機(jī)械能轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)械能轉(zhuǎn)化演示實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀測(cè)動(dòng)、靜、位壓頭隨管徑、位置、流量的變化情況，驗(yàn)證連續(xù)性方程和柏努利方程。2.定量考察流體流經(jīng)收縮、擴(kuò)大管段時(shí)，流體流速與管徑關(guān)系。3.定量考察流體流經(jīng)直管段時(shí)，流體阻力與流量關(guān)系。4.定性觀察流體流經(jīng)節(jié)流件、彎頭的壓損情況。二、基本原理 化工生產(chǎn)中，流體的輸送多在密閉的管道中進(jìn)行，因此研究流體在管內(nèi)的流動(dòng)是化學(xué)工程中一個(gè)重要課題。任何運(yùn)動(dòng)的流體，仍然遵守質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，這是研究流體力學(xué)性質(zhì)的基本出發(fā)點(diǎn)。1.連續(xù)性方程對(duì)于流體在管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的質(zhì)量守恒形式表現(xiàn)為如下的連續(xù)性方程： （11）根據(jù)平均流速的定義，有 （12）

2、即 （13）而對(duì)均質(zhì)、不可壓縮流體，則式（12）變?yōu)?（14）可見(jiàn)，對(duì)均質(zhì)、不可壓縮流體，平均流速與流通截面積成反比，即面積越大，流速越?。环粗?，面積越小，流速越大。對(duì)圓管，為直徑，于是式（14）可轉(zhuǎn)化為 （15） 2.機(jī)械能衡算方程運(yùn)動(dòng)的流體除了遵循質(zhì)量守恒定律以外，還應(yīng)滿足能量守恒定律，依此，在工程上可進(jìn)一步得到十分重要的機(jī)械能衡算方程。對(duì)于均質(zhì)、不可壓縮流體，在管路內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，其機(jī)械能衡算方程（以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)）為： （16）顯然，上式中各項(xiàng)均具有高度的量綱，稱為位頭，稱為動(dòng)壓頭（速度頭），稱為靜壓頭（壓力頭），稱為外加壓頭，稱為壓頭損失。關(guān)于上述機(jī)械能衡算方程的討論：（1）理想流

3、體的柏努利方程無(wú)黏性的即沒(méi)有黏性摩擦損失的流體稱為理想流體，就是說(shuō)，理想流體的，若此時(shí)又無(wú)外加功加入，則機(jī)械能衡算方程變?yōu)椋?（17）式（17）為理想流體的柏努利方程。該式表明，理想流體在流動(dòng)過(guò)程中，總機(jī)械能保持不變。（2）若流體靜止，則，于是機(jī)械能衡算方程變?yōu)?（18）式（18）即為流體靜力學(xué)方程，可見(jiàn)流體靜止?fàn)顟B(tài)是流體流動(dòng)的一種特殊形式。 3.管內(nèi)流動(dòng)分析按照流體流動(dòng)時(shí)的流速以及其它與流動(dòng)有關(guān)的物理量（例如壓力、密度）是否隨時(shí)間而變化，可將流體的流動(dòng)分成兩類(lèi)：穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的流體流動(dòng)，多可視為穩(wěn)定流動(dòng)，在開(kāi)工或停工階段，則屬于不穩(wěn)定流動(dòng)。流體流動(dòng)有兩種不同型態(tài)，即層流

4、和湍流，這一現(xiàn)象最早是由雷諾（Reynolds）于1883年首先發(fā)現(xiàn)的。流體作層流流動(dòng)時(shí)，其流體質(zhì)點(diǎn)作平行于管軸的直線運(yùn)動(dòng)，且在徑向無(wú)脈動(dòng)；流體作湍流流動(dòng)時(shí)，其流體質(zhì)點(diǎn)除沿管軸方向作向前運(yùn)動(dòng)外，還在徑向作脈動(dòng)，從而在宏觀上顯示出紊亂地向各個(gè)方向作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。流體流動(dòng)型態(tài)可用雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re）來(lái)判斷，這是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群，故其值不會(huì)因采用不同的單位制而不同。但應(yīng)當(dāng)注意，數(shù)群中各物理量必須采用同一單位制。若流體在圓管內(nèi)流動(dòng)，則雷諾準(zhǔn)數(shù)可用下式表示： （19）式中：Re 雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次； d 管子內(nèi)徑，m； u 流體在管內(nèi)的平均流速，ms； 流體密度，kgm3； 流體粘度；Pa·s。 式（

5、19）表明，對(duì)于一定溫度的流體，在特定的圓管內(nèi)流動(dòng)，雷諾準(zhǔn)數(shù)僅與流體流速有關(guān)。層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，用Re c表示。工程上一般認(rèn)為，流體在直圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，當(dāng)Re2000時(shí)為層流；當(dāng)Re>4000時(shí)，圓管內(nèi)已形成湍流；當(dāng)Re在2000至4000范圍內(nèi)，流動(dòng)處于一種過(guò)渡狀態(tài)，可能是層流，也可能是湍流，或者是二者交替出現(xiàn)，這要視外界干擾而定，一般稱這一Re數(shù)范圍為過(guò)渡區(qū)。三、裝置流程該裝置為有機(jī)玻璃材料制作的管路系統(tǒng)，通過(guò)泵使流體循環(huán)流動(dòng)。管路內(nèi)徑為30mm，節(jié)流件變截面處管內(nèi)徑為15mm。單管壓力計(jì)1和2可用于驗(yàn)證變截面連續(xù)性方程，單管壓力計(jì)1和3可用于比較流體經(jīng)節(jié)流件后的

6、能頭損失，單管壓力計(jì)3和4可用于比較流體經(jīng)彎頭和流量計(jì)后的能頭損失及位能變化情況，單管壓力計(jì)4和5可用于驗(yàn)證直管段雷諾數(shù)與流體阻力系數(shù)關(guān)系 ，單管壓力計(jì)6與5配合使用，用于測(cè)定單管壓力計(jì)5處的中心點(diǎn)速度。在本實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置了兩種進(jìn)了方式：1、高位槽進(jìn)料；2、直接泵輸送進(jìn)料，設(shè)置這兩種方式是為了讓學(xué)生有對(duì)比，當(dāng)然直接泵進(jìn)料液體是不穩(wěn)定的，會(huì)產(chǎn)生很多空氣，這樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有波動(dòng)，所以一般在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候建議采用高位槽進(jìn)料。四、演示操作1.先在下水槽中加滿清水，保持管路排水閥、出口閥關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)循環(huán)泵將水打入上水槽中，使整個(gè)管路中充滿流體，并保持上水槽液位一定高度，可觀察流體靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)各管段高度。2

7、.通過(guò)出口閥調(diào)節(jié)管內(nèi)流量，注意保持上水槽液位高度穩(wěn)定（即保證整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)），并盡可能使轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)在刻度線上。觀察記錄各單管壓力計(jì)讀數(shù)和流量值。3.改變流量，觀察各單管壓力計(jì)讀數(shù)隨流量的變化情況。注意每改變一個(gè)流量，需給予系統(tǒng)一定的穩(wěn)流時(shí)間，方可讀取數(shù)據(jù)。4.結(jié)束實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉循環(huán)泵，全開(kāi)出口閥排盡系統(tǒng)內(nèi)流體，之后打開(kāi)排水閥排空管內(nèi)沉積段流體。注意：（1）若不是長(zhǎng)期使用該裝置，對(duì)下水槽內(nèi)液體也應(yīng)作排空處理，防止沉積塵土，否則可能堵塞測(cè)速管。（2）每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，也需先清洗整個(gè)管路系統(tǒng)，即先使管內(nèi)流體流動(dòng)數(shù)分鐘，檢查閥門(mén)、管段有無(wú)堵塞或漏水情況。五、數(shù)據(jù)分析1. h1和h2的分析由轉(zhuǎn)子

8、流量計(jì)流量讀數(shù)及管截面積，可求得流體在1處的平均流速u(mài)1（該平均流速適用于系統(tǒng)內(nèi)其他等管徑處）。若忽略h1和h2間的沿程阻力，適用柏努利方程即式（17），且由于1、2處等高，則有： （110） 其中，兩者靜壓頭差即為單管壓力計(jì)1和2讀數(shù)差（mH2O），由此可求得流體在2處的平均流速u(mài)2。令u2代入式（15），驗(yàn)證連續(xù)性方程。2. h1和h3的分析 流體在1和3處，經(jīng)節(jié)流件后，雖然恢復(fù)到了等管徑，但是單管壓力計(jì)1和3的讀數(shù)差說(shuō)明了能頭的損失（即經(jīng)過(guò)節(jié)流件的阻力損失）。且流量越大，讀數(shù)差越明顯。3. h3和h4的分析 流體經(jīng)3到4處，受彎頭和轉(zhuǎn)子流量計(jì)及位能的影響，單管壓力計(jì)3和4的讀數(shù)差明顯，且隨流量的增大，讀數(shù)差也變大，可定性觀察流體局部阻力導(dǎo)致的能頭損失。4. h4和h5的分析 直管段4和5之間，單管壓力計(jì)4和5的讀數(shù)差說(shuō)明了直管阻力的存在（小流量時(shí)，該讀數(shù)差不明顯，具體考察直管阻力系數(shù)的