化工原理实验

《化工原理实验》

讲稿

二0一四年二月

1.雷诺实验

一、实验目的

1.观察层流、湍流的流态及其转化特征；

2.测定临街雷诺准数，掌握圆管流动形态的判别准则；

3.观察紊流（或湍流）产生过程，理解紊流产生机理。

二、实验原理

1. 液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。

2.当初始状态流速较大时，从紊流到层流的过渡流速为下临界流速，对应的雷诺准数为下临界雷诺数，反之为上临界流速和上临界雷诺数。

μρu d =

Re （1） 式中

d ——导管直径，m ； ρ——流体密度，kg ·m 3-； μ——流体粘度，Pa ·s ； u ——流体流速，m ·s 1-；

大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。

应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。

三、实验装置 (雷诺实验仪CEA —F01型)

雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入并稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。

图1 雷诺实验装置及流程

1. 示踪剂瓶；

2. 稳压溢流水槽；

3. 试验导管；

4. 转子流量计；V01. 示踪剂调节阀；

V02. 上水调节阀；V03. 水流量调节阀；V04，V05－泄水阀；V06－放风阀。

四、实验方法

实验前准备工作：

（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与计头之间管路内的空气。

（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。

（3）用温度计测定水温。

实验操作步骤：

（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证试验时具有稳定的压头。

（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与试验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。

（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大。直至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算临界雷诺数据。

（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型已进入湍流区域。记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。

（5）以相反程序，即调节阀开度从大逐渐关小，再观察观众流动形态的变化现象，并记下水的流量和温度数据，以供计算下临界雷诺数。

这样实验操作需反复进行数次（至少5－6次），以便取得较为准确的实验数据。

实验操作注意事项：

（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。应注意适当调节注射针头的位置，使什头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。

（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。

（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。

五、结果分析

管内径为m .d 0220

六、思考题

1.液体流态与哪些因素有关?为什么外界干扰会影响液体流态的变化?

2.雷诺数的物理意义是什么？为什么雷诺数可以用来判别流态？

3.流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？

4.临界雷诺数与哪些因素有关？为什么上临界雷诺数和下临雷诺数不一样？

5.如果管子不是透明的，不能直接观察来判断管中的流体流动型态，你认为可以用什么办法来判断？

6.有人说可以只用流速来判断管中流体流动型态，流速低于某一具体数值时是层流，否则是湍流，你认为这种看法对否？在什么条件下可以由流速的数值来判断流动型态？

7.试根据雷诺与流动演示实验，简述紊流的产生和发展机理，以及如何降低或消除阻力损失。试列举具体措施。

2.离心泵实验

一、实验目的

1.了解离心泵的构造，掌握其操作和调节方法；

2.实验测定在一定转速下泵的特性曲线；

3.标定孔板流量计的孔流系数。

二、实验原理

离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。

1. 泵的流量

泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间内泵所排出的液体体积。泵的流量可直接由一定时间t 内排出液体的体积V 或质量m 来测定。

即

t

V V s = m 3·s 1- （1） 或 pt m V s = m 3·s 1- （2） 若泵的输送系统中安装有经过标定的流量计时，泵的流量也可由流量计测定。当系统中装有孔板流量计时，流量大小由压差计显示，流量s V 与倒置U 形管压差计读数R 之间存在如下关系：

gR S C V s 200= m 3·s 1- （3）

式中， 0C ——孔板流量系数；

0S ——孔板的锐孔面积，m 2；

2. 泵的扬程

若以泵的压出管路中装有压力表处为B 截面，以及入管路中装有真空表处为A 截面，并在此两截面之间列机械能衡算式，则可得出泵扬程e H 的计算公式：

g U U g p p H H A B A B e 2220-+-+=ρ （4） 式中

B p ——由压力表测得的表压强，Pa ； A p ——由真空表测得的真空度，Pa ；

0H ——A 、B 两个截面之间的垂直距离，m ； A u ——A 截面处的液体流速，m ·s 1-；

B u ——B 截面处的液体流速，m ·s 1-。 在单位时间内，液体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。若测得泵的流量为s V m ·s

1-，扬

程为e H ，m ，被输送液体的密度为 g H V N e s e ρ= w （5）

泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送液体所获得，其中部分消耗于泵内的各种能量损失。电动机所消耗的功率又大于泵轴所作出的实际功率。电机所消耗的功率可直接由输入电压U 和电流I 测得，即

UI N = W （6）

4. 泵的总效率

泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出，即

N

N e =

η （7）