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能量方程實(shí)驗(yàn)裝置指導(dǎo)書

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?/strong>
1．驗(yàn)證不可壓定常流的能量方程；
2．通過對流體動力學(xué)諸多水力現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)分析研討，進(jìn)一步掌握有壓管流中的能量轉(zhuǎn)換特性；
3．掌握流速、流量、壓強(qiáng)等流體動力學(xué)水力要素的實(shí)驗(yàn)量測技能。
二、實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)的裝置如圖１所示：

圖１ 自循環(huán)能量方程實(shí)驗(yàn)裝置圖
1.自循環(huán)供水器 2.實(shí)驗(yàn)臺 3.可控硅無級調(diào)速器 4.溢流板 5.穩(wěn)水孔板 6.恒壓水箱 7.測壓計 8.滑動測量尺 9.測壓管 10.實(shí)驗(yàn)管道 11.測壓點(diǎn) 12.畢托管 13.實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥
說明：
儀器測壓管有兩種：
①畢托管測壓管（表 1中標(biāo)*的測壓管），用以測讀畢托管探頭對準(zhǔn)點(diǎn)的總水頭H’（= Z+），須注意一般情況下H’與斷面總水頭H（=Z＋）不同（因一般u ≠ v），它的水頭線只能定性表示總水頭變化趨勢；
②普通測壓管（表1中未標(biāo)*者），用以定量量測測壓管水頭。
實(shí)驗(yàn)流量用閥13調(diào)節(jié)，流量由體積時間法或重量時間法測量。
三、實(shí)驗(yàn)原理
在實(shí)驗(yàn)管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過水?dāng)嗝妗？梢粤谐鲞M(jìn)口斷面（1）至另一斷面（i）的能量方程式（i=2，3, … … ,n）
　
Z1＋= Zi＋+h
取= =… …= =1,選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出Z+值，測出通過管路的流量，即可計算出斷面平均流速v及，從而即可得到各斷面測管水頭和總水頭。
四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟
1．熟悉實(shí)驗(yàn)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。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。
3．打開閥13，觀察思考：
1）測壓管水頭線（P--P）和總水頭線（E--E）的變化趨勢；
2）位置水頭、壓強(qiáng)水頭之間的相互關(guān)系；
3）測點(diǎn)（2）、（3）測管水頭同否？為什么？
4）測點(diǎn)（12）、（13）測管水頭是否不同？為什么？
5）當(dāng)流量增加或減少時測管水頭如何變化？
4．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(shí)驗(yàn)流量（畢托管供演示用，不必測記讀數(shù)）。
5．改變流量2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(diǎn)。
6．收拾實(shí)驗(yàn)臺，整理數(shù)據(jù)。
五、實(shí)驗(yàn)報告要求
1．簡要寫出實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟。
2．記錄有關(guān)常數(shù)。
均勻段（cm）D1=     1.37
縮管段（cm）D2=     1.00
擴(kuò)管段（cm）D3=      2.00
水箱液面高程（cm）▽o = 44.5
上管道軸線高程（cm）▽z =   16
表1 管徑記錄表

測點(diǎn)
編號 1* 2
3 4 5 6*
7 8*
9 10
11 12*
13 14*
15 16*
17 18*
19

管徑 cm

兩點(diǎn)
間距 4 4 6 6 4 13.5 6 10 29 16 16

注：①測點(diǎn)6、7所在斷面內(nèi)徑為D2,測點(diǎn)16、17為D3，其余均為D1；
②標(biāo)“*”者為畢托管測點(diǎn)（測點(diǎn)編號見圖2）；
③測點(diǎn) 2、3為直管均勻流段同一斷面上的兩個測壓點(diǎn)，10、11為彎管非均勻流段同一斷面上的兩個測點(diǎn)。
3．量測（Z＋）并記入表2
表2   測記數(shù)值表 (基準(zhǔn)面選在標(biāo)尺的零點(diǎn)上)        單位：cm

測點(diǎn)編號 2 3 4 5 7 9 10 11 13 15 17 19 Q cm3/s

實(shí)驗(yàn)
次序 1

2

3

4．計算流速水頭和總水頭
表3（1） 流速水頭

表3（2） 總水頭（Z＋）

測點(diǎn)編號 2
3 4 5 7 9 13 15 17 19 Q
cm3/s

實(shí)驗(yàn)
次序 1

2

3



5．繪制上述成果中最大流量下的總水頭線 E－E 和測壓管水頭線 P－P（軸向尺寸參見圖2，總水頭線和測壓管水頭線可以繪在圖2 上）
提示：
①P－P 線依表2數(shù)據(jù)繪制，其中測點(diǎn)10、11、13數(shù)據(jù)不用；
②E－E 線依表3（2）數(shù)據(jù)繪制．其中測點(diǎn)10、11 數(shù)據(jù)不用；
③在等直徑管段 E－E 與 P－P 線平行。

圖2
六、實(shí)驗(yàn)分析及討論
1．測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢有何不同？為什么？
答：測壓管水頭線和總水頭線的變化趨勢的不同之處：測壓管水頭線會隨管徑變化有較大的波動。當(dāng)管徑減小時，測壓管水頭線下降；當(dāng)管徑變大時，測壓管水頭線上升。而總水頭沿流線方向有減小的趨勢，變化較為平緩。
原因是測壓管水頭線是沿水流方向各個測點(diǎn)的測壓管液面的連線，它反應(yīng)的是流體的勢能。測壓管水頭線沿水流方向可能下降，也可能上升（當(dāng)管徑沿流向增大時）。因?yàn)楣軓皆龃髸r流速減小，動能減小而壓能增大，如果壓能的增大大于水頭損失時，水流的勢能就增大，測壓管水頭就上升。總水頭線是在測壓管水頭線的基線上再加上流速水頭，它反應(yīng)的是流體的總能量，由于沿流向總是有水頭損失，所以總水頭線沿程只能的下降，不能上升。
2．流量增加，測壓管水頭線有何變化？為什么？
答：流量增加，測壓管水頭線下降。
因?yàn)闇y壓管水頭，管道過流斷面面積A為定值時，Q增大，就增大，而且隨流量的增加阻力損失亦增大，管道任一過水?dāng)嗝嫔系目偹^E相應(yīng)減小，故的減小更加顯著。
3．測點(diǎn)2、3和測點(diǎn)10、11的測壓管讀數(shù)分別說明了什么問題？
答：測點(diǎn)2、3位于均勻流斷面，同一流速的測壓管讀數(shù)基本相同，表明均勻流同斷面上，其動水壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)規(guī)律分布。測點(diǎn)10、11在彎管的急變流斷面上，同一流速的測壓管讀數(shù)相差較大，表明急變流斷面上離心慣性力對測壓管水頭影響很大。由于能量方程推導(dǎo)時的限制條件之一是“質(zhì)量力只有重力”，而在急變流斷面上其質(zhì)量力，除重力外，還有離心慣性力，故急變流斷面不能選作能量方程的計算斷面。在繪制總水頭線時，測點(diǎn)10、11應(yīng)舍棄。
*4．試問避免喉管（測點(diǎn)7）處形成真空有哪幾種技術(shù)措施？分析改變作用水頭（如抬高或降低水箱的水位）對喉管壓強(qiáng)的影響情況。
*5．畢托管所顯示的總水頭線與實(shí)測繪制的總水頭線一般都略有差異，試分析其原因。