第四章 环境工程原理实验

实验一 能量转化(伯努利方程)实验

—、实验目的

1.熟悉流体在管内流动时静压能、动能、位能相互之间的转化关系,加深对伯努利方程的理解,验证伯努利方程。

2.了解压头概念,观察各项压头的变化规律,体会相互转化关系。

3.观察不可压缩流体在管内流动时流速的变化规律。

4.加深对流体流动过程基本原理的理解。

二、实验内容

测量几种情况下的压头,并做分析比较。

三、实验原理

当流体在流动系统中做定态流动时,即流体在各截面上的流速、密度、压强等物理参数仅随位置改变而改变,而不随时间改变。根据能量守恒定律,对任一段管路内流体流动做能量衡算,即可得到表示流体的能量关系和流动规律的伯努利方程。

不可压缩流体在管内作稳定流动时,由于管路条件(如位置高低、管径大小等)的变化,会引起流动过程中三种机械能即位能、动能、静压能的相应改变及相互转换。对理想流体,在系统内任一截面处,虽然三种能量不一定相等,但能量之和是守恒的(机械能守恒定律)。

对于实际流体,由于存在内摩擦,流体在流动中总有一部分机械能随摩擦和碰撞转化为热能而损失。故对于实际流体,任意两截面上机械能总和并不相等,两者的差值即为机械能的损失。

以上几种机械能均可用测压管中的一段液体柱的高度来表示。当测压直管中的小孔(即测压孔的中心线)与水流方向垂直时,测压管内液柱高度(从测压孔算起)即为静压头,反映出该点处液体静压能大小;当测压孔正对着水流方向时,测压管内液柱高度为静压头与动压头之和,也就是说测压管内增加的液柱高度即为测压孔处液体的动压头,反映出该点水流动能的大小。任意两截面间位压头、静压头、动压头三者总和的差值则为损失压头∑hf,表示液体流经这两个截面之间时机械能的损失。

 (4-1)

这是本实验要验证的能量衡算方程,单位J/N,即m。

zu2/2gp/ρg分别是以压头形式表示的位能、动能和静压能,分别称为位压头、动压头和静压头,在实验中所记录的都是压头。测压孔处液体的位压头由测压孔的几何高度决定。

四、实验装置与流程

1.实验装置

能量转化实验装置由有机玻璃管、高位水箱、测压管、离心泵等组成,实验设备主要技术参数如下。

离心泵:型号WB50/025;

不锈钢水箱:880mm×370mm×550mm;

有机玻璃高位水箱:445mm×445mm×730mm。

2.实验流程图

能量转化实验装置流程示意图如图4-1所示,实验导管结构图如图4-2所示。

图4-1 能量转化实验装置流程示意图

图4-2 实验导管结构图

A截面的直径为14mm;B截面的直径为28mm;C截面、D截面的直径为14mm。

以D截面的中心为零基准面;D截面中心距基准面为zD=0mm。

A截面和D截面间距离为80mm;A、B、C截面zA=zB=zC=80mm(即标尺为80mm)。

五、实验步骤

1.将水箱灌入一定量的蒸馏水,关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导管出口调节阀门,打开调节阀和回流阀后启动离心泵。

2.逐步开大离心泵出口调节阀,当高位水箱溢流管有液体溢流后,利用流量出口调节阀调节出水流量,稳定一段时间。

3.待流体稳定后读取并记录A、B、C、D截面压头数据。

4.逐步关小流量出口调节阀,重复以上步骤继续测定多组数据。

5.分析讨论流体流过不同位置处的能量转化关系并得出结论。

6.关闭离心泵,结束实验。

六、实验数据记录与处理

能量转化实验数据记录见表4-1,实验数据处理见表4-2。

表4-1 能量转化实验数据记录

表4-2 能量转化实验数据处理

七、注意事项

1.离心泵出口调节阀不要开得过大,以免水流冲击到高位水箱外面,导致高位水箱液面不稳定。

2.调节水流量时,注意观察高位水箱内水面是否稳定,随时补充水量保持稳定。

3.减小水流量时出口调节阀调节要缓慢,以免水量突然减小使测压管中的水溢出管外。

4.实验前要排除实验导管和测压管中的空气泡,否则会影响实验准确性。

5.避免离心泵空转或离心泵在出口阀门全关的条件下工作。

6.注意实验一段时间后须清洗水箱,更换水质,避免污垢过多影响实验现象。

八、思考题

1.管内的空气泡会干扰实验现象,请问怎样排除?

2.试解释所观察到的实验现象。

(1)冲压头分析:冲压头为静压头与动压头之和。

(2)截面间静压头分析:同一水平面处静压头变化。

(3)截面间静压头分析:不同水平面处静压头变化。

(4)计算举例C截面和D截面之间的损失压头。

双语词汇

流体 fluid

体积流量volume flow

质量流量mass flow

平均流速average velocity

静压头static head

动压头dynamic head

位能potential energy

静压能static pressure energy

伯努利方程bernoulli equation