教學(xué)設(shè)備

一、 概述
本實(shí)驗(yàn)裝置是由雷諾實(shí)驗(yàn)、柏努利實(shí)驗(yàn)、沿程阻力實(shí)驗(yàn)和局部阻力實(shí)驗(yàn)于一體的綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，外形美觀，且節(jié)約實(shí)驗(yàn)投資與占地面積。在實(shí)際生產(chǎn)中，許多過(guò)程都涉及到流體流動(dòng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)，尤其是流體的流動(dòng)現(xiàn)象，故而了解流體的流動(dòng)形態(tài)極其重要。流體在流動(dòng)過(guò)程中為克服流動(dòng)阻力必定要消耗能量。流體流動(dòng)阻力產(chǎn)生根本的原因是流體具有粘性，流動(dòng)時(shí)存在著內(nèi)磨擦，而固定的管壁或其它形狀固體壁面，促使流動(dòng)流體的內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為流體流動(dòng)阻力的產(chǎn)生提供了條件，因此液體阻力的大小與流體的物性、流動(dòng)狀況及壁面等因素有關(guān)。流體在流動(dòng)系統(tǒng)中作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，流體在各截面上的流速、密度、壓強(qiáng)等物理參數(shù)僅隨位置而改變而不隨時(shí)間而變。根據(jù)能量守恒定律，對(duì)任一段管路內(nèi)流體流動(dòng)做能量衡算，即可得到表示流體的能量關(guān)系和流動(dòng)規(guī)律的柏努利方程。
二、 設(shè)備性能與主要技術(shù)參數(shù)
1. 該實(shí)驗(yàn)裝置主要由：雷諾實(shí)驗(yàn)管、柏努利實(shí)驗(yàn)管、沿程阻力管、局部阻力管、孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、測(cè)壓計(jì)、實(shí)驗(yàn)水箱、計(jì)量水箱、蓄水箱和水泵等組成。
2. 雷諾實(shí)驗(yàn)管為長(zhǎng)1100mm，內(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管，位于實(shí)驗(yàn)桌上的第二根實(shí)驗(yàn)管道，方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
3. 柏努利實(shí)驗(yàn)管由內(nèi)徑φ20mm和內(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管組成，總長(zhǎng)為1100mm，以及按兩點(diǎn)法求出各變化點(diǎn)的動(dòng)靜壓頭。
4. 沿程阻力管為長(zhǎng)1100mm，內(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管，兩測(cè)壓點(diǎn)間的距離為800mm。
5. 局部阻力管為內(nèi)徑分別為14mm變23m，14mm變23mm以及閥門(mén)阻力，管長(zhǎng)1100mm
6. 流量校核管為長(zhǎng)1100mm內(nèi)徑φ14mm的有機(jī)玻璃管，其上裝有孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)。可用來(lái)對(duì)文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì)進(jìn)行流量校核。
7. 測(cè)壓計(jì)由20根長(zhǎng)600mm，內(nèi)徑φ8mm的有機(jī)玻璃管固定在測(cè)壓架上。
8.實(shí)驗(yàn)水箱由有機(jī)玻璃制成，其上有指示液盒，指示液入口支撐架。
9.計(jì)量水箱為10L有機(jī)玻璃水箱，在水箱外壁面有一不干膠標(biāo)尺。
10.蓄水箱由PVC板焊制而成的容積80L水箱。
11.水泵：輸入功率120W，最高揚(yáng)程：12m，最大流量：15L/min，轉(zhuǎn)速2800r/min，。
12.孔板流量計(jì)的孔徑為φ8mm，文丘里流量計(jì)的喉徑為φ6.2mm。
三、 可開(kāi)實(shí)驗(yàn)
1. 雷諾實(shí)驗(yàn)
2. 沿程阻力實(shí)驗(yàn)
3. 局部阻力實(shí)驗(yàn)
4. 柏努利方程實(shí)驗(yàn)
5. 文丘里、孔板測(cè)流量的校核實(shí)驗(yàn)。
四、 實(shí)驗(yàn)原理
1、雷諾實(shí)驗(yàn)：
流體流動(dòng)過(guò)程中有兩種不同的流動(dòng)型態(tài)：滯流和湍流。流體在管內(nèi)作滯流時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)，且互相平行其質(zhì)點(diǎn)之間互不混雜，互不碰撞。湍流時(shí)質(zhì)點(diǎn)紊亂地向各個(gè)方向作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，但流體的主體仍向某一方向流動(dòng)。
影響流體流動(dòng)型態(tài)的因素，除代表慣性力的流速和密度及代表粘性力的粘度外，還與管型、管徑等有關(guān)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)歸納得知可由雷諾準(zhǔn)數(shù)Re來(lái)判別：

式中：d —管子內(nèi)徑（m）
u — 流速（m / s）
ρ—流體密度（㎏/m3）
μ—流動(dòng)粘度（PaS）
Re≤2000為滯流；Re≥4000為湍流；2000＜Re＜4000為不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū)。
2、沿程阻力與局部阻力實(shí)驗(yàn)：
流體阻力產(chǎn)生的根源是流體具有粘性，流動(dòng)時(shí)存在內(nèi)摩擦。而壁的形狀則促使流動(dòng)的流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為流動(dòng)阻力的產(chǎn)生提供了條件，流動(dòng)阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動(dòng)狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。流動(dòng)阻力可分為直管阻力和局部阻力。
流體在流動(dòng)過(guò)程中要消耗能量以克服流動(dòng)阻力。因此，流動(dòng)阻力的測(cè)定頗為重要。從流程圖可知水從貯槽由泵輸入恒位水槽，再流經(jīng)管道，經(jīng)計(jì)量槽計(jì)量后回到水槽，循環(huán)利用。改變流量并測(cè)定直管與管件的相應(yīng)壓差，即可測(cè)得流體流動(dòng)阻力。
直管阻力磨擦系數(shù)λ的測(cè)定
直管阻力是流體流經(jīng)直管時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力損失hf 。
對(duì)于等直徑水平直管段根據(jù)兩測(cè)壓點(diǎn)間的柏努利方程有：
式中：l — 直管長(zhǎng)度（m）
d — 管內(nèi)徑  （m）
（P1 - P2）— 流體流經(jīng)直管的壓強(qiáng)降（Pa）
u — 流體截面平均流速（m/s）
ρ— 流體密度（kg/m3）
μ— 流體粘度（PaS）
由式（1 - 1）可知，欲測(cè)定λ，需知道I、d、（P1 - P2）、u、ρ、μ等。
1） 若測(cè)得流體溫度，則可查得流體的ρ、μ值。
2） 若測(cè)得流量，則由管徑可計(jì)算流速u(mài)。
3） 兩測(cè)壓點(diǎn)間的壓降（P1 - P2），可用U型壓差計(jì)測(cè)定。此時(shí)：
                                         
式中：   R — U型壓差計(jì)中水銀柱的高度差（m）
則：
                                         
局部阻力系數(shù)ζ的測(cè)定
局部阻力主要是由于流體流經(jīng)管路中管件、閥門(mén)及管截面的突然擴(kuò)大或縮小等局部位置時(shí)所引起的阻力損失，在局部阻力件左右兩側(cè)的測(cè)壓點(diǎn)間列柏努利方程有：
                                       （1-4）
  即：       
式中：       ζ — 局部阻力系數(shù)
     P1′- P2′— 局部阻力壓強(qiáng)降（Pa）
式（1 — 4）中ρ、u、P1′- P2′等的測(cè)定同直管阻力測(cè)定方法。
3、柏努利實(shí)驗(yàn)：
1、 不可壓縮流體在管內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由于管路條件（如位置高低、管徑大�。┑淖兓�，會(huì)引起流動(dòng)過(guò)程中三種機(jī)械能——位能、動(dòng)能、靜壓能的相應(yīng)改變及相互轉(zhuǎn)換。對(duì)理想流體，在系統(tǒng)內(nèi)任一截面處，雖然三種能量不一定相等，但能量之和是守恒的。
2、 對(duì)于實(shí)際流體，由于存在內(nèi)磨擦，流體在流動(dòng)中總有一部分機(jī)械能隨磨擦和碰撞轉(zhuǎn)化為熱能而損失掉了。故而對(duì)于實(shí)際流體，任意兩截面上機(jī)械能總和并不相等，兩者的差值即為機(jī)械損失。
3、 以上幾種機(jī)械能均可用U型壓差計(jì)中的液位差來(lái)表示，分別稱(chēng)為位壓頭、動(dòng)壓頭、靜壓頭。當(dāng)測(cè)壓直管中的小孔（即測(cè)壓孔）與水流方向垂直時(shí)，測(cè)壓管內(nèi)液柱高度則為靜壓頭與動(dòng)壓頭之和。測(cè)壓孔處流體的位壓頭由測(cè)壓孔的幾何高度確定。任意兩截面間位壓頭、靜壓頭、動(dòng)壓頭總和的差值，則為損失壓頭。
4、 柏努利方程式
             
式中：
     、 ——兩截面間各自距基準(zhǔn)面的距離   （m）
    、 ——可通過(guò)流量與其截面積求得       (m/s)
    、 ——由U型壓差計(jì)的液位差可知      （  ）
對(duì)于沒(méi)有能量損失且無(wú)外加功的理想流體，上式可簡(jiǎn)化為
         
4、文丘里流量計(jì)與孔板流量計(jì)校核
文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì)是應(yīng)用最廣泛的節(jié)流式流量計(jì)。當(dāng)流體通過(guò)孔板或文丘里時(shí)由于流道的縮小，使流速增加，即增加了液體的動(dòng)能，從而降低了流體的勢(shì)能，利用壓降的變化，可以測(cè)量流體的流速，根據(jù)柏努利原理，可以得到如下計(jì)算公式：

式中： ――孔口處流速，m/s；
　　　 ――孔板流量系數(shù)，無(wú)因次；
　　　R - - 壓差計(jì)讀數(shù)，m；
　　　 ――壓差計(jì)內(nèi)指示液密度，kg/m3；
　　　ρ ――流體密度，kg/m3；
其中 不僅與 （孔口與管道截面積比）有關(guān)，而且還與孔板的結(jié)構(gòu)形狀、加工進(jìn)度、流體在管內(nèi)雷諾數(shù)、取壓方式以及管壁面的粗糙度等諸因素有關(guān)，所以只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定求得，才能利用公式得出流速、流量。
流量計(jì)的校正實(shí)際上就是對(duì)給出的 的校正，即要得到某一待定條件下流量計(jì)的流量系數(shù)c與校正曲線。校正的總思路是在不同的流量下，測(cè)得壓差計(jì)讀數(shù)R，通過(guò)其它方法得到對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流量，再根據(jù)公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)，這樣根據(jù)連續(xù)性可得到流量系數(shù)與雷諾數(shù)Re間的關(guān)系曲線，以及流量與指示液讀數(shù)R之間的關(guān)系曲線以修正原有的 和關(guān)系曲線，達(dá)到流量計(jì)的校正目的。
標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的測(cè)量方法對(duì)液體一般采用體積測(cè)量法、質(zhì)量測(cè)量法和基準(zhǔn)測(cè)量法。本實(shí)驗(yàn)采用體積測(cè)量法。