本發(fā)明屬于教學(xué)儀器，具體地說，是涉及一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置及驗(yàn)證方法。

背景技術(shù)：

1、伯努利方程即為不可壓縮液體恒定流的能量方程，是水力學(xué)和流體力學(xué)三大重要方程之一，其物理意義是：水流從一個(gè)斷面流到另一個(gè)斷面的過程中，單位液體的位能、壓能、動(dòng)能可以互相轉(zhuǎn)換，前一斷面的單位總機(jī)械能應(yīng)等于后一斷面的單位總機(jī)械能與兩斷面之間的能量損失之和，能量損失以熱能的形式耗散，因此，與其他三項(xiàng)能量之間的轉(zhuǎn)換時(shí)不可逆的。伯努利方程教學(xué)實(shí)驗(yàn)是水力學(xué)和流體力學(xué)重要教學(xué)內(nèi)容之一。

2、傳統(tǒng)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置具有水箱、集液箱等流體存放或收集裝置，實(shí)驗(yàn)裝置使用時(shí)都需要配套設(shè)計(jì)一張實(shí)驗(yàn)桌，以便于實(shí)驗(yàn)裝置的安裝使用，這樣的安裝方式使得實(shí)驗(yàn)裝置整體占地面積較大，且傳統(tǒng)的儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件要求高，得有水源和下水道，實(shí)驗(yàn)裝置使用范圍受限；其次，水箱、集液箱等使用時(shí)也有可能導(dǎo)致液體拋灑在實(shí)驗(yàn)室地面，對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境造成污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置及驗(yàn)證方法，主要解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置體積較大的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，包括主玻管平臺(tái)，安裝于主玻管平臺(tái)上具有多個(gè)折彎段的自循環(huán)的主玻管，設(shè)置于主玻管上用于實(shí)現(xiàn)流體自循環(huán)的水泵，設(shè)置于主玻管上用于測(cè)量流體流量的流量計(jì)，設(shè)置于主玻管上的多個(gè)測(cè)試接口，以及與測(cè)試接口相連用于測(cè)量流體壓力的測(cè)壓裝置。

4、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述測(cè)試接口包括文丘里管測(cè)試頭和設(shè)置于主玻管的折彎段處的進(jìn)彎測(cè)試頭和出彎測(cè)試頭。

5、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述文丘里管測(cè)試頭包括連接于主玻管上的文丘里管，設(shè)置于文丘里管的進(jìn)液段和出液段上的各一個(gè)第一測(cè)試接頭，以及設(shè)置于文丘里管中部窄管上的第二測(cè)試接頭。

6、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述進(jìn)彎測(cè)試頭和出彎測(cè)試頭結(jié)構(gòu)相同，均由兩個(gè)垂直主玻管的水流方向的靜壓測(cè)試接頭和一個(gè)朝向流水方向的皮托彎管測(cè)試接頭組成。

7、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述測(cè)壓裝置采用測(cè)壓計(jì)。

8、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述測(cè)壓裝置包括兩個(gè)固定于主玻管平臺(tái)上的立板安裝接口，拆卸式插接于所述立板安裝接口的測(cè)壓管立板，安裝于所述測(cè)壓管立板上且頂部開口的若干測(cè)壓立管，以及安裝于所述測(cè)壓管立板頂部的防塵蓋板；其中，所述測(cè)壓管立板上還設(shè)置有對(duì)應(yīng)所述測(cè)壓立管的刻度線。

9、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述主玻管上還設(shè)置有注水接口和調(diào)節(jié)閥門。

10、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述主玻管上還設(shè)置有顏色液體注入口；所述測(cè)壓管立板上拆卸式安裝有顏色液體注入器。

11、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述主玻管平臺(tái)上還設(shè)置有一對(duì)提手。

12、基于上述實(shí)驗(yàn)裝置，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程驗(yàn)證方法，所述驗(yàn)證方法包括：

13、a，觀察層流、湍流現(xiàn)象的方法：通過水泵、調(diào)節(jié)閥門控制液體流速，通過顏色液體注入器注入有色液體后，主玻管內(nèi)的流體表現(xiàn)為一絲狀與管軸平行的細(xì)直流束，表明液體流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，各個(gè)流層之間互不干擾，此時(shí)觀察到的規(guī)則平穩(wěn)的流態(tài)即為層流；增加流速到一定數(shù)值，注入的顏色水出現(xiàn)振蕩不穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)增加流速，顏色水將突然產(chǎn)生破裂，這種無規(guī)則的流態(tài)即為湍流；

14、b，驗(yàn)證流體伯努利方程的方法：理想流體在管道穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，動(dòng)能、勢(shì)能、靜壓能之間的轉(zhuǎn)換滿足伯努利方程，當(dāng)流體從點(diǎn)位1流向點(diǎn)位2，且點(diǎn)位1和點(diǎn)位2中部位置處于同一流線上時(shí)，流體伯努利方程表述為：

15、

16、式中，cl為常數(shù)，代表在理想情況下的特定流線上總水頭；z1、z2為位置水頭，在實(shí)驗(yàn)裝置處于同一水平面上時(shí)，位置水頭z1、z2可忽略；代表靜壓水頭，通過靜壓測(cè)試接頭與測(cè)壓立管連接進(jìn)行測(cè)試；代表總水頭，通過主玻管內(nèi)正對(duì)水流的皮托彎管測(cè)試接頭與測(cè)壓立管連接進(jìn)行測(cè)試；總水頭減去靜壓水頭，則得到速度水頭

17、c，驗(yàn)證中心流速與平均流速關(guān)系的方法：將皮托彎管測(cè)試接頭的彎管設(shè)置于主玻管的中心，利用速度水頭可得到流體中心流速vmid；同時(shí)利用流量計(jì)可得到主玻管內(nèi)流體的平均流速vave；進(jìn)而驗(yàn)證：

18、理想情況下,當(dāng)流體處于層流時(shí)，中心流速即為最大流速，此時(shí)滿足：

19、vmid＝vmax＝2vave；

20、d，驗(yàn)證文丘里管進(jìn)行流量測(cè)量的方法：根據(jù)伯努利方程，該實(shí)驗(yàn)中流量可表述為：

21、

22、式中，s2為流體進(jìn)入文丘里管的端頭的管道橫截面積、s1為文丘里管中部窄管道橫截面積，h即為第一測(cè)試接頭、第二測(cè)試接頭所連接的測(cè)量立管內(nèi)液體的高度差；

23、e，驗(yàn)證直管道的沿程損耗、彎管損耗以及突擴(kuò)突縮損耗的方法：伯努利方程需增加損耗項(xiàng)，方程變?yōu)榭偭髂芰糠匠蹋?/p>

24、

25、hw代表流體能量損耗；

26、1)對(duì)平直管道，存在沿程損耗hf，可由達(dá)西公式描述：

27、

28、vave為平均流速，λ為沿程損耗系數(shù)；

29、2)對(duì)由管徑變化、彎管、閥門引起的局部損失hj：

30、

31、式中，vave1為損失后的平均流速；ζ為局部阻力系數(shù)；

32、測(cè)試中，通過對(duì)比相鄰皮托彎管測(cè)試接頭連接測(cè)量立管內(nèi)的液體的高度差，得到損耗水頭；通過改變流速研究流速對(duì)損耗的影響；并進(jìn)一步計(jì)算沿程損耗系數(shù)、局部阻力系數(shù)；

33、f，驗(yàn)證管內(nèi)外側(cè)位置水頭的差異的方法：通過對(duì)比進(jìn)彎測(cè)試頭或出彎測(cè)試頭正對(duì)的兩個(gè)靜壓測(cè)試接頭所連接的測(cè)壓立管內(nèi)液體的高度差，判斷彎管對(duì)流形的影響。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

35、(1)本發(fā)明采用半封閉流體自循環(huán)的結(jié)構(gòu)，利用水泵的作用實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的流體自循環(huán)，從而省去了傳統(tǒng)伯努利實(shí)驗(yàn)裝置的開放式水箱等結(jié)構(gòu)。且對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的長(zhǎng)直管道，通過彎折主管道，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的小型化。同時(shí)，由于流體在封閉的管道了實(shí)現(xiàn)自循環(huán)，一次注水后可長(zhǎng)期多次使用，也避免了流體灑落在實(shí)驗(yàn)室，保證了實(shí)驗(yàn)室地面的干燥整潔。

36、(2)本發(fā)明在小型化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)裝置與桌面分離，配合提手可方便的進(jìn)行整體移動(dòng)。同時(shí)由于增加了彎管，可以研究彎折管道對(duì)流形的影響，豐富了實(shí)驗(yàn)裝置的試驗(yàn)內(nèi)容。

37、(3)本發(fā)明的主玻管平臺(tái)和測(cè)壓管立板可快速拆除安裝，更方便運(yùn)輸和收納。

38、(4)本發(fā)明的流體通過水泵直接進(jìn)行液體的循環(huán)驅(qū)動(dòng)，可通過泵電源直接控制流速；同時(shí)增加有閥門可對(duì)流量進(jìn)一步進(jìn)行流速控制，再結(jié)合主管道管徑設(shè)計(jì)以及流量計(jì)的選擇，可保證層流端、湍流段的多數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣，同時(shí)保證測(cè)壓立管具有足夠的可明顯分辨的水柱高度差。

技術(shù)特征：

1.一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括主玻管平臺(tái)(1)，安裝于主玻管平臺(tái)(1)上具有多個(gè)折彎段的自循環(huán)的主玻管(2)，設(shè)置于主玻管(2)上用于實(shí)現(xiàn)流體自循環(huán)的水泵(3)，設(shè)置于主玻管(2)上用于測(cè)量流體流量的流量計(jì)(4)，設(shè)置于主玻管(2)上的多個(gè)測(cè)試接口(5)，以及與測(cè)試接口(5)相連用于測(cè)量流體壓力的測(cè)壓裝置(6)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測(cè)試接口(5)包括文丘里管測(cè)試頭(51)和設(shè)置于主玻管(2)的折彎段處的進(jìn)彎測(cè)試頭(52)和出彎測(cè)試頭(53)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述文丘里管測(cè)試頭(51)包括連接于主玻管(2)上的文丘里管(54)，設(shè)置于文丘里管(54)的進(jìn)液段和出液段上的各一個(gè)第一測(cè)試接頭(55)，以及設(shè)置于文丘里管(54)中部窄管上的第二測(cè)試接頭(56)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述進(jìn)彎測(cè)試頭(52)和出彎測(cè)試頭(53)結(jié)構(gòu)相同，均由兩個(gè)垂直主玻管(2)的水流方向的靜壓測(cè)試接頭(57)和一個(gè)朝向流水方向的皮托彎管測(cè)試接頭(58)組成。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測(cè)壓裝置(6)采用測(cè)壓計(jì)。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測(cè)壓裝置(6)包括兩個(gè)固定于主玻管平臺(tái)(1)上的立板安裝接口(61)，拆卸式插接于所述立板安裝接口(61)的測(cè)壓管立板(62)，安裝于所述測(cè)壓管立板(62)上且頂部開口的若干測(cè)壓立管(63)，以及安裝于所述測(cè)壓管立板(62)頂部的防塵蓋板(64)；其中，所述測(cè)壓管立板(62)上還設(shè)置有對(duì)應(yīng)所述測(cè)壓立管的刻度線。

7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述主玻管(2)上還設(shè)置有注水接口(7)和調(diào)節(jié)閥門(8)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述主玻管(2)上還設(shè)置有顏色液體注入口(9)；所述測(cè)壓管立板(62)上拆卸式安裝有顏色液體注入器(10)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述主玻管平臺(tái)(1)上還設(shè)置有一對(duì)提手(11)。

10.一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程驗(yàn)證方法，其特征在于，采用了如權(quán)利要求9所述的實(shí)驗(yàn)裝置；所述驗(yàn)證方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)裝置及驗(yàn)證方法，主要解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置體積較大的問題。該實(shí)驗(yàn)裝置包括主玻管平臺(tái)，安裝于主玻管平臺(tái)上具有多個(gè)折彎段的自循環(huán)的主玻管，設(shè)置于主玻管上用于實(shí)現(xiàn)流體自循環(huán)的水泵，設(shè)置于主玻管上用于測(cè)量流體流量的流量計(jì)，設(shè)置于主玻管上的多個(gè)測(cè)試接口，以及與測(cè)試接口相連用于測(cè)量流體壓力的測(cè)壓裝置。本發(fā)明采用半封閉流體自循環(huán)的結(jié)構(gòu)，利用水泵的作用實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的流體自循環(huán)，從而省去了傳統(tǒng)伯努利實(shí)驗(yàn)裝置的開放式水箱等結(jié)構(gòu)。且對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的長(zhǎng)直管道，通過彎折主管道，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的小型化。封閉主管道結(jié)構(gòu)也避免了流體灑落在實(shí)驗(yàn)室，保證了實(shí)驗(yàn)室地面的干燥整潔。

技術(shù)研發(fā)人員：薛玉琪,洪思慧,劉龍豪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21