1、化工基础实验教案讲义1.伯努利实验一、实验目的流动流体所具有的总能量是由各种形式的能量所组成，并且各种形式的能量之间又可相互转换。当流体在导管内作定常流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡算基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程的管路计算、流体压强、流速与流量的测量，以及流体输送等问题，都有着十分重要的作用。本实验采用一种称之为伯努利试验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。通过实验，加深对流体流动过程基础本原理的理解。二、实验原理对于不可压缩流体，在导管内作定常流动，系统与环境又无
2、功的交换时，若以单位质量流体为衡算基准，则对确定的系统即可列出机械能衡算方程：Jkg（1）若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为m液柱（2）式中 流体的位压头，m液柱； 流体的压强，Pa； 流体的平均流速，ms； 流体密度，kgm； 流动系统内因阻力造成的能量损失，Jkg； 流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。不可压缩流体的机械能衡算方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如：（1）当流体为理想液体时，于是式（1）和（2）可简化为Jkg（3）m液柱（4）该式即为伯努利（Bernoulli）方程。（2）当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则（
3、1）和（2）式又可简化为Jkg（5）m液柱（6）（3）当流体处于静止状态时，则（1）和（2）式又可简化为Jkg（7）m液柱（8）或者将上式可改写为（9）这就是流体静力学基本方程。三、实验装置（实验仪CE103型）本实验装置主要由试验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。试验导管为一水平装变径圆管，沿程分三处设置测压管。每处测压管由一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头。伯努利实验装置包括稳压水槽；试验导管；出口调节阀； 静压头测量管；冲压头测量管。实验装置的流程如实验室实验仪所示。液体由稳压水槽流入试验导管，途径不同直径的管子，最后排出设备。流体流量由出口调节阀调节。四、实验方
4、法实验前，先缓慢开启进水阀，水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变。最后，设法排尽设备内的空气泡。实验可按如下步骤进行：（1）关闭试验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测试点的压强。（2）开启试验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点的压头变化。（3）缓慢开启试验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动压头和损失压力。实验过程中必须注意如下几点：（1）实验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会干扰实验现象和测量的准确性。（2）开启进水阀向稳压水槽注水，或开关试验导管出口调节阀时，一定要缓慢地调节开启程度，并随时注
5、意设备内的变化。（3）试验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。（4）为了便于观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。五、实验结果1. 测量并记录实验基本参数试验导管内径： （mm）； （mm）； 实验导管长度：L=1060 mm ；测试段为800mm。测压管6根d = 8 mm 。2. 非流体体系的机械能分布及其转换（1）实验数据记录（2）验证流体静力学方程。3. 流动体系的机械能分布及其转换（1）实验数据记录（2）验证流动流体的机械能衡算方程。2.管道阻力实验一、实验目的研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗
6、。流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数和局部阻力系数。二、实验原理当不可压缩流体体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为Jkg（1）或m液柱（2）式中 流体的位压头，m液柱； 流体的压强，Pa； 流体的平均流速，ms； 流体密度，kgm； 流动系统内因阻力造成的能量损失，Jkg； 单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m液柱；符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。假设： （1）水作为试验物系，则水可视为不可
7、压缩液体； （2）试验导管是按水平装置的，则； （3）试验导管的上下游截面上的横截面积相同，则。因此（1）和（2）两式分别可简化为Jkg（3） ； m液柱 （4） 。由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系：Jkg（5）或m液柱（6）式中： 圆形直管的管径，m； 圆形直管的长度，m； 摩擦系数，无因次。大量实验研究表明：摩擦系数与流体的密度和粘度，管径、流速和管壁粗糙度有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度存在函数关系，即（7）通
8、过实验测得和数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当2000时，摩擦系数与管壁粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：（Jkg） ； （m液柱） 。式中： 连接管件等的直管中流体的平均流速，ms； 局部阻力系数无因次。由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。三、实验装置（实验仪CEAF03型）本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽串联组合而成。每条测试管
9、的测压口通过转换阀组与压差计连通。压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。该装置的流程如图1所示。图1管路流体阻力实验装置流程1. 循环水泵；2. 光滑试验管；3. 粗糙试验管；4. 扩大与缩小试验管；5. 孔板流量计；6. 阀门；7. 转换阀组；8. 高位排气水槽。试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m。流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U
10、形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后充入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水，返回循环水槽。水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。四、实验方法实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。洋运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启试验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排
11、气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，停泵。（2）检查循环水槽中的水量，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。（3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被栓一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀，必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计顶部的放
12、空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。（5）在高位排水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。（6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。实验测定时，按如下步骤进行操作：（1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。（4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为喂组旋塞。例如，将G1和
13、D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。（5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。实验注意事项：（1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。（2）若实验装置旋转不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。五、实验结果（1）实验基本参数试验导管的
14、内径 17 mm试验导管的测试段长度 600 mm粗糙管的粗糙度 mm粗糙管的相对粗糙度 孔板流量计的孔径 mm旋塞的孔径 mm（2）流量标定曲线（3）实验数据列出表中各项计算公式。（5）标绘实验曲线3.离心泵实验一、实验目的在化工厂或实验室中，经常需要各种输送机械用来输送流体。根据不同使用场合和操作要求，选择各种型式的流体输送机械。离心泵是其中最为常用的一类流体输送机械。离心泵的特性由厂家通过实验直接测定，并提供给用户在选择和使用泵时参考。本实验采用单级单吸离心泵装置，实验测定在一定转速下泵的特性曲线。通过实验了解离心泵的构造、安装流程和正常的操作过程，掌握离心泵各项主要特性及其相互关系，进而加深对离心泵的性能和操作原理的理解。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内排出液体的体积或质量来测定。即m3s（1）或m3s（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，流量与倒置U形管压差
