流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、一 液體管內(nèi)雷諾系數(shù)測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察流體在管內(nèi)流動(dòng)的兩種不同流型。 2、測(cè)定臨界雷諾數(shù)Re c 。二、基本原理流體流動(dòng)有兩種不同型態(tài)，即層流（或稱滯流，Laminar flow）和湍流（或稱紊流，Turbulent flow），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)由各影響變量組合而成的無(wú)因次數(shù)群，故其值不會(huì)因采用不同的單位制而

2、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： （11）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；Pas。 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)Re4000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)。式（11）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

3、準(zhǔn)數(shù)僅與流體流速有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)即是通過(guò)改變流體在管內(nèi)的速度，觀察在不同雷諾準(zhǔn)數(shù)下流體的流動(dòng)型態(tài)。三、實(shí)驗(yàn)裝置及流程實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。主要由玻璃試驗(yàn)導(dǎo)管、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、低位貯水槽、循環(huán)水泵、穩(wěn)壓溢流水槽等部分組成，演示主管路為mm硬質(zhì)玻璃。 圖11 流體流型演示實(shí)驗(yàn)1紅墨水儲(chǔ)槽； 2溢流穩(wěn)壓槽； 3實(shí)驗(yàn)管； 4轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5循環(huán)泵； 6上水管； 7溢流回水管； 8調(diào)節(jié)閥； 9儲(chǔ)水槽實(shí)驗(yàn)前，先將水充滿低位貯水槽，關(guān)閉流量計(jì)后的調(diào)節(jié)閥，然后啟動(dòng)循環(huán)水泵。待水充滿穩(wěn)壓溢流水槽后，開(kāi)啟流量計(jì)后的調(diào)節(jié)閥。水由穩(wěn)壓溢流水槽流經(jīng)緩沖槽、試驗(yàn)導(dǎo)管和流量計(jì)，最后流回低位貯水槽。水流量的大小，可由流量計(jì)和調(diào)

4、節(jié)閥調(diào)節(jié)。示蹤劑采用紅色墨水，它由紅墨水貯瓶經(jīng)連接管和細(xì)孔噴嘴，注入試驗(yàn)導(dǎo)管。細(xì)孔玻璃注射管(或注射針頭)位于試驗(yàn)導(dǎo)管人口的軸線部位。注意：實(shí)驗(yàn)用的水應(yīng)清潔，紅墨水的密度應(yīng)與水相當(dāng)，裝置要放置平穩(wěn)，避免震動(dòng)。 四、演示操作（1）層流流動(dòng)型態(tài) 試驗(yàn)時(shí)，先少許開(kāi)啟調(diào)節(jié)閥，將流速調(diào)至所需要的值。再調(diào)節(jié)紅墨水貯瓶的下口旋塞，并作精細(xì)調(diào)節(jié)，使紅墨水的注人流速與試驗(yàn)導(dǎo)管中主體流體的流速相適應(yīng)，一般略低于主體流體的流速為宜。待流動(dòng)穩(wěn)定后記錄主體流體的流量。此時(shí)，在試驗(yàn)導(dǎo)管的軸線上，就可觀察到一條平直的紅色細(xì)流，好像一根拉直的紅線一樣。 （2）湍流流動(dòng)型態(tài)緩慢地加大調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使水流量平穩(wěn)地增大，玻璃導(dǎo)管內(nèi)

5、的流速也隨之平穩(wěn)地增大。此時(shí)可觀察到，玻璃導(dǎo)管軸線上呈直線流動(dòng)的紅色細(xì)流，開(kāi)始發(fā)生波動(dòng)。隨著流速的增大，紅色細(xì)流的波動(dòng)程度也隨之增大，最后斷裂成一段段的紅色細(xì)流。當(dāng)流速繼續(xù)增大時(shí)，紅墨水進(jìn)入試驗(yàn)導(dǎo)管后立即呈煙霧狀分散在整個(gè)導(dǎo)管內(nèi)，進(jìn)而迅速與主體水流混為體，使整個(gè)管內(nèi)流體染為紅色，以致無(wú)法辨別紅墨水的流線。二 流體管內(nèi)沿程、局部阻力測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握測(cè)定流體流經(jīng)直管、管件和閥門(mén)時(shí)阻力損失的一般實(shí)驗(yàn)方法。 2測(cè)定直管摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系，驗(yàn)證在一般湍流區(qū)內(nèi)與Re的關(guān)系曲線。 3測(cè)定流體流經(jīng)管件、閥門(mén)時(shí)的局部阻力系數(shù)x。 4學(xué)會(huì)壓差計(jì)和流量計(jì)的使用方法。5識(shí)辨組成管路的各種管件、閥門(mén)，并

6、了解其作用。二、基本原理 流體通過(guò)由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門(mén)等組成的管路系統(tǒng)時(shí)，由于黏性剪應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管時(shí)所造成的機(jī)械能損失稱為直管阻力損失。流體通過(guò)管件、閥門(mén)時(shí)因流體運(yùn)動(dòng)方向和速度大小改變所引起的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。 1直管阻力摩擦系數(shù)的測(cè)定 流體在水平等直徑直管中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，阻力損失可按下式計(jì)算： （3-1）即 （3-2）式中： 直管阻力摩擦系數(shù)，量綱為1； d 直管內(nèi)徑，m；流體流經(jīng)l米直管的壓力降，Pa；單位質(zhì)量流體流經(jīng)l米直管的機(jī)械能損失，J/kg； 流體密度，kg/m3；l 直管長(zhǎng)度，m；u 流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均流速，m/s

7、。直管前后端截面壓差，Pa。滯流(層流)時(shí)， （3-3） （3-4）式中：Re 雷諾準(zhǔn)數(shù)，量綱為1； 流體黏度，。湍流時(shí)是雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和管子相對(duì)粗糙度（/d）的函數(shù)，須由實(shí)驗(yàn)確定。由式（3-2）可知，欲測(cè)定，需確定l、d，測(cè)定、u、等參數(shù)。 l、d為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出）； 、通過(guò)測(cè)定流體溫度，再查有關(guān)手冊(cè)而得； u通過(guò)測(cè)定流體流量，再由管徑計(jì)算得到。例如本裝置采用渦輪流量計(jì)測(cè)流量Vs，m3/h。 (3-5)可用U形管、倒置U形管、測(cè)壓直管等液柱壓差計(jì)測(cè)定，或采用差壓變送器和二次儀表顯示測(cè)定。（1）當(dāng)采用倒置U形管液柱壓差計(jì)時(shí) (3-6)式中：R液柱高度差，m。 （2）當(dāng)采用U形管液柱

8、壓差計(jì)時(shí) (3-7)式中：R液柱高度差，m；指示液密度，kg/m3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)l、d，指示液密度，流體溫度t (查流體物性、)，及實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定的流量Vs、液柱壓差計(jì)的讀數(shù)R，通過(guò)式(3-5)、(3-6)或(3-7)、(3-4)和式(3-2)求取Re和，再將Re和標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上。2局部阻力系數(shù)x 的測(cè)定 局部阻力損失通常有兩種表示方法，即當(dāng)量長(zhǎng)度法和阻力系數(shù)法。 (1) 當(dāng)量長(zhǎng)度法 流體流過(guò)某管件或閥門(mén)時(shí)造成的機(jī)械能損失看作與某一長(zhǎng)度為的等直徑的管道所產(chǎn)生的機(jī)械能損失相當(dāng)，此折合的管道長(zhǎng)度稱為當(dāng)量長(zhǎng)度，用符號(hào)表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來(lái)計(jì)算局部阻力損失，而且在管路計(jì)算時(shí)可將

9、管路中的直管長(zhǎng)度與管件、閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度合并在一起計(jì)算，則流體在管路中流動(dòng)時(shí)的總機(jī)械能損失為： (3-8) (2) 阻力系數(shù)法 流體通過(guò)某一管件或閥門(mén)時(shí)的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動(dòng)時(shí)平均動(dòng)能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種計(jì)算方法，稱為阻力系數(shù)法。即： (3-9)故 (3-10) 式中：x 局部阻力系數(shù)，量綱為1； 局部阻力壓強(qiáng)降，Pa；（本裝置中，所測(cè)得的壓降應(yīng)扣除兩測(cè)壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果求取。） 流體密度，kg/m3； g 重力加速度，9.81m/s2；u 流體在小截面管中的平均流速，ms。 待測(cè)的管件和閥門(mén)由現(xiàn)場(chǎng)指定。本實(shí)驗(yàn)采用阻力系數(shù)法表示管件或閥門(mén)的局部

10、阻力損失。根據(jù)連接管件或閥門(mén)兩端管徑中小管的直徑d，指示液密度，流體溫度t (查流體物性、)，及實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定的流量Vs、液柱壓差計(jì)的讀數(shù)R，通過(guò)式(3-5)、(3-6)或(3-7)、(3-10)求取管件或閥門(mén)的局部阻力系數(shù)x。三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程 1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-1所示： 圖3-1 實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖1 離心泵 2 流量?jī)x 3 測(cè)溫點(diǎn) 4、5、6 管路進(jìn)口閥7 管路出口閥 8 差壓變送器 914 引壓閥15、16 引壓管排氣閥 17 閘閥2.實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)對(duì)象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門(mén)、管件，渦輪流量計(jì)和倒U型壓差計(jì)等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長(zhǎng)直管，分別

11、用于測(cè)定局部阻力系數(shù)、光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測(cè)定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測(cè)管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測(cè)定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測(cè)定對(duì)象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。水的流量使用渦輪流量計(jì)測(cè)量，管路和管件的阻力采用差壓變送器將差壓信號(hào)傳遞給無(wú)紙記錄儀。3裝置參數(shù)裝置參數(shù)如表1所示。 表1裝置1名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（m）測(cè)量段長(zhǎng)度（m）管路號(hào)管內(nèi)徑局部阻力閘閥1A0.021光滑管不銹鋼管1B0.021粗糙管鍍鋅鐵管1C0.021四、實(shí)驗(yàn)步驟1確認(rèn)管路所有閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。 2打開(kāi)控制面板上總電源，選擇流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)，打開(kāi)儀表開(kāi)關(guān)。3泵啟動(dòng)：首先對(duì)水箱灌

12、水，然后灌泵，之后啟動(dòng)水泵，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，把出口閥緩緩開(kāi)到最大。4. 實(shí)驗(yàn)管路選擇和管路排氣：選擇實(shí)驗(yàn)管路，把對(duì)應(yīng)的進(jìn)口閥打開(kāi)，并在出口閥最大開(kāi)度下，保持全流量流動(dòng)510min，即可認(rèn)為管路排氣結(jié)束。5引壓室及差壓變送器排氣：管路排氣結(jié)束后，微開(kāi)管路出口閥7（否則排氣太慢），打開(kāi)相應(yīng)管路引壓閥及差壓變送器后面兩閥門(mén)進(jìn)行引壓室排氣，待有水連續(xù)流出時(shí)即可認(rèn)為引壓室排氣結(jié)束，關(guān)閉差壓變送器后面兩閥門(mén)。（注：每根管路均需如上排氣操作）6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定：管路、引壓室排氣結(jié)束后，全開(kāi)管路出口閥7，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。7流量調(diào)節(jié)：手控狀態(tài)，變頻器輸出選擇100，然后開(kāi)啟管路出口閥，調(diào)節(jié)流量，讓流量從1到4m

13、3/h范圍內(nèi)變化，建議每次實(shí)驗(yàn)變化0.5m3/h左右。每次改變流量，待流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，記下對(duì)應(yīng)的流體流量、溫度、壓差值；自控狀態(tài)，流量控制界面設(shè)定流量值或設(shè)定變頻器輸出值，待流量穩(wěn)定記錄相關(guān)數(shù)據(jù)即可。8再次選擇管路，重復(fù)上述步驟47。9實(shí)驗(yàn)結(jié)束：關(guān)閉泵后管路閥門(mén)，停水泵和關(guān)閉儀表電源，清理裝置。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（1）記錄實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)如下表2：實(shí)驗(yàn)日期： 實(shí)驗(yàn)人員： 學(xué)號(hào)： 同組人員： 裝置號(hào)： 直管長(zhǎng)度： 光滑管徑： 粗糙管徑： 局部阻力管徑： 表2 原始數(shù)據(jù)記錄表粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表光滑管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表局部阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表序號(hào)流量 V溫度 t壓差 Dp流量 V溫度 t壓差 Dp流量 V溫度 t壓差 D

14、pm3/hkPam3/hkPam3/hkPa表2 原始數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)光滑管mmH2O粗糙管mmH2O流量m3/h溫度C左右壓差流量m3/h溫度C左右壓差表2 原始數(shù)據(jù)記錄表續(xù)序號(hào)局部阻力mmH2O流量m3/h溫度C左右壓差（2）根據(jù)原理部分的公式，計(jì)算不同流量下摩擦系數(shù)、局部阻力系數(shù)，列表。計(jì)算示例：粗糙管、光滑管數(shù)據(jù)以粗糙管序號(hào) 為例局部阻力系數(shù)以序號(hào) 為例六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1根據(jù)粗糙管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出Re曲線，對(duì)照化工原理教材上有關(guān)曲線圖，即可估算出該管的相對(duì)粗糙度和絕對(duì)粗糙度。 2根據(jù)光滑管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出Re曲線，對(duì)照柏拉修斯方程，計(jì)算其誤差。 3根據(jù)局部阻

15、力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，求出閘閥全開(kāi)時(shí)的平均值。 4對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。 七、思考題 1在對(duì)裝置做排氣工作時(shí)，是否一定要關(guān)閉流程尾部的出口閥?為什么? 2如何檢測(cè)管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈? 3以水做介質(zhì)所測(cè)得的Re關(guān)系能否適用于其它流體?如何應(yīng)用? 4在不同設(shè)備上(包括不同管徑)，不同水溫下測(cè)定的Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在同一條曲線上? 5如果測(cè)壓口、孔邊緣有毛刺或安裝不垂直，對(duì)靜壓的測(cè)量有何影響?三 柏努利方程的應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?加深對(duì)“無(wú)粘性，不可壓縮流體沿管道作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)其總能量（即動(dòng)壓能、靜壓能和位壓能之和）保持不變”這個(gè)柏努方程的理解。2了解實(shí)際流體由于粘性的存在和附面層的產(chǎn)生，在運(yùn)用柏利方程式進(jìn)

16、行計(jì)算所造成的偏差。二、實(shí)驗(yàn)原理理想流體在管道作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，遵守能量守恒定律柏努利方程. （1）或者寫(xiě)為： （2）考慮氣體的密度很小，在高度變化不大的情況下，略去位壓能的影響，則： （3）即： （4）實(shí)際流體都具有粘性，在流動(dòng)過(guò)程中有能量損失，其能量平衡關(guān)系應(yīng)為： （5）或?qū)憺椋?（6）即截面2處的總壓能不再等于截面1處的總壓能，沿途有能量損失。通過(guò)測(cè)量一個(gè)截面逐漸收縮的錐體，截面不變的喉管，和截面逐漸擴(kuò)大的錐體的試驗(yàn)段，動(dòng)壓力和靜壓力因截面不同的變化及相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系，深入理解能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。為了更清楚地表明其轉(zhuǎn)換關(guān)系，選取在喉管處，即最小截面處的流速Vt為標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí) （7）式中：pt喉管處的靜

17、壓力。得到： （8）如果將流動(dòng)看成是一維管流，即認(rèn)為在管道任一橫截面上的流速都是均勻的，同時(shí)管道的橫截面是變化的，根據(jù)連續(xù)性方程可以寫(xiě)為： (9)即：由于實(shí)驗(yàn)段的深度是一定的，僅是其寬度發(fā)生變化，所以橫截面之比即為寬度之比。 （10）與（9）式 （11）式中：喉管處的截面寬度。 實(shí)驗(yàn)時(shí)將測(cè)得結(jié)果代入（8）式與（11）式計(jì)算結(jié)果相比較，即可驗(yàn)證柏努利力程能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)段如圖1，按裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。試驗(yàn)段尺寸如下：上口寬度 B1 =76mm 上錐體高度 H1=190喉管寬度 B2=44mm 喉管高度 H2=40下口寬度 B3=76mm 下錐體高度 H3 =70圖1高度X與寬度B之關(guān)系

18、為：下錐體 B=B3-（B3-B2） (xH3)喉 管 B=B2 （H3xH2+H3）上錐體 B=B2+（B1-B2） （H2+H3xH）畢托管全壓力測(cè)點(diǎn)與靜壓力測(cè)定點(diǎn)的距離為40mm。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大氣溫度t= 大氣壓力P大氣=畢托管校出系數(shù) 多管壓力計(jì)柱起點(diǎn)位置 xmmP全mm水柱p靜mm水柱p動(dòng)=P全p靜mm水柱XmmP全mm水柱p靜mm水柱p動(dòng)=P全p靜mm水柱五、數(shù)據(jù)整理x=Cp/Cu將上列數(shù)據(jù)整理成表和圖xmmP靜N/m2P動(dòng)N/m2BmmB喉/BVm/米(v/v喉)測(cè)(v/v喉)計(jì)六、討論由測(cè)得結(jié)果可以看出：沿管道長(zhǎng)度方向上的全壓力下降很少，入口處與出口處的全壓力非常接近，而這時(shí)靜壓力和動(dòng)壓力的變化卻非常大，這就很好地證明了流體流動(dòng)時(shí)，能量守恒與轉(zhuǎn)換原理，柏努利方向程的正確性。由測(cè)得結(jié)果還可以看出，由測(cè)得壓力變力變化算出的速度比（V/V喉）測(cè)和由寬度變化計(jì)算出的速度比（V/V喉）計(jì)在收縮段和喉管處，數(shù)值非常接近，圖示曲線比較吻合，而在擴(kuò)張段則出現(xiàn)較大的偏差，越向出口端，其偏差越大。造成這種偏差的原因是由于附面層的影響。在收縮段和流速較快的喉管，附面層較薄，故其對(duì)速度比(v/v喉)測(cè)影響較大，而在擴(kuò)張段，附面層厚不斷增厚，