實(shí)驗(yàn)三：功率衰減器(Power Attenuator)

1、流體流動(dòng)（Fluid Flow）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)管中個(gè)點(diǎn)壓力隨著管中流體流速不同而變化之情形。2. 研討流體通過(guò)閥件，閥件開度與流體流速之關(guān)係。3. 研討流體通過(guò)閥件，在固定閥件開度，流體流速與閥件壓降之關(guān)係。4. 研討流體通過(guò)閥件，在固定流體流速，閥件開度與閥件壓降之關(guān)係。5. 研討流體通過(guò)口孔口流量計(jì)、文氏流量計(jì)及浮子流量計(jì)，流體流速與其壓降之關(guān)係。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 壓力(pressure) 和剪應(yīng)力(shear stress)所謂流體就是一群粒子能自由地相對(duì)互相移動(dòng)，不像固體流體不能永久地抵抗變形（扭曲）而在外力的影響下，流力直到應(yīng)力被另一外力移除或平衡掉才改變形態(tài)。而藉於流體和固

2、體差異最簡(jiǎn)單的證明就是固體在沒外部容器時(shí)會(huì)保持原來(lái)的形狀，但流體則否。當(dāng)放置容器時(shí)流體將填滿整個(gè)容器，在體積容許下，當(dāng)固體能位在容器中一小部份。分子在流體上是處?kù)兑话氵\(yùn)動(dòng)狀態(tài)之下，有動(dòng)能在氣體分子是相對(duì)地遠(yuǎn)離及有較高的隨意速度。換句話說(shuō)，液體的分子是絕對(duì)地互相接近和在他們隨意運(yùn)動(dòng)之下，每秒處?kù)陡嗟呐鲎病＿@將導(dǎo)致液體的隨意速度將更低於氣體。除了增加碰撞次數(shù)外，液體分子的臨時(shí)結(jié)合是由於較弱的化學(xué)鍵存在，因此進(jìn)一步抑制隨意速度。在容器壁上，流體分子和相對(duì)流體分子當(dāng)然靜止。這種狀態(tài)當(dāng)應(yīng)用在氣體上，得到有名的氣體動(dòng)力論而預(yù)測(cè)流體分子隨意速度則能從此方程式計(jì)算： ， 其中 c 是均方根速度（root m

3、ean square velocity）大部分液體和氣體均遵守此一方程式及可用牛頓流體描述。然而，一些純液體和許多液體或液體懸浮物並沒有遵守此定律。2. 流體流動(dòng)通過(guò)管柱：雷諾數(shù)當(dāng)一流體流動(dòng)通過(guò)一玻璃管或一表面，流動(dòng)的型態(tài)將隨流體的速度而改變。其物理性質(zhì)（尤其是黏度），亦會(huì)受到玻璃管是平滑面或粗糙面的影響。玻璃管的流體流動(dòng)情形在一百多年前（在1883年）由雷諾所測(cè)得，藉允許細(xì)的彩色水流進(jìn)入流動(dòng)管柱之流體床，但他僅明顯的陳述流動(dòng)型態(tài)之本質(zhì)。在低流速時(shí)此彩色水流延著玻璃管之軸依然保持細(xì)的細(xì)絲，但在高流速率時(shí)它逐漸擾亂直到它被破壞而和液體柱流混合在一起。流動(dòng)第一形態(tài)，在低流動(dòng)速度存在和當(dāng)流體行為如黏

4、稠方式。描述如層流，這摩擦拖曳力導(dǎo)致在接近壁層是靜止的，此交互作用力被重複抑制，此結(jié)果為層流速度範(fàn)圍從零到最大值（在玻璃管柱之中心）。當(dāng)流速增加時(shí)，流體次序結(jié)構(gòu)將被破壞和與巨大的流體混合，此時(shí)層流混合開始發(fā)生，更進(jìn)一步增加流動(dòng)速率。也就是說(shuō)，在流體速度造成完全混合則此流動(dòng)稱之為亂流（turbulent）。介於層流和亂流之間的過(guò)渡區(qū)被定義，當(dāng)它發(fā)生時(shí)此速度稱之為臨界速度，雷諾後來(lái)研究證明有關(guān)臨界速度的因素有以下四種 :（1）管柱直徑（2）流動(dòng)平均速度 = 體積流速 / 截面積（3）流體密度（4）流體黏度這些變數(shù)若仔細(xì)檢查，則能證明它們能夠跟臨界速度有關(guān)係： （3.1） （3.2）其中Rec=在臨

5、界速度之雷諾數(shù)這重新整理可得 檢查此方程式顯示它是無(wú)因次，此項(xiàng)即是著名的雷諾數(shù)。從實(shí)驗(yàn)顯示對(duì)圓滑管有圓切面，介於層流和亂流的雷諾數(shù)在 21004000 之間。Re <2100 流動(dòng)是層流Re >4000 流動(dòng)是完全亂流2100< Re <4000 流動(dòng)可能是層流或是亂流。3. 流體流過(guò)套管：速度輪廓（velocity profile）和層流副層（laminar sub-layer）流體流動(dòng)速率通過(guò)一圓管能夠以平均速度加以描述： （3.3）平均速度V: 體積流動(dòng)速率A: 截面積層流的速度輪廓是一拋物線，最大速度是平均速度的兩倍，當(dāng)亂流發(fā)生時(shí)此速度輪廓變平而最大速度大約是平

6、均速度的 l.25 倍。對(duì)亂流而言，顯示它至少是由四層所組成 :（1）此層實(shí)際上是接近牆而速度為零，在此層忽略厚度。（2）此層稍微遠(yuǎn)離牆移動(dòng)緩慢以致於它在層流為一層流副層。（3）此層接近層流副層但更遠(yuǎn)離牆，此流動(dòng)速度達(dá)到臨界雷諾值，對(duì)此系統(tǒng)以致於亂流開始發(fā)展成緩衝層。（4）此一完全混合層速度大約等於總平均速度。4. 流體流過(guò)套管與其壓降對(duì)力而言最方便測(cè)量是壓力，因?yàn)閴毫?= 作用力 / 面積 （3.4）因此建立流動(dòng)充分的力或壓力必定用到流體以致於克服阻力，因?yàn)榱魉倌鼙灰话戕D(zhuǎn)移方程式所引導(dǎo)流速 = 驅(qū)動(dòng)力 / 阻力 （3.5）流體流過(guò)管柱，阻力可被分類 :（1）表面摩擦阻力（2）膨脹或縮小阻力（

7、3）沈浸物體阻力（4）非恆溫阻力而至少有四種因素能被鑑定當(dāng)摩擦阻力對(duì)流體流動(dòng)之影響 :（1）粗糙參數(shù)（K）（2）相對(duì)組糙（K/D）（3）粗糙種類（4）套管材料實(shí)驗(yàn)顯示隨意粗糙比規(guī)律表面的改變有更多影響，因此材料有相同相對(duì)粗糙（K/D），可能有不同的影響。然而對(duì)新的和圓滑材料其範(fàn)圈相對(duì)較低，也就是其粗糙因子在 0.91.2之間，粗糙越低則套管越滑而有越低壓降。而由實(shí)驗(yàn)上，壓降被表面摩擦所造成而可由 Fanning equation 來(lái)表示 : （3.6）其中：由摩攘力造成壓降 v：流體平均速度 L：套管長(zhǎng)度：流體密度D：套管內(nèi)徑 f：Fanning 摩擦因子：重力常數(shù)而壓降對(duì)在圓管流動(dòng)遵守這種表

8、達(dá)式 : （3.7）其中是雷諾數(shù)函數(shù)，根據(jù)精確實(shí)驗(yàn)的條件：因此結(jié)合方程式 （3.8） （3.9）結(jié)果壓降實(shí)驗(yàn)測(cè)量和流動(dòng)允許f和Re之間關(guān)係式，可由圖得知。而圖可分為兩部份：一是層流另一是亂流對(duì)層流而言 （3.10）但從實(shí)驗(yàn) （Hagen-Poiseuille equation） （3.11）如果 ，則 （3.12）對(duì)亂流而言， f 隨雷諾數(shù)的改變是絕對(duì)嚴(yán)格。由一般實(shí)驗(yàn)：f 對(duì)3000 <NRe< 3,000,000之範(fàn)圍f 對(duì)5000 < NRe< 2,00,000如果管柱的直徑收縮改變或膨脹損失，流體流動(dòng)將再調(diào)整成新的條件式，hf = 流體液位 （3.13）其中Pe

9、= 從 a 到 b 膨脹所造成壓降A(chǔ)a=在a時(shí)之截面積Ab=在b時(shí)之截面積相似於 （3.14）如此改變也就是膨脹或限制，此壓降是不規(guī)則的，只能以經(jīng)驗(yàn)方式來(lái)進(jìn)行校正但此方程式採(cǎi)取相同一般公式： （3.15）其中 Kf = 管件的損失因素Va= 在管中流向管件的平均速度Kf = 2.2 折回彎管 （3.16）= 1.8T 形管= 0.990 度肘管= 0.445 度肘管= 0.210 閥摩擦壓降能強(qiáng)烈被溫度改變所影響，當(dāng)流體黏度本身深受溫度影響，而一簡(jiǎn)單校正能被應(yīng)用，例如： （3.17）其中f' =校正後之摩擦因子f =恆溫下之摩擦因子 =校正函數(shù) NRs < 2100 = （對(duì)熱流

10、體）其中 ：在整體溫度之黏度w：在管壁溫度之黏度5. 白努利定律：討論及應(yīng)用在程序工業(yè)上，流體在套管上能輸送。而在一些場(chǎng)合上也可能使用重力來(lái)輸送材料，但普通情況下必須使用幫浦來(lái)輸送材料。任何在工廠上幫浦的使用，必須承受克服其黏滯力和抵抗管壁流體的摩擦力。如果流體是在亂流，則多餘的能量將需要去克服漩渦流動(dòng)。當(dāng)（1）提高熱傳速率，阻止熱傳使其幾乎完全侷限在寬的區(qū)域?qū)?。?duì)亂流而言是明顯比層流好。（2）對(duì)相同流速而言，套管直徑需要層流遠(yuǎn)大於需要亂流。（3）白努利方程式的證明?？紤]逐漸增加直徑的套管流體之流動(dòng)，流體在描述動(dòng)能以流動(dòng)圖示表示，這些趨勢(shì)在此區(qū)域能串起。而流動(dòng)面積是壓縮 （例如：侷限在一套管上

11、）且進(jìn)一步遠(yuǎn)離此區(qū)域，此流動(dòng)是擴(kuò)散的（例如：當(dāng)套管在直徑擴(kuò)大）現(xiàn)在考慮一單元流線和假設(shè)流動(dòng)方向，如圖一所示。截面積從入口到水流管是 a ，其出口是 a + da ，在流動(dòng)方向單元長(zhǎng)度是 ds 。從入口到此單位之壓力為P，在出口壓力 P + dp，入口流體流動(dòng)速度是 u，其出口速度為 u + du。在流動(dòng)方向，力能被分析成：A：在入口到流動(dòng)單位之力為 FlFl=Pa （壓力 = 作用力 / 單位面積） （3.18）B：在出口到流動(dòng)單位之力為 F2F2= -（P + dP）（a+da） （3.19）當(dāng)忽略第二次項(xiàng)則變成 F2= -（aP + adP + Pda） （3.20）C：在流動(dòng)元素側(cè)邊之力

12、是 F3如果流動(dòng)元素之長(zhǎng)度 ds 能考慮非常小，則在流動(dòng)元素側(cè)邊之平均壓力是 P+dP/2。在流動(dòng)方向，當(dāng)截面積從 a 到 a + da 逐漸增加，此時(shí)壓力作用力將有分量加在流動(dòng)方向。因此，流動(dòng)方向的壓力作用力將作用在增加面積，也就是 da 和在流動(dòng)方向力的向量變成F3 = da（p+dp/2） （3.21） = Pda（忽略第二次項(xiàng)）D：由於重力所形成之作用力 F4流體元素質(zhì)量 m 可定義成體積 X 密度 （3.22）其中（a+da/2）是平均截面積 重力所形成作用力可寫成 （3.23）但一般第二次項(xiàng)能被忽略，因此 （3.24）作用力垂直向下，但只有和流動(dòng)方向的力分量是有關(guān) 的。所有在流動(dòng)方

13、向F4變成 （3.25）圖一 流體在管中的流動(dòng)其中是水平方向流動(dòng)元素之傾斜角度 （3.26）在流動(dòng)方向之總作用力能計(jì)算成： （3.27）牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律陳述動(dòng)量改變率是直接跟應(yīng)力成正比。在流動(dòng)方向之應(yīng)力是在上方程式之右手邊，動(dòng)量改變率能被計(jì)算： 動(dòng)量= （3.28） 動(dòng)量改變率=而du/dt能被寫成 （3.29）du/dt=加速度ds/dt=速度=udu/dt=udu/ds當(dāng)流動(dòng)元素之質(zhì)量可表示成M=（a+da/2）ds （3.30）而動(dòng)量改變率從方程式可得（a+da/2）dsudu/ds （3.31）忽略第二項(xiàng)變成audu使用牛頓第二定律動(dòng)量改變率等於audu=-adP-agdz （3.32

14、）兩邊同除以g得到 （3.33）在兩邊積分全項(xiàng)得 （3.34）如果假設(shè)流體密度是一常數(shù)也就是說(shuō)如果流體是假設(shè)不可壓縮則進(jìn)一步簡(jiǎn)化成 （3.35）此方程式通常意指為白努力方程式流體所具有動(dòng)能流體由於壓力存在所具有之能量流體所具有之位能因此對(duì)兩之位置或位置1和2 （3.36）而上方程式能被寫成+能量損失 （3.37）三、裝置設(shè)備四、注意事項(xiàng)1. 保持水位在馬達(dá)之進(jìn)料管水平線之上面 25 公分。2. 馬達(dá)大約需熱機(jī) 20 分鐘。3. 管線中的氣泡必須趕完全。4. 浮子流量計(jì)流量之讀取，以浮子流量計(jì)面積最大處。5. 更換閥區(qū)時(shí)，要先關(guān)閉馬達(dá)，才可進(jìn)行閥的調(diào)整。五、問題與討論1. 試述流體流量測(cè)定儀器之

15、分類，並列舉五種常用流體流量計(jì)，說(shuō)明其應(yīng)用原理。2. 討論孔口流量計(jì)與文氏流量計(jì)之方法與步驟。3. 試比較各類閥構(gòu)造上的差異，及各種管件的用途。六、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用1. 閥製品主要應(yīng)用之行業(yè)閥製品下游業(yè)者涵蓋極廣，如半導(dǎo)體業(yè)、造船業(yè)、家庭衛(wèi)浴業(yè)、石油業(yè)、一般機(jī)械業(yè)、發(fā)電事業(yè)、化工業(yè)及自來(lái)水業(yè)等均有使用。2. 馬桶水箱之球閥抽水箱面有一個(gè)控制水的機(jī)關(guān)，可控制沖水的，自動(dòng)調(diào)解水，是一個(gè)沖水及補(bǔ)水的系統(tǒng)循環(huán)。3. 彎管流量計(jì)n 原理彎管流量計(jì)是屬於壓差式流量計(jì)的一種。利用原有管道上之90度轉(zhuǎn)彎處(可為垂直向上轉(zhuǎn)彎水平、水平向下轉(zhuǎn)彎垂直，或水平方向左右轉(zhuǎn)彎三種)，或是在有限的 直管段中創(chuàng)造一小段180度彎管，

16、安裝彎管傳感器，用以量測(cè)管內(nèi)流體因流速變化自然產(chǎn)生的微量壓力差值。n 應(yīng)用由於彎管流量計(jì)對(duì)上述多種流體測(cè)量的適應(yīng)性好，可滿足高溫、高壓、腐蝕等條件，所以可以應(yīng)用在多種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵廠、熱力廠、電力廠、石化廠、氣體廠、造紙廠、製藥廠、水廠等。參考資料1. 張簡(jiǎn)國(guó)平編著，單元操作實(shí)驗(yàn)，高立圖書，78 年二版。2. 羅文偉等編著，單元操作實(shí)驗(yàn)，高立圖書有限公司，78 年三版。3. Mc Cabe, Jalian C. Smith and Peter Harriott, "Unit Operations of Chemical Engineering", McGraw-Hill,

17、 Ine, 5th, 19944. 經(jīng)濟(jì)部技術(shù)處產(chǎn)業(yè)技術(shù)知識(shí)服務(wù)計(jì)畫2005年金屬製品業(yè)年鑑閥製品篇。實(shí)驗(yàn)步驟：壹實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備流程：1. 啟動(dòng)電源開關(guān)。2. 實(shí)驗(yàn)前先觀察水位是否達(dá)到刻度線，若低於刻度線則利用洗滌瓶加水至刻度線。3. 先打開A、B、C三管路使其保持通路後，開啟馬達(dá)使系統(tǒng)穩(wěn)定並趕走氣泡約510分鐘貳實(shí)驗(yàn)步驟：管路流體差壓與摩擦實(shí)驗(yàn)（A區(qū)：點(diǎn)1點(diǎn)11）1. 先關(guān)閉馬達(dá)2. 先關(guān)閉B區(qū)及C區(qū)的開關(guān)閥，只打開A區(qū)的開關(guān)閥3. 將浮子流量計(jì)全開後，打開馬達(dá)開關(guān)，使系統(tǒng)穩(wěn)定並趕走氣泡約35分鐘。4. 觀察最大流量時(shí)浮子流量計(jì)的讀數(shù)，並從最大流量與流量12 L/min中取4個(gè)點(diǎn)（要取最大間格且

18、為偶數(shù)的點(diǎn)）。調(diào)整完待其穩(wěn)定後開始量測(cè)各點(diǎn)之壓力。管路流體差壓與摩擦實(shí)驗(yàn)（C區(qū)：點(diǎn)17點(diǎn)23）1. 完成A區(qū)後先關(guān)閉馬達(dá)2. 關(guān)閉A區(qū)及B區(qū)的開關(guān)閥後，只打開C區(qū)的開關(guān)閥3. 將浮子流量計(jì)全開後，打開馬達(dá)開關(guān)，使系統(tǒng)穩(wěn)定並趕走氣泡約 35分鐘4. 觀察最大流量時(shí)浮子流量計(jì)的讀數(shù)，並從最大流量與流量12 L/min中取4個(gè)點(diǎn)（要取最大間格且為偶數(shù)的點(diǎn)）。調(diào)整完待其穩(wěn)定後開始量測(cè)各點(diǎn)之壓力 閥開度與流量影響實(shí)驗(yàn)1（B區(qū)：點(diǎn)12點(diǎn)16）1. 完成C區(qū)後先關(guān)閉馬達(dá)2. 關(guān)閉A區(qū)及C區(qū)的開關(guān)閥後，只打開B區(qū)的開關(guān)閥3. 確認(rèn)B區(qū)中各種閥（隔膜閥、球閥、栓閥、手控閥）可以開關(guān)的大小各為幾圈（隔膜閥2.5圈

19、、栓閥6.5圈、手控閥5.5圈以上數(shù)值為參考，請(qǐng)各位同學(xué)自行實(shí)驗(yàn)）4. 將浮子流量計(jì)全開後，打開馬達(dá)開關(guān)，使系統(tǒng)穩(wěn)定並趕走氣泡約35分鐘。5. 進(jìn)行閥開度與流量影響實(shí)驗(yàn)（1）隔膜閥從全開開始每半圈紀(jì)錄一次流量，至2圈為止（2）栓閥從全開開始每圈紀(jì)錄一次流量，至6圈為止（3）手控閥從全開開始每一圈紀(jì)錄一次流量，至5圈為止閥開度與流量影響實(shí)驗(yàn)2（B區(qū)：點(diǎn)12點(diǎn)16）1. 完成閥開度與流量影響實(shí)驗(yàn)1後，先關(guān)閉馬達(dá)。2. 再次確認(rèn)是否已關(guān)閉A區(qū)及C區(qū)的開關(guān)閥後，打開B區(qū)全部的開關(guān)閥。3. 將浮子流量計(jì)全開後，打開馬達(dá)開關(guān)，使系統(tǒng)穩(wěn)定並趕走氣泡約35分鐘。4. 分別觀察隔膜閥、球閥、栓閥、手控閥浮子流量

20、計(jì)全開時(shí)的最大流量讀數(shù)，並從閥開度最小的最大流量與流量12 L/min中取4個(gè)點(diǎn)（要取最大間格且為偶數(shù)的點(diǎn)）。調(diào)整完後開始量測(cè)每種閥的前後各點(diǎn)之壓力5. 閥的測(cè)量： （1）隔膜閥的測(cè)量：全開球閥、栓閥、手控閥，從全開開始每半圈紀(jì)錄一次流量，至2圈為止。紀(jì)錄點(diǎn)12及點(diǎn)13的壓力值。 （2）栓閥的測(cè)量：全開隔膜閥、球閥、手控閥，從全開開始每圈紀(jì)錄一次流量，至6圈為止。紀(jì)錄點(diǎn)14及點(diǎn)15的壓力值。 （3）手控閥的測(cè)量：全開隔膜閥、球閥、栓閥，從全開開始每圈紀(jì)錄一次流量，至5圈為止。紀(jì)錄點(diǎn)15及點(diǎn)16的壓力值。6. 完成實(shí)驗(yàn)後，先關(guān)閉馬達(dá)並打開A、B、C三管路使其保持通路，關(guān)閉電源後，方可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

21、伍注意事項(xiàng)：（1）保持水位在馬達(dá)之進(jìn)料管水平線之上面 25 公分。（2）馬達(dá)熱機(jī)約 20 分鐘。（3）管線中不能有氣泡存在。（4）讀取浮子流量計(jì)面積最大處。（5）更換閥區(qū)，必須先關(guān)閉馬達(dá)，才可進(jìn)行閥的調(diào)整。（6）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，確保其中一區(qū)為通路，以免爆管。如何取點(diǎn)？ 例如：浮子流量計(jì)最大流量為40 L/min、最小實(shí)驗(yàn)流量為12 L/min （40-12）÷3=91 （因?yàn)橐x擇偶數(shù)，所以選擇每增加8 L/min做一次實(shí)驗(yàn)，即選擇12 L/min、20 L/min、28 L/min、36 L/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）元智大學(xué)列管實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所安全作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)種類：化工與材料實(shí)驗(yàn)分類編號(hào)：R2003-003作業(yè)名稱：流體流動(dòng)訂定日期：101年04月07日作業(yè)方式：34人作業(yè)修訂日期：101年04月07日處理對(duì)象：水標(biāo)準(zhǔn)製作人：李忠錂 分機(jī)：2552使用器具：流體流動(dòng)、馬達(dá)防護(hù)器具：安全眼鏡工作步驟工作方法不安全因素安全措施事故處理1.作業(yè)前1-1檢查水位1-2將管路保持暢通2.作業(yè)中2-1進(jìn)行差壓與摩擦實(shí)驗(yàn)2-1 管路全部關(guān)閉會(huì)造成爆管2-