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1、“流体力学综合实验仪”的制作及其应用化工原理是研究“三传”，即“动量传递”，“热量传递”，“质量传递”的规律及其应用的一门科学，而“热量传递”，“质量传递”以“动量传递”为前提，流体输送就是流体的“动量传递”，也就是说，没有流体输送，就不可能存在化工生产过程中的传热和传质。由上我们可以看出流体输送在化工单元操作中具有举足轻重的地位。1 问题的提出化工原理中流体输送一章涉及的概念多，公式多，一些初学者由于种种原因没有把该章的核心方程“柏努利”方程学好，导致屡用屡错。为此，作者结合多年的教学实践，设计制作了“流体力学综合实验仪”。由于此实验仪能将流体流动状况真实地展示在学生眼前，使学生易于理解和掌
2、握流体力学中一些常用的基本概念和规律，收到了较好的教学效果。本文为该实验仪的制作及应用作了具体说明。2实验装置该装置有3部分组成：高位槽，示教板与管路，高位槽是用0.7mm的镀锌铁皮做成长宽高为523417cm的敞口水箱。箱内焊一隔板，将箱分为1/4与3/4两部分，前者为溢流部分，后者为水槽，当进水管流出的水超过隔板高度，水就从溢流槽底部出水管排入地沟。高位槽由角钢焊成的架子支撑，离地面224cm。示教板由普通松木作成173130cm的板，下有支承，离地面223cm。管路由两部分组成，连接高位槽出水管的是不通明的聚氯乙烯塑料管，进行测量用的是透明的螺旋不锈钢丝塑料管。在总长为160cm测量塑料
3、管部分又有两部分组成：一部分是内径5.05cm,长度120cm,的透明塑料管，另一部分是内径2.52cm,长度30cm的透明塑料管粗、细塑料管用异径管相连。在水平放置的透明塑料管的上部垂直竖立了8支直径为1cm的玻璃管，每支高度115cm，每支玻璃管旁有标尺，作测量用。在第5只玻璃管的上部连接一个分液漏斗，内盛红墨水。在细透明塑料管的出口处装一水龙头以调节出口流速。第5支玻璃管下端联结一毛细玻璃管，其弯头方向与水流方向一致。第8支玻璃管下端联结的毛细管，弯头方向正对着水流方向。3 测试内容及原理31 流体静力学基本方程的应用化工厂中经常要了解容器里的贮存量，或要控制设备的液面，因此要进行液位的
4、测量。大多数液位计的作用原理均遵循流体静力学基本方程z1+p1/(=z2+p2/()。当高位槽溢流管有水流出时，关闭“流体力学综合实验仪”的出口阀，就会发现支管18的液位高相等，即为高位槽中水槽的液位高度，我们以水平透明塑料管管轴线0-0作为基准水平面，则z1=z2=z3=z4=z5=z6=z7=z8，依据流体静立学基本方程则得p1=p2=p3=p4=p5=p6=p7=p8=p, 高位槽压力p=p0+而p0=pa=1大气压，式中均为常数，所以h1=h2 =h3=h4=h5=h6=h7=h8=h(高位槽)。3.2 稳定流动与不稳定流动 打开高位槽的进水管，并始终保证溢流管有水流出，此时打开出水阀
5、，固定开启度用秒表与水桶测试不同时间的流量。经计算知道，出水阀开启度不变，则流量、流速等物性参数也不随时间变化而变化，我们称此时的流动状态为稳定流动。关闭高位槽的进水管，打开出水阀，固定开启度，此时观察到随着时间的推移，出水管流速愈来愈慢，最后流速为零，我们称此时的流动状态为不稳定流动。3. 3 流量与流速的测试实验用大铁桶的内径为26.5cm，小铁桶的内径为21.5cm，稳定流动时，管道出水阀开启度一定，测试者先用两小桶轮流接水，用秒表计时，一定时间s后，迅速移开接水的软管，用不锈钢直尺从桶底部量取水高为hm，则水的体积V圆柱=r2hm3(r为圆柱底的半径)，体积流量为VS=V/m3/s.若
6、流量用质量流量计算，则质量流量 (为水的密度)。某一管截面上的平均流速为(Am2为与流动方向垂直的管道截面积)，质量流速或质量通量以G表示，则它们之间的关系可以图示如下。34静压能与冲压能的测定流体稳定流动时，玻璃支管14，67插入水平塑料管的下缘，管口与水流方向平行，所以各支管显示的液位高度是以水柱表示的静压能，可以直接读取。支管8插入水平塑料管的毛细管口正对着水流方向，所以支管8中显示的水位高度为局部流体动能 与静压能之和，称为冲压能。35连续性方程 连续性方程可表述为，若流体密度为常量可写为 或 =，得，由此式，我们只要知道粗、细透明塑料管的内经和任意一管的流速，另一管的流速就可以计算出
7、来。36 雷诺实验的演示在稳定流动状态下，把出口阀（水龙头）逐步开启，同时开启连接玻璃支管5的分液漏斗开关，就会发现从支管下端毛细管中流出一条水平红线（红墨水线），这说明此时管道中的水是分层流动的，彼此不互相干扰，所以称之为层流或滞流，Re2000;当把出口阀开大，发现从毛细管中出来的红线不再保持水平而是上下波动，随阀门开度的增大，波动加剧，故称之为紊流或湍流，Re4000。37直管摩擦阻力的测定若测定支管16的总阻力，根据柏努利方程:z1+p1/(+u12/(2g)+He=z2+p2/()+u22/2g+Hf我们以管轴线为基准水平面，则Z1=Z6=0又因为d1=d6,根据连续性方程Vs1=V
8、s6=ud2/4,所以u1=u6，无能量加入He=0，上式化简为Hf=(p1-p6)/( g)=h1-h6=p/( g),即阻力的表现形式为压强降，又根据流体静力学方程p=gh ,所以Hf=(p1-p6)/( g)=h1-h6=，即测定玻璃支管1的液位高度与玻璃支管6的液位高度，二者的差值就是支管16的总阻力。38阻力的测定从支管6至支管7，粗透明螺旋钢丝塑料管长度为12cm，通过一个大小头过渡到细管，忽略细管长度，从支管6至支管7，有粗管的直管摩擦阻力和大小头造成的局部阻力，写成一个通式 Hf=Hf+Hf/=Lu2粗/(d2g)+u2细/(2g),已知支管1至6的总阻力可求出粗管的值，代入上
9、式即可求 得Hf/（局部阻力）进而可求出值。39 直管摩擦系数与雷诺准数Re之间的关系 以支管16（光滑塑料管）的阻力为例，如前所述Hf,16=lu2/(d2g)=(p1-p6)/( g)=h1-h6=h 则得:=2gdh/ (lu2).而Re=du/， 而定性温度tm=(t1+t2)/2 (t1,t2为实验前、后水温)，将管路出口阀从小到大逐步开启，记录15组数据（h，u），代入上式分别计算出15组的与Re，将其标绘在双对数坐标纸上，用直尺和曲线尺分别连接各点。4. 装置特点及使用效果本装置最大特点是简单，直观，不需要动力装置，而是先将动能和静压能转化为位能（把自来水打到高位槽），然后将位能转化为静压能和动能（包括压头损失）。因不需要电，故操作安全易行，之所以叫做“流体力学综合实验仪“，是因为该实验仪涉及的知识点多，如流体力学中最基本的实验现象如雷诺实验，最重要的是方程如柏努利方程，连续性方程，阻力计算方程，最重要的图摩擦系数与雷诺准数关系图，均在本装置中得到反映与验证，用仪器讲解，便于学生理论联系实际。4
