CN106448370B - 一种恒压供水的伯努力方程实验方法 - Google Patents

一种恒压供水的伯努力方程实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒压供水的伯努力方程实验方法，选取一个主水箱，一个副水箱，副水箱为密闭的金属圆筒形，顶部制成上凸的圆球面，球面中央最高处制成一个小的平台，平台上安装进水阀和主水箱相连通，还设有一个通气孔用密封塞塞紧，并在密封塞上插入玻璃管；副水箱的底部安装出水阀和伯努力方程实验仪的测量部分连接；当水充满副水箱后，关闭进水阀，打开出水阀让水流出，首先是细玻璃管内的水柱迅速下落至玻璃管的下端部管口处，即不再降落，此处液面受到的压强即为大气压强，出水阀处的压强始终不变，输出近似定常流动的水流。实验没有噪音，所需要水量很小，不需要电力设备，安全可靠。

Description

一种恒压供水的伯努力方程实验方法
技术领域
本发明涉及一种物理实验方法，尤其涉及一种恒压供水的伯努力方程实验方法。
背景技术
伯努利方程是流体力学中最基本最重要的方程，伯努利方程的验证在高等院校的理工科各专业都应是必开实验。但对于理想流体条件下的定常流动，流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化，需要在恒定水流，采用长流水工作的仪器，才能进行伯努力方程的验证实验。现有的伯努力方程实验中都是采用水泵不间断的向具有固定高度(容量)的水箱供水，使得水流连续溢出，才能保证水箱内水位不变，实现恒压供水，存在的问题是：
1、水泵在实验前及实验中都必须处于工作状态，产生的噪音非常大，特别是在金属制成的水箱内，噪音更大。若是分组实验，几台仪器同时工作时，噪音淹没了讲话的声音，教师无法指导学生实验。
2、为保证水流从水箱连续溢出，需要水量很大，所需装置复杂，占用空间大
3、需要电力驱动水泵，水与电力设备同时工作，安全性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种实验方法，解决背景技术中的问题。即不使用水泵持续供水，在忽略水的粘滞阻力情况下实现水流的定常流动，以验证伯努力方程所揭示的流体能量守恒定律。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种恒压供水的伯努力方程实验方法，如图1所示。
选取两个圆柱形水箱，一个主水箱1，一个副水箱5；
所述的副水箱5为密闭的金属圆筒形，顶部制成上凸的圆球面，球面中央最高处制成一个小的平台4，平台4上安装进水阀3和主水箱1相连通，还设有一个通气孔用密封塞塞紧，并在密封塞上插入玻璃管2；
所述的玻璃管2是内径约0.5cm的细玻璃管或细金属管，玻璃管2的下端面距离副水箱5的底部高度不小于10cm，上端面高于进水阀3的上端部。
副水箱5的底部安装出水阀6，出水阀6和伯努力方程实验仪的测量部分连接。
所述的伯努力方程实验仪的测量部分在出水口处设有流量计7及出口调节阀8。
当液体充满副水箱5后，关闭进水阀3，打开出水阀6及出口调节阀8，首先是细玻璃管5内的水柱迅速下落至玻璃管2的下端部管口处，即不再降落，此处液面始终和空气接触，所以此处液面受到的压强即为大气压强pa；然后副水箱5内上部的液体逐渐下落，由于副水箱5内是密闭的，所以在副水箱内上部液面的压强p0将会低于大气压强pa，则玻璃管2内的空气不断地通过管口补充到副水箱5上部的空间内，使得副水箱内液体不断从出水阀6流出，副水箱内上部的液面不断降低。由流体力学可知，出水阀6处的压强p只取决于玻璃管2的下端口与玻璃瓶底部的高度ha，即
p＝pa+ρgha
式中：
ρ是水的密度，g为重力加速度。
如果从副水箱5内上部的液面计算出水阀6处的压强p，设副水箱上部的液面到副水箱底部的高度为h，则
p＝p0+ρgh
则可得到
pa+ρgha＝p0+ρgh
或者ρgh-ρgha＝pa-p0
即玻璃管2的下端部管口处的大气压强pa与副水箱内上部液面的压强p0之差，等于副水箱内上部液面到玻璃管5的下端部管口这段水柱的高度，而这段水柱的高度随着副水箱内液体的流出而不断减小，玻璃管2内空气不断由下端管口进入副水箱内上部液面，以使压强p0不断增大，直到p0＝pa为止，即副水箱内上部液面和玻璃管2下端口平齐之前，出水阀6处的压强p始终不变，在忽略水的粘滞阻力情况下，出水阀6输出定常流动的水流。
副水箱5内上部液面和玻璃管2下端口平齐后，水流从出水阀6处继续流出，则ha改变，出水阀6处的压强逐渐减小，不再是恒定的压强。
当定常流动的水流经测量部分的水管后，即可观察并记录A、B、C、D各截面上静压头、总压头的水头高度，依据伯努力方程，即可解释被测量管路中流体流动过程中各点的能量变化。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种恒压供水的伯努力方程实验方法，实验中用水少，不使用电力驱动的水泵，没有噪音，在任何地方都可以操作，不影响其他人工作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种恒压供水的伯努力方程实验方法的仪器结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种恒压供水的伯努力方程实验方法的恒压原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的实施方案进行清楚、完整地描述。
1、调整伯努力方程实验装置至工作状态
让水流充满箱体、管路的各个部分，而且中间不得有气泡存留，按如下步骤进行：
(1)打开进水阀3，关闭出水阀6，向主水箱1及副水箱5加水，当副水箱5加满水之后，关闭进水阀3继续加水直至主水箱1也加满水为止。
因为副水箱5顶部制成上凸的圆球面，所以在副水箱5内会充满水而不会有空气存留。
(2)关闭出口调节阀8，打开出水阀6，水流进入测量部分的水管内，然后逐渐打开出口调节阀8，水流经过流量计7流出，此时轻弹测量部分的水管各部位，将气泡全部排出，水流畅通后，再依次关闭出口调节阀8、出水阀6及进水阀3，完成准备工作。
2、自动恒压供水过程
当副水箱5内充满水后，关闭进水阀3，打开出水阀6、出口调节阀8让水流出，插入副水箱5内部的玻璃管2内的水位迅速下降到玻璃管下端口位置，并在此位置保持不变。然后副水箱5内的水经出水阀6流入测量部分的水管。副水箱5内的水位是在逐渐下降的，但玻璃管2下端部水面压强始终等于大气压强，所以在副水箱5内的水位下降到玻璃管2下部端口之前，出水阀6处的压强始终取决于玻璃管2的下端面到副水箱5的底部高度，即出水阀6处输出的是恒定压力的水流。
3、实验过程
(1)关闭进水阀3，打开出水阀6，然后逐渐打开出口调节阀8，玻璃管2内的水面迅速下降到底部管口(一般只需1-2秒的时间)后，观察流量计7的读数，调节出口调节阀8使得流量控制在5升/分钟。
(2)在流体流动过程中，观察并记录A、B、C、D各截面上静压头、总压头的水头高度，依据伯努力方程，即可解释各静压力水头、总压力水头的量值关系及其相互转换关系。
(3)调节出口调节阀8，使得流量减半后重复(2)的步骤。
(4)改变玻璃管2的下端口与副水箱5底部的高度ha，即改变出水阀6处水流的压力，重复(1)、(2)的步骤。
比较不同流量、压力下各测压管的水头高度，可以直观看出沿程的能量损失，以及总能量损失与流量、流速之间的关系。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种恒压供水的伯努力方程实验方法具有如下特点：
不使用水泵持续供水，而采用一种恒压装置，在忽略水的粘滞阻力情况下实现水流的定常流动，以验证伯努力方程，完全没有噪音；
实验中所需要水量很小，实验仪器占用空间小，恒压水流的压力可以任意调节。
实验中不需要电力设备，安全可靠。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种恒压供水的伯努力方程实验方法，其特征在于，包括：
选取两个圆柱形水箱，一个主水箱，一个副水箱；
所述的副水箱为密闭的金属圆筒形，顶部制成上凸的圆球面，球面中央最高处制成一个小的平台，平台上安装进水阀和主水箱相连通，还设有一个通气孔用密封塞塞紧，并在密封塞上插入玻璃管；
副水箱的底部安装出水阀，出水阀和伯努力方程实验仪的测量部分连接；
当水充满副水箱后，关闭进水阀，打开出水阀让水流出，首先是细玻璃管内的水柱迅速下落至玻璃管的下端部管口处，即不再降落，此处液面始终和空气接触，液面受到的压强即为大气压强pa；然后副水箱内上部的液体逐渐下落，副水箱内上部液面的压强p0将会低于大气压强pa，出水阀处的压强p只取决于玻璃管的下端口与玻璃瓶底部的高度ha，即
p＝pa+ρgha
式中：ρ是水的密度，g为重力加速度；
设副水箱上部的液面到副水箱底部的高度为h，则
p＝p0+ρgh
可得到ρgh-ρgha＝pa-p0
玻璃管的下端部管口处的大气压强pa与副水箱内上部液面的压强p0之差，等于副水箱内上部液面到玻璃管的下端部管口这段水柱的高度所示的压强，而这段水柱的高度随着副水箱内液体的流出而不断减小，玻璃管内空气不断由下端管口进入副水箱内上部液面，以使压强p0不断增大，直到p0＝pa为止，即副水箱内上部液面和玻璃管下端口平齐之前，出水阀处的压强p始终不变，在忽略水的粘滞阻力情况下，出水阀输出定常流动的水流；
测量部分的水管上设有A、B、C、D四个高度、水管直径均不同的截面，定常流动的水流经测量部分的水管后，即可观察并记录A、B、C、D各截面上静压头、总压头的水头高度，依据伯努力方程，即可解释被测量管路中流体流动过程中各点的能量变化。
2.根据权利要求1所述的一种伯努力方程实验方法，其特征在于，所述的玻璃管是内径为0.5cm的细玻璃管或细金属管。
3.根据权利要求1所述的一种伯努力方程实验方法，其特征在于，所述的玻璃管的下端面距离副水箱的底部高度不小于10cm，上端面高于进水阀的上端部。
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