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                流体力学综合实验装置使用说明书

                  

                一、 概述
                本实验装置是由雷诺实验、柏努利实验、沿程阻力实验和局部阻力实验于一体的综合实验台,外形美观,且节约实验投资与占地面积。在实际生产中,许多过程都涉及到流体流动的内部细节,尤其是流体的流动现象,故而了解流体的流动形态极其重要。流体在流动过程中为克服流动阻力必定要消耗能量。流体流动阻力产生根本的原因是流体具有粘性,流动时存在着内磨擦,而固定的管壁或其它形状固体壁面,促使流动流体的内部发生相对运动,为流体流动阻力的产生提供了条件,因此液体阻力的大小与流体的物性、流动状况及壁面等因素有关。流体在流动系统中作定态流动时,流体在各截面上的流速、密度、压强等物理参数仅随位置而改变而不随时间而变。根据能量守恒定律,对任一段管路内流体流动做能量衡算,即可得到表示流体的能量关系和流动规律的柏努利方程。
                二、 设备性能与主要技术参数
                1. 该实验装置主要由:雷诺实验管、柏努利实验管、沿程阻力管、局部阻力管、孔板流量计、文丘里流量计、测压计、实验水箱、计量水箱、蓄水箱和水泵等组成。
                2. 雷诺实验管为长1100mm,内径&phi;14mm的有机玻璃管,位于实验桌上的第二根实验管道,方便观察实验现象。
                3. 柏努利实验管由内径&phi;20mm和内径&phi;14mm的有机玻璃管组成,总长为1100mm,以及按两点法求出各变化点的动静压头。
                4. 沿程阻力管为长1100mm,内径&phi;14mm的有机玻璃管,两测压点间的距离为800mm。
                5. 局部阻力管为内径分别为14mm变23m,14mm变23mm以及阀门阻力,管长1100mm
                6. 流量校核管为长1100mm内径&phi;14mm的有机玻璃管,其上装有孔板流量计、文丘里流量计。可用来对文丘里流量计和孔板流量计进行流量校核。
                7. 测压计由20根长600mm,内径&phi;8mm的有机玻璃管固定在测压架上。
                8.实验水箱由有机玻璃制成,其上有指示液盒,指示液入口支撑架。
                9.计量水箱为10L有机玻璃水箱,在水箱外壁面有一不干胶标尺。
                10.蓄水箱由PVC板焊制而成的容积80L水箱。
                11.水泵:输入功率120W,最高扬程:12m,最大流量:15L/min,转速2800r/min,。
                12.孔板流量计的孔径为&phi;8mm,文丘里流量计的喉径为&phi;6.2mm。
                三、 可开实验
                1. 雷诺实验
                2. 沿程阻力实验
                3. 局部阻力实验
                4. 柏努利方程实验
                5. 文丘里、孔板测流量的校核实验。
                四、 实验原理
                1、雷诺实验:
                流体流动过程中有两种不同的流动型态:滞流和湍流。流体在管内作滞流时,其质点作直线运动,且互相平行其质点之间互不混杂,互不碰撞。湍流时质点紊乱地向各个方向作不规则运动,但流体的主体仍向某一方向流动。
                影响流体流动型态的因素,除代表惯性力的流速和密度及代表粘性力的粘度外,还与管型、管径等有关。经实验归纳得知可由雷诺准数Re来判别:

                式中:d &mdash;管子内径(m)
                u &mdash; 流速(m / s)
                &rho;&mdash;流体密度(㎏/m3)
                &mu;&mdash;流动粘度(PaS)
                Re&le;2000为滞流;Re&ge;4000为湍流;2000<Re<4000为不稳定的过渡区。
                2、沿程阻力与局部阻力实验:
                流体阻力产生的根源是流体具有粘性,流动时存在内摩擦。而壁的形状则促使流动的流体内部发生相对运动,为流动阻力的产生提供了条件,流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。流动阻力可分为直管阻力和局部阻力。
                流体在流动过程中要消耗能量以克服流动阻力。因此,流动阻力的测定颇为重要。从流程图可知水从贮槽由泵输入恒位水槽,再流经管道,经计量槽计量后回到水槽,循环利用。改变流量并测定直管与管件的相应压差,即可测得流体流动阻力。
                直管阻力磨擦系数&lambda;的测定
                直管阻力是流体流经直管时,由于流体的内摩擦而产生的阻力损失hf 。
                对于等直径水平直管段根据两测压点间的柏努利方程有:
                式中:l &mdash; 直管长度(m)
                d &mdash; 管内径  (m)
                (P1 - P2)&mdash; 流体流经直管的压强降(Pa)
                u &mdash; 流体截面平均流速(m/s)
                &rho;&mdash; 流体密度(kg/m3)
                &mu;&mdash; 流体粘度(PaS)
                由式(1 - 1)可知,欲测定&lambda;,需知道I、d、(P1 - P2)、u、&rho;、&mu;等。
                1) 若测得流体温度,则可查得流体的&rho;、&mu;值。
                2) 若测得流量,则由管径可计算流速u。
                3) 两测压点间的压降(P1 - P2),可用U型压差计测定。此时:
                                                         
                式中:   R &mdash; U型压差计中水银柱的高度差(m)
                则:
                                                         
                局部阻力系数&zeta;的测定
                局部阻力主要是由于流体流经管路中管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部位置时所引起的阻力损失,在局部阻力件左右两侧的测压点间列柏努利方程有:
                                                       (1-4)
                  即:       
                式中:       &zeta; &mdash; 局部阻力系数
                     P1&prime;- P2&prime;&mdash; 局部阻力压强降(Pa)
                式(1 &mdash; 4)中&rho;、u、P1&prime;- P2&prime;等的测定同直管阻力测定方法。
                3、柏努利实验:
                1、 不可压缩流体在管内作稳定流动时,由于管路条件(如位置高低、管径大小)的变化,会引起流动过程中三种机械能&mdash;&mdash;位能、动能、静压能的相应改变及相互转换。对理想流体,在系统内任一截面处,虽然三种能量不一定相等,但能量之和是守恒的。
                2、 对于实际流体,由于存在内磨擦,流体在流动中总有一部分机械能随磨擦和碰撞转化为热能而损失掉了。故而对于实际流体,任意两截面上机械能总和并不相等,两者的差值即为机械损失。
                3、 以上几种机械能均可用U型压差计中的液位差来表示,分别称为位压头、动压头、静压头。当测压直管中的小孔(即测压孔)与水流方向垂直时,测压管内液柱高度则为静压头与动压头之和。测压孔处流体的位压头由测压孔的几何高度确定。任意两截面间位压头、静压头、动压头总和的差值,则为损失压头。
                4、 柏努利方程式
                             
                式中:
                     、 &mdash;&mdash;两截面间各自距基准面的距离   (m)
                    、 &mdash;&mdash;可通过流量与其截面积求得       (m/s)
                    、 &mdash;&mdash;由U型压差计的液位差可知      (  )
                对于没有能量损失且无外加功的理想流体,上式可简化为
                         
                4、文丘里流量计与孔板流量计校核
                文丘里流量计和孔板流量计是应用最广泛的节流式流量计。当流体通过孔板或文丘里时由于流道的缩小,使流速增加,即增加了液体的动能,从而降低了流体的势能,利用压降的变化,可以测量流体的流速,根据柏努利原理,可以得到如下计算公式:

                式中: ――孔口处流速,m/s;
                    ――孔板流量系数,无因次;
                   R - - 压差计读数,m;
                    ――压差计内指示液密度,kg/m3;
                   &rho; ――流体密度,kg/m3;
                其中 不仅与 (孔口与管道截面积比)有关,而且还与孔板的结构形状、加工进度、流体在管内雷诺数、取压方式以及管壁面的粗糙度等诸因素有关,所以只能通过实验测定求得,才能利用公式得出流速、流量。
                流量计的校正实际上就是对给出的 的校正,即要得到某一待定条件下流量计的流量系数c与校正曲线。校正的总思路是在不同的流量下,测得压差计读数R,通过其它方法得到对应的标准流量,再根据公式计算出对应的流量系数,这样根据连续性可得到流量系数与雷诺数Re间的关系曲线,以及流量与指示液读数R之间的关系曲线以修正原有的 和关系曲线,达到流量计的校正目的。
                标准流量计的测量方法对液体一般采用体积测量法、质量测量法和基准测量法。本实验采用体积测量法。