机械能转化实验指导书(含演示操作)

一、实验目的

1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。

2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。

3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。

4.定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。

二、基本原理

    化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。

1.连续性方程

对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程：

                                                 （1－1）

根据平均流速的定义，有                                   （1－2）

即                                                               （1－3）

而对均质、不可压缩流体，，则式（1－2）变为

                                     （1－4）

可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。

对圆管，，为直径，于是式（1－4）可转化为

                                    （1－5）

    2.机械能衡算方程

运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能衡算方程。

对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准）为：

                                   （1－6）

显然，上式中各项均具有高度的量纲，称为位头，称为动压头（速度头），称为静压头（压力头），称为外加压头，称为压头损失。

关于上述机械能衡算方程的讨论：

（1）理想流体的柏努利方程

无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的，若此时又无外加功加入，则机械能衡算方程变为：

                                        （1－7）

式（1－7）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想流体在流动过程中，总机械能保持不变。

（2）若流体静止，则，，，于是机械能衡算方程变为

                              （1－8）

式（1－8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。

    3.管内流动分析

按照流体流动时的流速以及其它与流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分成两类：稳定流动和不稳定流动。连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。

流体流动有两种不同型态，即层流和湍流，这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。

流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：　

                               （1－9）

式中：Re —雷诺准数，无因次；  

  d —管子内径，m； 

u —流体在管内的平均流速，m／s； 

—流体密度，kg／m3； 

μ—流体粘度；Pa·s。 

式（1－9）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。

三、装置流程

该装置为有机玻璃材料制作的管路系统，通过泵使流体循环流动。管路内径为30mm，节流件变截面处管内径为15mm。单管压力计1和2可用于验证变截面连续性方程，单管压力计1和3可用于比较流体经节流件后的能头损失，单管压力计3和4可用于比较流体经弯头和流量计后的能头损失及位能变化情况，单管压力计4和5可用于验证直管段雷诺数与流体阻力系数关系 ，单管压力计6与5配合使用，用于测定单管压力计5处的中心点速度。

在本实验装置中设置了两种进了方式：1、高位槽进料；2、直接泵输送进料，设置这两种方式是为了让学生有对比，当然直接泵进料液体是不稳定的，会产生很多空气，这样实验数据会有波动，所以一般在采集数据的时候建议采用高位槽进料。

四、演示操作

1.先在下水槽中加满清水，保持管路排水阀、出口阀关闭状态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管路中充满流体，并保持上水槽液位一定高度，可观察流体静止状态时各管段高度。

2.通过出口阀调节管内流量，注意保持上水槽液位高度稳定（即保证整个系统处于稳定流动状态），并尽可能使转子流量计读数在刻度线上。观察记录各单管压力计读数和流量值。

3.改变流量，观察各单管压力计读数随流量的变化情况。注意每改变一个流量，需给予系统一定的稳流时间，方可读取数据。

4.结束实验，关闭循环泵，全开出口阀排尽系统内流体，之后打开排水阀排空管内沉积段流体。

注意：（1）若不是长期使用该装置，对下水槽内液体也应作排空处理，防止沉积尘土，否则可能堵塞测速管。

（2）每次实验开始前，也需先清洗整个管路系统，即先使管内流体流动数分钟，检查阀门、管段有无堵塞或漏水情况。

五、数据分析

1.  h1和h2的分析

由转子流量计流量读数及管截面积，可求得流体在1处的平均流速u1（该平均流速适用于系统内其他等管径处）。若忽略h1和h2间的沿程阻力，适用柏努利方程即式（1－7），且由于1、2处等高，则有：

                                               （1－10）

    其中，两者静压头差即为单管压力计1和2读数差（mH2O），由此可求得流体在2处的平均流速u2。令u2代入式（1－5），验证连续性方程。

2.  h1和h3的分析

    流体在1和3处，经节流件后，虽然恢复到了等管径，但是单管压力计1和3的读数差说明了能头的损失（即经过节流件的阻力损失）。且流量越大，读数差越明显。

3.  h3和h4的分析

    流体经3到4处，受弯头和转子流量计及位能的影响，单管压力计3和4的读数差明显，且随流量的增大，读数差也变大，可定性观察流体局部阻力导致的能头损失。

4.  h4和h5的分析

       直管段4和5之间，单管压力计4和5的读数差说明了直管阻力的存在（小流量时，该读数差不明显，具体考察直管阻力系数的测定可使用流体阻力装置），根据

                                 （1－11）

可推算得阻力系数，然后根据雷诺准数，作出两者关系曲线。

5.  h5和h6的分析

     单管压力计5和6之差指示的是5处管路的中心点速度，即最大速度uc，有

                                                              （1－12）

考察在不同雷诺准数下，与管路平均速度u的关系。