能量方程实验装置指导书

一、实验目的要求
1．验证不可压定常流的能量方程；
2．通过对流体动力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中的能量转换特性；
3．掌握流速、流量、压强等流体动力学水力要素的实验量测技能。
二、实验装置
本实验的装置如图１所示：

图１ 自循环能量方程实验装置图
1.自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无级调速器 4.溢流板 5.稳水孔板 6.恒压水箱 7.测压计 8.滑动测量尺 9.测压管 10.实验管道 11.测压点 12.毕托管 13.实验流量调节阀
说明：
仪器测压管有两种：
①毕托管测压管（表 1中标*的测压管），用以测读毕托管探头对准点的总水头H’（= Z+），须注意一般情况下H’与断面总水头H（=Z＋）不同（因一般u ≠ v），它的水头线只能定性表示总水头变化趋势；
②普通测压管（表1中未标*者），用以定量量测测压管水头。
实验流量用阀13调节，流量由体积时间法或重量时间法测量。
三、实验原理
在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。可以列出进口断面（1）至另一断面（i）的能量方程式（i=2，3, … … ,n）
　
Z1＋= Zi＋+h
取= =… …= =1,选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出Z+值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及，从而即可得到各断面测管水头和总水头。
四、实验方法与步骤                             
1．熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能的区别。
2．打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否齐平。如不平则需查明故障原因（例连通管受阻、漏气或夹气泡等）并加以排除，直至调平。
3．打开阀13，观察思考：
1）测压管水头线（P--P）和总水头线（E--E）的变化趋势；
2）位置水头、压强水头之间的相互关系；
3）测点（2）、（3）测管水头同否？为什么？
4）测点（12）、（13）测管水头是否不同？为什么？
5）当流量增加或减少时测管水头如何变化？
4．调节阀13开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（毕托管供演示用，不必测记读数）。
5．改变流量2次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使19号测管液面接近标尺零点。
6．收拾实验台，整理数据。
五、实验报告要求
1．简要写出实验原理和实验步骤。
2．记录有关常数。                   
  均匀段（cm）D1=     1.37                              
  缩管段（cm）D2=     1.00               
  扩管段（cm）D3=      2.00    
  水箱液面高程（cm）▽o =  44.5   
  上管道轴线高程（cm）▽z =   16   
表1   管径记录表

测点 编号	1*		2 3		4		5		6* 7		8* 9		10 11		12* 13		14* 15		16* 17		18* 19
管径 cm
两点 间距	4	4		6		6		4		13.5		6		10		29		16		16

 










注：①测点6、7所在断面内径为D2,测点16、17为D3，其余均为D1；
②标“*”者为毕托管测点（测点编号见图2）；
③测点 2、3为直管均匀流段同一断面上的两个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上的两个测点。
3．量测（Z＋）并记入表2
表2   测记数值表 (基准面选在标尺的零点上)        单位：cm

测点编号		2	3	4	5	7	9	10	11	13	15	17	19	Q cm3/s
实验 次序	1
	2
	3

 
 
 
 









4．计算流速水头和总水头
表3（1）  流速水头

表3（2）  总水头（Z＋）

测点编号		2 3	4	5	7	9	13	15	17	19	Q cm3/s
实验 次序	1
	2
	3

 
  










5．绘制上述成果中最大流量下的总水头线 E－E 和测压管水头线 P－P（轴向尺寸参见图2，总水头线和测压管水头线可以绘在图2 上）
提示：
①P－P 线依表2数据绘制，其中测点10、11、13数据不用；
②E－E 线依表3（2）数据绘制．其中测点10、11 数据不用；
③在等直径管段 E－E 与 P－P 线平行。

图2
六、实验分析及讨论
1．测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？
答：测压管水头线和总水头线的变化趋势的不同之处：测压管水头线会随管径变化有较大的波动。当管径减小时，测压管水头线下降；当管径变大时，测压管水头线上升。而总水头沿流线方向有减小的趋势，变化较为平缓。
原因是测压管水头线是沿水流方向各个测点的测压管液面的连线，它反应的是流体的势能。测压管水头线沿水流方向可能下降，也可能上升（当管径沿流向增大时）。因为管径增大时流速减小，动能减小而压能增大，如果压能的增大大于水头损失时，水流的势能就增大，测压管水头就上升。总水头线是在测压管水头线的基线上再加上流速水头，它反应的是流体的总能量，由于沿流向总是有水头损失，所以总水头线沿程只能的下降，不能上升。
2．流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？
答：流量增加，测压管水头线下降。
因为测压管水头，管道过流断面面积A为定值时，Q增大，就增大，而且随流量的增加阻力损失亦增大，管道任一过水断面上的总水头E相应减小，故的减小更加显著。
3．测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？
答：测点2、3位于均匀流断面，同一流速的测压管读数基本相同，表明均匀流同断面上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、11在弯管的急变流断面上，同一流速的测压管读数相差较大，表明急变流断面上离心惯性力对测压管水头影响很大。由于能量方程推导时的限制条件之一是“质量力只有重力”，而在急变流断面上其质量力，除重力外，还有离心惯性力，故急变流断面不能选作能量方程的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、11应舍弃。
*4．试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。
*5．毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。