CN2729678Y - 自循环伯努利方程实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自循环伯努利方程实验仪，其特征在于它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器控制，恒压水箱置于实验台上，依次与实验管道相接，实验管道尾部设置流量调节阀，实验管道出口下设自循环回水装置，恒压水箱与自循环供水器通过上水管和下水管连接，恒压水箱内设有溢流板、稳水板，稳水板侧向开有稳水孔，溢流板和稳水板将恒压水箱内划分为溢流区、稳水区和恒压区。实验管道上依次布置有多个静压测点、多个毕托管总压测点，各静压测点、毕托管总压测点分别通过连通管与测压架内各对应测压管相连，测压架上设有滑尺。本实用新型一改以往结构庞大的作法，将其整个实验系统缩小简化，采用了独立自循环恒压供水系统，操作简便直观，且适合于现代教学要求，同时也节省了实验布置场地。

Description

自循环伯努利方程实验仪

技术领域

本实用新型涉及实验量测仪器，尤其涉及一种自循环伯努利方程实验仪。

背景技术

伯努利方程即为不可压缩液体恒定流的能量方程，是水力学与流体力学三大重要方程之一，其物理意义是：水流从一个断面流到另一个断面过程中，单位重液体的位能、压能、动能是可以相互转换的，但前一个断面的单位总机械能应等于后一断面的单位总机械能与两断面之间流体的能量损失之和，能量损失以热能的形式耗散了，因此与其他三项能量之间的转换是不可逆的。伯努利方程教学实验是水力学与流体力学重要教学内容之一。

伯努利方程实验仪是专门用于进行伯努利方程实验的实验仪器。然而传统的伯努利方程实验仪存在着一定弊端：其一，实验必须在恒压条件下进行，为有一恒压水位，必需有一个较大型的供水系统和溢流系统，占地面积大；其二，受振动干扰较大，水体一时难以达到稳定；其三，管路复杂，操作烦琐，不便于进行现代实验教学。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种自循环伯努利方程实验仪。

它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器控制，恒压水箱置于实验台上，恒压水箱与实验管道相接，实验管道尾部设置流量调节阀，实验管道出口下设自循环回水装置，恒压水箱与自循环供水器通过上水管和下水管连接，恒压水箱内设有溢流板、稳水板，稳水板侧向开有稳水孔，溢流板和稳水板将恒压水箱内划分为溢流区、稳水区和恒压区。实验管道上依次布置有多个静压测点、多个毕托管总压测点，各静压测点、毕托管总压测点分别通过连通管与测压架内各对应测压管相连，测压架上设有滑尺。

本实用新型的优点：

1)一改以往结构庞大的作法，将其整个实验系统缩小简化，操作简便直观，且适合于现代教学要求，同时也节省了实验布置场地；

2)运用新型测压系统，容易操作，方便精确；

3)采用了独立自循环恒压供水系统，重复利用实验水体，节约资源。

附图说明

附图是自循环伯努利方程实验仪结构示意图。

具体实施方式

自循环伯努利方程实验仪，其特征在于它具有自循环供水器1、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器3控制，恒压水箱5置于实验台2上，依次与实验管道13相接，实验管道13尾部设置流量调节阀17，实验管道13出口下设自循环回水装置4，恒压水箱5与自循环供水器1通过上水管和下水管连接，恒压水箱5内设有溢流板7、稳水板6，稳水板6侧向开有稳水孔，溢流板7和稳水板6将恒压水箱内划分为溢流区8、稳水区9和恒压区10。实验管道13上依次布置有多个静压测点11、多个毕托管总压测点12，各静压测点11、毕托管总压测点12分别通过连通管与测压架14内各对应测压管16相连，测压架14上设有滑尺15。

本实用新型的工作过程是：开启水泵对恒压水箱供水，并保持溢流，供水恒压水头下，水体流经实验管道，流量调节阀调节实验管道内流量，通过测压系统测得实验管道沿程各个断面测压管水头及总水头，验证伯努利方程。

实验原理

本实用新型的实验，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)

$z_1+\frac{p_1}{\mathrm{\γ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1{v}_1^2}{2g}=z_i+\frac{p_i}{\mathrm{\γ}}+\frac{{\mathrm{\α}}_i{v}_i^2}{2g}+h_{w1-i}$

式中：z代表液体从某一点基准面算起所具有的位置势能(简称位能)，称为位置水头；

代表液体相对于压强为大气压的液体来说具有的压强势能(简称压能)，称为压强水头；而 反映了液体所具有的总势能，它正好等于该点上测压管水面的高度，故称为测压管水头；

代表液体所具有的动能，称为流速水头。

取α₁＝α₂＝α₃＝…＝α_n＝1，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出 $z=\frac{p}{\mathrm{\γ}}$ 值，测出通过管路的流量，即可计算出断面平均流速υ及

从而可得到各断面测管水头和总水头。

实验内容

(1)验证同一静止液体的测压管水头线是根水平线。

阀门全关时，19个测点都为测压点。可以看到19根测压管的液面连线是一根水平线。证明了在同一静止液体内 $Z+\frac{p}{\mathrm{\γ}}=\mathrm{const}.$ 而这时的滑尺读数值就是水体在流动前所具有的总能头。

(2)观察不同流速下，某一断面上水力要素变化规律。

逐渐开大阀门，观察某一断面，如测点9所在的断面。测管9的液面读数为h₉， $h_9=Z_9+\frac{p_9}{\mathrm{\γ}},$ 是该断面的测压管水头。测管8的读数h₈， $h_8=Z_8+\frac{p_8}{\mathrm{\γ}}+\frac{v_8^2}{2g},$ 是测点的总水头。而h₈与h₉之差Δh_8-9即为测点的流速水头，即比动能。实验显示，流速越大，水流流到该断面时的剩余能量越小，势能h亦越小，动能Δh_8-9则越大。这说明水箱中液体的势能有部分转换成了动能和水头损失，流速越大，这种转换关系就越明显。

(3)验证均匀流断面上，静水压强按动水压强规律分布。

观察测管2和3。尽管二测点的位置高度不同，但测管的液面高度还是相同的，说明能量方程推导中引用 $Z+\frac{p}{\mathrm{\γ}}=\mathrm{const}$ 这一条件，已得到验证。

(4)观察沿流程总能坡线的变化规律。

加大开度，使接近最大流量时，继续后面的实验。

纵观带毕托管的测点1、6、8、12、14、16、18的测管水位(实验时可加颜色水，使其颜色与普通测压管内水柱颜色相区别，如加入红药水，使这些管呈红色)，显见，各测管的液面沿流程是逐渐降低而没有升高的，说明总能量沿流程只会减少，不会增加，能量损失是不可能逆转的。

再看这些测管中每两测管间的水位差。这个水位差是两测点间的水头损失。现把Δh_1-6与Δh_6-8作比较，发现Δh_6-8＞＞Δh_1-6，而6-8是渐扩段，1-6是渐缩段，因此表明了渐扩段的局部水头损失显著大于渐缩段。局部水头损失从Δh_14-16和Δh_16-18的水头差值，也显示出同样的规律。要了解局部水头损失的机理，最好能结合流动演示仪观察。在流动演示仪上明显看到，渐扩段出现了剧烈的旋涡区域，而渐缩段则看不到有旋涡产生。旋涡，就是产生局部水头损失的根源。

(5)观察测压管水头线的变化规律。

纵观测压点2、4、5、7、9、13、17、19的测压管水位，显然，这些测压管的液面沿流程有降低的也有升高的，表明测压管水头线沿流程可升也可降。

再看这些测管中每两管间的测管水位差。从2、4、5点，可看出沿程水头损失的变化规律，距离相等，损失也相同，能坡线平行于这三个液面的连线，是一条斜直线，表明水力坡度相等。从5、7二点看，从测管5到测管7，测管液位发生了陡降，这里的管径是由大到小的，这正表明水流从测点5流到测点7时，有部分压力势能转化成了流速动能。而从测管7和测管9又看到测管水位回升了，这正和前面相反，说明有部分动能又转化成了压力势能。这就清楚验证了动能和势能之间是可以互相转化的，因而是可逆的。同样，测管15与17以及17与19也说明了这个现象。再从测点9与15可看出位能和压能的转换关系。测点9的位能较大，压能很小，而测点15的位能很小了，压能却比9点更大，由于二者的流速水头相等，这就说明测点9处的位能有部分沿流损失掉了，另有部分转换成了压能。

Claims (1)

1、一种自循环伯努利方程实验仪，其特征在于它具有自循环供水器(1)、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器(3)控制，恒压水箱(5)置于实验台(2)上，恒压水箱(5)与实验管道(13)相接，实验管道(13)尾部设置流量调节阀(17)，实验管道(13)出口下设自循环回水装置(4)，恒压水箱(5)与自循环供水器(1)通过上水管和下水管连接，恒压水箱(5)内设有溢流板(7)、稳水板(6)，稳水板(6)侧向开有稳水孔，溢流板(7)和稳水板(6)将恒压水箱内划分为溢流区(8)、稳水区(9)和恒压区(10)。实验管道(13)上依次布置有多个静压测点(11)、多个毕托管总压测点(12)，各静压测点(11)、毕托管总压测点(12)分别通过连通管与测压架(14)内各对应测压管(16)相连，测压架(14)上设有滑尺(15)。