能量方程實驗裝置指導書

一、實驗目的要求
1．驗證不可壓定常流的能量方程；
2．通過對流體動力學諸多水力現(xiàn)象的實驗分析研討，進一步掌握有壓管流中的能量轉換特性；
3．掌握流速、流量、壓強等流體動力學水力要素的實驗量測技能。
二、實驗裝置
本實驗的裝置如圖１所示：

圖１ 自循環(huán)能量方程實驗裝置圖
1.自循環(huán)供水器 2.實驗臺 3.可控硅無級調速器 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.實驗管道 11.測壓點 12.畢托管 13.實驗流量調節(jié)閥
說明：
儀器測壓管有兩種：
①畢托管測壓管（表 1中標*的測壓管），用以測讀畢托管探頭對準點的總水頭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*者），用以定量量測測壓管水頭。
實驗流量用閥13調節(jié)，流量由體積時間法或重量時間法測量。
三、實驗原理
在實驗管路中沿管內水流方向取n個過水斷面?？梢粤谐鲞M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,選好基準面，從已設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、實驗方法與步驟                             
1．熟悉實驗設備，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．打開開關供水，使水箱充水，待水箱溢流，檢查調節(jié)閥關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、壓強水頭之間的相互關系；
3）測點（2）、（3）測管水頭同否？為什么？
4）測點（12）、（13）測管水頭是否不同？為什么？
5）當流量增加或減少時測管水頭如何變化？
4．調節(jié)閥13開度，待流量穩(wěn)定后，測記各測壓管液面讀數，同時測記實驗流量（畢托管供演示用，不必測記讀數）。
5．改變流量2次，重復上述測量。其中一次閥門開度大到使19號測管液面接近標尺零點。
6．收拾實驗臺，整理數據。
五、實驗報告要求
1．簡要寫出實驗原理和實驗步驟。
2．記錄有關常數。                   
  均勻段（cm）D1=     1.37                              
  縮管段（cm）D2=     1.00               
  擴管段（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 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 間距	4	4		6		6		4		13.5		6		10		29		16		16

 










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

測點編號		2	3	4	5	7	9	10	11	13	15	17	19	Q cm3/s
實驗 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＋）

測點編號		2 3	4	5	7	9	13	15	17	19	Q cm3/s
實驗 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數據繪制，其中測點10、11、13數據不用；
②E－E 線依表3（2）數據繪制．其中測點10、11 數據不用；
③在等直徑管段 E－E 與 P－P 線平行。

圖2
六、實驗分析及討論
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。當管徑減小時，測壓管水頭線下降；當管徑變大時，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的測壓管液面的連線，它反應的是流體的勢能。測壓管水頭線沿水流方向可能下降，也可能上升（當管徑沿流向增大時）。因為管徑增大時流速減小，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。
因為測壓管水頭，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，管道任一過水斷面上的總水頭E相應減小，故的減小更加顯著。
3．測點2、3和測點10、11的測壓管讀數分別說明了什么問題？
答：測點2、3位于均勻流斷面，同一流速的測壓管讀數基本相同，表明均勻流同斷面上，其動水壓強按靜水壓強規(guī)律分布。測點10、11在彎管的急變流斷面上，同一流速的測壓管讀數相差較大，表明急變流斷面上離心慣性力對測壓管水頭影響很大。由于能量方程推導時的限制條件之一是“質量力只有重力”，而在急變流斷面上其質量力，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10、11應舍棄。
*4．試問避免喉管（測點7）處形成真空有哪幾種技術措施？分析改變作用水頭（如抬高或降低水箱的水位）對喉管壓強的影響情況。
*5．畢托管所顯示的總水頭線與實測繪制的總水頭線一般都略有差異，試分析其原因。