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流體力學綜合實驗裝置使用說明書

  

一、 概述
本實驗裝置是由雷諾實驗、柏努利實驗、沿程阻力實驗和局部阻力實驗于一體的綜合實驗臺,外形美觀,且節約實驗投資與占地面積。在實際生產中,許多過程都涉及到流體流動的內部細節,尤其是流體的流動現象,故而了解流體的流動形態極其重要。流體在流動過程中為克服流動阻力必定要消耗能量。流體流動阻力產生根本的原因是流體具有粘性,流動時存在著內磨擦,而固定的管壁或其它形狀固體壁面,促使流動流體的內部發生相對運動,為流體流動阻力的產生提供了條件,因此液體阻力的大小與流體的物性、流動狀況及壁面等因素有關。流體在流動系統中作定態流動時,流體在各截面上的流速、密度、壓強等物理參數僅隨位置而改變而不隨時間而變。根據能量守恒定律,對任一段管路內流體流動做能量衡算,即可得到表示流體的能量關系和流動規律的柏努利方程。
二、 設備性能與主要技術參數
1. 該實驗裝置主要由:雷諾實驗管、柏努利實驗管、沿程阻力管、局部阻力管、孔板流量計、文丘里流量計、測壓計、實驗水箱、計量水箱、蓄水箱和水泵等組成。
2. 雷諾實驗管為長1100mm,內徑&phi;14mm的有機玻璃管,位于實驗桌上的第二根實驗管道,方便觀察實驗現象。
3. 柏努利實驗管由內徑&phi;20mm和內徑&phi;14mm的有機玻璃管組成,總長為1100mm,以及按兩點法求出各變化點的動靜壓頭。
4. 沿程阻力管為長1100mm,內徑&phi;14mm的有機玻璃管,兩測壓點間的距離為800mm。
5. 局部阻力管為內徑分別為14mm變23m,14mm變23mm以及閥門阻力,管長1100mm
6. 流量校核管為長1100mm內徑&phi;14mm的有機玻璃管,其上裝有孔板流量計、文丘里流量計??捎脕韺ξ那鹄锪髁坑嫼涂装辶髁坑嬤M行流量校核。
7. 測壓計由20根長600mm,內徑&phi;8mm的有機玻璃管固定在測壓架上。
8.實驗水箱由有機玻璃制成,其上有指示液盒,指示液入口支撐架。
9.計量水箱為10L有機玻璃水箱,在水箱外壁面有一不干膠標尺。
10.蓄水箱由PVC板焊制而成的容積80L水箱。
11.水泵:輸入功率120W,最高揚程:12m,最大流量:15L/min,轉速2800r/min,。
12.孔板流量計的孔徑為&phi;8mm,文丘里流量計的喉徑為&phi;6.2mm。
三、 可開實驗
1. 雷諾實驗
2. 沿程阻力實驗
3. 局部阻力實驗
4. 柏努利方程實驗
5. 文丘里、孔板測流量的校核實驗。
四、 實驗原理
1、雷諾實驗:
流體流動過程中有兩種不同的流動型態:滯流和湍流。流體在管內作滯流時,其質點作直線運動,且互相平行其質點之間互不混雜,互不碰撞。湍流時質點紊亂地向各個方向作不規則運動,但流體的主體仍向某一方向流動。
影響流體流動型態的因素,除代表慣性力的流速和密度及代表粘性力的粘度外,還與管型、管徑等有關。經實驗歸納得知可由雷諾準數Re來判別:

式中:d &mdash;管子內徑(m)
u &mdash; 流速(m / s)
&rho;&mdash;流體密度(㎏/m3)
&mu;&mdash;流動粘度(PaS)
Re&le;2000為滯流;Re&ge;4000為湍流;2000<Re<4000為不穩定的過渡區。
2、沿程阻力與局部阻力實驗:
流體阻力產生的根源是流體具有粘性,流動時存在內摩擦。而壁的形狀則促使流動的流體內部發生相對運動,為流動阻力的產生提供了條件,流動阻力的大小與流體本身的物理性質、流動狀況及壁面的形狀等因素有關。流動阻力可分為直管阻力和局部阻力。
流體在流動過程中要消耗能量以克服流動阻力。因此,流動阻力的測定頗為重要。從流程圖可知水從貯槽由泵輸入恒位水槽,再流經管道,經計量槽計量后回到水槽,循環利用。改變流量并測定直管與管件的相應壓差,即可測得流體流動阻力。
直管阻力磨擦系數&lambda;的測定
直管阻力是流體流經直管時,由于流體的內摩擦而產生的阻力損失hf 。
對于等直徑水平直管段根據兩測壓點間的柏努利方程有:
式中:l &mdash; 直管長度(m)
d &mdash; 管內徑  (m)
(P1 - P2)&mdash; 流體流經直管的壓強降(Pa)
u &mdash; 流體截面平均流速(m/s)
&rho;&mdash; 流體密度(kg/m3)
&mu;&mdash; 流體粘度(PaS)
由式(1 - 1)可知,欲測定&lambda;,需知道I、d、(P1 - P2)、u、&rho;、&mu;等。
1) 若測得流體溫度,則可查得流體的&rho;、&mu;值。
2) 若測得流量,則由管徑可計算流速u。
3) 兩測壓點間的壓降(P1 - P2),可用U型壓差計測定。此時:
                                         
式中:   R &mdash; U型壓差計中水銀柱的高度差(m)
則:
                                         
局部阻力系數&zeta;的測定
局部阻力主要是由于流體流經管路中管件、閥門及管截面的突然擴大或縮小等局部位置時所引起的阻力損失,在局部阻力件左右兩側的測壓點間列柏努利方程有:
                                       (1-4)
  即:       
式中:       &zeta; &mdash; 局部阻力系數
     P1&prime;- P2&prime;&mdash; 局部阻力壓強降(Pa)
式(1 &mdash; 4)中&rho;、u、P1&prime;- P2&prime;等的測定同直管阻力測定方法。
3、柏努利實驗:
1、 不可壓縮流體在管內作穩定流動時,由于管路條件(如位置高低、管徑大?。┑淖兓?,會引起流動過程中三種機械能&mdash;&mdash;位能、動能、靜壓能的相應改變及相互轉換。對理想流體,在系統內任一截面處,雖然三種能量不一定相等,但能量之和是守恒的。
2、 對于實際流體,由于存在內磨擦,流體在流動中總有一部分機械能隨磨擦和碰撞轉化為熱能而損失掉了。故而對于實際流體,任意兩截面上機械能總和并不相等,兩者的差值即為機械損失。
3、 以上幾種機械能均可用U型壓差計中的液位差來表示,分別稱為位壓頭、動壓頭、靜壓頭。當測壓直管中的小孔(即測壓孔)與水流方向垂直時,測壓管內液柱高度則為靜壓頭與動壓頭之和。測壓孔處流體的位壓頭由測壓孔的幾何高度確定。任意兩截面間位壓頭、靜壓頭、動壓頭總和的差值,則為損失壓頭。
4、 柏努利方程式
             
式中:
     、 &mdash;&mdash;兩截面間各自距基準面的距離   (m)
    、 &mdash;&mdash;可通過流量與其截面積求得       (m/s)
    、 &mdash;&mdash;由U型壓差計的液位差可知      (  )
對于沒有能量損失且無外加功的理想流體,上式可簡化為
         
4、文丘里流量計與孔板流量計校核
文丘里流量計和孔板流量計是應用最廣泛的節流式流量計。當流體通過孔板或文丘里時由于流道的縮小,使流速增加,即增加了液體的動能,從而降低了流體的勢能,利用壓降的變化,可以測量流體的流速,根據柏努利原理,可以得到如下計算公式:

式中: ――孔口處流速,m/s;
    ――孔板流量系數,無因次;
   R - - 壓差計讀數,m;
    ――壓差計內指示液密度,kg/m3;
   &rho; ――流體密度,kg/m3;
其中 不僅與 (孔口與管道截面積比)有關,而且還與孔板的結構形狀、加工進度、流體在管內雷諾數、取壓方式以及管壁面的粗糙度等諸因素有關,所以只能通過實驗測定求得,才能利用公式得出流速、流量。
流量計的校正實際上就是對給出的 的校正,即要得到某一待定條件下流量計的流量系數c與校正曲線。校正的總思路是在不同的流量下,測得壓差計讀數R,通過其它方法得到對應的標準流量,再根據公式計算出對應的流量系數,這樣根據連續性可得到流量系數與雷諾數Re間的關系曲線,以及流量與指示液讀數R之間的關系曲線以修正原有的 和關系曲線,達到流量計的校正目的。
標準流量計的測量方法對液體一般采用體積測量法、質量測量法和基準測量法。本實驗采用體積測量法。

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