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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(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.實驗管道 11.測壓點 12.畢托管 13.實驗流量調(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*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(diào)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(nèi)水流方向取n個過水斷面。可以列出進口斷面(1)至另一斷面(i)的能量方程式(i=2,3, … … ,n)
 
Z1+= Zi++h
= =… …= =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(diào)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(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(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))。
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(shù)據(jù)。
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(shù)。                   
  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(nèi)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(shù)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(shù)據(jù)繪制,其中測點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??偹^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(shù)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(shù)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(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。

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