实验一机械能转化实验 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 4,d,2-4,d22 (1-1) 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淮） 为： (1-2) 显然，上式中各项均具有高度的量纲，：称为位头，/2g称为动压头（速度头），p1Pg称为 静压头（压力头），w称为外加压头，h,称为压头损失。 三、装置流程 第1页共4项☐
第 1 页 共 4页 实验一 机械能转化实验 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 2 2 2 2 u1d1 = u d （1－1） 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： 2 2 1 1 2 2 1 2 p p w 2 2 f u u z z h g g g g + + + = + + + （1－2） 显然，上式中各项均具有高度的量纲， z 称为位头， u / 2g 2 称为动压头（速度头）， p / g 称为 静压头（压力头）， w 称为外加压头， f h 称为压头损失。 三、装置流程
流量计 节流件 出口阀 菊水吝 下水槽 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,两水平管高度差为60cm,4和5之间距离为60cm。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。 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。注意每政变一个流量，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 第2项工共4项☐
第 2 页 共 4页 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，两水平管高度差为 60cm，4 和 5 之间距离为 60cm。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。 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,hl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，（该平均流速适用于系统内 其他等管径处)。若忽略h1和2间的沿程阻力，且由于1、2处等高，则有： (1-3) 其中，两者静压头差即为单管压力计1和2读数差(m0),由此可求得流体在2处的平均流速 。令代入式(1一1)，验证连续性方程。 400L 720Lh) 1000Lh) 1320LA) 1600Lhm) 压力计1读数(mm) 压力计2读数(mm)》 出（伯努利方程） 山（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）。 400LM) 720Lh) 1000(Lh) 1320Lh) 1600Lh) 压力计1读数(mm) 压力计3读数(mm) 压头损失(mm) 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。 400(LA) 720(Lh) 1000Lh) 1320(Lh) 1600Lh) 压力计3读数(mm) 压力计4读数(mm) 压头损失(mm) 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 第3页共4项☐
第 3 页 共 4页 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，且由于 1、2 处等高，则有： g u g g u g 2 p 2 p 2 2 2 2 1 1 + = + （1－3） 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（1－1），验证连续性方程。 400(L/h) 720(L/h) 1000(L/h) 1320(L/h) 1600(L/h) 压力计 1 读数（mm） 压力计 2 读数（mm） u1 u2 (伯努利方程) u2 (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）。 400(L/h) 720(L/h) 1000(L/h) 1320(L/h) 1600(L/h) 压力计 1 读数（mm） 压力计 3 读数（mm） 压头损失（mm） 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。 400(L/h) 720(L/h) 1000(L/h) 1320(L/h) 1600(L/h) 压力计 3 读数（mm） 压力计 4 读数（mm） 压头损失（mm） 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
(1-4) d2g 可推算得阻力系数，然后根据雷诺准数，作出两者关系曲线。 400(LA) 720(Lh) 1000Lh) 1320Lh) 1600LM) 压力计4读数(mm) 压力计5读数(mm) 压头损失(mm) Re 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x,有 (1-5) 考察在不同雷诺准数下，与管路平均速度u的关系。 400Lm) 720Lh) 1000Lh)1320Lh) 1600Lh) 压力计5读数(mm) 压力计6读数(mm) 动压头(mm) ui/ums 第4项共4项
第 4 页 共 4页 g u d L hf 2 2 = （1－4） 可推算得阻力系数，然后根据雷诺准数，作出两者关系曲线。 400(L/h) 720(L/h) 1000(L/h) 1320(L/h) 1600(L/h) 压力计 4 读数（mm） 压力计 5 读数（mm） 压头损失（mm） Re λ 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 umax，有 2 max 2 u h g = （1－5） 考察在不同雷诺准数下，与管路平均速度 u 的关系。 400(L/h) 720(L/h) 1000(L/h) 1320(L/h) 1600(L/h) 压力计 5 读数（mm） 压力计 6 读数（mm） 动压头（mm） umax u1/umax