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化工原理实验讲义 西北民族大学化工学院 化学工程实验室 实验1 雷诺实验 实验目的 1.了解管内流体质点的运动方式，认识不同流动形态的特点，掌握判别流行的准则； 2. 观察圆直管内流体作层流、过渡流、湍流的流动形态。 实验内容 以红墨水为示踪剂，观察圆直玻璃管内水为工作流体时，流体作层流、过渡流、湍流时的各种流动形态。 基本原理 流体流动时存在两种不同的型态：即层流和湍流。层流时大多数流体服从牛顿粘性定律、傅立叶定律和费克定律。即动量传递量、热量传递量、质量传递量分别与速度梯度、温度梯度、浓度梯度成线性关系。而湍流时流体不再服从这些定律，此时流体内会产生大量旋涡，以毫无秩序的方式快速运动，从而使过程变得复杂起来。流动型态对传递过程有着非常显著的影响。特别是,湍流流体中质点在径向的脉动，会造成垂直于主流方向上流体的强烈混合；这对减小边界层的厚度，进而降低传热与传质阻力，都是十分必要的。 在雷诺实验中，可以观察到层流和湍流的非常鲜明直观的流动现象。低流量时着色水成一平稳的细线，在管心沿管轴流动；随着流量的逐渐增大，着色水便成为波浪形细线，并且不规则地波动；流量再增大，细线的波动加剧，进而形成许许多多旋涡向四周散开，致使着色水扩散至全管，从而使管内流体的颜色均匀一致。实验中还可观察到湍流流体中不断有旋涡产生、移动、扩大、分裂和消失。 根据大量实验结果，发现影响流动状况的因素有：流体的性质ρ和μ、管内径d及流速u 。雷诺数Re就是由这些影响因素组合成的一个无量纲群，即 ( [Re] =m0kg0s0 ) 式中 d ——管子内径( m ) u ——流体流速( m· s-1 ) ρ ——流体密度( kg· m-3 ) μ ——流体粘度 ( Pa· s ) 当流体在圆形直管内流动时，若Re＜2000，流动型态为层流；而Re＞4000时，则为湍流，并且随着雷诺数的增大，反映出湍动强度在加剧；Re在2000～4000之间为过渡流，即可能是层流，也可能是湍流，即便是层流，流动也易受外界因素如噪声、震动等的影响而转变为湍流。 实验中需保持流动始终处于稳态, 因而需保持水箱内液位恒定和避免液面波动。为此在实验装置中，水由进水管先流入进水槽后再由小孔流入水箱，并且超出液位的水经溢流口泄入下水道中，溢流流量要尽可能地小。 装置流程及操作步骤 实验室有两种不同类型的雷诺实验装置，其中A型装置流程及操作步骤如下： （一）A型装置流程 【设备参数】 转子流量计 LZB—10 量程: 16—160 L/ LZB—25 量程: 100—1000 L/h 规格 Φ30 ×2.5 mm 管长 L = 1200 mm 图1. 雷诺实验装置A流程 （二）A型装置操作步骤 打开进水阀（逆时针方向旋转），将水充满水箱；打开溢流管泄水阀，；；，；，内径：Фmm；材质：玻璃 【流程图】 图2. 雷诺实验装置B流程 （四）B型装置操作步骤 检查所有阀门处于关闭状态，向墨水瓶内注入墨水（示踪剂）。 将高位槽注满水。 待溢流管内有水流出时，调节进水龙头开度，使溢流管内有少量溢流。 打开“排气阀”，待墨水流出，关闭“排气阀”，打开“示踪剂调节阀”，调节示踪剂流量至墨水呈细线状。 稍稍打开“流量调节阀”，待示踪剂呈稳定线状流动后，再缓慢调节流量至所需流量。 控制流体在滞流区、过渡区、湍流区各做几组流量，并观察现象。 关闭各阀门，停止实验。 注意事项 实验过程中，； 原始数据表 水温: 0C 序号 流量 ， L/h 现象 1 2 … 报告要求 计算不同流量对应的雷诺数； 与所学理论结合，讨论实验现象，并对于理论有出入部分从实验操作不当的角度来找寻引起实验误差的原因。 思考题 什么是无量纲群? 流动型态对传递过程的意义是什么? 若红墨水注入管不设在实验观察管中心，能得到实验预期的结果吗？ 层流和湍流的本质区别在于流体质点的运动方式不同，试述两者的运动方式。 实验2 柏努利方程实验 实验目的 了解流体在管内流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转换的关系，加深对柏努利方程 当稳定流动总能量方程应用于理想的不可压缩的流体且无外加功时，假设沿实验管路内水流动方向任意取1－1和2－2过水截面，则这两个截面之间的能量方程可简化为： （1） 该方程式（1）为柏努利方程（Bernoullis equation）。 以单位质量基准： （1a） 以单位重量基准：