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。
z、u2/2g和p/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