管測壓管，以及兩者功能的區(qū)別;2）打開開關(guān)供水，使水箱充水待水箱溢流，檢查調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后所有測壓管水面是否齊平;3）調(diào)節(jié)閥13開度，待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時測記實驗流量（畢托管供演示用，不必測記讀數(shù)）。4）改變流量兩次，重復(fù)上述測量。其中一次閥門開度大到使19號測管液面接近標(biāo)尺零點。待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數(shù)，同時測記實驗流量;實驗過程中需注意：實驗時流量不宜太小，以保證測量精度;當(dāng)改變流量時，必須在流量穩(wěn)定后再進行測量;5）結(jié)合實驗記錄數(shù)據(jù)，計算流速水頭和總水頭，繪制上述成果中最大流量下的總水頭線和測壓管水頭線，驗證伯努利方程實驗。

3、設(shè)計性實驗——改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的實驗研究

本設(shè)計性實驗要求利用上述實驗裝置，設(shè)計改變水箱中的液位高度對喉管真空度影響的實驗方案并進行自主實驗。利用變水頭實驗可證明該結(jié)論是否正確。

為避免引水管道的局部負壓，可采取的技術(shù)措施有：（a）減小流量;（b）增大喉管管徑;（c）降低相應(yīng)管線的安裝高程;（d）改變水箱中的液位高度。

五、實驗結(jié)果與分析

通過繪制出的總水頭線和測壓管水頭線，以及對驗證伯努利方程實驗的驗證情況，還需思考以下問題：

1、測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什么？

2、閥門開大，使流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？

3、由畢托管測量的總水頭線與按實測斷面平均流速繪制的總水頭線一般都有差異，試分析其原因。

4、為什么急變流斷面不能被選作能量方程的計算斷面？