流体力学实验.ppt

1、化工原理实验多媒体课件,化工原理教学实验中心,2012年9月,序言,一、化工原理实验的特点,工程实验,工程实验与基础实验的区别： 面对复杂的实际问题和工程问题； 采用的方法是经验的或半理论半经验的； 处理对象是复杂的(变量多、物料变化大、设备尺 寸悬殊)。,2. 实验目的,掌握处理工程问题的实验研究方法； 因次分析方法 数学模型方法 过程分解与过程合成方法 过程变量分离方法 过程参数综合方法 掌握实验方案设计和流程设计的方法 掌握过程参数的测定方法 掌握典型化工单元过程和设备的操作 掌握实验数据的处理方法 掌握实验研究报告的撰写方法(格式),实验研究报告的撰写格式及要求,1 实验内容 2 实验

2、目的 3 实验基本原理 4 实验设计 实验方案;实验流程 5 实验装置和实验流程(示意)图 6 原始数据记录 7 实验数据处理结果 8实验结果分析和讨论,处理工程问题的实验方法论,化工工程问题实验研究的困难在于所涉及的物料千变万化，如物质、组成、相态、温度、压力均可能有所不同，设备形状尺寸相差悬殊，变量数量众多 若过程所涉及的的变量为n，每个变量改变的次数（即水平数）为m，所需的实验次数为： i=mn 以流体流动阻力实验为例：影响流体阻力hf的变量有流体的密度、粘度、管路直径d、管长l、管型的粗糙度、流速u等6个变量，即 hf = f (u、d、l、) 如果按一般的网格法组织实验，若每个变量改

3、变对10个水平，则实验的次数将达106之多。 这样的实验必是旷时日久，费时费钱。例如，为改变、必须选用多种流体物料， 为改变d、l、必须建设不同的实验装置。此外，为考察的影响而保持不变则又往往是难以做到的。 因此，针对工程实验的特殊性，必须采用有效的工程实验方法，才能达到事半功倍的效果。 工程问题实验研究方法具有两个功效，一是能够“由此及彼”，二是可以“由小见大”，,量纲理论指导下的实验研究方法,问题的提出 在化工过程中，当对某一单元操作过程的机理没有足够的了解，且过程所涉及的变量较多时，人们可以暂时撇开对过程内部真实情况的剖析而将其作为一个“黑箱”，通过实验研究外部条件（输入）与过程结果（输

4、出）之间的关系及其动态特征，以掌握该过程的规律，并据此探索过程的内部结构和机理。在实验研究方法理论中，这种方法也称为“黑箱”法。 如上所述，流体湍流流动过程可用图1.1所示的“黑箱模型”表示： 物性变量、 设备变量d、l、 黑箱 阻力hf 操作变量u 图1.1 研究湍流流动阻力的“黑箱模型” 实验研究的任务是要找出： hf = f (u、d、l、) 的函数形式及式中的有关参数。 在黑箱方法中，过程的输入变量必须是可控的，过程的输出结果必须是可测的。然而，正如前面所讲，用直接实验方法研究流体流动阻力将面临实验工作量很大和实验难以组织（无法分别改变、）的困难，而量纲分析理论指导下的实验研究方法则可

5、以轻而易举地解决这种困难，并能达到“由此及彼”、“由小见大”的功效。,量纲分析理论,1、几个基本概念 (1) 基本物理量，导出物理量 流体流动问题在物理上属于力学领域问题，在力学领域中，通常规定长度l、时间t和质量m这三个物理量为基本物理量，其他力学物理量，如速度u、压力P等可以通过相应的物理定义或定律导出，称为导出物理量。,(2)量纲、基本量纲、导出量纲、无量纲准数（无量纲数群） 量纲，英文名称Dimension，是物理量的表示符号，如以L、T、M分别表示长度、时间和质量， 基本量纲，基本物理量的量纲称为基本量纲，力学中习惯上规定L、T、M为三个基本量纲。 导出量纲，顾名思义，导出物理量的量

6、纲称为导出量纲，导出量纲可根据物理定义或定律由基本量纲组合表示，例如： 速度u, u=l / t , 其导出量纲为 u=L/ T=LT-1M0 加速度a, a=l / t2 , 其导出量纲为 a=L/T2=LT-2 力F， F=ma, 其导出量纲为 F= M L/T2=MLT-2 压力P或应力，P或=F/A, 导出量纲为 P =MLT-2/L2= ML-1T-2 密度，= m/l3 , 导出量纲为 =M / L3= ML-3,（3）无量纲准数：又称无量纲数群，由若干个物理量可以组合得到一个复合物理量，组合的结果是该复合物理量关于基本量纲的指数均为零，则称该复合物理量为一无量纲准数，或称无量纲数

7、群。如流体力学中的雷诺数 2物理方程量纲一致性原则 例如： s L，u0 LT-1，t T，gLT-2,3定理及因次分析法 某一物理现象中有n个独立变量，x1，x2xn， 因变量y可以用量纲一致关系的物理方程表示： y=F（x1，x2xn）， 或 f（y，x1，x2xn）=0 由于方程中各项量纲一致，函数f可以改为 （n-m）个独立的无量纲数间的关系。 f（ 1，2 ，3 n-m ）=0,因次分析的步骤： 确定对所研究的物理现象有影响的独立变量，设有n个，f（x1，x2xn）=0； 选择基本量纲，力学中M, L, T，并用基本量纲表示出所有各变量的量纲； 选择m个变量作为基本变量(相互独立),

8、流体力学中可选,d ,u 为基本变量； 列出无量纲数，一般形式为： 该物理现象可以用（n-m）个参数的函数F来表达； 改变无量纲数进行实验，以求得F的具体实现形式。,相似定理,I ) 相似的物理现象具有数值相等的相似准数（即无量纲准数）。 II )任何物理现象的诸变量之间的关系，均可表示成相似准数之间的函数。 III)当诸物理现象的等值条件（即约束条件）相似，而且由单值条件所构成的决定性准数的数值相等时，这些现象就相似。,例如; 流体流动阻力的无因次准数关联式的形式为： Eu=C（Re）a（L/d）b 其中： Eu=P/u2 ,称为欧拉准数 Re=du/,称为雷诺准数或流体运动准数 L/d ,

9、称为几何相似准数 式中常数C和指数a, b均为待定系数，须由实验数据拟合确定。,实例：某厂采用300的管道，将硫酸从A地输送到B地，距离为50m，求该段距离的阻力损失？ 采用量纲分析法： 1流体性质：密度，粘度；设备的几何尺寸：管径d， 管长l，管壁粗糙度；流动条件：流速u；阻力损失hf； f (hf , , d, l, , u)=0 七个变量，工作量106 2分析各变量的量纲：ML-3，ML-1 T-1，dL， lL，L，uLT-1， hf L2 T-2； 3选定基本变量：，d， u； 4确定无因次数： M0L0T0 = ML-1 T-1ML-3aLT-1bLc,解之得：a=-1，b=-1，

10、c=-1 所以 ，改写为熟悉的形式： 同理可得： 4 =hf/u2 5 四个变量，工作量103 实验室选取：管径30的管子，可由2计算出管长为：5米 2 =l/d, 50/300 = L/30, L=5米 由1计算出流速u，由4计算出hf,流体流动阻力的测定,一、实验目的和内容,1.目的,1熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦阻力系数的工程意义； 2学会压差计和流量计的使用方法； 3识别组成管路的各个管件、阀门，并了解其作用； 4掌握用因次分析法规划实验方案的方法。,2.内容,1 测定特定/d下直管摩擦系数和雷诺数的关系； 2测定流体流经阀门时的阻力系数。,二、基本原理,1.直管阻力,采用因此分析法规划实验： 1影响因素： 物性因素（流体性质）： 密度，粘度； 设备因素（流动的几何尺寸）：管径d， 管长l，粗糙度； 操作因素（流动条件）：流速u； 2分析各变量的因次：ML-3，ML-1 T-1，dL， lL，L，uLT-1， PML-1 T-2； 3选定基本变量：，d， u； 4确定无因次数： 1aubdc ML-1 T-1ML-3aLT-1bLc=M0L0T0,解之得：a= -1，b= -1，c= -1 所以 ，改写为熟悉的形式： 同理可得： ， 5 ，即 引入 得：,2.局部阻力,流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计