(实验一1机械能转化实验指导书含演示操作.docVIP

机械能转化演示实验装置 实验指导书 一、实验目的 1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。 2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。 3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。 4.定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。 二、基本原理 化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。 1.连续性方程 对于管内流动的质量守恒形式表现为如下的连续性方程： （1－1） 根据平均流速的定义，有 （1－2） 即 （1－3） 而对均质、不可压缩流体，，则式（1－2）变为 （1－4） 可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。 对圆管，，为直径，于是式（1－4）可转化为 （1－5） 2.机械能衡算方程 运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能衡算方程。 对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准）为： （1－6） 显然，上式中各项均具有高度的量纲，称为位头，称为动压头（速度头），称为静压头（压力头），称为外加压头，称为压头损失。 关于上述机械能衡算方程的讨论： （1）理想流体的柏努利方程 无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的，若此时又无加功加入，则机械能衡算方程变为： （1－7） 式（1－7）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想流体流动过程中，机械能。 （2）若流体静止，则，，，于是机械能衡算方程变为 （1－8） 式（1－8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。 3.管内流动分析 按照流体流动时的流速以及其流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分成两类：稳定流动和不稳定流动。连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。 流体流动有两种不同型态，即层流和湍流，这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。 流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：　 （1－9） 式中：Re —雷诺准数，无因次； d —管子内径，m； u —流体在管内的平均流速，m／s； —流体密度，kg／m3； μ—流体粘度；Pa·s。 式（1－9）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。 三、装置流程 该装置为有机玻璃材料的管路系统，通过泵使流体循环流动。管路内径为30mm，节流件变截面处管内径为15mm。1和2可用于验证变截面连续性方程，1和3可用于比较流体经节流件后的能头损失，3和4可用于比较流体经弯头和流量计后的能头损失，4和5可用于验证直管段雷诺数与流体阻力系数关系 ，6与5配合使用，用于测定5处的中心点速度。四、演示操作 1先在下水槽中加满水，保持管路排水阀、出口阀关闭状态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管