周庆宏

【摘 要】综述了《恒定总流伯努利方程实验》的实验目的与要求、实验装置介绍、实验原理及实验内容与操作步骤。结合定性实验与定量实验的实操与研究，以及对设计性实验的探索，加深学生对伯努利方程的理解，并完成对恒定总流伯努利方程的验证。

【关键词】流体力学实验、伯努利方程实验、测压管水头

引言

《流体力学》是机械设计制造及其自动化专业教学计划中的专业核心课程之一，以培养厚基础、高素质、重实践、强能力的机械创新型人才为目标，流体力学实验不仅加深学生对理论知识的理解，为知识的掌握和灵活运用提供必要支持;通过设计性实验，可提高解决实际问题、主动解决问题的能力以及创造能力。

伯努利方程是能量守恒定律在液体流动过程中的具体体现形式，在流体力学中占据十分重要的地位。该实验是流体力学基础且重要实验之一，结合理论课程所学知识，验证恒定流伯努利方程的准确性。

一、实验目的与要求

1.深入理解总水头、测压管水头、动能和势能、机械能损失、平均流速、压强等重要流体力学基本概念;2.观察恒定流条件下管道断面或管程高度发生改变时，水流的位置势能、压强势能和动能的沿程变化规律，进一步掌握能量转换特性;3.观察并研究均匀流、渐变流、急变流及水流的特征，提高对流体力学现象的实验分析能力;4.通过实验数据，绘制相应总水头线和测压管水头线，验证恒定总流的能量方程，从而更全面掌握恒定总流伯努利方程;5.通过设计性实验，训练理论分析与实验研究相结合的科研能力。

二、实验装置简图

1、本实验的装置如下图所示：

2、实验装置说明

1）流量仪的使用方法：需先排气调零，待水箱溢流后，间歇性全开、全关管道出水阀13数次，排除连通管内气泡。再全关阀13，待稳定后将流量仪调零。再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。测流量时，水流稳定后，流量仪所显示的数值即为瞬时流量值。

2）本仪器测压点有两种：毕托管测压点和普通测压点。实验表明只要开孔的切平面与来流方向垂直，弯针管毕托管的弯角从90～180均不影响测流速精度。

毕托管测压点与测压计的测压管连接后，用以测量毕托管探头对准点的总水头值，近似替代所在断面的平均总水头值，可用于定性分析，但不能用于定量计算。普通测压点与测压计的测压管连接后，用以测量相应测点的测压管水头值。

测点⑥、⑦为喉管段。

3）恒定流操作：全开调速器，此时水箱保持溢流，阀门13开度不变情况下，实验管道出流为恒定流。非恒定流操作：调速器开、关过程中，水箱6無溢流情况下，实验管道出流为非恒定流。

三、实验原理

1、伯努利方程。在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面，在恒定流动时，可以列出进口断面（1）至另一断面（i）的伯努利方程式（i=2，3…，n）：;取1=2=n…=1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速v及，从而可得到各断面测管水头和总水头。

2、过流断面性质。均匀流或渐变流断面流体动压强符合静压强的分布规律，即在同一断面上，但在不同过流断面上的测压管水头不同，;急变流断面上。

四、实验内容与操作步骤

1、定性分析实验

1）验证同一静止液体的测压管水头线是根水平线;2）观察不同流速下，某一断面上水力要素变化规律;3）验证均匀流断面上，动水压强按静水压强规律分布;4）观察沿流程总能坡线的变化规律;5）观察测压管水头线的变化规律;6）利用测压管水头线判断管道沿程压力分布。

2、定量分析实验——伯努利方程验证与测压管水头线测量分析实验

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;3）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）。4）改变流量两次，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。待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量;实验过程中需注意：实验时流量不宜太小，以保证测量精度;当改变流量时，必须在流量稳定后再进行测量;5）结合实验记录数据，计算流速水头和总水头，绘制上述成果中最大流量下的总水头线和测压管水头线，验证伯努利方程实验。

3、设计性实验——改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的实验研究

本设计性实验要求利用上述实验装置，设计改变水箱中的液位高度对喉管真空度影响的实验方案并进行自主实验。利用变水头实验可证明该结论是否正确。

为避免引水管道的局部负压，可采取的技术措施有：（a）减小流量;（b）增大喉管管径;（c）降低相应管线的安装高程;（d）改变水箱中的液位高度。

五、实验结果与分析

通过绘制出的总水头线和测压管水头线，以及对验证伯努利方程实验的验证情况，还需思考以下问题：

1、测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？

2、阀门开大，使流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？

3、由毕托管测量的总水头线与按实测断面平均流速绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原因。

4、为什么急变流断面不能被选作能量方程的计算断面？