實驗一機械能轉(zhuǎn)化實驗指導(dǎo)書資料

1、機械能轉(zhuǎn)化實驗機械能轉(zhuǎn)化實驗實驗一機械能轉(zhuǎn)化實驗指導(dǎo)書 （含演示操作）機械能轉(zhuǎn)化演示實驗一、實驗?zāi)康?觀測動、靜、位壓頭隨管徑、位置、流量的變 化情況，驗證連續(xù)性方程和柏努利方程。.定量考察流體流經(jīng)收縮、擴大管段時，流體流 速與管徑關(guān)系。.定量考察流體流經(jīng)直管段時，流體阻力與流量 關(guān)系。.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行， 因此研究流體在管內(nèi)的流動是化學(xué)工程中一個重要課 題。任何運動的流體，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。1.連續(xù)性方程對于流體在管內(nèi)穩(wěn)定流動時的質(zhì)量守恒形式表現(xiàn)為 如下的連續(xù)性

2、方程：msi ms2(11)根據(jù)平均流速的定義，有1U1A1 2U2A2(1 2)第2頁共11頁一德州學(xué)院化學(xué)系機械能轉(zhuǎn)化實驗德州學(xué)院化學(xué)系機械能轉(zhuǎn)化實驗德州學(xué)院化學(xué)系而對均質(zhì)、不可壓縮流體，1 2常數(shù)，則式（1 2） 變?yōu)閡1 A1 u2 A2（1 3）可見，對均質(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??；反之，面積越 小，流速越大。對圓管，A d，4, d為直徑，于是式（1 3）可轉(zhuǎn)化 為1 2-3d1 u2d2（1 4）2.機械能衡算方程運動的流體除了遵循質(zhì)量守恒定律以外，還應(yīng)滿足 能量守恒定律，依此，在工程上可進一步得到十分重 要的機械能衡算方程。對于均質(zhì)、不

3、可壓縮流體，在管路內(nèi)穩(wěn)定流動時， 其機械能衡算方程（以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)）為：22U1 P1 ,u2 P2 乙he Z2hf2gg2gg（1 5）顯然，上式中各項均具有高度的量綱，z稱為位頭， u2/2g稱為動壓頭（速度頭），P/ g稱為靜壓頭（壓力頭）， he稱為外加壓頭，hf稱為壓頭損失。第3頁共11b機械能轉(zhuǎn)化實驗第 #頁共11頁德州學(xué)院化學(xué)系機械能轉(zhuǎn)化實驗第 頁共11頁德州學(xué)院化學(xué)系機械能轉(zhuǎn)化實驗第 頁共11頁德州學(xué)院化學(xué)系關(guān)于上述機械能衡算方程的討論:(1)理想流體的柏努利方程無黏性的即沒有黏性摩擦損失的流體稱為理想流體，就是說，理想流體的hf 0,若此時又無外加功加入， 則機械能衡

4、算方程變?yōu)椋?2Ui PlU2 P2Zi 一 一 Z2 一 一2gg 2gg(1 6)式(1 6)為理想流體的柏努利方程。該式表明，理 想流體在流動過程中，總機械能保持不變。(2)若流體靜止，則u 0, he 0, hf 0,于是機械 能衡算方程變?yōu)镻iP2Zi 一 Z2 一 gg(1 7)式(1-7)即為流體靜力學(xué)方程，可見流體靜止?fàn)顟B(tài) 是流體流動的一種特殊形式。(3)若忽略h1和h2間的沿程阻力，且由于1、2處等高，則有： 22P1 U1 P2 U2 g 2g g 2g(1 8)其中，兩者靜壓頭差即為單管壓力計1和2讀數(shù)差(mH2O)3.管內(nèi)流動分析按照流體流動時的流速以及其它與流動有關(guān)的

5、物理 量（例如壓力、密度）是否隨時間而變化，可將流體 的流動分成兩類：穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動。連續(xù)生產(chǎn) 過程中的流體流動，多可視為穩(wěn)定流動，在開工或停 工階段，則屬于不穩(wěn)定流動。流體流動有兩種不同型態(tài)，即層流和湍流，可用 雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re）來判斷。若流體在圓管內(nèi)流動，則雷 諾準(zhǔn)數(shù)可用下式表示：duRe （1 9）式中：Re雷諾準(zhǔn)數(shù)，無因次；d一管子內(nèi)徑，m;u 流體在管內(nèi)的平均流速，m/s;一流體密度，kg/m3；流體粘度；Pas。式（19）表明，對于一定溫度的流體，在特定 的圓管內(nèi)流動，雷諾準(zhǔn)數(shù)僅與流體流速有關(guān)。工程上 一般認(rèn)為，流體在直圓管內(nèi)流動時，當(dāng) Re4000時，圓管內(nèi)已形成湍流；當(dāng) R

6、e在 2000至4000范圍內(nèi)，流動處于一種過渡狀態(tài)，可能 是層流，也可能是湍流，或者是二者交替出現(xiàn)，這要機械能轉(zhuǎn)化實驗第 頁共11頁德州學(xué)院化學(xué)系機械能轉(zhuǎn)化實驗德州學(xué)院化學(xué)系視外界干擾而定，一般稱這一 Re數(shù)范圍為過渡區(qū)4.直管阻力單管壓力計4和5的讀數(shù)差說明了直管阻力的存 在，根據(jù)機械能守恒計算得直管阻力，再根據(jù)hfLu1d2g(110)可推算得阻力系數(shù)，然后根據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)(1-9)式，作出兩者 入和Re關(guān)系曲線。ReRe5000時，貝U 入=0.316/ Re0.25,是一曲線040.090.0H0.070.060.050,040.030.0250.0200.015匚港0.0100 009

7、0 00Rsss?issiis?4000 時，則是符合 1/nRew 20009, 方規(guī)律。三、裝置流程該裝置為有機玻璃材料制作的管路系統(tǒng)，通過泵 使流體循環(huán)流動。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1和2可用于驗證變 截面連續(xù)性方程，單管壓力計1和3可用于比較流體 經(jīng)節(jié)流件后的能頭損失，單管壓力計 3和4可用于比 較流體經(jīng)彎頭和流量計后的能頭損失及位能變化情 況，單管壓力計4和5可用于驗證直管段雷諾數(shù)與流 體阻力系數(shù)關(guān)系，單管壓力計6與5配合使用，用于 測定單管壓力計5處的中心點速度。四、演示操作.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)，通過循環(huán)

8、泵將水打入上水槽中，使整 個管路中充滿流體，并保持上水槽液位一定高度，可 觀察流體靜止?fàn)顟B(tài)時各管段高度。第8頁共11頁機械能轉(zhuǎn)化實驗德州學(xué)院化學(xué)系機械能轉(zhuǎn)化實驗德州學(xué)院化學(xué)系.通過出口閥調(diào)節(jié)管內(nèi)流量，注意保持上水槽液 位高度穩(wěn)定（即保證整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動狀態(tài)），并 盡可能使轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)在刻度線上。觀察記錄各單 管壓力計讀數(shù)和流量值。.改變流量，觀察各單管壓力計讀數(shù)隨流量的變 化情況。注意每改變一個流量，需給予系統(tǒng)一定的穩(wěn) 流時間，方可讀取數(shù)據(jù)。.結(jié)束實驗，關(guān)閉循環(huán)泵，全開出口閥排盡系統(tǒng) 內(nèi)流體，之后打開排水閥排空管內(nèi)沉積段流體。五、數(shù)據(jù)記錄序亍、流量計/壓力計1/壓力計2/壓力計3/壓力計

9、4/壓力計5/壓力計6/102345六、數(shù)據(jù)處理及分析hl和h2的分析由轉(zhuǎn)子流量計流量讀數(shù)及管截面積，可求得流體在1處的平均流速ui （該平均流速適用于系統(tǒng)內(nèi)其他 等管徑處）。由1-2間列柏努利方程，可求得流體在 2 處的平均流速U2。令U2代入式（14）,驗證連續(xù)性 方程。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 第9頁共11頁|機械能轉(zhuǎn)化實驗第 頁共11頁德州學(xué)院化學(xué)系機械能轉(zhuǎn)化實驗第10頁共11頁一德州學(xué)院化學(xué)系管徑，但是單管壓力計1和3的讀數(shù)差說明了能頭的 損失（即經(jīng)過節(jié)流件的阻力損失）。且流量越大，讀數(shù) 差越明顯。h3和h4的分析流體經(jīng)3到4處，受彎頭和轉(zhuǎn)子流量計及位能的 影響，單管壓力計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。h4和h5的分析直管段4和5之間，單管壓力計4和5的讀數(shù)差 說明了直管阻力的存在（小流量時，該讀數(shù)差不明顯）， 根推算得阻力系數(shù)，然后根據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)，作出兩者關(guān) 系曲線。h5和h6的分析考察在不同雷諾準(zhǔn)數(shù)下，最大