【doc】水力学伯努利方程实验仿真研究

【doc】水力学伯努利方程实验仿真研究 水力学伯努利方程实验仿真研究 第29卷第7期 2011年7月 河南科学 HENANSCIENCE Vo1.29No.7 Ju1.2011 文章编号:1004—3918(2011)07—0815—05 水力学伯努利方程实验仿真研究 李占松,蒙昊, (1.郑州大学水利与环境学院,郑卅I450001; 范如琴,朱士江, 2.西南交通大学土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,成都610031; 3.东北农业大学水利与建筑学院,哈尔滨150030) 摘要:伯努利方程是水力学中最重要且常用的方程之一,它描述了恒定流时流体运动中各种能量之间的相互转换’ 关系和规律.伯努利方程实验是学习和掌握该方程物理意义不可缺少的手段.通过总水头线和测压管水头线可以 清晰地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出水流运动中的各种能量转换关系,用计算机编程进行仿真可以直观方便地再现主要实验现象.程序设 计为可视化窗1:2界面,以命令按钮,菜单为主要控制元件,绘出实验装置,动态演示水流运动,对所得数据进行了相关 处理并绘出水头线,同时配有实验说明等.仿真操作 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和步骤以真实实验流程为蓝本实现全过程,此为该项实验 预备及课堂教学提供了基本条件. 关键词:计算机仿真;伯努利方程;水力学实验 中图分类号:TP391.9;TV131.1文献标识码:A 研究液体的流动状态,运动规律,能量转换以及流体与壁面间的相互作用等问题的方程,包括连续性方 程,伯努利方程和动量方程等并称为水力学3大基本方程.它们分别描述了液体的质量,能量及动量守恒 规律.其中,伯努利方程是能量守恒定律在液体流动过程中的具体体现形式,在水力学中占据十分重要的 地位【lJ.当前对伯努利方程认识,粗到普通生活中的实例如向两张纸中间吹气而靠拢,飞机起飞原理,漏斗 吹乒乓球等,细到精确的实验验证,各种计算机模拟实验的程序等都从不同的角度进行了解释,论证和应用. 学习伯努利方程原理时进行相应的实验是必备的过程.以伯努利方程实验装置及其实际操作过程为蓝本, 采用vb编程对其计算机仿真,为满足相应的教学要求并达到更好的效果具有重要的意义.实际工程中关于 水力学问题的仿真研究已成为人们关注的热点[2-3],仿真技术也逐 渐在教学中应用.曾有文献述及水力学 实验仿真方面的研究成果阁,但鉴于实验装置的差异性及仿真性能待进一步完善,亟需做更深入的研究. 1伯努利方程实验内容简介 伯努利方程实验的目的是:?验证流体恒定总流的伯努利方程;?通过对诸多水力现象的实验 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研 讨,进一步掌握有压管流中能量转换特性;?掌握流速,流量和压强等水力要素的实验量测技能. 实验装置由以下几部分构成:a自循环供水器;b实验台;c可控硅无极调速器;d溢流板;e稳水孔板; f恒压水箱;g测压计;h滑动测量尺;i测压管;j实验管道;k测压点;l毕托管;m实验流量调节阀.本仪器测 压管有2种:?毕托管测压管;?普通测压管,用以定量量测测压管水头.实验流量用阀13调节,流量由质 量时间法(量筒,秒表)测量. 实验原理是:在实验管路中沿管内水流方向取个过水断面.可以列出进口断面(1)至另一断面()的 伯努利方程式(2,3,…,n): 争+警+等 取:=…=%=l,选好基准面,从已设置的各断面测压管中读出值+,测出通过管路的流量,即可计算 1, 2 出断面平均流速v及—,从而即可得到各断面测压管水头和总水头.在渐变流中,同一过水断面上测压 g 管水头为常数.而在急变流中,不为常数. 收稿日期:2011-04—11 基金项目:第一批全国高等院校特色专业建设点项目(郑州大学水利水电工程2007) 作者简介:李占松(1965一),男,河南长葛人,副教授,博士,主要研究方向为计算水力学及工程水力学. 一 8l6一河南科学第29卷第7期 实验内容包括:?验证同一静止液体的测压管水头线是一根水平线;?观察不同流量下动能和势能的相 互转化;?观察总水头线和测压管水头线的变化规律;?观察急变流断面和均匀流断面动水压强分布规律的 异同;?结合实验结果说明急变流断面不能作为伯努利方程的计算断面;?观察同一流量下动能和势能的相 互转化. 实验方法和步骤如下:?熟悉实验设备,分清哪些测管是普通测压管,哪些是毕托管测压管,以及两者功 能的区别.?打开开关供水,使水箱充水,待水箱溢流,检查调节阀关 闭后所有测压管水面是否齐平.?打 开阀13,观察思考测压管水头线和总水头线的变化趋势;位置水头,压强水头之间的相互关系;测点2,3测 压管水头;测点l2,l3测压管水头;当流量增加或减少时测压管水头变化.?调节阀13开度,待流量稳定 后,测记各测压管液面读数,同时测记实验流量.?改变流量2次,重复上述测量,其中一次阀门开度大到 使19号测压管液面接近标尺零点. 实验 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 与计算的内容有:?记录实验装置台号No,均匀段直径D,缩管段直径D:,扩管段直径,水 箱液面高程?.和管道轴线高程?.等有关常数;?量测测压管水头值;?计算流速水头和总水头;?绘制测 压管水头线和总水头线,并进行实验分析与讨论. 2伯努利方程实验仿真的实现 为了充分发挥计算机的优势,利用计算机的特长为实验教学服务,利用vb语言进行伯努利方程实验的 仿真[61.实验装置图形界面以实际装置为依据,有压管尺寸,水箱及测压管液面高度等按比例绘制,而与实 验结果无关的部分依简单美观的原则显示.测压管与有压管的连接软管由于多而且相互交错,如果全部表 现出来则显得较为凌乱,故而舍去,但有标号一一对应.与此同时,测压管为毕托管的部分液柱用红色表 示,目的是较好地区别于普通测压管.实验仿真过程与实际操作过程 基本一致,具有较好的真实感,因而能 较快地帮助学生熟悉实验. 2.1程序界面 软件启动后以最大化出现, 主界面如图1所示.菜单标题 有:”开始实验”,”实验说明”及 “结束实验’,3个按钮. 点击”开始实验”菜单,出 现实验装置界面,实验桌和测压 管用棕红色表示,青色为实验用 水箱及其配套设施;测压管管盘 下部为说明. “启动”按钮表示水箱电源 开关,点击后水箱开始注水. “实验说明”为配套的实验指导 说明书,简要介绍了实验原理, 步骤及其注意事项等.在程序 的运行中可以随时查阅不影响 主程序运行,共3页.点击”结 图1实验装置界面 Fig.1Startupinterface 束实验”则出现实验介绍并退出程序. 2.2实验启动 点击’启动”按钮,出现一系列对话框要求用户输入相关数值.包括:水箱液面高程,3种管径D,,D:,D,的 具体值.这些数值会在实验界面上显现.当然,数值会有所限定,比如水箱液面高程在50,70cm内取值(实际 上对于一个既成的装置,液面高程已是定值).管径的大小虽无限制,但如果三者大d,Jil~,序不对,则会要求重 新输入;如果数值超出合理范围则会影响后续计算数值而终止实验,建议一般采用缺省值.当数值输入完毕 后,上水阀自动打开水箱开始注水,并辅之以绿色的水流动态演示.当充水到相应的高度后会有一系列的相 2011年7月李占松等:水力学伯努利方程实验仿真研究一8l7一 关实验现象.比如有压管开始注水,相应的测压管液面开始上升,水箱溢流曲线出现并且由回水管泄出等. 同时”开始实验’,和”启动’’按钮都变成灰色,表示处于不可用状态,其运行过程如图2所示. 充水结束观察确认测压管 液面高度与水箱液面高度一致 后,即可开启有压管调节阀门 进行实验. 2.3开启阀门并调节 点击”开启阀门”按钮后, 阀门开度一定,然后恒压水箱 开始向集水箱回水.同时测压 管液面开始下降到一定高度, 待稳定后,”开启阀门”按钮消 失,出现”阀门开度控制”按钮 及其”测流量”和”停止”按钮, 这时”停止”按钮暂不能使用, 还有一些说明标签出现. “阀门开度控制”按钮设计 为滚动条,向左为调小,向右为 调大.当调小到关闭状态时会 弹出消息框提示,因为此状态 无意义;向右调大到极致时流 图2运行中界面 Fig.2Runninginterface 量最大,也会有消息框提示.在调节的过程中,测压管液面高度会相应地实时变化.如果出现测压管水头过 低以至于测管液面高度为零,则会在右侧有相应的提示. 当测压管液面稳定后,”测流量”按钮可用.实验采用质量法测流量.运行时会有一个”桶”装水,有时 间标签显示时间,精度为100ms,且实时测量水的质量.运行时间最长 为18s,其中”停止’’按钮在10s过后 可用.此过程结束后会显示相应的流量值,运行如图3所示. 2.4测压管液面高度及其数值分析 测完流量后出现”测压管 水头及其流速”按钮,用于测量 测压管水头和3种管道中的流 速,并显示于右侧标签栏目中. 所有数值保留3位小数,程序 运行如图4所示.如果将鼠标 置于相应的测压管处,鼠标样 式变为手型,点击后可以弹出 对话框显示相关的读数. 此时出珊’数值分析”按钮, 用于对所得的测压管数值及其 流速数值进行处理,绘制出相 关的测压管水头线和总水头线 图形.其中坐标数值经过了一 定的比例处理,红色代表总水头 线,蓝色代表测压管水头线,具 体运行如图5所示. “返回”按钮用于返回到主 图3测流量界面 Fig.3Flowmeasuringinterface 一 8l8一河南科学第29卷第7其? 界面,其中的测压管数值,流 速及流量数值都不消失,只有 再次调节阀门开度时,所有数 值才重新计算. 3若干关键问题的处理 3.1沿程阻力系数的计算 实验时,由于有压管道中 水流流态不一定处于阻力平 方区,因而不能笼统地用粗糙 系数换算固定的沿程阻力系 数进行计算,这样会导致结果 不精确而无法很好地仿真现 实实验.故而采用以雷诺数 Re判断流态分段计算方法. 当雷诺数小于2000时流态为 层流,沿程阻力系数A=; l’1.e 否则,流态为紊流,用柯列布 鲁克一怀特公式计算: 去=-21gc+), 计算方法采用二等分法,可确保其计算的精度. 3.2动态水流实现 水流的RGB函数值为(O,234,234).实现动态过 程用的是矩形填充的方式,并随时钟控件而逐渐实现. 其中对于梯形的填充没有固定的语句,而是用微分的思 想把梯形分为许多小的矩形,此时用矩形填充微小的梯 形即可实现整体梯形的填充;同样对于圆弧的填充也是 采用了化整为零的数学思想.由实际效果看,该方法 可以运行并形象美观. 图4数值测量界面 Fig.4Datarecordinginterface 70一一思水—— 成臀 头线水头线 6O 5O三二二,,, 邑4o一f\,, 一, , ,一 30一/,,—\,一——==i,.L 20 l0 圃l2,3456/78/912/1314/1516/17l8/19 ……一F=tA’口 图5测压管水头线和总水头线图 Fig.5Piezometricheadlineandtotalheadline 溢流曲线函数表达式精确确定起来比较复杂,且对本实验仿真也没有太大的价值,故采用近似的二次函 数=:模拟,其中k为参数.图片框的坐标与常用坐标不一致,因此在上述填充时要进行坐标转换. 3.3实验流量控制 实验具有最大的流量,但是一开始由于缺少沿程阻力系数而无法计算得知.在该程序中,阀门开度最 大时的流量采用了折中系数法.亦即先求出孔口出流时的流量,再乘以小于1的系数(在此取0.5)作为最 大值.若阀门开度为0.5,则此时流量为最大值的一半. 实验调节流量最小值为O,但为0时实验无意义,因此有提示避免流量为0的消息框. 3.4测点lO,11的测压管液面高度 在急变流段有惯性力的作用,故无法直接利用伯努利方程计算高度.根据已有的实验实际数据而采用 系数法处理.具体而言10,1l两点测压管高度不同.10管高,l1管低.流 量越大,差值越大. 3.5实验误差处理 在实际做实验时,由于多方面因素的影响而不可避免地存在误差.为了较为真实地模拟实验,也必须要 引入误差处理.在该实验中误差主要体现在测压管水头高度上,故只需要控制高度即可.具体操作方法为, 在相同的流量下,给以不同的随机系数ra并控制在3%内变动.亦即ra取值可以为0.97,l之间或0,0.03之 2011年7月李占松等:水力学伯努利方程实验仿真研究8l9 间.当为前者时,流量等于当前值乘以(2一ra),数据将偏大; 偏小,在每次调节开度时都调用该方法. 4结语 当为后者时,流量等于当前值乘以(1一ra),数据将 伯努利方程是能量守恒定律在水流运动中的具体体现形式,恒定总流的伯努利方程实验则是验证了伯 努利方程的准确性.伯努利方程在水力学中占据很重要的地位,在解决实际问题时得到广泛运用.因此学 习和掌握伯努利原理具有重要意义.该计算机仿真程序具有较好的真实性,方便性及易操作性,与实际实 验过程差别很小,可直接用于实验教学以及课堂演示,将取得良好的效果. 参考文献: [1]吴持恭.水力学:上,下册EM3.北京:高等教育出版社,2003. [23杨方廷,张红林,赖纯洁.基于MATRIX—x的引黄工程水力学仿真 系统[J].系统仿真,2000,12(4):413—419. [33郭晓晨,陈文学,吴一红,等.长距离明渠调水工程数值仿真平台研 究[J].南水北调与水利科技,2009,7(5):15—19 [4]王云岭,高建树.仿真技术在课堂教学中的应用[J].电力系统及其 自动化,2004,16(2):77—79. [53商树桓,乔善平,刘宗明,等.用计算机模拟伯努利方程实验[J].实验 室研究与探索,2004,23(8):39—40. [6]李俊民,赵东,刘亮亮,等.零基础学VisualBasic[M].北京:机械工业 出版社,2010. ComputerSimulationonBernoulliEquationExperimentinHydraulics LiZhansong,MengHao,FanRuqin,ZhuShijiang (1.SchoolofWaterConservancyandEnvirenmetalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China: 2.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China: 3.SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAcuhuralUniversity,Harbin150030,China) Abstract:Bernoulliequationplaysanimportantroleinhydraulicsanddescribestheconversionruleofkinetic energy,gravitationalpotentialenergyandpressurepotentialenergyinthestea dyflow.Bernoulliequationexpefi— mentcanclearlyshowtheconversionphenomenonbytotalheadlineandpiezometerheadline.Thecomputer programcouldintuitivelyshowthemainphenomenonofexperiment,whichconsistsofavisualwindowinterface, commandbuttonsandmenus,asthemaincontrolunits.Computersimulationbasedontherealstepsoftheexperi— ment,drawstheexperimentalequipment,showstheflowprocessanddealswiththedata,plotstheheadlinegraphics foranalysis.Thecomputerprogramdoesnotonlygivesstudentsaroughlyknowledgeaboutexperimentbefore doingit,butalsohelpsteachersdoingtheirwork. Keywords:computersimulation;Bernoulliequation;hydraulicexperiment