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流体力学

文丘里管中的伯努利定律

联系连续性方程与伯努利定律:收缩处流速上升、压力下降;认识到摩擦会造成流动能量损失。 测量管道各处的压强、流速和高度,并检验理想流动下的 p+ρv2/2+ρgh=constantp + ρv²/2 + ρgh = constant。

高中

⚠ 模拟流动经过理想化;真实流体实验须防止溢漏并牢固固定管路。

器材

  • 带三个测压管和流线粒子的水平文丘里管
  • 流量 Q 与动力黏度 μ 滑块及压头读数

实验步骤

  1. 观察收缩段的压力

    保持黏度 μ 较低,用滑块改变流量 Q;比较宽、窄截面的测压管。收缩处流速更大、静压更低。增大 μ,观察黏性损失使总水头沿流向降低;理想无摩擦模型中 p + ρv²/2 + ρgh 保持不变。 将显示的数据与下式比较: p+ρv2/2+ρgh=constantp + ρv²/2 + ρgh = constant.

  2. 检验连续性方程

    保持 Q 不变,观察流线粒子并比较宽、窄截面;注意收缩处流速更大。用 Q = Av 对照两处的流量,并记录速度差。 将显示的数据与下式比较: Q=AvQ = Av.

  3. 比较黏性损失

    重置模拟并保持 Q 不变,逐步增大 μ,比较各测压管。观察总水头沿管道下降;与理想情形不同,存在黏性损失时 p + ρv²/2 + ρgh 不再恒定。 将显示的数据与下式比较: p+ρv2/2+ρgh=constantp + ρv²/2 + ρgh = constant.

模拟

实验历史

丹尼尔·伯努利在《流体动力学》(Hydrodynamica,1738)中阐述了压力与流体运动之间的联系。当时的自然哲学家正尝试用力学原理描述流动;伯努利不再只把压力看作静止的推力,而是将压力、速度和高度纳入能量关系。对于截面积变化的管道,连续性方程说明:在稳定、不可压缩的流动中,为维持相同体积流量,较窄处的流速必须更大。 常见形式 p + ρv²/2 + ρgh = 常数,适用于理想、不可压缩、无黏流体沿流线运动的情形。它解释了流速上升时静压常会下降,但这一结论依赖上述假设;黏性、湍流、泵和热交换都会改变能量收支。文丘里管把这一关系变成可测量的实验,测压管则显示压力能转化为动能或被耗散的位置。本实验改变黏度,让你比较理想描述与实际损失。通过比较不同位置的读数,可以把连续性方程与能量关系联系起来,并判断模型忽略了哪些现实因素。记录较窄截面与较宽截面的差异,也能检验流量守恒是否与观察到的速度变化一致。

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