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1、机械能转化演示实验一、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.连续性方程对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程： （11）根据平均流速的定义，有 （12）即 （13）而对均质、不可
2、压缩流体，则式（12）变为 （14）可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。对圆管，为直径，于是式（14）可转化为 （15） 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： （16）显然，上式中各项均具有高度的量纲，称为位头，称为动压头（速度头），称为静压头（压力头），称为外加压头，称为压头损失。关于上述机械能衡算方程的讨论：（1）理想流体的柏努利方程无黏性的即没
3、有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的，若此时又无外加功加入，则机械能衡算方程变为： （17）式（17）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想流体在流动过程中，总机械能保持不变。（2）若流体静止，则，于是机械能衡算方程变为 （18）式（18）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。3.管内流动分析按照流体流动时的流速以及其它与流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分成两类：稳定流动和不稳定流动。连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。流体流动有两种不同型态，即层流和湍流，这一现象最早是由雷诺
4、（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示： （19）式中：Re 雷诺准数，无因次； d 管子内径，m；u 流体在管内的平均流速，ms；流体密度，kgm3；流体粘度；Pas。式（19）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流
5、动，雷诺准数仅与流体流速有关。层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re2000时为层流；当Re4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。三、装置流程 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。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
6、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。
7、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. 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，适用柏努利方程即式（17），且由于1、2处等高，则有： （110） 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
8、处的平均流速u2。令u2代入式（15），验证连续性方程。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）。且流量越大，读数差越明显。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。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 （111）可推算得阻力系数，然后根据
9、雷诺准数，作出两者关系曲线。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uc，有 （112）考察在不同雷诺准数下，与管路平均速度u的关系。空气蒸汽对流给热系数测定一、实验目的1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。二、基本原理在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(41)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导
10、和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。 达到传热稳定时，有 （41）式中：Q 传热量，J / s；m1 热流体的质量流率，kg / s；cp1 热流体的比热，J / (kg )；T1 热流体的进口温度，；T2 热流体的出口温度，；m2 冷流体的质量流率，kg / s；cp2 冷流体的比热，J / (kg )；t1 冷流体的进口温度，；t2 冷流体的出口温度，；a1 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 )；A1 热流体侧的对流传热面积，m2； 热流体与固体壁面的对数平均温差，；a2 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 )；A2 冷流体侧的对流传热面积，m2； 固体壁面与冷流
11、体的对数平均温差，；K 以传热面积A为基准的总给热系数，W / (m2 )； 冷热流体的对数平均温差，；热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（42）计算， （42）式中：TW1 热流体进口处热流体侧的壁面温度，；TW2 热流体出口处热流体侧的壁面温度，。固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（43）计算， （43）式中：tW1 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，；tW2 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，。热、冷流体间的对数平均温差可由式（44）计算， （44）当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（41）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系
12、数， （45）实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2；冷空气或水的进出口温度t1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d2，；和冷流体的质量流量，即可计算a2。然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。由式（41）得， （46）实验测定、并查取下冷流体对应的、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K。下面通过两种方法来求对流给热系数。1 近似法求算对流给热系数以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为， （47）式中：d1 换热管外径，m；d2 换热管内径，m；dm 换热管的对数平均直径，m；b 换热管的壁厚，m；l 换热管材料的导热系数，W / (m )； 换热管外侧的污垢热阻，； 换热管内侧的污垢热阻，。用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数可达左右，因此冷凝传热热阻可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8，壁厚为2.5mm，因此
