20150925化工原理第二周实验

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。二、基本原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下，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。流体静压能可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：fhpugZPugZ2222121122对于水平管，Z1=Z2，则fhpupu22212122若u1=u2,则P2P1；在不考虑阻力损失的情况下，即Σhf=0时，若u1=u2,则P2=P1。若u1u2,p1p2；在静止状态下，即u1=u2=0时，p1=p2。三、实验装置及仪器图2－2伯努利实验装置图装置由一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管路上取有不同的测压点由玻璃管连接。水的流量由出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。四、实验步骤及思考题1、关闭出口阀7，打开阀门3、5，排出系统中空气；然后关闭阀7、3、5，观察并记录各测压管中的液压高度。思考：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？2、将阀7、3半开，观察并记录各个测压管的高度，并思考：（1）A、E两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D两管中，C、D两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？3、将阀全开，观察并记录各测压管的高度，并思考：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？五、实验数据记录.液柱高度ABCDE阀门关闭半开全开六、实验分析：1、在流量（流速）为0时，此时无动压头，且各处总压头相等，故每层液柱高度读数相等。2、在流量（流速）不为0时，产生动压头，且高度各不相同，其高度顺序为EDABC。产生此现象的原因是由于水从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处最大，产生的动压头最大，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下游的B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，随着流量的增大，液柱的相对高度差也随之增大。可知流速越大静压头越小，动压头越大，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：fhgpguZgPguZ2222121122，ABCDE五点高度相同，故不用考虑位压头Z，EA和DB可以确定fh的存在。且在流速大的地方，静压头小，P小于是液柱高度低的现象可以证明动压头gu22和静压头gP的加和关系。由此可以证明伯努利方程的合理性。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）B、D两管中，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B、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，因为流速增大，动压头增大，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素除流速u外，还有管径（或当量管径）d，流体的密度ρ及粘度μ，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。duRe（1－1）Re2000~2300时为层流，Re4000时为湍流，2000Re4000时为过渡区，在此区间流型可能表现为流层，也可能表现为湍流。从雷诺数的定义式来看对同一个仪器d为定值，故u仅为流量的函数。对于流体水来说,ρ、μ几乎仅为温度的函数。因此确定了水的温度及流量，即可计算雷诺数。注意：雷诺实验要求减少外界干扰，严格要求时应在有避免震动设施的房间内进行。如果条件不具备，演示实验也可以在一般房间内进行。因为外界干扰及管子粗细不均匀等原因，层流的雷诺数上界达不到2000，只能达到1600左右。水箱颜色水瓶溢流层流时红墨水成一直线流下，不与水相混。湍流时红墨水与水混旋，分不出界限。三、实验装置及仪器试验装置如图1－1所示，液面保持一定高度的水箱与玻璃测试管相连，水箱上放有颜色水瓶，测试管上安有带针头的胶塞，用出口阀调节流量，用转子流量计测定流量。试验时水由高位水箱进入玻璃管，槽内水由进水管供应，槽内设有进水稳流装置及溢流箱用以维持平稳而又稳定的液面，多余之水由溢流管排入水沟。图1－1雷诺实验装置四、实验步骤1、检查针头是否堵塞，颜色水是否沉淀。2、向水箱内注水。3、打开出口阀，排除实验管中的气体。4、开启上水阀，使高位槽充水至产生溢流时关闭（若条件许可，此步骤可在实验前数小时进行，以使高位槽中的水经过静置，消除旋流，提高实验的准确度）。5、开颜色水阀，使颜色水由针头注入玻璃试验管。6、逐步开大排水阀，观察不同雷诺数时的流动状况，并把现象记入表中。7、做两种情况下的对比实验：（1）关闭高位槽的进水阀，保持液面平静，从观察的玻璃管中，测取管中水流从层流转变为湍流时的Re临界值。注意，此时液面虽平静，但液面的高度是在缓慢下降的。（2）开启高位槽的进水阀以保持槽中液面高度不变，但此时液面是不平而有波动的，测取此时的Re临界值，并分析和比较两种情况下的实验结果。8、观察层流时流体质点的速度分布。层流时，由于流体与管壁间的摩擦力及流体内摩擦力的作用，管中心处流体质点速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，静止时处于同一横截面的流体质点，开始层流流动后，由于速度不同，组成了旋转抛物面（即由抛物线绕其对称轴旋转形成的曲面）。先打开红墨水阀门，使红墨水扩散为团状。再稍稍开启排水阀，使红墨水缓慢随水运动，则可观察到红墨水团前端的界限，形成了旋转抛物面。六、实验结果分析七、结论根据计算，层流向过渡区过度时的雷诺数Re平均值为2117.238199，在2000附近；而过渡区与湍流的交界处雷诺数Re平均值为4204.656142，在4000附近。整个实验与雷诺实验得出的结果近似，即符合雷诺提出的流动规律。八、思考题1、影响流动形态的因素有哪些？水温、流经的管径、流量（流速）及外界声音等各种能量都会影响2、如果管子是不透明的，不能直接观察管中的流动形态，你可以用什么办法来判断流体在管中的流动形态？由于层流流动各个流动层独立，故流动较为平缓。而湍流流动会产生相互影响，产生振动，故可以根据是否发出声音或管体是否振动来判断流动状态3、有人说可以只用流速来判断管子中的流动形态，流速低于某一个具体数时是层流，否则是湍流，这种看法对吗？在什么条件下可以只由流速来判断流动形态？不正确，根据雷诺准数公式duRe，可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？流动形态的研究可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、测定水流过一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失Δpf，确定层流时摩擦阻力系数λ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ζ；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。二、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，获得具体的关联式。实验研究发现，影响湍流时直管阻力损失Δpf的因素有：流体性质：密度ρ和粘度μ；管路特性：管径d、管长l和管壁粗糙度ε；操作条件：流速u；根据因次分析法，Δpf可以表示成上述诸多影响因素的关系式：Δpf=f(d,u,ρ,μ,l,ε)(2-1)组合成四个无因次数群：),,(2ddlduup(2-2)若实验设备已定，(2-2)式可写为：hf=2)(Re,2udldp(2-3)若实验设备是水平直管，Δpf=Δp，即阻力损失表现为压力降，(2-3)式可写为：hf=2)(Re,2udldp(2-4)所以：hf=22udlP(2-5)即：)(Re,d(2-6)式中λ为直管的摩擦阻力系数。由(2-6)式可知，λ与流体流动的雷诺数Re及管壁的相对粗糙度ε/d有关。若流体为层流流动时，直管的摩擦阻力系数为：eR64(2-7)若装置已经确立，物系也已确定，那么λ只随Re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u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l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Δp（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：gRp)(液体指示。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，ρ、μ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、泵、管件等组建成循环管路，实验装置流程见图2-1。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：22up(2-8)测定通过某局部（弯头、管件、阀门等）的前后压差Δp（=Δpf）和通过此局部的平均流速u，由(2-7)式计算其局部阻力系数ζ。三、实验流程图和实验步骤（1）手动阻力实验装置a、实验流程图（图2-1）1-光滑管，2-粗糙管，3-层流管，4-离心泵管实验装置参数见下表装置1名称材质管内径（mm）测量段长度（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）测量段长度（cm）管路号管内径图2-1流体流动阻力实验流程图4局部阻力90°弯头镀锌铁管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大部分气体被排走，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大，再关至为零，看压差变送器计读数