化工原理及实验(上)实验教材解析

化工原理及实验（上）实验教材

实验一流体的流动状态—雷诺实验(演示实验)

一、演示目的

观察流体在圆形直管中的流动状态，加深对不同流动状态的理解。

二、演示原理

经过大量的实验观察，1880年雷诺（Reynolds）发现流体在管道中流动时具有不同的流动状态。当流体的流速较低时，流体质点（微团）只沿管轴向流动，互不混合，称为层流（或滞流）；当流体的流速较高时，流体质点不仅沿管轴向流动而且还有径向流动，即流体质点在管轴向流动的同时，还作复杂的不规则运动，相互混合碰撞，称为湍流（或紊流）；界于层流和湍流之间的流动称为过渡流。各种流体流动状态如图4-1所示。

(a) 层流

(b) 过度流

(c) 湍流

图4-1 流体的流动状态

三、演示装置

演示装置如图4-2所示。流体流动状态演示仪器主要由贮水槽、有色液体贮瓶、水平圆形直管及流量计组成。

水自贮水槽进入水平圆形直管，由管道的出口阀控制流量的大小。红墨水自贮瓶引出注入管道中心轴线处。当调节阀门使管道中的流量从小到大变化时，就会出现红墨水在管道中呈现出如图4-1所示的三种状态。

四、 基本原理

雷诺准数是判断流动形态的准数，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示： μ

ρ

du =

Re

式中d ：管子内径（m ），u ：流速（m/s ），ρ：流体密度（kg/m 3） ，μ：流体粘度（NS/m 2）。

一般认为：Re<2000时，流动形态为滞流；Re>4000时，流动形态为湍流。Re 数在两者之间有时为滞流，有时为湍流，和环境有关。

对于一定温度的流体在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流速有关，本实验是改变水在管内的流速，观察在不同雷诺数下流体流型的变化。

五、 装置流程

图4-2 实验装置流程

1——贮瓶， 2——贮水槽，3——圆形直管（有机玻璃）， 4——转子流量计

六、 实验步骤

1、 水通过进水阀，充满水箱2。开启出水阀，排除管路系统中的空气。

2、 为了保持水位恒定和避免波动水由进口管先流入进水槽后由小孔流入水箱其中多

余的水经溢流口排出。 3、 测定水温

4、 将示踪剂（红墨水即可）加入贮瓶1内。

5、实验操作时，先开启流量计4少许，调节针型阀，控制着示踪剂的注入速度。

6、逐渐增加调节阀开度，观察着色水流的变化。

七、数据记录年月日水温℃

实验二旋风分离器(演示实验)

一、演示目的

观察旋风分离器分离气、固混合物的现象了解旋风分离器的结构及工作原理。

二、演示原理

旋风分离器主体上部是圆桶型，下部是圆锥型，含尘气体从旋风分离器的进气管沿切线方向进入分离器内做旋转运动，尘粒受到离心力作用而被甩向器壁，再经圆锥筒落入灰斗。干净的气体则由中心上行自排气管排出，从而达到分离的目的。

三、演示装置

1——加料斗，2——生气管，3——分离器，4——集尘斗，5——风机

1

2

3

4

5

四、实验步骤

1、 在加料斗中加入一些黑煤粉。

2、 合上风机电闸。

3、 慢慢打开处于风机上的风量控制阀，观察在不同风量下分离器内的外旋涡和内

旋涡。

实验三 流体机械能的变化(演示实验)

一、演示目的

1、 通过本实验，加深对能量相互转化概念的理解。

2、 观察流体流经收缩、扩大管时，各截面上静压头的变化。

3、 伯努利方程的应用——利用能量转化关系来测定流量（测定文氏管的孔流系数0C ）

二、实验原理

不可压缩的流体在导管内做定常流动时，由于导管截面的改变致使各截面上的流速不同而引起的静压头的变化，其关系可由流动过程中能量衡算方程来描述。

对于非理想流体，必须考虑其粘度，那么∑+++=++f h P w Z P w Z ρ

ρ22

22121122 因导管截面发生变化引起流速的变化，致使静压头与动压头相互转化，它的变化可由各玻璃管中液柱的高度表现出来。

当导管中的流体流动时，不难看出E D C C B A h h h h h h >>>>,

当导管处于同一水平面上：

)(22)(22222

2AC h h g

W h g W

AB h h g W h g W f C C

A A

f B B A A ++=+++=+

)(22)(22222

2CE h h g

W

h g W CD h h g

W h g W f E E

C C f

D D

C C ++=+++=+

由于A 截面到C 截面，流道截面逐渐缩小，管内流速W 不断增大，流体中部分静压能转化为动能，还有阻力损失

∑AC

hf

。因此，C A h h >。

反之，从C 截面到E 截面，流道截面逐渐扩大，管内流速W 不断减小，流体中部分动能又转化为静压能，E C h h <。

流量的变化可由阀○1和阀○2的调节来实现。在不同流量下，从各玻璃管显示出的压强变化的规律中去理解伯努利方程的意义，开拓对伯努利方程的应用。

三、演示装置及流程

图4-3 伯努利实验装置流程图

1——溢流槽，2——玻璃管，3——文氏管，4——磁力泵，5——水箱

四、实验步骤

1、将清洁的水充满水箱

2、关闭阀○2，打开阀○1，启动水泵。让水充满测试管并排尽管内（包括测试管）的空气。

3、打开阀○2，调节阀○1，使各点的测压液柱控制在标尺范围内。

4、逐步调节阀○2，改变管道内流量，测取若干点流量下，动能与静压能的变化规律并加以计算。

五、实验记录