专利名称：能量方程实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于流体力学实验设备技术领域，涉及一种能量方程实验仪。
背景技术：
能量的转换与守恒定律是自然界物质运动的普遍规律，流体运动也必然遵循这一规律，能量方程是流体力学(水力学)的三大方程之一。能量方程实验是流体力学(水力学)教学中的必须实验。目前，国内外的能量方程实验教学仪器较多，外形尺寸多样。例如，西安理工大学最早应用的能量方程实验仪，长度7米，其试验段的管径沿程粗细不同、位置高低不同，可以测量沿程阻力、局部阻力、虹吸现象、测压管水头和总水头。上海实搏实业有限公司生产的能量方程仪长度为4米，以后作了改进，改进后的仪器长度为2米，可以测量沿程阻力、阀门阻力等。北京新华教仪科贸有 限公司(清华大学)研制的能量方程演示仪长I. 9米，可以演示沿程阻力、局部阻力和虹吸现象。浙江大学研制的自循环伯努利方程实验仪，一改以往结构庞大的作法，将其整个实验系统缩小简化，采用了独立自循环恒压供水系统，改进后的仪器总长度为1.5米(包括水箱)，可以演示沿程阻力、局部阻力和文丘里等流动现象。以上仪器的功能基本相同，但仪器大小差距较大。经验表明，仪器长度大测量精度高，但需要的供水系统大，流量大，占地多，操作维护不方便，仪器长度太短则操作简便，节省实验场地，但实验精度却要受到一定的影响。
发明内容本实用新型的目的是提供一种能量方程实验仪，解决了现有的能量方程实验仪器存在的过长则操作维护不便、仪器过短则测量精度不高的问题。本实用新型所采用的技术方案是，一种能量方程实验仪，包括在实验台下方两端分别设置有供水箱和接水盒，接水盒通过回水管与供水箱相联通，供水箱中设置有水泵，水泵通过上水管道与高出实验台的稳水箱相连，在上水管道的通道上安装有上水阀门；在稳水箱中设置有溢流隔板，稳水箱的溢流隔板一侧连接上水管道和实验管道，溢流隔板另一侧通过溢流管道与供水箱联通；实验管道向下为竖直段，竖直段之后连接有水平段，在实验管道水平段前端安装有阀门A，在实验管道水平段末端安装有阀门B，阀门B之外实验管道的出口对向接水盒；阀门A和阀门B之间的实验管道上依次联通安装有突然放大管道、突然缩小管道一、渐变管、文丘里管、突然缩小管道二 ；实验管道的上方安装有测压排，测压排由多组测压管组成；在阀门A和阀门B之间的实验管道上引出连接有四个弯管，该四个弯管分别位于突然放大管道之前、突然放大管道的末端、渐变管和文丘里管之间、突然缩小管道二之后，四个弯管分别通过一个软管与四组测压管分别联通，四个弯管上分别设置有一个测压嘴；在阀门A和阀门B之间的实验管道另外依次间隔设置有多个测压嘴，每个测压嘴通过一个软管分别与各自对应的一个测压管联通，在最末端的一个软管上安装有排气阀。本实用新型的有益效果是，将供水箱、稳水箱、实验管道中的沿程水头损失、局部水头损失、渐变水头损失、文丘里管、测压管水头、总水头的测量融为一起，该装置体积小、管道长度适中，功能多、精度高，结构简单，制造容易，便于维护操作。
图I是本实用新型能量方程实验仪的主视图；图2是本实用新型能量方程实验仪的俯视图；图3是图I中的局部示意图；图4是图I中的另一部分局部示意图；图5是本实用新型能量方程实验仪的原理图。图中，I.供水箱，2.水泵，3.上水管道，4.上水阀门，5.稳水箱，6.溢流隔板，7.溢流管道，8.实验管道，9.阀门A，10.测压嘴，11.弯管，12.突然放大管道，13.突然缩小管道一，14.渐变管，15.文丘里管，16.阀门B，17.接水盒，18.回水管，19.测压排，20.测压管，21.软管，22.排气阀，23.法兰，24.支撑，25.实验台，26.突然缩小管道二。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行详细说明。参照图I、图2、图3、图4，本实用新型能量方程实验仪的结构是，包括在实验台25下方两端分别设置有供水箱I和接水盒17，接水盒17通过回水管18与供水箱I相联通，供水箱I中设置有水泵2，水泵2通过上水管道3与高出实验台25的稳水箱5相连，在上水管道3的通道上安装有上水阀门4 ;在稳水箱5中设置有溢流隔板6，稳水箱5的溢流隔板6 一侧连接上水管道3和实验管道8，溢流隔板6另一侧通过溢流管道7与供水箱I联通，用于溢流回水；实验管道8向下的竖直段长50. 6cm、竖直段之后连接的水平段长208cm，在实验管道8水平段前端(上游)安装有阀门A9，在实验管道8水平段末端(下游)安装有阀门B16，阀门B16之外实验管道8的出口对向接水盒17 ;阀门A9和阀门B16之间的实验管道8上依次联通安装有突然放大管道12、突然缩小管道一 13、渐变管14、文丘里管15、突然缩小管道二 26 ;实验管道8的上方安装有测压排19，测压排19由多组测压管20组成，透明材料制作的测压管20用于直观的显示各自位置水头水压的高低；在阀门A9和阀门B16之间的实验管道8上引出连接有四个弯管11，该四个弯管11分别位于突然放大管道12之前、突然放大管道12的末端、渐变管14和文丘里管15之间、突然缩小管道二 26之后，四个弯管11分别通过一个软管21与四组测压管20分别联通，四个弯管11上分别设置有一个测压嘴10 ;在阀门A9和阀门B16之间的实验管道8另外依次间隔设置有多个测压嘴10，每个测压嘴10通过一个软管21分别与各自对应的一个测压管20联通，图示实施例中共计设置有二十三个测压嘴10，每个测压嘴10用于精确测量各自位置水头水压的大小，在最末端的一个软管21上安装有排气阀22 ;突然缩小管道一 13、渐变管14、文丘里管15、突然缩小管道二 26之间的管道连接处分别通过一个法兰23连接，上述的各段管道通过多个支撑24安装在实验台25上。测压管20和弯管11能够直观的显示测压管水头和总水头的沿程变化。[0020]本实用新型的能量方程实验仪的工作原理是如图3所示，运动着的水流具有三种形式的能量，即位能、压能和动能。水流在运动过程中，这三种形式的机械能可以互相转化，但是总的机械能是守恒的。1738年，瑞士科学家伯努利推导了适应于流体的能量方程，所以也叫伯努利方程，其表达式为ζ1+^ + ^ = ζ2+^ + ^ + ^12(I)
YY式中，ζ为位置水头；ρ/ Y为压强水头；v2/2g为流速水头；hwl_2为两个断面之间的水头损失。由上式可以看出，能量方程表达了液流中机械能和其他形式的能量(主要是代表能量损失的热能)保持恒定的关系，总机械能在互相转化过程中，有一部分由于克服液流阻力转化为水头损失。机械能中势能和动能可以互相转化，互相消长，表现为动能增大，势能减小。如机械能中的动能不变，则位能和压能可以互相转化，互相消长，表现为位能减小，压能增加，或位能增加，压能减小。·由以上原理可以看出，流体因为具有粘性，在流动的过程中，总有一部分因要克服内摩擦阻力做功而损失能量，所以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，同时，由于动能和势能可以相互转化，平均测压管水头沿流程可以上升，也可以下降。为了在实验仪器上显示测压管水头和总水头的沿程变化规律，在稳水箱5上接有实验管道8，实验管道8由直管段、突然放大管道12、突然缩小管道一 13、渐变管14、文丘里管15和突然缩小管道二 26组成。试验时，打开水泵2，逐渐打开上水阀门4，给稳水箱5充满水，并保持溢流状态，然后打开上游阀门A9，再打开尾部的阀门B16，将实验管道8中的空气排出，然后关闭阀门B16，打开测压排19上的排气阀22将测压管20中的空气排出；空气排完后，打开阀门B16，就会在测压排19的各个测压管20上看到测压管水头和每个对应弯管的总水头。管径沿程发生变化，根据能量方程，管径小的管道流速大，压强小，所以测压管水头减小，当管径增大时，流速减小，压强增大，测压管水头上升。在相同的管段，由于沿程水头损失，测压管水头沿程降低，在管道突然变化的局部范围，存在局部水头损失；在管道逐渐变大时，流速逐渐减小，测压管水头逐渐上升。本实用新型装置的工作过程是I.记录测量管道各变化部位的管径、管长。2.打开水泵2和上水阀门4,使水流充满稳水箱5并保持溢流状态。3.打开实验管道8的上游阀门A9和尾部阀门B16，使水流流过并充满实验管道8，待实验管道8充满水流后，关闭尾部阀门B16，打开测压排19上软管21的排气阀22，排去各测压管20内的空气。4.检验空气是否排完。打开阀门B16、逐渐关闭上游阀门A9，可以看到测压管20中的水面下降，当下降到测压排19底部时，关闭排气阀22和阀门B16，这时水面会上升到某一部位，如果空气排完，则可看到各测压管20中的液面齐平，各测压管水头为一水平线。5.空气排完后，完全打开实验管道8的上游阀门A9，将尾部的阀门B16开到适当位置，打开排气阀22，使测压管水头线在适当位置，待水流稳定后，观测各测压管水头线和总水头线，用体积法或重量法测出流量。[0033]6.改变流量，重复一次实验。7.实验完后将仪器恢复原状。8.在方格纸上点绘距离和各测压管水头的关系，其连线为测压管水头线；在方格纸上点绘距离和各弯管水头的关系，其连线为总水头线，两个总水头线之间的高差即为两个断面之间的水头损失。9.还可以通过测量流量，计算各管段的流速，用能量方程计算各点的总水头，并与实测的总水头比较。本实用新型的有益效果是通过测量不同管段的测压管水头和总水头，在每一个直管段，测压管水头差即为两个测压管之间的水头损失；而对变化的管段，即可以直观地看到各测压管水头的变化规律和总水头的变化规律，也可以测量并计算突然放大、突然缩小的局部阻力系数；通过测量渐变管的水头变化，也可以计算渐变管的水头损失和损失系数； 通过测量文丘里管的液面差，就可以求出文丘里管的流量系数，也可以测量文丘里管的局部水头损失和阻力系数。本实用新型的仪器体积较小、结构简单，制造容易，功能多、精度高，便于操作维护。
权利要求1.一种能量方程实验仪，其特点在于包括在实验台(25)下方两端分别设置有供水箱(I)和接水盒(17)，接水盒(17)通过回水管(18)与供水箱⑴相联通，供水箱⑴中设置有水泵(2)，水泵(2)通过上水管道(3)与高出实验台(25)的稳水箱(5)相连，在上水管道(3)的通道上安装有上水阀门(4);在稳水箱(5)中设置有溢流隔板￠)，稳水箱(5)的溢流隔板(6) —侧连接上水管道(3)和实验管道(8)，溢流隔板(6)另一侧通过溢流管道(7)与供水箱(I)联通；实验管道(8)向下为竖直段，竖直段之后连接有水平段，在实验管道(8)水平段前端安装有阀门A(9)，在实验管道(8)水平段末端安装有阀门B(16)，阀门B(16)之外实验管道(8)的出口对向接水盒(17)； 阀门A(9)和阀门B(16)之间的实验管道(8)上依次联通安装有突然放大管道(12)、突然缩小管道一(13)、渐变管(14)、文丘里管(15)、突然缩小管道二(26);实验管道(8)的上方安装有测压排(19)，测压排(19)由多组测压管(20)组成； 在阀门A(9)和阀门B(16)之间的实验管道⑶上引出连接有四个弯管(11)，该四个弯管(11)分别位于突然放大管道(12)之前、突然放大管道(12)的末端、渐变管(14)和文丘里管(15)之间、突然缩小管道二(26)之后，四个弯管(11)分别通过一个软管(21)与四组测压管(20)分别联通，四个弯管(11)上分别设置有一个测压嘴(10);在阀门A(9)和阀门B(16)之间的实验管道(8)另外依次间隔设置有多个测压嘴(10)，每个测压嘴(10)通过一个软管(21)分别与各自对应的一个测压管(20)联通，在最末端的一个软管(21)上安装有排气阀(22)。
2.根据权利要求I所述的能量方程实验仪，其特点在于所述的突然缩小管道一(13)、渐变管(14)、文丘里管(15)、突然缩小管道二(26)之间的管道连接处分别通过一个法兰(23)连接，上述的各段管道通过多个支撑(24)安装在实验台(25)上。
3.根据权利要求I所述的能量方程实验仪，其特点在于所述的测压管(20)是透明材料制作。
专利摘要本实用新型公开了一种能量方程实验仪，包括在实验台两端分别设置有供水箱和接水盒，供水箱与稳水箱相连，在稳水箱中设置有溢流隔板，溢流管道与供水箱联通；实验管道的竖直段与水平段连接；实验管道上依次联通安装有突然放大管道、突然缩小管道一、渐变管、文丘里管、突然缩小管道二；实验管道的上方安装有由多组测压管组成的测压排；实验管道上引出连接有四个弯管，四个弯管分别通过一个软管与四组测压管分别联通；实验管道另外依次间隔设置有多个测压嘴，每个测压嘴通过一个软管分别与各自对应的一个测压管联通，在最末端的一个软管上安装有排气阀。本实用新型的仪器体积较小、结构简单，制造容易，功能多、精度高，便于操作维护。
文档编号G09B23/12GK202523278SQ20122004564
公开日2012年11月7日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者刘亚菲, 张志昌 申请人:西安理工大学