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2018-03-21 08:47

流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書

一、 概述
本實(shí)驗(yàn)裝置是由雷諾實(shí)驗(yàn)、柏努利實(shí)驗(yàn)、沿程阻力實(shí)驗(yàn)和局部阻力實(shí)驗(yàn)于一體的綜合實(shí)驗(yàn)臺,外形美觀,且節(jié)約實(shí)驗(yàn)投資與占地面積。在實(shí)際生產(chǎn)中,許多過程都涉及到流體流動的內(nèi)部細(xì)節(jié),尤其是流體的流動現(xiàn)象,故而了解流體的流動形態(tài)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(chǎn)生根本的原因是流體具有粘性,流動時存在著內(nèi)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(nèi)部發(fā)生相對運(yùn)動,為流體流動阻力的產(chǎn)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(guān)。流體在流動系統(tǒng)中作定態(tài)流動時,流體在各截面上的流速、密度、壓強(qiáng)等物理參數(shù)僅隨位置而改變而不隨時間而變。根據(jù)能量守恒定律,對任一段管路內(nèi)流體流動做能量衡算,即可得到表示流體的能量關(guān)系和流動規(guī)律的柏努利方程。
二、 設(shè)備性能與主要技術(shù)參數(shù)
1. 該實(shí)驗(yàn)裝置主要由:雷諾實(shí)驗(yàn)管、柏努利實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)水箱、計量水箱、蓄水箱和水泵等組成。
2. 雷諾實(shí)驗(yàn)管為長1100mm,內(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管,位于實(shí)驗(yàn)桌上的第二根實(shí)驗(yàn)管道,方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
3. 柏努利實(shí)驗(yàn)管由內(nèi)徑φ20mm和內(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管組成,總長為1100mm,以及按兩點(diǎn)法求出各變化點(diǎn)的動靜壓頭。
4. 沿程阻力管為長1100mm,內(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管,兩測壓點(diǎn)間的距離為800mm。
5. 局部阻力管為內(nèi)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(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管,其上裝有孔板流量計、文丘里流量計。可用來對文丘里流量計和孔板流量計進(jìn)行流量校核。
7. 測壓計由20根長600mm,內(nèi)徑φ8mm的有機(jī)玻璃管固定在測壓架上。
8.實(shí)驗(yàn)水箱由有機(jī)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(jī)玻璃水箱,在水箱外壁面有一不干膠標(biāo)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(yáng)程:12m,最大流量:15L/min,轉(zhuǎn)速2800r/min,。
12.孔板流量計的孔徑為φ8mm,文丘里流量計的喉徑為φ6.2mm。
三、 可開實(shí)驗(yàn)
1. 雷諾實(shí)驗(yàn)
2. 沿程阻力實(shí)驗(yàn)
3. 局部阻力實(shí)驗(yàn)
4. 柏努利方程實(shí)驗(yàn)
5. 文丘里、孔板測流量的校核實(shí)驗(yàn)。
四、 實(shí)驗(yàn)原理
1、雷諾實(shí)驗(yàn):
流體流動過程中有兩種不同的流動型態(tài):滯流和湍流。流體在管內(nèi)作滯流時,其質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動,且互相平行其質(zhì)點(diǎn)之間互不混雜,互不碰撞。湍流時質(zhì)點(diǎn)紊亂地向各個方向作不規(guī)則運(yùn)動,但流體的主體仍向某一方向流動。
影響流體流動型態(tài)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(guān)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)歸納得知可由雷諾準(zhǔn)數(shù)Re來判別:

式中:d —管子內(nèi)徑(m)
u — 流速(m / s)
ρ—流體密度(㎏/m3)
μ—流動粘度(PaS)
Re≤2000為滯流;Re≥4000為湍流;2000<Re<4000為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。
2、沿程阻力與局部阻力實(shí)驗(yàn):
流體阻力產(chǎn)生的根源是流體具有粘性,流動時存在內(nèi)摩擦。而壁的形狀則促使流動的流體內(nèi)部發(fā)生相對運(yùn)動,為流動阻力的產(chǎn)生提供了條件,流動阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。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(jīng)管道,經(jīng)計量槽計量后回到水槽,循環(huán)利用。改變流量并測定直管與管件的相應(yīng)壓差,即可測得流體流動阻力。
直管阻力磨擦系數(shù)λ的測定
直管阻力是流體流經(jīng)直管時,由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力損失hf 。
對于等直徑水平直管段根據(jù)兩測壓點(diǎn)間的柏努利方程有:
式中:l — 直管長度(m)
d — 管內(nèi)徑  (m)
(P1 - P2)— 流體流經(jīng)直管的壓強(qiáng)降(Pa)
u — 流體截面平均流速(m/s)
ρ— 流體密度(kg/m3)
μ— 流體粘度(PaS)
由式(1 - 1)可知,欲測定λ,需知道I、d、(P1 - P2)、u、ρ、μ等。
1) 若測得流體溫度,則可查得流體的ρ、μ值。
2) 若測得流量,則由管徑可計算流速u。
3) 兩測壓點(diǎn)間的壓降(P1 - P2),可用U型壓差計測定。此時:
                                         
式中:   R — U型壓差計中水銀柱的高度差(m)
則:
                                         
局部阻力系數(shù)ζ的測定
局部阻力主要是由于流體流經(jīng)管路中管件、閥門及管截面的突然擴(kuò)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(cè)的測壓點(diǎn)間列柏努利方程有:
                                       (1-4)
  即:       
式中:       ζ — 局部阻力系數(shù)
     P1′- P2′— 局部阻力壓強(qiáng)降(Pa)
式(1 — 4)中ρ、u、P1′- P2′等的測定同直管阻力測定方法。
3、柏努利實(shí)驗(yàn):
1、 不可壓縮流體在管內(nèi)作穩(wěn)定流動時,由于管路條件(如位置高低、管徑大小)的變化,會引起流動過程中三種機(jī)械能——位能、動能、靜壓能的相應(yīng)改變及相互轉(zhuǎn)換。對理想流體,在系統(tǒng)內(nèi)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(shí)際流體,由于存在內(nèi)磨擦,流體在流動中總有一部分機(jī)械能隨磨擦和碰撞轉(zhuǎn)化為熱能而損失掉了。故而對于實(shí)際流體,任意兩截面上機(jī)械能總和并不相等,兩者的差值即為機(jī)械損失。
3、 以上幾種機(jī)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(dāng)測壓直管中的小孔(即測壓孔)與水流方向垂直時,測壓管內(nèi)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:
     、 ——兩截面間各自距基準(zhǔn)面的距離   (m)
    、 ——可通過流量與其截面積求得       (m/s)
    、 ——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(yīng)用最廣泛的節(jié)流式流量計。當(dāng)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(jù)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(shù),無因次;
   R - - 壓差計讀數(shù),m;
    ――壓差計內(nèi)指示液密度,kg/m3;
   ρ ――流體密度,kg/m3;
其中 不僅與 (孔口與管道截面積比)有關(guān),而且還與孔板的結(jié)構(gòu)形狀、加工進(jìn)度、流體在管內(nèi)雷諾數(shù)、取壓方式以及管壁面的粗糙度等諸因素有關(guān),所以只能通過實(shí)驗(yàn)測定求得,才能利用公式得出流速、流量。
流量計的校正實(shí)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(shù)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(shù)R,通過其它方法得到對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流量,再根據(jù)公式計算出對應(yīng)的流量系數(shù),這樣根據(jù)連續(xù)性可得到流量系數(shù)與雷諾數(shù)Re間的關(guān)系曲線,以及流量與指示液讀數(shù)R之間的關(guān)系曲線以修正原有的 和關(guān)系曲線,達(dá)到流量計的校正目的。
標(biāo)準(zhǔn)流量計的測量方法對液體一般采用體積測量法、質(zhì)量測量法和基準(zhǔn)測量法。本實(shí)驗(yàn)采用體積測量法。