機械能轉(zhuǎn)化實驗書(含演示操作)

1、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。2.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。3.定量考察流體流經(jīng)直管段時，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行，因此研究流體在管內(nèi)的流動是化學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)性方程：1vdA2 vdA（ 11）12根據(jù)平均流速的定義，有1 u1 A12

2、 u 2 A2 （ 12）即m1 m2 （ 1 3）而對均質(zhì)、不可壓縮流體，12 常數(shù) ，則式（ 1 2）變?yōu)閡1 A1u2 A2 （ 14）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， Ad 2 / 4 ， d 為直徑，于是式（ 1 4）可轉(zhuǎn)化為u1 d1 2u2 d 2 2 （ 1 5）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）為：u12p1hez2u2

3、2p 2hf（1 6）z1g2gg2g顯然，上式中各項均具有高度的量綱，z 稱為位頭， u 2/ 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，h f稱為壓頭損失。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h f0 ，若此時又無外加功加入，則機械能衡算方程變?yōu)椋?p12p2u1z2u2z1g2g（17）2 gg式（ 1 7）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 u0 ， he0 ， h f0 ，于是機械能衡算方程變?yōu)閜1

4、z2p 2（ 18）z1gg式（ 1 8）即為流體靜力學方程，可見流體靜止狀態(tài)是流體流動的一種特殊形式。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，這一現(xiàn)象最早是由雷諾（ Reynolds）于 1883 年首先發(fā)現(xiàn)的。流體作層流流動時，其流體質(zhì)點作平行于管軸的直線運動，且在徑向無脈動；流體作湍流流動時，其流體質(zhì)點除沿管軸方向作向前運動外，還在徑向作脈動，從而在宏觀上顯示出紊亂地向

5、各個方向作不規(guī)則的運動。流體流動型態(tài)可用雷諾準數(shù)（ Re）來判斷，這是一個無因次數(shù)群，故其值不會因采用不同的單位制而不同。但應(yīng)當注意，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，則雷諾準數(shù)可用下式表示：Redu（1 9）式中： Re 雷諾準數(shù)，無因次；d 管子內(nèi)徑， m；u 流體在管內(nèi)的平均流速，m s；流體密度， kg m3；流體粘度； Pa·s。式（ 1 9）表明，對于一定溫度的流體，在特定的圓管內(nèi)流動，雷諾準數(shù)僅與流體流速有關(guān)。層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，用Re c表示。工程上一般認為，流體在直圓管內(nèi)流動時，當 Re2000 時為層流；當Re>400

6、0 時，圓管內(nèi)已形成湍流；當Re 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)，這要視外界干擾而定，一般稱這一 Re 數(shù)范圍為過渡區(qū)。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

7、測定單管壓力計5 處的中心點速度。在本實驗裝置中設(shè)置了兩種進了方式：1、高位槽進料；2、直接泵輸送進料，設(shè)置這兩種方式是為了讓學生有對比，當然直接泵進料液體是不穩(wěn)定的，會產(chǎn)生很多空氣，這樣實驗數(shù)據(jù)會有波動，所以一般在采集數(shù)據(jù)的時候建議采用高位槽進料。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)，通過循環(huán)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，可觀察流體靜止狀態(tài)時各管段高度。2.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。3.改變流量

8、，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)。4.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。注意 ：（ 1）若不是長期使用該裝置，對下水槽內(nèi)液體也應(yīng)作排空處理，防止沉積塵土，否則可能堵塞測速管。（ 2）每次實驗開始前，也需先清洗整個管路系統(tǒng)，即先使管內(nèi)流體流動數(shù)分鐘，檢查閥門、管段有無堵塞或漏水情況。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u1（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（1 7

9、），且由于 1、 2 處等高，則有：p1u12p 2u2 2（ 1 10）g2gg2g其中，兩者靜壓頭差即為單管壓力計1 和 2 讀數(shù)差（ mH 2O），由此可求得流體在2 處的平均流速u2。令 u2 代入式（ 1 5），驗證連續(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。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。4. 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，具體考察直管阻力系數(shù)的測定可使