云南民族大学化工基础实验讲义Word下载.docx
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12.上部水箱；
13.水泵开关；
14.放水阀；
15.水位计；
16.大透明测量管；
17.弯管；
18.小透明管；
19.整块透明管组件
2.实验内容
（1）开动循环水泵，关闭出口阀7，观测各测压管液面高度H0，转动测压手柄，观测各液面高度，验证静力学原理，作记录。
思考下列问题：
①各测压头旋转时，液柱高度H0有无变化？
为什么？
各测压管液柱高度H的物理意义是什么？
②各测压管液柱高度是否在同一标高上？
应否在同一高度上？
③点6的静压头为什么比点5大？
（即P6>
P5）
（2）转动手柄，使各测压头的小孔对准水流方向，然后稍微打开7阀（小流量），记取各点数据H，并用量筒和秒表来测取流量。
①H的物理意义是什么？
②对同一测点，为什么H0>
H1？
为什么距离水槽越远（H0-H1）的差值越大？
这一差值的物理意义是什么？
（3）不改变流量，使各测压孔旋转至水流方向垂直，记录各点H2。
（4）改变测压孔的位置，使测压孔对准水流方向，继续打开阀7，观察各测压管液柱的高度变化。
并记取数据H3。
思考下列问题
①为什么液位发生变化？
这一现象说明什么？
②流速增大，动压头应增大，为什么液位反而下降（即H2<
H1）？
（5）不改变流量，只将测压管液位变至与水流方向垂直。
记取各点的H4。
①流量不变，为什么各测压液位又下降？
下降的液位代表什么压头？
②1、5两点及3、5两点下降的液位是否相同？
③为什么H2可能出现大于H4的情况？
如何解释？
④在不改变阀7开度的条件下（H4.1-H4.5）、（H4.3-H4.5）各表示什么？
（6）运用伯努利方程确定各测点顶压头，并解释各点压头变化。
（7）不改变操作条件，用量筒、秒表测定这时的体积流量，并由此算出各点管子中心水的平均流速度U实。
再根据
，而Remax=
图2ω/ωmax与Remax的关系
利用Remax~ω/ωmax的关系图（见图2）查出ω/ωmax值，然后得平均流速。
ω平=ωmax×
ω/ωmax，并与ω实做比较。
（8）实验完毕，先关阀7，后关泵，将测头手柄恢复原位待用。
五、数据记录
水温：
℃
测点序号
1
2
3
4
5
6
流量mL/s
透明管内径（m）
透明管中心线高度（cm）
H0（cm）
H1小孔正对流向（cm）
H2小孔垂直流向（cm）
H3小孔正对流向（cm）
H4小孔垂直流向（cm）
|
六、数据整理列表
流量
mL/s
各点总压头h（cm）
各点位压头hz（cm）
各点静压头hФ=h垂-hz
各点动压hw=h-hФ-hz
Σhf（cm）
Umax（m/s）
U/Umax（m/s）
U平（m/s）
U实（m/s）
思考题：
1、试论伯努利方程的意义及其在实验中的具体体现。
2、此实验为何不涉及内能的转化。
实验二管路流体阻力的测定
研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。
流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力，管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。
本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ。
二、实验原理
当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为：
J/kg
（1）
或
m液柱
（2）
式中：
Z—流体的位压头，m液柱；
P—流体的压强，Pa；
u—流体的平均流速，m/s；
hf—单位质量流体因流体阻力所造成的能量拫失，J/kg；
Hf—单位重量流体因流体阻力所造成的能量拫失，即所谓压头损失，m液柱；
符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。
假若：
（1）水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体；
（2）实验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；
（3）实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2。
因此
（1）和
（2）两式分别可简化为
J/kg（3）
m液柱（4）
由此可见，因阻力造成的能量损失（压头拫失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。
当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：
J/kg（5）
m液柱（6）
d一圆形直管的管径，m；
l一圆形直管的长度，m；
λ—摩擦系数，[无因次]。
大量实验研究表明：
摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ，管径d、流速u和管壁粗糙度ε有关。
应用因次分折的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε/d存在函数关系，即
（7）
通过实验测得λ和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线，当Re<
2000时，摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。
当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。
当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：
J/kg
m液柱
u一连接管件等的直管中流体的平均流速，m/s；
ζ一局部阻力系数[无因次]。
由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值都需要通过实验直接测定。
三、实验装置
本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、实验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。
压差由一倒置U形水柱压差汁显示。
孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。
该装置的流程如图1所示。
图1管路流体阻力实验装置流程
1.循环水泵;
2.光滑实验管;
3.粗糙实验管;
4.扩大与缩小实验管;
5.孔板流量计；
6.阀门;
7.转换阀组;
8.高位排气水槽.
实验管路系统由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成。
每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。
每根实验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m。
流程图中标出的符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低压侧）。
测压口位置的配置保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。
作为实验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入实验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力实验管，最后流入高位排气水槽。
由高位排气水槽溢流出来的水返回循环水槽。
水在实验管路中的流速通过调节阀调节。
流量由实验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。
四、实验方法
实验前准备工作须按如下步骤进行：
（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭实验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。
待泵运转正常后，先将实验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启实验导管的入口调节阀。
当水流满整个实验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，停泵。
（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。
（3）逐一检查并排除实验导管和联接管线中可能存在的空气泡。
排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。
必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。
（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。
先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。
当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。
为了便于观察，在临实验前，可由压差计顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。
（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水温。
（6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。
实验测定时，按如下步骤操作：
（1）先检查实验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和实验系统入口调节阀是否全部关闭。
检查毕启动循环水泵。
（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。
（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。
这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。
（4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。
例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。
这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。
以此类推。
（5）改变流量，重复上述操作，测得各实验导管中不同流速下的压强降。
（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。
（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水温。
实验注意事项：
（1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。
（2）若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。
五、实验数据记录及整理
（1）实验基本参数
实验导管的内径d=mm实验导管的测试段长度l=mm
粗糙管的粗糙度ε=粗糙管的相对粗糙度ε/d=
孔板流量计的孔径d0=mm旋塞的孔径dv=mm
（2）流量标定曲线
（3）实验数据
实验序号
数值
孔板流量计的压差计读数，R（mmHg）水的流量，Vs（m3/s）水的温度，T（℃）
水的密度，ρ（kg/m3）水的粘度，μ（Pa•s）光滑管压头损失，Hf1（mmH2O）粗糙管压头损失，Hf2（mmH2O）旋塞压头损失（全开），H’f1（mmH2O）孔板流量计压头损失，H”f1（mmH2O）
（4）数据整理
水的流速，u（m/s）
雷诺准数，Re
光滑管摩擦系数，λ1
粗糙管摩擦系数，λ2
孔板流量计局部阻力系数，ζ”1
旋塞的局部阻力系数（全开），ζ‘1
[1][2]
[3][4]
[5][6]
列出表中各项计算公式。
（5）标绘Re-λ实验曲线
实验三流量计校核
一、实验目的
1、熟悉节流式流量计的构造及应用；
2、掌握流量计的流量校正方法；
3、通过流量计流量系数的测定，了解流量系数C0与雷诺准数Re的关系。
二、实验原理
在流量测量中，孔板流量计和文丘里流量计是应用最广泛的节流式流量计，这两种流量计由孔板（或文丘里管）与一套U型管压差计组成。
当流体以一定流速通过孔板（或文丘里管）时，由于流道截面缩小，速度增大，而使孔板前后产生一定的压差。
根据柏努利方程，可以得流体的体积流量与压差的关系：
Vs——流体的体积流量，m3/s；
C0——孔流系数，0.855；
Ao——孔口（或文丘里管缩脉）处的截面积，m2；
R——U型管压差计读数，m；
ρo——指示液的密度，kg/m3；
ρ——流体的密度，kg/m3。
孔流系数C0（Cv）不仅与A0/A1（孔板与管道截面积的比）有关，而且与孔板的结构形状、加工光洁度、流体在管内的雷诺数、取压方式以及管壁的粗糙度等因素有关。
具体数值由实验测定。
孔板的A0/A1为一定值，Re超过某个数值后，C0（Cv）接近于常数。
一般工业上定型的流量计，就是规定在C0（Cv）为定值的流动条件使用。
C0值范围一般为0.6一0.7。
通过实验确定流量系数C0（Cv）与雷诺准数Re的关系曲线，称为流量计校核。
本实验是以水为工作流体，测定在一定范围内的C0~Re、Cv~Re曲线。
三、实验装置及流程
如流量计校核装置图，水经离心泵，经（泵的出口）阀，孔板流量计，流到计量槽。
通过计量槽体积及秒表，可求出水的体积流量。
同学们可以自己设计流量计校核流程，如将孔板流量计、文丘里流量计并联于管路中，分别校正；
亦可采用阻力实验装置，进行流量计校正实验等。
四、实验步骤及注意事项
1、熟悉实验装置，检查应开、关的阀门。
2、实验测量前，必须先进行管道、引压导管和所有U型管压差计的排气工作（祥细操作见阻力实验）。
排气时严防压差计中指示液冲出。
3、启动泵时注意灌水排气，防止气缚现象；
注意关闭泵的出口阀，防止启动功率过大。
4、用泵出口阀由小（大）到大（小）的顺序调节流量。
每对应一个阀门开度，用体积法测定流量，记下计量槽的液位刻度和相应的时间，同时记下压差计读数和水温。
记录8~10组数据。
5、测量流量时应保证每次测量中、测量桶液位差不小于10cm或测量时间不少于40s；
6、实验结束时，关闭泵出口阀，检查压差计指示液面是否水平。
若不等，应分析原因，并考虑是否重作。
若相等，则停泵，清理现场。
五、实验数据记录及处理
1、实验记录表
序号
孔板流量计R（cm）
计量槽流量
正
负
槽高度
时间
2、数据处理表
流量Vs，m3/s
压差计R,mm
雷诺数Re
孔流系数
孔板
C0
Cv
六、实验报告要求
1、在单对数坐标纸上绘出C0~Re、Cv~Re曲线；
2、在双对数坐标纸上绘出流量V与压差计读数R之间的关系，并量出其斜率；
3、讨论实验结果。
七、思考题
1、C0、Cv分别与哪些因素有关?
2、孔板流量计安装时应注意什么问题?
3、孔板流量计、文氏流量计和转子流量计比较各有何优缺点?
4、如何检查系统的排气是否完全?
5、离心泵启动时应注意什么?
五．实验数据记录及整理
1．
实验数据记录
实验四雷诺实验
研究流体流动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。
1883年雷诺（Reynolds）首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在层流和湍流两种不同型态，以及两种不同型态的转变过程。
本实验的目的，是通过雷诺实验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。
经许多研究者实验证明：
流体流动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。
将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准数（或雷诺数），即
（1）
d—导管直径，m；
ρ—流体密度，Kg/m3；
μ—流体粘度，Pa•s；
u—流体流速，m/s。
大量实验测得：
当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流型恒为层流；
当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。
在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过度区域。
对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。
一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。
应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变的，两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。
雷诺实验装置主要由稳压溢流水槽、实验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。
自来水不断注入并充满稳压溢流水槽。
稳压溢流水槽的水流经实验导管和流量计，最后排入下水道。
稳压溢流水槽的溢流水也直接排入下水道。
水流量由调节阀调节。
图1雷诺实验装置及流程
1.示踪剂瓶；
2.稳压溢流水槽；
3.实验导管；
4.转子流量计；
V01.示踪剂调节阀；
V02.上水调节阀；
V03.水流量调节阀；
V04.泄水阀；
V05.泄水阀；
V06.放风阀。
实验前准备工作：
（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。
将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与计头之间管路内的空气。
（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。
（3）用温度计测定水温。
实验操作步骤：
（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证实验时具有稳定的压头。
（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与实验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜，精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。
（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过实验导管的流速平稳地增大。
直至实验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算下临界雷诺数。
（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。
这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。
当流量增大到某一数值后，示踪剂（红墨水）一进入实验导管，立即被分散呈烟雾状，这时表明流体的流型已进入湍流区域。
记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。
上述实验操作需反复进行数次（至少5-6次），以便取得较为准确的实验致据。
实验操作注意事项：
（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入实验导管。
应注意适当调节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳。
红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。
（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。
（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。
实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。
五、实验结果整理
（1）实验设备基本参数
实验导管内径d=Фmm
（2）实验数据记录及整理
Vs
温度
T
粘度
μ
密度
ρ
流速
u
临界雷诺数
Re
实验现象及流型
m3/s
℃
Pa•s
Kg/m3
m/s
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
-
列出上表中各项计算式：
实验五离心泵特性曲线的测定
实验五离心泵特性曲线的测定实验（新）
一、实验目的：
1.熟悉离心泵的操作方法。
2.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定及表示方法、加深对离心泵性能及特点的了解。
二、实验内容：
1.熟悉离心泵的结构与操作方法。
2.测定某型号离心泵在一定转速下的特性曲线。
三、实验原理：
离心泵是最常见的液体输送设备。
在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率N及效率η均随流量Q而改变。
通常通过实验测出H—Q、N—Q及η—Q关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。
特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。
泵特性曲线的具体测定方法如下：
（1）H的测定：
在泵的吸入口和排出5之间列伯努利方程
（2）
上式中
是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努力方程中其它项比较，
值很小，故可忽略。
于是上式变为：
（3）
将测得的
和
的值以及计算所得的
代入上式，即可求得H。
（2）N测定：
功率表测得的功率为电动机的输入功率。
由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。
即：
泵的轴功率N=电动机的输出功率，Kw
电动机输出功率=电动机输入功率×
电动机效率。
泵的轴功率=功率表读数×
电动机效率，Kw。
（3）
测定
（4）
（5）
—泵的效率；
N—泵的轴功率，Kw；
Ne-泵的有效功率Kw；
H—泵的扬程，m；
Q—泵的流量，m3/s；
-水的密度，Kg/m3。
四、实验装置的基本情况：
1.实验装置流程示意图：
图-2流动过程综合实验流程示意图
1-水箱；
2-水泵；
3-入口真空表；
4-出口压力表；
5、16-缓冲罐；
6、14-测局部阻力近端阀；
7、15-测局部阻力远端阀；
8、17-粗糙管测压阀；
9、21-光滑管测压阀；
10-局部阻力阀；
11-文丘里流量计（孔板流量计）；
12-压力传感器；
13-涡流流量计；
18、32-阀门；
20-粗糙管阀；
22-小
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