20150925化工原理第二周实验

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1、柏努利实验一、实验目的1、通过实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和柏努 利方程。2、通过实测流速的变化和与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。基本理流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以互相转换。在没有 摩擦损失且不输入外功的情况卞，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能总和是相等的。 在有摩擦而没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。流体静压能町用测压管中液柱的高度来表示，取流动系统中的任意两测试点，列柏努 利方程式：Z,g+分乡=z：g+今+乡对于水平管，乙=乙，贝IJ出+上=叵+邑2 P 2 P f若Ui=u2,则P：U

2、2,piDABCo 产生此现彖的原因是由于水从E端流入，从A端流出，流动中会产生阻力使得能量损失， 故EA和DB可以确定，其他地方则要根据流速进一步确定。3、在B、C、D三管中，由于管径变细，且C处为最细管径，故流速C处最人，产生的动 压头最犬，在总压头恒定的情况下静压头最小，而由于上述能量损失导致在卞游的E处比D 处小，故三处高度呈现DBC的现象。4、对比分析整个表格可以发现，随着流量的增人，液柱的相对高度差也随之增人。可知流 速越人静压头越小，动压头越人，而恒定的量就是总压头。但动压头增加呈现平方关系，故 相对高度差也增大。七、结论伯努利方程为：z+出+旦=乙+出+厶+亍爪，ABCDE五点

3、高度相同，故不用考虑位压 2 pg2g pg 厶头Z, EA和DE可以确定的存在。且在流速人的地方，静压头小，P小于是液柱高度低的现象可以证明动压头丄和静压头二的加和关系。由此可以证明伯努利方程的合理 2gpg性。八、思考题1、第一步中所有测压管中的液柱高度是否在同一标高上？应否在同一标高上？为什么？在 一开始不在同一高度上，在多次重复蓄水调节后在同一高度。理论上应该在同一高度，因为 此时没有动压头，故静压头相等，液柱高度相同，这就是连通器原理。2、第二步中（1） A、E两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？不相等，差值代表水流从E流向A时在A、E两点间的能量损失。（2） E、D两管

4、中，C、D两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？不相等，B、D差值代表水流从D流向B时在E、D两点间的能量损失。而C、D两管的 差值代表动压头的差值（可能也会存在其间的能量损失）3、第三步中各测压管内液位高度是否变化？为什么变化？这一现象说明了什么？变化，因为流速增人，动压头增人，静压头变小，这说明动压头和静压头可以相互转化，其 加和为总压头。流体流型的观察与测定一、实验目的1、观察流体在管内流动的两种不同型态，加强层流和湍流两种流动类型的感性认识;2、掌握雷诺准数Re的测定与计算：3、测定临界雷诺数。二、基本原理雷诺（Reynolds）用实验方法研究流体流动时，发现影响流动类型的因

5、素除流速u夕卜， 还有管径（或当量管径）d,流体的密度p及粘度卩，由此四个物理量组成的无因次数群Re 的值是判定流体流动类型的一个标准。出如（1-1）Re4000时为湍流，2000Re4知管径和水温都会有影响（水温则是通过影响水的密度和粘度来间接影响），但在同一温度下的同一管路时可以用流速进行判 断，但该流速标准也仅适用于该次实验的情况，无普适性4、研究流动形态有何意义？流动形态的研究町以指导选择合适的管径，降低管材的 损耗程度，减少因为湍流引起的管路冲击，并且合理安排水的流量流速可以节省能 源，并可以应用于指导水坝、河道、桥梁等建筑工程的设计与施工流体流动阻力的测定一、实验目的1、测定水流过

6、一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失刃，确定层流时摩擦阻 力系数久和雷诺准数Re之间的关系；2、测定水流过管件、阀门等的局部阻力损失，确定其局部阻力系数乙3、熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工 程意义；4、学会U形压差计、转子流量计的使用方法，了解涡轮流量计、差压变送器、变频 器等的工作原理；5、识别组成管路中的各个管件、阀门并了解其作用。实验原理由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。 层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的：湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式, 但可以通过因次分析法再结合实验研究，获得具体的关

7、联式。实验研究发现，影响湍流时直管阻力损失dp/的因素有：流体性质：密度p和粘度“：管路特性：管径d、管长/和管壁粗糙度&操作条件：流速山根据因次分析法，刃町以表示成上述诸多影响因素的关系式:组合成四个无因次数群:Apf =f(d1 f E)(2-1)(2-2)若实验设备己定，(2-2)式可写为:(2-3)若实验设备是水平直管，如=平 即阻力损失表现为压力降，(2-3)式可写为:h/ = - = 0Re.) -(2-4)pd d 2所以:PI u2d 2(2-5)即:(2-6)式中2为直管的摩擦阻力系数。由(2-6)式可知，2与流体流动的雷诺数/?及管壁的相对粗糙度e/d有关。若流体为 层流流

8、动时，直管的摩擦阻力系数为：.64/t = (2-7)Ke若装置已经确立，物系也已确定，那么久只随凡而变，实验操作变量仅有流量，改变 阀门的开度可以达到改变流速的目的，因此在管路中需要安装一个流量计：在直径为d、 长度为/的水平直管上，引出二个测压点，并接上一个压差计，可以用压差变送器或液柱压 差计测量压差P (注：压差变送器是将压差转换成电信号再用仪表显示，液柱压差计是将 压差以液柱高度表示的，若为U形管压差计计算公式为：3=(0描示-。液体o若为倒U 型管压差计，计算公式请自行推导)；实验体系确定后，/是物性参数，它们只取决于 实验温度，所以，在实验装置中需要安装测流体的温度计；再配上水槽

9、、泵、管件等组建成 循环管路，实验装置流程见图2。局部阻力损失通常有两种表示方法：当量长度法和阻力系数法。由阻力系数法:F(厶8)19前后压差dp (=Apf)和通过此局部的平均1 光滑管，2粗糙管，3层流管，4离心泵管图2-1流体流动阻力实验流程图实验装置参数见卜表装置1名称材质管内径(mm)测虽段长度(cm)管路号管内径局部阻力大小头不锈钢管32.0闸阀镀锌铁管32.0湍流光滑管不锈钢管121.5200粗糙管镀锌铁管220.5200层流铜管36140装置2名称材质管内径(mm)测虽段长度(cm)管路号管内径局部90。弯头镀锌铁管32.0阻力闸阀镀锌铁管32.0湍流光滑管不锈钢管121.52

10、00粗糙管镀锌铁管220.5200层流铜管36140b、实验步骤1、泵的启动：关闭控制阀，关闭光滑管和粗糙管引压阀，引水灌泵，启动泵。2、系统排气（1总管排气：同时打开光滑管和粗糙管的切换阀，先将控制阀开足然后再关闭，重复 三次，目的为了使总管中的人部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复 三遍。（2）引压管及压差计排气：每次测直管阻力或测局部阻力时，打开相应的引压阀，再打 开差压变送器上的平衡阀和相应的引压管放气阀，开、关重复三次。注意：检验排气是否彻底是将控制阀开至最人，再关至为零，看压差变送器计读数，若 前后读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述2步骤。3

11、、湍流时直管阻力的测定：由于Re在充分湍流区时，入R亡的关系曲线处在双对数座标的密集区，所以在大流量 时少布点，而Re在比较小时，入Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。先将控制阀开 至最人，读取流量显示仪读数Fk，然后关至压差显示值约0.3kPa时，再读取流屋显示仪读 数F小，在F小和F大二个读数之间布1416个点。4、局部阻力和层流阻力的测定：切换引压阀，测定相应局部阻力。关闭总管控制阀， 打开转子流量计，排除空气，测定层流阻力。5、停泵：关闭出II阀，停止水泵电机。上机处理数据。C、实验数据记录序号流量 L/s （湍 流）或 （IA）（层流）光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa层流ni

12、mHzO压差压差压差左右压差六、实验分析实验结果分析见附图，由附图可知:1、在层流区域基本呈现所有点都在一条直线上，符合公式卩=苇竺的基本特点。由此 求得的入Re关系仍为一条曲线，在对数坐标轴上呈现出直线，符合理论推导情况。2、在测定光滑管和粗糙管的莫迪曲线时，得到一条抛物线，这和理论推导 = %2相 符合。由此求得的九Re关系，开始呈现滑落曲线的形式，到小流量时点阵逐渐平缓，符 合莫迪理论曲线的形式。当然通过比较也能得出，管体越粗糙，阻力系数越人3、在阻力系数的测定中，最终得出阻力系数在9.2左右，符合工程经验。七、结论1、层流区的莫迪图呈现一条直线（见附图）2、湍流区的莫迪图开始呈现滑落曲

13、线的形式，到小流量时点阵逐渐平缓，并且和粗糙程度 有关，粗糙程度越大，阻力系数越大。3、阀门的半开局部阻力系数为*9. 30185。八、思考题1、在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出II阀?为什么？不一定，因为在排气过程中，会有小液泡的残留，需要不断重新启动来获得推动力，从而 将残余气泡排除。2、压差计上的平衡阀起什么作用？它在什么情况卞是开着的，又在什么情况下是关闭 的？起到连接引压管，平衡水压的作用，从而将气泡从两管同步完全排除，在排气时应打开， 测量时关闭3、如何检测管路中的空气已经被排除干净？在关闭平衡阀后，其乐差显示为0时即为排 空4、以水做介质所测得的入Re关系能否适用

14、于其它流体?如何应用？可以使用，不过得是 牛顿流体。且入为整个管路的阻力系数，应用方法则为将目标液体的相关参数带入Re计算式， 即使流体密度和粘度不同，因Re量纲为1,都可以相应抵消，故可以使用。5、在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的入Re数据能否关联在同一条曲线?可以，但仅仅是改变一种变量的情况，同时改变多种则不行6、如果测压II、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?有毛刺时静压测量 会偏低，因为毛刺会使流速微微增人，从而动压头增人，静压头降低。安装不垂直将不 会影响结果，因为静压头仅仅表现为高度差。7、在直管阻力测量中，压差计显示的压差是否随着流量的增加而成线性增加？分别就层流和湍流进行讨论。层流情况：是线性关系，对层流己知=辺擊则可以列能量守恒式乙+也+乞=乙+邑+也+辺竺，由于z严乙和耳=1仁，化简即可得 pg 2g pg 2g pd-p=32gM,由此可知Ap和u是线性关系，实验结果也叫以印证这一点。 cl2湍流情况：不是线性关系，对湍流已知弘=丸42-则可以列能量守恒式 d 2g2 2 21乙+旦+乞=乙+邑+生+兄上一，由于Z产乙和 =仏，化简即可得 怎 2g怒 2g 2gd = 0沪，由此可知Zp和是线性关系，实验结果也可以印证这一点。