伯努利方程实验与雷诺实验

实验 伯努利方程与雷诺实验
伯努利方程实验
一、实验目的
（1）了解在不同的情况下，流动流体中各种能量间相互转化的关系和规律，加
深对伯努力方程的理解；
（2）观测流动流体阻力的表现
二、实验原理
（1）流体在流动中具有三种机械能，即位能、动能、静压能，这三种能量是可
以相互转换的，当管路条件改变时（如为止，高低，管径，大小），它们便发生能量
转化；
（2）对于理想流体，因为不存在因摩擦而产生的机械能损失，，因此，在同一
管路中的任何两个截面上的三种机械能尽管彼此不一定相等，但各个个截面上的这
三种机械能的总和是相等的；
（3）对于实际流体，在流动过程中有一部分机械能因摩擦和碰撞而损失，因此
个截面上的机械能总和是不相等的，两者的差就是流体在这两截面之间因摩擦和湍
动转化为热能的机械能，即损失能量；
（4）流动的机械能计算，以单位质量（1kg）流体为衡算基准，当流体在截面
之间稳定流动，且无外功加入时，流体的机械能衡算式（伯努利方程）的表达形式
为：
（1-1）
以单位重量（1N）流体为衡算基准，无外功加入时，伯努利方程的表达形式为
1 　　或流体柱f H
（2-2）
单位重量（1N）流体所具有的能量称为压头（m）
式中 z——位压头（m 流体柱）；
——静压头（m 流体柱）；
——动压头（m 流体柱）。
三、实验设备及流程
1、 实验装置流程
如图1-1 所示，实验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、水槽、循环水泵等
组成。水箱中的水通过循环水泵江水送到高位槽，并由溢流口保持一定水位，然后
流经玻璃管中的各测点，再通过出口阀流回水箱，由此利用循环水在管路中流动，
观察流体流动时发生能量转换及产生及能量损失。
活动测压头的小管端部封闭，管身开有小孔，小孔位置与玻璃管中心线齐平，
小管由于测压管相通，转动活动压头就可以测量动、静压头。管路分成五段，由大
小不同的两种规格的玻璃管组成。
图1-1 伯努利方程式实验装置流程图
1,2,5,6-玻璃管（d 内约为13mm）；3,4-玻璃管（d 内约为24mm）；7-高位槽；
8-水槽；9-电动机；10-活动测压头；11-循环水泵；12-溢流管；13-测压管；2、测压管
当测压管上的小孔与水流方向垂直时，测压管内液位高度（从测压管中心线算
起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小；当测压孔转为正对水流方向时，
测压管内液位上升，所增加的液位高度即为测压孔处流体的动压头，它反映出该点
水流动能的大小，这时测压管内液位高度为静压头+动压头。液体的位压头由测压孔
到基准的高度决定。本实验装置中，以测压装置中标尺的零点处为基准面，那么
（1）中测压管内液位高度在标尺上的读数为：静压头+动压头。
（2）中测压管内液位高度在标尺上的读数为：静压头+动压头+动压头，任意两
截面上，位压头、静压头、动压头三者总和之差为损失压头，表示流体流经截面之
间的机械能损失。
四、实验步骤
（1）实验前观察了解实验装置，（循环泵的凯、关，溢流管控制高位槽液面，
出口阀A 调节流量，活动弯头的转动，活动测头结构以及测压管标尺的基准等）。
开动循环水泵，同时注意高位槽中液面是否稳定。
（2）观察玻璃管中有无气泡，若有气泡，可先开循环水泵，再开大出口阀让水
流带出气泡，也可用拇指按住管的出口，然后突然放开，如此按数次使水流带出气
泡，也可拧松活动测压头密封的压盖，以便放出测压点处的气泡。
（3）关闭出口阀A，开动循环水泵，待高位槽中的液面稳定，观察记录个测压
管液面高度（测压孔同时正对或同时垂直水流方向，两组数据）
雷诺实验
一、实验目的
（1）观察液体流层、湍流两种流动型态及层流时管中流速分布情况，以建立感
性认识；
（2）确立“层流和湍流与Re 之间有一定联系”的概念；
（3）熟悉雷诺准数的测定与计算。
二、实验原理
实际流体有截然不同的两种流动型态存在：层流（滞流）和湍流（紊流）。
层流时，流体质点作直线运动且互相平行。
湍流时，流体质点紊乱地向各个方向作无规则运动，但对流体主体仍可看作向
某一规则方向流动。
实验中我们可以看到，当管中流速较小时，从细管中引到水流中心处的墨水成
一条线，说明流体质点有规律的沿管轴作直线运动，此时流体流动型态为流层；当
流速逐渐增大时，将发现墨水线开始波动，此时为过渡流（并非一种流型）；当流速
增大道到一定数值时，波动的墨水线消失，墨水线一经流出随即散开与水完全混合
到一起，说明此时流体质点紊乱地向各个方向作不规则运动，但主流体仍向一规定
方向流动，此时流动型态为湍流。
实验证明流体的流动特性取决于流体流动的流速，导管的几何尺寸，流体的性
质（粘度、密度），各物理参数对流体流动的影响由Re 的数值决定。即
μ
Re = dup
式中 u——流速（m/s）
d——导管直径（m）
ρ——流体密度（kg/m3）
μ——流体粘度（kg/s·m 即Pa·s）
实验证明： Re≤2000 时为层流；
Re=2000 时为层流临界值；
Re≥4000 时为湍流；
Re=4000 时为湍流临界值；
三、实验流程
实验流程图如图2-1 所示。
图2-1 实验流程图
1-高位墨水瓶；2-进水稳流装置；3-溢流箱；4-溢流管；5-高位水槽；
6-量筒；7-排水管；8-转子流量计；9-玻璃管。
自来水由调节阀A 送入高位槽中，缓冲器2 用来消除进水带来的干扰，高位水
槽的水位由溢流箱3 保持其恒定，在水槽下面接一垂直玻璃管，其水量由C 阀调节；
其流量由转子流量计测出，在水槽上部放一墨水瓶1，在垂直管入口处插入一根与
墨水瓶相通的墨水注入针，墨水的流量可由阀门B 调节。
四、实验步骤
（1）熟悉实验装置及流程
（2）开阀门B 放一团墨水（2cm-3cm），再关B 阀，略微开启C 阀，使管中的
水在很低的流速下流动，观察墨水顶端形状。
（3）开阀A 向高位槽供水，并调节阀A 保持有少量水溢流。
（4）微开启阀B 调节阀C 的开度，观察墨水现在管中出现的不同现象。
（5）记录层流，湍流时转子流量计的读数。
（6）流量由小到大，观察墨水线由直线转变为波动时转子流量计的读数，再使
流量由大到小，观察墨水线条由波动转为直线时的转子流量计的读数，如此重复测
定，即可测出本实验装置层流临界值。
（7）关阀B，再关阀C，后关阀A。
五、注意事项
（1）溢流量不要太大，液面波动严重时会影响测试结果；
（2）B 阀墨水量不应过大，否则既浪费又影响试验结果；
（3）读取流量计读数应待C 阀调节完稍后再读；
（4）轻开轻关各阀门。