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)的伯努利方程實驗裝置及驗證方法。

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：水流從一個斷面流到另一個斷面的過程中，單位液體的位能、壓能、動能可以互相轉(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，與其他三項能量之間的轉(zhuǎn)換時不可逆的。伯努利方程教學(xué)實驗是水力學(xué)和流體力學(xué)重要教學(xué)內(nèi)容之一。

2、傳統(tǒng)的伯努利方程實驗裝置具有水箱、集液箱等流體存放或收集裝置，實驗裝置使用時都需要配套設(shè)計一張實驗桌，以便于實驗裝置的安裝使用，這樣的安裝方式使得實驗裝置整體占地面積較大，且傳統(tǒng)的儀器對實驗室條件要求高，得有水源和下水道，實驗裝置使用范圍受限；其次，水箱、集液箱等使用時也有可能導(dǎo)致液體拋灑在實驗室地面，對實驗室環(huán)境造成污染。

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

2、為實現(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)的伯努利方程實驗裝置，包括主玻管平臺，安裝于主玻管平臺上具有多個折彎段的自循環(huán)的主玻管，設(shè)置于主玻管上用于實現(xiàn)流體自循環(huán)的水泵，設(shè)置于主玻管上用于測量流體流量的流量計，設(shè)置于主玻管上的多個測試接口，以及與測試接口相連用于測量流體壓力的測壓裝置。

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

5、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述文丘里管測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第一測試接頭，以及設(shè)置于文丘里管中部窄管上的第二測試接頭。

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

7、進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述測壓裝置采用測壓計。

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

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，所述主玻管平臺上還設(shè)置有一對提手。

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

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，表明液體流動狀態(tài)穩(wěn)定，各個流層之間互不干擾，此時觀察到的規(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，驗證流體伯努利方程的方法：理想流體在管道穩(wěn)定流動時，動能、勢能、靜壓能之間的轉(zhuǎn)換滿足伯努利方程，當(dāng)流體從點位1流向點位2，且點位1和點位2中部位置處于同一流線上時，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，在實驗裝置處于同一水平面上時，位置水頭z1、z2可忽略；代表靜壓水頭，通過靜壓測試接頭與測壓立管連接進(jìn)行測試；代表總水頭，通過主玻管內(nèi)正對水流的皮托彎管測試接頭與測壓立管連接進(jìn)行測試；總水頭減去靜壓水頭，則得到速度水頭

17、c，驗證中心流速與平均流速關(guān)系的方法：將皮托彎管測試接頭的彎管設(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；同時利用流量計可得到主玻管內(nèi)流體的平均流速vave；進(jìn)而驗證：

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

19、vmid＝vmax＝2vave；

20、d，驗證文丘里管進(jìn)行流量測量的方法：根據(jù)伯努利方程，該實驗中流量可表述為：

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即為第一測試接頭、第二測試接頭所連接的測量立管內(nèi)液體的高度差；

23、e，驗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，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、測試中，通過對比相鄰皮托彎管測試接頭連接測量立管內(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損耗的影響；并進(jìn)一步計算沿程損耗系數(shù)、局部阻力系數(shù)；

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

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)，利用水泵的作用實現(xiàn)實驗裝置的流體自循環(huán)，從而省去了傳統(tǒng)伯努利實驗裝置的開放式水箱等結(jié)構(gòu)。且對比傳統(tǒng)實驗設(shè)備的長直管道，通過彎折主管道，實現(xiàn)了實驗裝置的小型化。同時，由于流體在封閉的管道了實現(xiàn)自循環(huán)，一次注水后可長期多次使用，也避免了流體灑落在實驗室，保證了實驗室地面的干燥整潔。

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

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

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，可通過泵電源直接控制流速；同時增加有閥門可對流量進(jìn)一步進(jìn)行流速控制，再結(jié)合主管道管徑設(shè)計以及流量計的選擇，可保證層流端、湍流段的多數(shù)據(jù)點采樣，同時保證測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)的伯努利方程實驗裝置，其特征在于，包括主玻管平臺(1)，安裝于主玻管平臺(1)上具有多個折彎段的自循環(huán)的主玻管(2)，設(shè)置于主玻管(2)上用于實現(xiàn)流體自循環(huán)的水泵(3)，設(shè)置于主玻管(2)上用于測量流體流量的流量計(4)，設(shè)置于主玻管(2)上的多個測試接口(5)，以及與測試接口(5)相連用于測量流體壓力的測壓裝置(6)。

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

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實驗裝置，其特征在于，所述文丘里管測試頭(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第一測試接頭(55)，以及設(shè)置于文丘里管(54)中部窄管上的第二測試接頭(56)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實驗裝置，其特征在于，所述進(jìn)彎測試頭(52)和出彎測試頭(53)結(jié)構(gòu)相同，均由兩個垂直主玻管(2)的水流方向的靜壓測試接頭(57)和一個朝向流水方向的皮托彎管測試接頭(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)的伯努利方程實驗裝置，其特征在于，所述測壓裝置(6)采用測壓計。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實驗裝置，其特征在于，所述測壓裝置(6)包括兩個固定于主玻管平臺(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)的測壓管立板(62)，安裝于所述測壓管立板(62)上且頂部開口的若干測壓立管(63)，以及安裝于所述測壓管立板(62)頂部的防塵蓋板(64)；其中，所述測壓管立板(62)上還設(shè)置有對應(yīng)所述測壓立管的刻度線。

7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種應(yīng)用于教學(xué)的伯努利方程實驗裝置，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)的伯努利方程實驗裝置，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)的伯努利方程實驗裝置，其特征在于，所述主玻管平臺(1)上還設(shè)置有一對提手(11)。

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

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

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