化工原理实验思考题

实验一：柏努利方程实验

1． 关闭出口阀，旋转测压管小孔使其处于不同方向（垂直或正对流向），观测并记录各测压管中

的液柱高度H并回答以下问题： （1） 各测压管旋转时，液柱高度H有无变化？这一现象说明了什么？这一高度的物理意义是什

么？

答：在关闭出口阀情况下，各测压管无论如何旋转液柱高度H 无任何变化。这一现象可通过柏努利方程得到解释：当管内流速u=0时动压头H动u2??0，流体没有运动就不存在阻力，即Σhf=0，2由于流体保持静止状态也就无外功加入，既We=0，此时该式反映流体静止状态 见（P31）。这一液位高度的物理意义是总能量（总压头）。

（2） A、B、C、D、E测压管内的液位是否同一高度？为什么？

答：A、B、C、D、E测压管内的液位在同一高度（排除测量基准和人为误差）。这一现象说明各测压管总能量相等。

2． 当流量计阀门半开时，将测压管小孔转到垂直或正对流向，观察其的液位高度H/并回答以下问

题：

（1） 各H/值的物理意义是什么？

答：当测压管小孔转到正对流向时H/值指该测压点的冲压头H/冲；当测压管小孔转到垂直流向时H/值指该测压点的静压头H/静；两者之间的差值为动压头H/动=H/冲-H/静。 （2） 对同一测压点比较H与H/各值之差，并分析其原因。

答：对同一测压点H＞H/值，而上游的测压点H/值均大于下游相邻测压点H/值，原因显然是各点总能量相等的前提下减去上、下游相邻测压点之间的流体阻力损失Σhf所致。 （3） 为什么离水槽越远H与H/差值越大？

lu2（4） 答：离水槽越远流体阻力损失Σhf就越大，就直管阻力公式可以看出Hf????与管

d2长l呈正比。

3. 当流量计阀门全开时，将测压管小孔转到垂直或正对流向，观察其的液位高度H//并回答以下问题：

（1） 与阀门半开时相比，为什么各测压管内的液柱高度H//出现了变化？

答：从采集的数据可以看出，阀门全开时的静压头或冲压头与半开时相比，各对应点的压头均低于半开时的静压头或冲压头，因为直管阻力Hf与流速呈平方比（公式3-1）。 （2） 为什么C、D两点的静压头变化特别明显？

答：由于测压管C、D两点所对应的管道内径小于两侧为φ12mm，因此在相同流量的条件下C、D两点所对应的管道内的流速大于两侧的流速，根据柏努利方程机械能守恒定律，当C、D两点的

22uc2uduabpcdpablu2?动能＞时， C、D两点的静压能＜。此外从Hf????直管阻力公

??22d22式可以看出， l、d产生的阻力损失Σhf对C、D两点的静压能也有一定的影响。

4. 计算流量计阀门半开和全开A点以及C点所处截面流速大小。 答：注：A点处的管径d=0.0145(m) ;C点处的管径d=0.012(m)

A点半开时的流速： uA半?A点全开时的流速： uA全?C点半开时的流速： uc半?C点全开时的流速： uc全?Vs?40.08?4??0.135 （m/s） 223600???d3600???0.0145Vs?40.16?4??0.269 （m/s）

3600???d23600???0.01452Vs?40.08?4??0.1965 （m/s） 223600???d3600???0.012Vs?40.16?4??0.393 （m/s）

3600???d23600???0.0122

实验二：雷诺实验

1. 根据雷诺实验测定的读数和观察流态现象，列举层流和湍流临界雷诺准数的计算过程，并提供数据完整的原始数据表。

答：根据观察流态，层流临界状态时流量为90（ l/h）

90?10?3?2.5?10?5(m3/s) 体积流量： Vs?3600Vs2.5?10?5?4??0.1514(m/s) 流速： u?A??0.01452雷诺准数： Re?du???0.0145?0.1514?998.73?1973

1.111?10?3根据观察流态，湍流临界状态时流量为174（ l/h）

174?10?3?4.83?10?5(m3/s) 体积流量： Vs?3600Vs4.83?10?5?4??0.29269(m/s) 流速： u?A??0.01452雷诺准数： Re?du???0.0145?0.29269?998.73?3815

1.111?10?3同理，根据雷诺实验测定的读数计算其余各点的流量、流速和雷诺准数如原始数据表所述。

2． 根据实验观察到的流态，层流和湍流临界雷诺准数值与公认值有无差距？原因何在？

答：略有差距。主要原因在于实验设备测量精度和测量稳定性不高，其次是流态显色墨水的注入量控制不当以及人为干扰产生的震动等。

3． 根据雷诺准数表示式，你认为在什么条件下可以只用流速来判断流动型态（如层流、湍流）？ 答：根据雷诺准数的四个影响因素：d、u、ρ、μ可知，在同一台实验装置（即 管径d，且管子不变），水的温度不变（即 水的密度和黏度不变）以及测试的人为环境不变时，可以依据前次的实验结果判断流态。

实验三 管道流体阻力的测定

1． 测得水银—水差压计的读数为Rf（mHg），证明Rf与阻力的关系为：Hf=12.6Rf·g （J/kg） 答：设环境温度为20℃，水银的密度ρHg=13590（kg/m3）水的密度ρH2O=998.2（kg/m3） 证明如下： Hf??A??B13590?998.2?Rf?g??Rf?g?12.6Rf?g ?B998.22. 紧靠孔板流量计前后测得的压差，是否代表流体通过流量计的永久阻力损失？为什么？

答：测得的压差不代表流体通过流量计的永久阻力损失。流量计测得的压差ΔP一方面由流体流经孔板产生的永久阻力ΔP1，另一方面由流体流经孔板的流速变化也将产生一定的阻力ΔP2。 3. 实验装置各压差计上的“平衡阀”（旁通阀）有何作用？在什么状况下进行开启或关闭操作？ 答：平衡阀用以调节压差计两臂液柱的平衡。在实验装置启动运行或结束实验时，平衡阀应该处在开启状态；在实验装置检验系统内空气是否排净或测量阻力数据是平衡阀应该处在关闭状态。 4. 根据管道流体阻力测定的读数，列举1米直管在某一流量下的阻力Hf和摩擦系数λ； 在某一流量下的局部阻力Hf’和局部阻力系数ζ的计算过程，并提供数据完整的实验结果表及用双对数坐标绘制一般湍流区内λ~Re、u~R关系曲线。

答： 计算条件 差压计指示液及水的密度：ρHg 13950 kg/m3 ρCCl4 1596 kg/m3

实验温度 20℃ ρH2O 998.2 kg/m3

实验装置提供的有关系数： a =0.3393 n=0.1589

求 实验装置流量最大时一米直管的流体阻力Hf ；摩擦系数 λ 值。

Hf???A??BRfg?10?2?B1596?998.2?67.1?9.807?10?2

998.2?3.941?J/kg?u?aRn?0.3393?80.40.5189 ?3.305?m/s?／??2dHflu22?0.027?3.941 ?21?3.305?0.01952H?f求 实验装置流量最大时两米直管内，截止阀的局部阻力Hf ；局部阻力系数 ζ 值。

?Hf???A??BR?fg?10?2?B13950?998.2?55.5?9.807?10?2

998.2?68.58?J/kg?

H?f??Hf?2Hfu22?68.54?68.5?8?20.0 1 9 5? 23.305?68.5?4Jk/g??12.55??阻力实验结果图表 2007年10月25日

80.400 59.000 实验 条件 t（℃） 20 d（m） 0.027 L1（m） 1.00 L2（m） 2.00 Rf1(cmCCl4) 67.10 50.60 Hf1(J/kg) 3.948 2.977 Rf2(cmHg) 55.50 40.10 Hf2(J/kg） 60.684 43.596 ρ(kg/m3) μ(cp) Re λ ζ R(cmHg) u(m/s) 3.305 2.815 998.2 1.004 88722.51 0.0195 11.11 998.2 1.004 75559.93 0.0203 11.00 39.900 27.400 17.800 12.050 8.200 5.850 3.900 2.298 1.891 1.512 1.235 1.011 0.847 0.688 36.30 25.40 17.55 12.70 9.10 6.90 4.90 2.136 1.495 1.033 0.747 0.535 0.406 0.288 28.05 18.70 12.40 8.20 6.00 4.30 2.85 30.389 20.118 13.257 8.638 6.343 4.501 2.945 998.2 1.004 61679.56 0.0218 11.51 998.2 1.004 50751.07 0.0226 11.26 998.2 1.004 40573.21 0.0244 11.60 998.2 1.004 33137.57 0.0265 11.34 998.2 1.004 27137.79 0.0283 12.41 998.2 1.004 22739.62 0.0305 12.54 998.2 1.004 18454.40 0.0329 12.46 系列1多项式 (系列1)λ～Re关系曲线y = 3E-12x2 - 5E-07x + 0.0405R2 = 0.98390.1000λ0.010010000.00Re100000.00