第六节 恒定总流能量方程验证实验
一、实验目的和要求
（1）观察恒定流条件下，通过管道水流的位置势能、压强势能和动能的沿程转化规律，加深理解能量方程的物理意义及几何意义。
（2）考察均匀流、渐变流与急变流水流特征及断面压强分布规律方面的差别，明确恒定总流能量方程的运用条件。
（3）根据量测数据绘出测压管水头线和总水头线。
二、实验原理
（1）水流运动遵守能量守恒及能量转化规律，如图2-6-1所示。实际液体在有压管道中作恒定流动时，其能量方程如下
图2-6-1 能量守恒与转换
式（2-6-1）表明能量方程物理意义是单位重量的液体在流动过程中所具有的各种机械能（单位位能、单位压能和单位动能）是可以相互转化的。但由于实际液体存在黏性，液体运动时为克服阻力要消耗一定的能量，也就是一部分机械能转化为热能而逸散，即水头损失，因而各断面的机械能沿程减小。几何意义是总流各过水断面上平均总水头沿流程下降，所下降的高度即为平均水头损失，表示了各项水头之间可以互相转化的关系。平均总水头线沿流程下降，平均测压管水头线沿流程可以上升，也可以下降。
图2-6-2 均匀流断面测压管分布
其中，z为位置水头；
为压强水头；
为流速水头；hw1-2为断面1-1到断面2-2之间的水头损失；α为动能修正系数。
（2）均匀流及渐变流断面压强分布符合静水压强分布规律，如图2-6-2所示。在渐变流的过水断面上，惯性力的分量为零，质量力与压差力的分量在此平面上互相平衡，所以渐变流的过水断面上测压管水头为常数。
（3）在急变流段中，因惯性力在过水断面上有分量，它也参与了质量力与压差力的平衡，所以过水断面上测压管水头为常数的结论不成立。对于流线是曲线的弯段急变流情况，因离心力的存在，造成断面上测压管水头的分布规律如图2-6-3所示。
（4）毕托管是利用测压管和总压管测得总水头和测压管水头之差即为流速水头，而得到流场中某点的流速。原理图如2-6-4所示。
图2-6-3 急变流断面测压管分布
图2-6-4 毕托管原理图
三、实验设备
在自循环恒定管道流上串联变截面圆管和弯管，实验装置如图2-6-5所示。在A、B、C三个断面上的不同位置各接出三个测压管，在断面1～10上各设一个毕托管，其中的测压管接在管壁上，总压管迎着来流方向放置在管轴处。管中流速可用尾阀来调节，设置专用量水箱进行流量的量测。
图2-6-5 能量方程实验仪
四、实验步骤
（1）启动水泵，打开进水开关，给水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。
（2）检查尾阀全关时，各个测压管的液面是否处于同一水平面上，否则需排气调平。
（3）核对设备编号。记录有关常数。
（4）打开尾阀，待水流稳定后，再进行数据的量测，并记录到数据记录表的相应位置。观察均匀流断面C和急变流断面A、B上的压强分布规律。
（5）改变尾阀开度，待水流稳定后，重复上述步骤，并按序记录数据。
（6）本实验要求做三个流量。
五、实验数据记录
仪器编号：____
有关常数：量水箱断面积A=____cm2，d3=____cm，d5=____cm
测压管液面高程和量水体积V、时间T测量记录表
总压管液面高程测量记录表格
六、实验数据处理及结果
（1）绘制测压管水头线和总水头线。
（2）计算断面3、断面5的平均流速和毕托管测点流速。
七、注意事项
（1）尾阀开启一定要缓慢，并注意测压管中水位的变化，不要使测压管水面下降太多以免空气倒吸入管路系统，影响实验进行。
（2）尾阀开启后一定要待流量稳定后才能读数。
（3）流速较大时，测压管水面有波动现象，读数时一律取平均值。
八、思考题
（1）在使用恒定总流能量方程时，应将上游断面和下游断面选择在何种流段中？为什么？
（2）为什么测压管开口方向应与流速垂直，而总压管（测速管）开口方向则应迎着流速方向？
（3） 测压管水头线和总水头线变化趋势有何不同？为什么？
九、讨论分析题
（1）流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？
（2）在该实验中，不断改变管中流量进行测量，当尾阀开度较大致使管道流量较大时，会出现5号测压管与管壁接口处涌出大量气泡的现象。试分析讨论出现该现象的原因。