(城建)无机非实验指导书

1 材料工程基础及设备 实实 验验 指指 导导 书书 李 萍 编 写 适用专业 无机非 城建无机非 安徽建筑工业学院 材料 系 部 2009 年 10 月 2 前前 言言 本课程紧密材料工程类的专业特点 围绕单元操作原理和应用为 主题 以动量传递 热量传递 质量传递过程为基础 系统介绍流体输 送 传热 沉降与过滤 蒸馏 吸收及干燥等各单元操作的基本原理 基 本计算方法 工程应用 从而使学生能清楚地掌握各单元操作的基本原 理及基本计算方法 树立工程观念 本课程通过课堂教学及实验教学 课程设计等实践性环节相结合 使学生牢固建立起 单元操作 的概念 培养学生工程分析方法及独立 分析问题和解决问题的能力 两个具有综合性的实验分别为动量传递 热量传递 质量传递的代表 要求学生在实验的基础上深刻理解 三传 一反 的过程 通过系统的理论学习与实践 使学生具有一定的工程设 计能力 为未来的工作和后继课程的学习打下基础 本指导书适用于材料工程中非化工专业的学生使用 实验适宜安 排在第五或者第六学期 3 实验一 流体流动阻力的测定实验一 流体流动阻力的测定 实验学时 4 学时 实验类型 验证 实验要求 必修 一 实验目的一 实验目的 1 学习管路阻力损失 hf 管路摩擦系数 管件局部阻力系数 的 测定方法 并通过实验了解它们的变化规律 巩固对流体阻力基本理论的认识 2 了解与本实验有关的各种流量测量仪表 压差测量仪表的结构特点和安装 方式 掌握其测量原理 学会正确使用 3 学习对数坐标纸的用法 二 实验内容二 实验内容 1 测定流体流过直管的阻力 确定摩擦系数 与雷诺数 Re 的关系 2 测定阀门 管件的局部阻力系数 三 实验原理 方法和手段三 实验原理 方法和手段 由于流体粘性的存在 流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦 从而导致 阻力损失 层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的 湍流时由于情况复杂 得多 未能得出理论式 但可以通过实验研究 获得经验的计算式 其研究的基 本步骤如下 1 1 寻找影响过程的主要因素寻找影响过程的主要因素 对所研究的过程作初步的实验和经验的归纳 尽可能地列出影响过程的主要 因素 对湍流时直管阻力损失 hf与诸多影响 因素的关系式应为 hf f d u l 1 1 2 2 因次分析法规划实验因次分析法规划实验 当一个过程受多个变量影响时 通常用网络法通过实验以寻找自变量与因变 量的关系 以式 1 1 为例 若每个自变量的数值变化 10 次 测取hf的值而其他 自变量保持不变 共有 6 个自变量 实验次数将达 106 为了减少实验工作量 需要在实验前进行规划 以尽可能减少实验次数 因次分析法是通过将变量组合 成无因次数群 从而减少实验自变量的个数 大幅度地减少实验次数 这可以由 定理加以证明 因次分析法可以将对式 1 1 的研究变成对以下式 1 2 的 4 个无因次数之间 的关系的研究 即 2 dd ldu f u hf 1 2 其中 若实验设备已定 那么 式 1 2 可写成为 2 2 u dd ldu fhf 1 3 实验设备是水平直管 式 1 3 又可写为 4 2 2 u dd ldu f p 1 4 若令 d Rf d du f e 1 5 则有 2 2 u d lp 1 6 由 1 6 式可知 为了要测定 1 5 式的曲线关系 若装置已经确定 物系 也已确定 那么 只随 Re 而变 实验操作变量仅是流量 改变流量的手段是调 节阀门的开度 由阀门开度的变化达到改变流速 u 的目的 因此在管路中需要安 装一个流量计 在直径 d 长度为l的水平直管上 引出二个测压点 并接上一 个压差计 实验体系确定后 是物性参数 它们只取决于实验温度 所以 在实验装置中需要安装测流体的温度计 再配上水槽 泵 管件等组建成循环管 路 见图 1 图 1 流体阻力示意图 四 实验组织运行要求四 实验组织运行要求 根据本实验的特点和具体条件 采用集中授课形式 演示说明流体阻力的测 试过程 五 实验条件五 实验条件 流体阻力测试设备一套 以及相应的演示软件一套 六 实验步骤六 实验步骤 1 关闭控制阀 打开二个平衡阀 引水 灌泵放气 关闭功率表 启动泵 5 2 系统排气 1 总管排气 先将控制阀开足 然后再关闭 重复三次 目的为了使总管中 的部分气体被排走 然后打开总管排气阀 开足后再关闭 重复三遍 2 引压管排气 依次分别对 4 个放气阀 开 关重复三次 3 压差计排气 关闭二个平衡阀 依次分别打开 4 个放气阀 此时眼睛要注 视着 U 型压差计中的指示剂液面的上升 防止指示剂冲出 开 关重复三次 3 检验排气是否彻底的方法为 将控制阀开至最大 再关至零 看 U 型压差 计读数 若左右读数相等 则可判断系统排气彻底 若左右读数不等 则重复上 述步骤 2 4 由于系统的流量计量采用涡轮流量计 其小流量受到结构的限制 因此 从大流量做起 实验数据比较准确 5 实验布点 由于 Re 在充分湍流区时 Re 的关系是水平线 所以在大流量时少布点 而 Re 在比较小时 Re 的关系是曲线 所以小流量时多布点 先将控制阀开 至最大 读取流量显示仪读数 F大 然后关至水银压差计读数为 0 13 m2s 2时 再读取流量显示仪读数 F小 在 F小和 F大两个读数之间布 10 点 七 思考题七 思考题 1 为了确定 与 的函数关系要测定那些数据 宜选用什么仪器仪表来 测定 如何处理数据 2 为什么要进行排气操作 如何排气 是否定要关闭尾部阀门 3 两段管线的管长 管径 相对粗糙度及管内流速均相同 一根水平放置 另一根倾斜放置 问流体流过这两段管线的阻力及管子两端的压差是否相同 为 什么 八 实验报告八 实验报告 1 预习熟悉流体流动过程中各个参数的含义 2 根据实验数据整理成 Re数据表 在双对数坐标纸上绘制 Re曲线 3 确定管件或阀门的阻力系数 4 原始数据 1 一次性原始数据 涡轮流量计仪表常数 次 升 直管 长度 l m 内径 d mm 指示剂 局部 阀件或管件类型 内径 d mm 指示剂 水温 t 2 原始数据记录表 表 1 1 直管阻力压差计局部阻力压差计 序号显示仪读数 左右左右 1 2 3 4 5 6 6 7 8 9 10 5 对实验结果进行分析讨论 九 其它说明九 其它说明 1 排气一定要排彻底 2 引压管和压差计排气时要同时开关排气阀 注意安全 确保指示剂不被冲 出 3 实验数据安排合理 7 实验二 实验二 传传 热热 模模 拟拟 实验学时 4 学时 实验类型 验证 实验要求 必修 一 实验目的一 实验目的 1 巩固所学传热学和相似原理方面的知识 2 熟悉热电模拟与数值模拟实验方法 学会边界条件的处理 3 锻炼学生使用软件的能力 加深对有限差分法的理解 二 实验内容二 实验内容 1 学会用电阻元件构成的电阻网络式电模型模拟实际中温度场模型在某一边 界条件下 测量出相应的电量 从而等效于实际模型的温度 并得出连续的等温 线 2 使用MATLAB进行实际二维墙角模型导热的数值模拟 给出墙角在某一边界 条件下导热的温度场 3 比较不同边界条件的温度场 三 实验原理 方法和手段三 实验原理 方法和手段 大自然中有许多相类似的现象 所谓类似 就是指事物客观发展过程不同 而描述它们的数学模型形式相同的现象 固体内无内热源的稳定导热现象和导电 体内无感应的稳定导电现象就是属于两种性质 但微分方程形式相同的类似现象 它们都可以用拉普拉斯方程来描述 即 2 1 0 2 式中 可以代表电势 又可以代表温度 因此 人们可以通过研究电学现象去确定导热现象的规律性 这并不是利用 现象本身的相似性 而是用类比的方法 用其它物理现象来重演所要研究的现象 也可以说 是利用那些具有相同的数学微分方程式所表达的物理现象来互相模拟 而测量电压 电流和电阻等参数比起测量热量和温度来说 既简便又精确 这种 研究方法称为电模拟 它具有很大的实用价值 由于它们的数学方程属于同一类型 故两个现象的对应量之间存在一个类比 关系 由导热现象中的付立叶定律写出 2 2 T R t x t q 由导电现象中的欧姆定律写出 2 3 A R u I 8 式中 导热量 t 温度差 qWC 物体的导热系数 导热物体的厚度 CmW x m 导热体内的热阻 W 导电量 T RIA u 电位差 导电体内的电阻 V A R 于是 可以建立用电流来模拟热流 用电势差来模拟温度差 用电阻来模拟 热阻的类比关系 根据相似原理 只要建立二者的几何条件相似和边界条件相似 则方程式的 解就具有同一形式 对于工程上简单的二维或三维导热温度场 如二维墙角的导 热温度场 完全可以通过热电模拟方法来确定它的分布规律 所谓几何条件相似 就是使导热体模型的各方向几何尺寸和导电体模型的各 方向几何尺寸比值为同一相似倍数 而边界条件相似 则根据不同的边界类型来 建立 边界条件有三种类型 即 第一类边界条件 热元件 导热体 边界上温度 为已知 令在电模型 1 t 2 t 边界上的电位 也保持一定的比例关系 1 u 2 u 第二类边界条件 热元件边界上热流量为已知 只要电模型边界上电流量Q 也保持一定比值的对应值 I 第三类边界条件 热元件周围介质的温度和周围介质与热元件表面间的传热 系数为已知 即周围介质与热边界之间的热阻为已知 令电模型边界上加 1 RT 一个与保持一定比例的电阻 T R A R 本实验主要通过数值模拟代替电模拟的方法来测量描述二维墙角平面内导热 的等温线分布规律 在二维稳态导电模型中 可以用导电纸或水为导电介质 其水电模拟线路图 及导电纸模拟线路图分别见图 1 和图 2 图 2 墙角平面内温度场导电纸电模拟线路图 1 墙角平面内温度场水电模拟线路 9 图 1 中 为低频信号发生器输出交流电压 实验中一般设置为 3 5V 且V 1000Hz 的交流电压 R1 R2为调节电阻 数字万用表可以测量 A 电流 A 为自 制银探针 该测量系统为一个平衡桥路 图 2 中 E 为 3V 直流电源 A 为普通探笔 该电模拟采用数字万用表直接分 压法 以图 1 为例 由惠斯顿平衡电桥原理可知 当桥路平衡时 A 表指零 此 时得 2 4 RRIVV 21121 2 5 RIV V 111 2 5 除以 2 4 得 2 6 RR R VV V V 21 1 21 1 由物理相似得 及 tt t t VV V V 21 1 21 1 RR R tt t t 21 1 21 1 即 2 7 tt RR R t t 21 21 1 1 四 实验组织运行要求四 实验组织运行要求要求要求 根据本实验的特点和具体条件 采用集中授课形式 先演示说明 MATLAB 软件模拟温度场的步骤与方法 再自行模拟二维墙角温度场的分