化工基础实验讲义.docx
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化工基础实验讲义
实验一压头转换实验
一、实验目的
1.理解留题流动中各种能量与压头的概念及其相互转换关系，进而掌握柏努利方程；
2.观察流速与压头的变化规律
二、实验原理
1.流体在流动时具有三种机械能，即
（1）位能、
（2）动能、（3）静压能。
这三种能量可以相互转换。
当管路条件（如位置高低、管径大小）改变时，他们便不断地自行转换。
如果粘度为零的理想流体，因为不存在因摩擦和碰撞而产生的机械能损失，那么同一管路的任何二个截面上尽管三种机械能彼此不一定相等，但是这三种机械能的总和是相等的。
2.对实际流体来说，则因为存在粘度，流动过程中总有一部分机械能因摩擦碰撞而损失，即转化为热能了。
而转化为热能的机械能在管路中是不能恢复的。
这样，对实际流体来说，两个截面上机械能的总和则是不相等的，两者差额就是流体在两个截面之间因摩擦和碰撞转化为热的机械能。
因此在进行机械能的衡算时，就必须讲这部分损失了的机械能加到第二个截面上面。
3.上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。
在流体力学中，把表示各种机械能的液体柱高度称为压头。
表示位能的称为位压头（H位）；表示动能的称为动压头（H动）；表示压力能的称为静压头（H静）；表示已损失的机械能称为损失压头（H损）。
4.当测压管上的小孔与水流方向垂直时，测压管的液位高度（从测压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的静压强大小；测压孔处液体的位压头则有测压孔的几何高度决定。
5.当测压管上的小孔正对水流方向时，测压管内液位将上升，上升的液体高度，即为测压孔处流体动压头。
它反映出该点处流体动能的大小。
这时测压管中液柱高度则为静压头和动压头之和。
6.任何两个截面之间，位压头、动压头和静压头三者总和之差即为损失压头。
它表示流体流经两个截面之间时机械能的损失。
损失压头与流体的动压头、流过的导管长度及管径有关。
其关系如下：
动压头越大，通过的管子越长，则压头损失越大，而管径增大则损失压头减小。
三、实验装置
实验装置由水槽、管路以及测压管三部分组成（见图1－1）。
水槽设有进水管与溢流管，用于保持液位恒定。
管路分为四段。
由大小不同的两种规格的玻璃管组成，其中A截面的直径14mm；B截面的直径28mm；C截面、D截面的直径14mm；以D截面中心线为零基准面（即标尺为256毫米）ZD=153。
A截面和D截面的距离为103mm。
每段管路上设有二支玻璃的测压管，左边一支可测量该截面的静压头，右边一支测压孔正对水流，可测动压头与静压头之和。
图1－1压头转换实验装置
四、实验步骤
1.将低位槽灌有一定数量的水，关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导管出口调节阀门而后启动离心泵。
2.逐步开大离心泵出口调节阀当高位槽溢流管有液体溢流后，调节导管出口调节阀为全开位置。
3.流体稳定后读取A、B、C、D截面静压头和冲压头并记录数据。
4.关小导管出口调节阀重复步骤。
5.分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结果。
6.关闭离心泵，实验结束。
五、使用设备时应注意的事项：
1．不要将离心泵出口调节阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导致高位槽液面不稳定。
2．当导管出口调节阀开大应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时应适当开大泵出口调节阀。
3．导管出口调节阀须缓慢地关小以免造成流量突然下降测压管中的水溢出管外。
4．注意排除实验导管内的空气泡。
5．离心泵不要空转和出口阀门全关的条件下工作。
六、数据记录
水温：
（一）压头测量结果
H项
值目
次别
位置
承接水量（ml）
承接水时间（s）
A
B
C
D
正对
垂直
正对
垂直
正对
垂直
正对
垂直
1
2
3
4
5
（二）流速计算
项目
位
置
动压头＋静压头（m）
静压头（m）
动压头（m）
点速度
（m•s-1）
平均流速（m•s-1）按所测体积流量计算
点A
点B
点C
点D
五、思考题
1.当进水阀关闭时，各测量管内液位高度H有无变化？
这一现象说明什么？
这一高度H的物理意义又是什么？
2.用静力学原理分析截面4和截面3的静压头哪个大？
为什么？
3.测压孔正对水流方向的测量管，其液位高度H’的物理意义是什么？
4.当进水调节阀全开时，截面1和截面2的静压头哪个大？
为什么？
5.当进水调节阀半开时，由所测得的实验数据计算截面3和截面4的压头损失。
实验二流体流动类型及临界雷诺数的测定
一、实验目的
1．观察流体流动过程中不同的流动型态及其变化过程；
2．测定流动型态变化时的临界雷诺数
二、实验原理
流体充满导管作稳态流动时基本上有两种明显不同的流动型态：
滞流（也叫层流）和湍流。
当流体在管中作滞流流动时，管内的流体各个质点沿管轴作相互平行而有规则的运动，彼此没有明显的干扰。
当流体作湍流流动时，各个质点紊乱地向各个不同的方向作无规则的运动。
流体的流动型态不仅与流体的平均流速有关，还与流体的粘度μ、密度ρ和管径d等因素有关。
也就是说流体的流动型态取决于雷诺准数的大小。
（2－1）
式中：
——管子内径（m）
——流体流速（m/s）
——流体密度（kg/m3）
——流体粘度（Pa•s或kg/m•s）
根据雷诺实验，流体在平直圆管中流动时，当雷诺数小于某一临界值时为滞流（或层流）；当雷诺数大于某一临界值时为湍流；当雷诺数介于二者之间时则为不稳定的过渡状态，可能为滞流，也可能为湍流。
对于一定温度下的某种介质在特定的圆管内流动时，流体的粘度μ、密度ρ和管径d等均为定值，故雷诺数Re仅为流体平均流速u的函数。
流体的流速确定后，雷诺数即可确定。
流体流动型态发生变化时的流速称为临界速度，其对应的雷诺数称为临界雷诺数。
本实验以水为介质、有色溶液为示踪物，使其以不同的流速通过平直玻璃管，便可观察到不同的流动型态，同时根据流动型态的变化，可确定临界速度与临界雷诺准数。
三、实验装置
本实验装置如图2－1所示，主要由稳压溢流水槽5、试验导管（内径24.2mm）6、缓冲水槽5和转子流量计6组成。
水由循环水泵供给或直接由自来水龙头输入稳压溢流水槽，经稳压后流经试验导管、缓冲水槽及转子流量计，最后流回低位水槽或排入下水道，稳压溢流槽溢流出来的水也返回低位槽或排入下水道。
示踪物由液瓶1经调节夹10、试验导管3……至下水道。
图2－1雷诺试验装置
四、实验步骤
1.雷诺实验的过程
（1）关闭流量调节阀10、7、9,打开进水阀3,使自来水充满水槽,并使其有一定的溢流量。
（2）轻轻打开阀门10,让水缓慢流过实验管道。
使红水全部充满细管道中。
（3）调节进水阀,维持尽可能小的溢流量。
（4）缓慢地适当打开红水流量调节夹,观察当前水流量下实验管内水的流动状况。
读取流量计的流量并计算出雷诺准数。
（5）增大进水阀3的开度，在维持尽可能小的溢流量的情况下提高水的流量。
使水通过试验导管的流速平稳地增大，至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动而呈明显的S型时，读取此时流量计的流量并计算出雷诺准数。
（6）继续开大调节阀3的开度，使水流量平稳增大。
当流量增大到某一数值后，红色溶液一进入试验导管立即被分散成烟雾状并迅速扩散到整个管子。
这表明流体的流动型态已成湍流。
记下此时流量计的流量并计算出雷诺准数。
（7）这样的试验操作反复数次（至少5－6次），以便取得重复性较好的试验数据。
2.实验结束时的操作
（1）关闭红水流量调节夹,使红水停止流动。
（2）关闭进水阀3,使自来水停止流入水槽。
（3）待实验管道的红色消失时,关闭阀门10。
（4）若日后较长时间不用,请将装置内各处的存水放净。
五、数据记录
1、试验设备基本参数：
试验导管内径：
d=24.2mm
2、试验数据记录与整理：
水温：
℃
水的密度：
kg/m3
水的粘度：
Pa•s
实验记录和数据整理可参考下表：
序号
流量
（L/h）
流速（m/s）
雷诺准数Re
观察现象
流型
1
管中一条红线
2
管中一条红线
管中一条红线
3
管中红线波动
4
管中红线波动
5
管中红线波动
6
红水扩散
7
红水扩散
8
红水扩散
六、思考题
1、影响流体流动型态的因素有哪些？
2、为什么说再实验时流速可作为判断流动型态的唯一依据？
3、生产中无法通过观察来判断管内流体的流动状态，你可用什么反复来判断呢？
试验三流量计的校正
一、实验目的
1、了解转子流量计的构造和工作原理；
2、掌握转子流量计的使用方法和校正方法；
3、测定流量与转子高度的校正曲线。
二、实验原理
转子流量计的构造如图3－1所示。
它是由一根垂直的略显锥形的玻璃管和转子（或称浮子）组成的。
锥形玻璃管截面积由上而下逐渐缩小，流体由下而上流过。
流量与环隙截面积大小成比例。
当流体以一定流量通过环隙，且作用于转子下端与上端的压力差、流体对转子的浮力和转子的重力三者相平衡时，转子就停留在一定的位置上。
流量发生变化时，转子将移到新的位置，继续维持新的平衡。
转子的位置高度反映流体的流量。
图3－1转子流量计
一定条件下，对于一定的流体，通过转子流量计的体积流量qv与转子所在位置的高度H成正比：
（3－1）
式中：
——流体的体积流量L/min（实测值）
——转子所处的高度（格数）
——常数（即校正系数）
通过实验可作出qv与H的校正曲线供使用，同时可求出校正系数K。
使用转子流量计时应注意以下几点：
1）流量计应垂直安装；
2）为防止混入机械杂质，在流量计上游应安装过滤装置；
3）读取不同形状转子的流量计刻度时，均应以转子最大截面处作为度数基准。
三、实验装置
本实验装置如图3－2所示。
用离心泵3将贮水槽1的水直接送到实验管路中，经涡轮流量计计量后分别进入到转子流量计、文丘里流量计，最后返回贮水槽1。
用文丘里流量计测量时把阀门5打开，阀门6关闭；转子流量计测量时把阀门6打开，阀门5关闭。
流量由调节阀5、6来调节，温度由铜电阻温度计测量。
测定时选定转子的高度，通过涡轮流量计或文丘里流量计计量水的流量，可知转子在这一高度上的实际流量。
通过多次改变转子的高度，测定相应高度的实际流量，即可作出转子流量计的校正曲线，求出校正系数K。
图3－2流量计实验流程示意图
1-水箱；2-放水阀；3-离心泵；4-排水阀；5-文丘里流量计调节阀；6-转子流量计调节阀；
7-转子流量计；8-文丘里流量计；9-平衡阀；10-压力传感器；11-涡流流量计
四、实验步骤
⒈关闭泵流量调节阀5、6，启动离心泵。
2测取转子流量计的性能，按流量从小到大的顺序进行实验。
在阀门5全关闭的情况下，用流量调节阀6调节流量，读取涡轮频率数和转子流量计读数。
3用温度计读取温度数据。
4实验
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