化工原理实验讲义本.docx
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化工原理实验讲义本
化工原理实验
实验讲义
西南科技大学材料科学与工程学院
材料基础中心实验室
二○○八年八月
实验一、雷诺实验
一、实验目意义
雷诺实验是1883年奥斯本•雷诺(OsborneReynolds)所作的著名的实验。
通过本实验,对流体在管内流动的两大状态——层流和紊流加深认识和理解,学习和掌握流体力学实验技术的基本操作技能。
实验目的:
1.掌握转子流量计的标定方法;
2.掌握临界雷诺数的测定方法。
二、实验原理
流体在管内运动,在不同雷诺数下呈现不同的流动状态——层流和紊流。
雷诺揭示了重要的流体流动机理,即根据流速的大小,流体有两种不同的形态。
当流体流速较小时,流体质点只沿流动方向作一维的运动,与其周围的流体间无宏观的混合即分层流动这种流动形态称层流或滞流。
流体流速增大大于某个值后,流体质点除流动方向上的流动外,还向其它方向作随机的运动,即存在流体质点的不规则的脉动,这种流体形态称湍流。
三、实验装置:
图1雷诺实验装置示意图
四、实验内容
本实验内容包括:
转子流量计的标定;上临界雷诺数的测定;下临界雷诺数的测定。
五、实验方法与步骤
1.转子流量计的标定:
1)打开流量控制阀,待流量计的读数稳定。
2)流量计的读数稳定后,打开量筒的放水阀,放空量筒内的水。
3)关闭量筒的放水阀,观察量筒的水位计,并记下量筒的初始读数,同时开始计时。
4)待量筒水位计水位到达满水位时,终止计时,并记录量筒水位从初始读数到达终止满水位的时间,同时记下满水位的读数。
5)调节控制阀从小流量到大流量选择均匀分布的1~7点,重复上述步骤,然后再从大流量到小流量选择5~7个点,重复上述步骤。
6)关闭流量控制阀。
2.上临界雷诺数的测定:
1)打开流量控制阀,将流量控制在较小流量下,待转子流量计读数稳定。
2)逐渐打开红墨水控制阀,并调节红墨水的流量,使针形管红墨水的出流速度与当地流速一致(一致后喷出的红墨水为粗细均匀的红线)。
3)稳定后,观察红墨水色线状况,记录下转子流量计读数,在记录纸上描绘出色线形状。
4)以较小的步长,逐渐开大流量,重复上述步骤,直至红墨水色线形状完全消失,流动从层流转变为紊流。
3.下临界雷诺数的测定:
1)打开流量控制阀,将流量控制在较大流量下,待转子流量计读数稳定。
2)逐渐打开红墨水控制阀,并调节红墨水的流量,使针形管红墨水的出流速度与当地流速一致(一致后喷出的红墨水为粗细均匀的红线)
3)稳定后,观察红墨水色线状况,记录下转子流量计读数,在记录纸上描绘出色线形状
4)以较小的步长,逐渐关小流量,重复上述步骤,直至红墨水色线形状恢复为均匀的直线。
六、实验数据整理
1)将转子流量计标定的数据整理成坐标曲线,纵坐标为标定流量,横坐标为转子流量的读数;
2)在观察特定临界雷诺数时,将转子流量计的读数有标定曲线转换为真实流量;
3)由真实流量与观察段的横截面积。
算出管内流速,查出水的物性算出各个观察点的雷诺数;
4)找出流动状态上行时(下行时)从层流(紊流)向素流(层流)转变时的雷诺数,此雷诺数即为上临界雷诺数(下临界雷诺数)。
七、思考题
1.什么是雷诺数?
说明其物理意义?
2.解释什么是层流、紊流以及过渡流?
3.简述影响管内流动状态的因素?
实验二、伯努利方程实验
一、实验目的:
1.验证流体静压原理;
2.通过观察流体在管道中的运动规律,加深对伯努利方程的理解;
3.验证管道流动中,摩擦损失与流速平方成正比的关系;
4.验证毕托管的测速原理。
二、实验原理:
1.在流体静止时,等压面是水平面,自由液面也是水平面。
在重力势函数的微分时,有,即等压与等高程同时存在。
2.对于一个恒定的不可压缩管流,在流动方向上的两个渐变流段,流体的能量关系由伯努利方程给出:
3.管道内的摩擦损失与流体流速的关系服从达西公式:
4.毕托管能测量出来滞止点(全压)和管侧点(静压)之压力差,于是测点流速可由下式确定:
式中,——毕托管校正系数,近似等于1。
三、实验装置
伯努利方程仪由玻璃管、活动测头、测压管、上水槽和循环水泵等部分组成。
活动测头的小管端部封闭,管身开有小孔。
小孔中心位置与玻璃管中心平齐,小管与玻璃测压管相通,用小扳手转动活动测头,就可以测量流体的静动压水头。
由于玻璃管前后直径不同(管道直径经测量标注在管段上),位置也有高低,测点有前有后,可以十分方便地测量出不同流速下不同管段的位能、压力能和动能的数值,去验证伯努利方程的结论。
实验装置图附后。
四、实验方法:
1.测点静压水头的测量:
开动循环水泵,将出口阀门A关闭,这时观察各测压管内自由液面的高度,记录在表格中。
观察在转动活动测头时,自由液面有无变化。
如果发现各测点自由液面高度不相等,或者发现转动活动测头时自由液面发生变化,应试图找出产生误差的原因,并作出记录。
各测点静压水头的数据记录在表1中。
2.验证摩擦损失与流速平方成正比(达西公式):
使各测头的小孔对准来流方向,然后打开出口阀门A(不全开,保持小流量)。
这时测压管液位代表各测点的总压力水头,记下各测点总压力水头数值;与此同时,用量筒(大于1000m1)和秒表来标定管道中流体的流量,记录在表2中。
继续开大阀门A,使流量增加,记录下各测点的总压力水头数值;并用同样方法标定在此阀门开度下的流体流量值,记录在表2中。
标定流量的方法如下图:
转动弯头,计时开始计时结束,弯头复原
3.验证伯努利方程:
重复上面的实验步骤,在每一个流量(一样要进行流量标定)工况下,不但测量各个测点的总压力水头(活动测头小孔向着来流方向),还应测量各个测点的静压水头(活动测头的小孔垂直与来流方向),与此同时记录各个测点的中心高度z,记录各个测点的玻璃管内径。
将以上数据记录在表3中。
根据标定的流量计算各个测点的平均流速,计算各个测点的机械能总和,验证伯努利方程。
4.验证毕托管原理:
将以上表3中各个测点的动压实验数据代入毕托管速度计算式中,计算各个测点管道中心线上的线速度。
五、数据整理
表1
测点编号
1
2
3
4
静止水头(m)
表2
测点编号
计算项目
1
2
3
4
标定流量
Q(m3/s)
损失水头
h(mH2O)
全压水头(mH2O)
平均流速(m/s)
全压水头(mH2O)
平均流速(m/s)
表3
数据组
序号
测点编号
计算项目
1
2
3
4
标定流量
Q(m3/s)
备注
管段内径
(m)
Ⅰ
全压水头(mH2O)
静压水头(mH2O)
位压水头(mH2O)
动压水头(mH2O)
毕托管中心线速度
(m/s)
实测管段平均流速(m/s)
机械能头(mH2O)
Ⅱ
全压水头(mH2O)
静压水头(mH2O)
位压水头(mH2O)
动压水头(mH2O)
毕托管中心线速度
(m/s)
实测管段平均流速(m/s)
机械能头(mH2O)
七、思考题
1.说明伯努利方程中各个物理量的意义。
2.试述流体流过管道时各种能量是如何变化的?
附:
伯努利方程仪
实验三、流体力学综合阻力实验A
实验前介绍
双台综合阻力实验台(图1)为流体力学综合性多用途教学实验装置。
为双台型,可供两组学生同时进行实验。
利用本装置可进行下列实验:
1.沿程阻力实验
2.局部(阀门)阻力实验
3.孔板流量计流量系数测定实验
4.文丘里流量计流量系数测定实验
实验装置
实验台的结构简图如图1所示。
它主要由沿程阻力实验管路1、局部(阀门)阻力实验管路2、孔板流量计实验管路3和文丘里流量计实验管路4等四路实验管所组成,并有水泵及其驱动电机5,塑料储水箱6,有机玻璃回水水箱及计量水箱7(实测流量时用)、压差显示板8(图中未示出)和一些闸门组成的实验水循环系统和压差显示系统等,双台实验装置安装在一个底架9和管道支架10上。
文丘里实验管路为所有其它实验管路共用的出流通道。
图1实验台结构简图
工业应用
以水泥工业的预热预分解系统为例:
对于预热器系统来说,系统的阻力损失直接关系到能耗问题,因此在设计时就要充分考虑到局部阻力和沿程阻力等,所以了解这两种阻力的性质、可能出现的情况、以及如何减少这类损失等知识是很有必要的。
对于其他生产工艺来说都是同样的重要。
在生产中经常要对系统的稳定运行进行热工标定,即:
测定管道内的流体速度,以检测系统是否正常稳定运行,并依此数据进行调节。
这就会用到流量计和毕托管等测定流体速度,所以掌握其操作方法对科学研究和指导生产都有着重要的意义。
(一)沿程阻力实验
1.实验目的
(1)测定流体在等直流管中流动状态下,不同雷诺数时的沿程阻力系数,并确定它们
之间的关系。
(2)了解流体在管道中流动时能量损失的测量和计算方法。
2.实验方法和操作
(1)实验前的准备。
①熟悉实验装置中用于沿程阻力实验的具体结构及流程。
②进行沿程阻力实施管路流体循环系统的试运转,并进行系统的排气处理;关闭局部阻力实验管路和孔板流量计(及毕托管)实验管路两端进水阀门和出水阀门,开启沿程阻力实验管路上两端的进水阀门(从水泵出口进水)和出水阀门;使沿程阻力实验管路和文丘里实验管路及其流体的出口和回水水箱(或计量水箱)形成沿程阻力实验系统的循环回路,然后启动水泵,用沿程阻力实验管路两端的阀门来调节流量(一般可开大进水阀门,再用出水阀门来控制和调节实验流量)。
实验系统形成正常的水循环后,应仔细排除实验管路中,也包括导压胶管中存留的空气,以提高测试精度。
③用玻璃温度计测出实验水温。
(2)进行测试
①调节沿程阻力实验管路的出水阀门,先选定较小的流量,使沿程阻力实验系统的相应两根测压管所显示的压差约200mm水柱左右,以这个压差为起始测试点。
并在此工况下用计量水箱和秒表测量出相应的水流流量。
②然后逐次适量开大出水阀门的开度,逐次测读相应的阻力压差和流量。
建议实验做6~10个试验点,直至阻力压差达到接近最高的允许水柱高度为止。
③实验数据处理
实验测试数据和计算所得结果可填入建议的表格1中。
根据达西公式,即可求出沿程阻力系数:
;
相应的雷诺数Re:
。
式中:
——阻力试验管内径,m;(本试验管内径=16mm)
——试验管道测试段长度,m;
——重力加速度,m/s2;
——测试段的沿程水头损失h1-h2,mH2O;
——实验工况下管道中流体的平均流速,m/s;
——水的运动粘度,m2/s[可查表或从水的粘温曲线上求得]。
表1
项
测目
试
结
果
序号
流速及流量
测压管指示
沿程阻力系数
雷诺数
接水
总量
(m3)
接水
时间
(s)
体积
流量
(m3/s)
平均
流速
(m/s)
(m)
(m)
沿程
损失
(m)
1
2
3
4
5
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