流体力学(上)实验——11级食科2班105宿舍出版资料

1、2011级105宿舍出版一、 流体流动形态的观察与测定（雷诺实验） 实验任务：流型及其判断方法；层流、湍流、层流时流速分布曲线 1、 雷诺准数 Re=du/2、 流动类型及判断 Re2100为层流，Re4000为湍流， 2100<Re<4000为过渡流。3、 转子流量计原理及安装 原理：在不同的流量下，要保持转子上下端之间具有相同的静压差，转子与玻璃管环隙间的截面积必须发生改变。在不同的流量下，转子会停留在玻璃管内不同的高度处，因此转子在不同高度处的刻度就可只是流体的流量。安装：（1）垂直安装（2）进出口应有5倍管道直径以上的直管段（3）安装在没有振动、便于观察和维修的场所（4）小

2、口径的仪表，应在仪表上游装一个过滤器（5）在转子流量计的进出口装有截止阀和配置旁通阀4、 思考题 （1）影响流体流动型态的因素有哪些？ 答：影响流体流动形态的因素有4点：管径d、流速u、流体密度、流体黏度。 （2）如果管子不是透明的，不能直接观察来判断管中的流体流动型态，你认为可以用什么办法来判断？ 答：若不借助外用工具，如果管子是软的可以摸摸就能感觉，也可以用听来判断；如果只硬的管子，就只能用听来判断。用雷诺数判断：Re2100为层流，Re4000为湍流， 2100<Re<4000为过渡流。（3）有人说可以只用流速来判断管中流体流动型态，流速低于某一具体数值时是层流，否则是湍流，

3、你认为这种看法对否？在什么条件下可以由流速的数值来判断流动型态？ 答：不对。流体流动型态不仅包括层流、湍流，还有过渡流。条件：水槽液位高度保持不变，液面绝对平静，墨水粗细合理，水中无杂质，温度、气压和管径保持不变。（4）在实验中，连续注入水以爆出水槽液面高度不变的目的是什么？答：由于是通过转子流量计来测量水管中水流的流速，如果水槽中液面高度不能恒定在画线处的话，转子流量计的指示值就不准确，雷诺数的计算值就有较大误差。有P=gh可知，保持水槽液面高度h不变，就是保持水槽出水口出的压强P不变。二、柏努利方程 实验任务： 1、流体流动中各种能量、压头的概念及各种能量之间相互转化关系 2、分析比较几种

4、情况下的压头 3如何测定管中水的平均流速和不同管径处的点速度 平均流速u2=2gH动1、 原理：动压头、静压头、位压头概念 动压头：当测压孔转为正对水流方向时，测压管内液体将因此上升，所增加的液位高度。反映该点水流动能的大小。静压头：当测压管上的小孔与水流方向垂直时，测压管内液位高度。反映测压点处液体压强的大小。位压头：用基准水平面上流体的高度表示流体的位能。2、 测压管中测压孔正对、垂直方向时测出的总压头由哪几个压头组成？ 测压孔正对水流方向时测得的是位压头+静压头+动压头垂直水流方向时测得的是位压头+静压头3、 流动阻力在测压管中如何体现？ 液位下降4、 思考题 （1） 关闭A阀，各测压管

5、旋转时，液位高度有无变化？这一现象说明什么？这一高度的物理意义又是什么？ 答：没有变化。这一现象说明：液体静止时，没有压头损失，势能总和守恒，动能为0。物理意义：此时测量值为静压头。（2） 点4的静压头为什么比点3大（或为什么p4大于p3）答：由流体静力学方程，gz3+p3/=gz4+p4/因为z4z3，所以p3p4（3） 当测压孔正对水流方向时，各测压管的液位高度H的物理意义是什么？答：液位高度H=静压头+动压头 （4） 为什么HH（对同一点而言）？为什么距离水槽越远，（H- H）的差值越大？其物理意义是什么？ 答：当液体流动时，有部分压头转变成压头损失，所以读数减小。同一管径，离水槽越远，

6、流体流过的路程越长，压头损失越多，故（H- H）的差值越大。（H-H）的物理意义：压头损失（5）测压孔正对水流方向，开大阀A，流速增大，动压头增大，为什么测压管的液位反而下降？ 答：流速越大，压头损失越多，液位便下降。（6）将测压孔由正对水流方向转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降？下降的液位代表什么压头？1、3两点及2、3两点各自下降的液位是否相等？这一现象说明了什么？ 答：测压孔正对水流方向时测得的是动压头+静压头，与水流方向垂直时测得的是静压头，所以正对变成垂直时，无动压头，故各测压管的液位下降。下降的液位代表动压头。1、3两点下降的也为近似相等；2、3两点下降的液位不相等。因为

7、流体的流速与管子的直径有关，在相同流量的情况下，直径越大，流速越小。（7）在不改变阀A开度的条件下，（H1-H3）表示什么？（H2-H3）表示什么？答：（H1-H3）表示动压头和1-3之间的机械能损失；（H2-H3）也表示动压头和1-3之间的机械能损失。四、离心泵测定实验1、离心泵性能曲线组成、种类和特点：答：离心泵的特性曲线指一定转速下的压头-流量曲线（H-Q曲线）、功率-流量曲线（N-Q曲线）、效率-流量曲线（-Q曲线）。从H-Q曲线可见，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大，泵向单位重量流体提供的机械能越小。但流量很小时可能有例外。轴功率随着流量的增加而上升，所以大流量输送一定对

8、应着大的配套电机。流量为零时，轴功率最小。泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值（最高效率点）后便下降。2、离心泵主要性能参数流量Q、压头H、效率和轴功率N，如何测定？答：（1）流量Q：用涡轮流量计测定。（2）扬程H：根据测到的压力、流量等，由以下公式可求：H=p2/(g)-p1/(g)+(z2-z1) （3）轴功率N（即泵输入功率）：使用功率表测定驱动电机的输出功率P，则泵的轴功率N为N=P/（ 为驱动电机的效率，标注在各台仪器上） （4）有效功率Ne：由公式Ne=QHg可计算得 （5）效率：由公式=(Ne/N)*100%可计算得3、密度、黏度、转速对性能曲线的影响答：（1）H、Q、与

9、无关，但（N、Ne）（离心力及其所做的功与成正比） （2）（H、Q、），N（黏度增加，流动阻力增加，所以压头随流量的增大而下降的幅度更大，效率也下降，但轴功率却上升） （3）转速变化时，有离心泵的比例定律：Q/Q=n/n；H/H=(n/n)2；N/N=(n/n)34、离心泵启动、关闭应注意的问题？答：离心泵启动前应使泵内灌满被输送的液体，并排气，避免气缚现象。停泵前先关闭出口阀，以免压出管路的液体倒流入泵内冲击、损坏叶轮。5、离心泵操作特点与往复泵调节方法的不同？（各种泵的调节方法）答：往复泵是依靠活塞的往复运动直接以压力能的形式向液体提供能量。根据往复泵的工作原理，可以知道，往复泵的低压是靠

10、工作室的容积的扩张增大造成的。因此往复泵启动时无须先将液体充满泵体，亦即往复泵具有自吸能力。但是，和离心泵相同，往复泵的安装高度同样受到限制，因为它们都是依赖外界与泵内压差吸入液体的。6、调节离心泵的流量时，泵进口处和出口处的压力表如何变化？关小出口阀，各表读数如何变化？为什么流量越大，入口真空度愈大而出口压力表读数愈小？答：（1）Q进口压力表示数p1（p真=-p表，入口表压越小，即入口真空度愈大），出口压力表示数p2。（2）关闭出口阀，泵进口压力和出口压力达到最大，流量、直管压差、弯头压差均为0，电机功率P达到最小。（3）流量越大流速就越大，而管道的压力损失通常可认为与流速的平方成正比。水泵

11、入口处于真空即负压状态，随着流量增大，压力损失增大，即压力变小，使原先处于真空状态的压力进一步减小，真空度就增大了。压力表读数反映的是水泵的出水扬程。要使流量增大，只有在实际扬程降低时才有可能，这时水泵的工作点往扬程降低、流量增大的方向移动，所以压力表读数减小。（泵进口压力是低于大气压的，所以用真空表来测进口压力，测得的是表压，为负值；泵出口压力大于大气压，所以用压力表来测出口压力，测得的也是表压，为正值）7、U形管测压计操作特点（可直接测出压强差、表压和真空度）答：U形管两端分别与两个测压点相连，如果作用于U形管两端的压强不相等，则U形管两侧管内的指示液液面就会有高度差R，可求两点间压强差p

12、=p1-p2=（指示液）gR。将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度。8、离心泵的汽蚀、气缚现象？如何防止这种现象的发生？答：（1）汽蚀现象：当安装高度Hg过高，使泵入口处压力下降至接近被输送流体在操作温度下的饱和蒸汽压时，则在泵内会产生被输送流体在叶轮中心处发生汽化，产生大量气泡。气泡造成的局部真空产生水锤撞击叶片，发生汽蚀现象。要避免汽蚀现象，则绷得实际安装高度要低于允许安装高度。 （2）气缚现象：如果离心泵在启动前泵壳和吸入管道内未充满液体，则泵壳内存有空气。因空气的密度比液体的密度小得多，故产生的离心力也小，启动后叶轮中心气体被抛时不能再该处形成足够大

13、的真空度，这样低位槽内液体便不能被吸入泵内。同时气缚现象还可能发生在轴封装置处，如果泵轴与泵壳之间密封不好，则外界的空气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。防止气缚现象的发生要注意在离心泵启动前向泵壳内灌满被输送的液体以排气，同时注意轴封装置的密封。9、本实验中，打开电机后，不出水，可能的原因？答：与思考题（1）泵无法启动的原因相同。10、改变离心泵特性曲线的方法有哪些？答：离心泵的特性曲线与流体密度、黏度和泵的转速有关。改变泵的转速n是改变泵的特性曲线的一般方法，nQ，H11、思考题（1）启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？答：因为离心

14、泵如果不将泵内气体排出，泵内存在空气，由于空气密度小于液体密度，所产生的离心力很小，不足以形成吸上液体所需要的真空度，就会产生“气缚”，离心泵在气缚时是无法输出液体。所以为了防止出现气缚现象，离心泵在启动前必须灌水排气。如果仍然启动不起来，有可能是泵坏了。（2）离心泵在启动时为什么要关闭出口阀？答：因离心泵启动时，泵的出口管路内还没水，因此还不存在管路阻力和提升高度阻力，在泵启动后，泵扬程很低，流量大至5m3/s，此时泵电机（轴功率）输出很大（据泵性能曲线），很容易超载，就会使泵的电机及线路损坏，因此启动时要关闭出口阀，才能使泵正常运行。（3）为什么用泵的出口阀调节流量？这种方法有什么优缺点？

15、是否还有其他方法调节流量？答：离心泵在固定的转速下扬程是固定的，调节出口阀就调节了导流面积，可以使用这种方法调节流量。优点是简单易行，缺点是节流阀消耗能量。使用变频器调节电机转速也可以调节流量，优点是节约电能。 （4）正常工作的离心泵，在其进口管路上安装底阀（单向阀）是否合理？为什么？答：合理；如果不装底阀，泵一旦停下来，吸水管的水就会全部漏光，就得重新灌水，为了减少这个麻烦，就装个底阀，避免水漏光而重新灌水。从节能的观点看，这对节能非常不利，因为底阀的水头损失系数很大，说简单点就是它的阻力很大，很耗能量，所以对节能很不利。实验五 传热实验1、总传热系数、对流传热系数测定方法答：总传热系数K：

16、根据热量传递公式Q=WcCpc（t2-t1）=V1cpc（t2-t1）热传递速率 Q=KStm所以 KStm= V1cpc（t2-t1）对流传热系数h1：当传热面为平壁，或者当管壁很饱时，总的传热阻力和传热分阻力的关系可表示为：1/K=1/h1+b/+1/h2式中：h1空气在圆管中强制对流的传热膜系数，W/(m2) h2蒸汽冷凝时的传热膜系数，W/(m2)当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管而且壁厚b较薄，黄铜导热系数比较大）时1/K=1/h1+1/h2蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数，则Kh1.2、空气在强制对流条件下，对流传热系数准数关联式如何确定？比较圆形光滑管和螺纹管强化传热效率

17、？答：由因次分析得到的对流传热的准数关联为：Nu=CRemPrnGrl式中C、m、n、l为待定参数。本实验是测定空气在圆管内做强制对流时的对流传热系数。因此，可以忽略自然对流对传热膜系数的影响，则Gr为常数。在温度变化不太大的情况下，Pr可视为常数。所以，准数关联式可写成Nu=CRem或 h=CRem/d分别计算出一些列Nu和Re，作图，然后就能求出对流传热系数准数关联式。一般情况下，螺纹管强化传热效率比圆形光滑管高。3、实验时为什么要稳定一段时间才能开始进行实验？需要稳定的参数有那些？如何操作？ 答：实验时需要稳定一段时间才能开始进行实验，是因为条件改变后，要稍等一会儿才能读取数据，这是因为

18、稳定需要一定时间，而仪表通常又存在滞后现象的缘故。需要稳定的参数包括：流量计示值、加热蒸汽压。如何操作：慢慢调节蒸汽进口阀，当蒸汽压力超过预设值时，可通过放气旋塞进行放气处理，然后重新调节蒸汽进口阀。4、传热强化分析（如何强化传热？）；传热效果变差，分析可能的原因？ 答：强化传热的措施：（1）流体旋转法 ：流体在管内产生旋转运动，紧靠壁面的流体速度增加，加强了边界层内流体的扰动；同时由于流体旋转，使整个流动结构发生变化，边界层内的流体和主流流体得以更好的混合。管内插入物：使流体旋转最简单的方法是管内插入各种可使流体旋转的插入物。如扭带、静态混合器、螺旋片等。  螺

19、旋槽管和螺旋内肋管：螺旋槽管可以用普通圆管滚压加工而成。螺旋槽管的作用也是引起流体旋转，使边界层厚度减薄并在边界层内产生扰动，从而使传热增强。（2）改变流道截面形状 层流或过渡流工况：对于层流，流动截面形状对换热和阻力有很大的影响。  湍流工况：a.横槽纹管   由普通圆管滚轧而成。流体流过横槽纹管会形成漩涡和强烈的扰动，从而强化了传热。b.扩张收缩管  流体沿流动方向依次交替流过收缩段和扩张段。流体在扩张段中产生强烈的漩涡被流体带入收缩段时得到有效的利用，且收缩段内流速增高会使流体层流底层变薄，这些都有利于增强传热。 （3）扩展换热面 ：当换热面一侧为气体，另