【正文】 實(shí)驗(yàn)一雷諾實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯苛黧w流動(dòng)的型態(tài)，對(duì)于化學(xué)和食品工程的理論和工程實(shí)踐都具有決定性的意義。1883年雷諾（Reynolds）首先在實(shí)驗(yàn)裝置中觀察到實(shí)際流體的流動(dòng)存在兩種不同型態(tài)一層流和湍流，以及兩種不同型態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。本實(shí)驗(yàn)的目的，是通過雷諾實(shí)驗(yàn)裝置，觀察流體流動(dòng)過程的不同流型及其轉(zhuǎn)變過程，測(cè)定流型轉(zhuǎn)變時(shí)的臨界雷諾數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理經(jīng)許多研究者實(shí)驗(yàn)證明：流體流動(dòng)存在兩種截然不同的型態(tài)主要決定因素為流體的密度、粘度、流動(dòng)的速度以及設(shè)備的幾何尺寸（在圓形導(dǎo)管中為導(dǎo)管直徑）。將這些因素整理歸納為一個(gè)量綱一的特征數(shù)，稱該特征數(shù)為雷諾數(shù)，即Re= dρu/μ式中 d～導(dǎo)管直徑，m； ρ～流體密度，kgm1； μ～流體粘度，PaS； u～流體速度，mS1；大量實(shí)驗(yàn)測(cè)得：當(dāng)雷諾數(shù)小于某一下臨界值時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)恒為層流；當(dāng)雷諾數(shù)大于某一上臨界值時(shí)流體流型恒為湍流。在上臨界值與下臨界值之間，則為不穩(wěn)定的過渡區(qū)域。對(duì)于圓形導(dǎo)管下臨界雷諾數(shù)為2000，上臨界雷諾數(shù)為10000。一般情況下，上臨界雷諾數(shù)為4000時(shí)，即可形成湍流。應(yīng)當(dāng)指出，層流與湍流之間并非是突然的轉(zhuǎn)變，而是兩者之間相隔一個(gè)不穩(wěn)定過渡區(qū)域，因此，臨界雷諾數(shù)測(cè)定值和流型的轉(zhuǎn)變?cè)谝欢ǔ潭壬鲜芤恍┎惶憾ǖ钠渌蛩氐挠绊?。三、?shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)裝置主要由穩(wěn)壓溢流水槽、試驗(yàn)導(dǎo)管和轉(zhuǎn)子流量計(jì)等部分組成，如圖11所示。自來水不斷注入并充滿穩(wěn)壓溢流水槽。穩(wěn)壓溢流水槽的水流經(jīng)試驗(yàn)導(dǎo)管和流量計(jì)，最后排入下水道。穩(wěn)壓溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。水流量由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。圖1 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置及流程示蹤跡瓶；穩(wěn)壓溢流水槽；試驗(yàn)導(dǎo)管；轉(zhuǎn)子流量計(jì)；V01；示蹤跡調(diào)節(jié)閥；V02上水調(diào)節(jié)閥V03水流量調(diào)節(jié)閥；V04，V05—泄水閥；V06—放風(fēng)閥。四、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作：(1)實(shí)驗(yàn)前，先用自來水充滿穩(wěn)壓溢流水槽。將適量示蹤劑（紅墨水）加入貯瓶?jī)?nèi)備用，并排盡貯瓶與針頭之間管路內(nèi)的空氣。(2)實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，作好流量標(biāo)定曲線。(3)用溫度計(jì)測(cè)定水溫。實(shí)驗(yàn)操作步驟：(1)開啟自來水閥門，保持穩(wěn)壓溢流水槽有一定的溢流量，以保證試驗(yàn)時(shí)具有穩(wěn)定的壓頭。(2)用放風(fēng)閥放去流量計(jì)內(nèi)的空氣，再少許開啟轉(zhuǎn)子流量計(jì)后的調(diào)節(jié)閥，將流量調(diào)至最小值，以便觀察穩(wěn)定的層流流型，再精細(xì)地調(diào)節(jié)示蹤劑管路閥，使示蹤劑（紅墨水）的注水流速與試驗(yàn)導(dǎo)管內(nèi)主體流體的流速相近，一般略低于主體流體的流速為宜。精心調(diào)節(jié)至能觀察到一條平直的紅色細(xì)流為止。(3)緩慢地逐漸增大調(diào)節(jié)閥的開度，使水通過試驗(yàn)導(dǎo)管的流速平穩(wěn)地增大。直至試驗(yàn)導(dǎo)管內(nèi)直線流動(dòng)的紅色細(xì)流開始發(fā)生波動(dòng)時(shí)，記下水的流量和溫度，以供計(jì)算下臨界雷諾數(shù)據(jù)(4)繼續(xù)緩慢地增加調(diào)節(jié)閥開度，使水流量平穩(wěn)地增加。這時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)的流體的流型逐步由層流向湍流過渡。當(dāng)流量增大到某一數(shù)據(jù)值后，示蹤劑（紅墨水）一進(jìn)入試驗(yàn)導(dǎo)管，立即被分散呈煙霧狀，這時(shí)標(biāo)明流體的流型已進(jìn)入湍流區(qū)域。記下水的流量和溫度數(shù)據(jù)，以供計(jì)算上臨界雷諾數(shù)。這樣實(shí)驗(yàn)操作需反復(fù)進(jìn)行數(shù)次（至少 5—6 次），以便取得較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)：(1)本實(shí)驗(yàn)示蹤劑采用紅墨水它由紅墨水貯瓶，經(jīng)連接軟管和注射針頭，注入試驗(yàn)導(dǎo)管。應(yīng)注意適當(dāng)調(diào)節(jié)注射針頭的位置，使針頭位于管軸線上為佳。紅墨水的注射速度應(yīng)與主體流體流速相近（略低些為宜），因此，隨著水流速的增大，需相應(yīng)地細(xì)心調(diào)節(jié)紅墨水注射流量，才能得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。(2)在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)隨時(shí)注意穩(wěn)壓水槽的溢流水量，隨著操作流量的變化，相應(yīng)調(diào)節(jié)自來水給水量，防止穩(wěn)壓槽內(nèi)液面下降或泛濫事故的發(fā)生。(3)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，切勿碰撞設(shè)備，操作時(shí)也要輕巧緩慢，以免干擾流體流動(dòng)過程的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過程有一定滯后現(xiàn)象，因此，調(diào)節(jié)流量過程切勿操之過急，狀態(tài)確實(shí)穩(wěn)定之后，再繼續(xù)調(diào)節(jié)或記錄數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)試驗(yàn)導(dǎo)管內(nèi)徑 (2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及整理實(shí)驗(yàn)序號(hào)流量q溫度T粘度μ密度ρ流速u臨界雷諾數(shù)Re實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及流型m3s1℃Paskgm3ms1[1][2][3][4][5][6]列出上表中各項(xiàng)計(jì)算公式：實(shí)驗(yàn)二伯努利實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧鲃?dòng)流體所具有的總能量是由各種形式的能量所組成，并且各種形式的能量之間又可相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)流體在導(dǎo)管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)管的各截面之間的各種形式機(jī)械能的變化規(guī)律，可由機(jī)械能衡算基本方程來表達(dá)。這些規(guī)律對(duì)于解決流體流動(dòng)過程的管路計(jì)算、流體壓強(qiáng)、流速與流量的測(cè)量，以及流體輸送等問題，都有著十分重要的作用。本實(shí)驗(yàn)采用一種稱之為伯努利實(shí)驗(yàn)儀的簡(jiǎn)單裝置，實(shí)驗(yàn)觀察不可壓縮流體在導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的各種形式機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，并驗(yàn)證機(jī)械能衡算方程（伯努利方程）。通過實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)流體流動(dòng)過程基本原理的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)干不可壓縮流體，在導(dǎo)管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，系統(tǒng)與環(huán)境又無功的交換時(shí)，若以單位質(zhì)量流體為衡算基準(zhǔn)，則對(duì)確定的系統(tǒng)即可列出機(jī)械能衡算方程： （1）若以單位重量流體為橫算基準(zhǔn)時(shí)，則又可表達(dá)為 （2）式中：Z—流體的單位壓頭，m； p—流體的壓強(qiáng)，Pa； u—流體的平均流速，ms1； ρ—流體的密度，kgm1； Σhf—流動(dòng)系數(shù)內(nèi)因阻力造成的能量損失，Jkg1； ΣHf—流動(dòng)系數(shù)內(nèi)因阻力造成的壓頭損失，m。下標(biāo)1和2分別為系統(tǒng)的進(jìn)口和出口兩個(gè)截面。不可壓縮流體的機(jī)械能衡算方程，應(yīng)用于各種具體情況下可作適當(dāng)簡(jiǎn)化，例如：(1) 當(dāng)流體為理想液體時(shí)，于是式(2)和(3)可簡(jiǎn)化為 （3） （4）該式即為伯努利（Bernoulli）方程。 (2)當(dāng)液體流經(jīng)的系統(tǒng)為一水平裝置的管道時(shí)，則(2)和(3)式又可簡(jiǎn)化為 （5） （6）(3)當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則(2)和(3)式又可簡(jiǎn)化為 （7）（8）或者將上改寫為 （9）三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)導(dǎo)管、穩(wěn)壓溢流水槽和三對(duì)測(cè)壓管所組成。試驗(yàn)導(dǎo)管為一水平裝置的變徑圓管，沿程分三處設(shè)置測(cè)壓管。每處測(cè)壓管由一對(duì)并列的測(cè)壓管組成分，別測(cè)量該截面處的靜壓頭和沖壓頭。實(shí)驗(yàn)裝置的流程如圖21所示。液體由穩(wěn)壓水槽流入試驗(yàn)導(dǎo)管，途經(jīng)直徑分別為 20 、 30 和20mm 的管子，最后排出設(shè)備。流體流量由出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。流量需直接由計(jì)時(shí)稱量測(cè)定之。圖21 伯努利實(shí)驗(yàn)裝置流程穩(wěn)壓水槽；試驗(yàn)導(dǎo)管；出口調(diào)節(jié)閥；靜壓測(cè)量管；沖壓測(cè)量管。四、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)前，先緩慢開啟進(jìn)水閥，將水充滿穩(wěn)壓溢流水槽，并保持有適量溢流水流出，使槽內(nèi)液面平穩(wěn)不變。最后，設(shè)法排盡設(shè)各內(nèi)的空氣泡。實(shí)驗(yàn)可按如下步驟進(jìn)行：(1)關(guān)閉試驗(yàn)導(dǎo)管出口調(diào)節(jié)閥，觀察和測(cè)量液體處于靜止?fàn)顟B(tài)下各測(cè)試點(diǎn)（A、B和C三點(diǎn)）的壓強(qiáng)。(2)開啟試驗(yàn)導(dǎo)管出口調(diào)節(jié)閥，觀察比較液體在流動(dòng)情況下的各測(cè)試點(diǎn)的壓頭變化。(3)緩慢開啟試驗(yàn)導(dǎo)管的出口調(diào)節(jié)閥，測(cè)量流體在不同流量下的各側(cè)試點(diǎn)的靜壓頭、動(dòng)壓頭和損失壓頭。實(shí)驗(yàn)過程中必須注意如下幾點(diǎn)：(1)實(shí)驗(yàn)前一定要將試驗(yàn)導(dǎo)管和測(cè)壓管中的空氣泡排除干凈否則會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)量的準(zhǔn)確性.(2)開啟進(jìn)水閥向穩(wěn)壓水槽注水或開關(guān)試驗(yàn)導(dǎo)管出口調(diào)節(jié)閥時(shí)一定要緩慢地調(diào)節(jié)開啟程度，并隨時(shí)注意設(shè)備內(nèi)的變化。(3)試驗(yàn)過程中需根據(jù)測(cè)壓管量程范圍，確定最小和最大流量。(4)為了便于觀察測(cè)壓管的液柱高度，可在臨實(shí)驗(yàn)測(cè)定前，向各測(cè)壓管滴入幾滴紅墨水。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)流體種類：試驗(yàn)導(dǎo)管內(nèi)徑： dA = dB = dC = 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總壓頭：H= 非流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能分布及其轉(zhuǎn)換(1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄水溫密度各測(cè)試點(diǎn)的靜壓頭各測(cè)試點(diǎn)的靜壓強(qiáng)T/℃ρ/kgm3pA/ρgmmpB/ρgmmpC/ρgmmpA/papB/papC/pa(2)驗(yàn)證流體靜力學(xué)方程流動(dòng)體系的機(jī)械能分布及其轉(zhuǎn)換(1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)序號(hào)溫度，T/℃密度，ρ/kgm3靜壓頭pA/ρgmmpB/ρgmmpC/ρgmm壓強(qiáng)pA/papB/papC/pa動(dòng)壓頭u2A/2g mmu2B/2gmmu2C/2gmm流速uA/ ms1uB/ ms1uC/ ms1損失壓頭Hf（1A）/mmHf（1B）/mmHf（1C）/mm(2)驗(yàn)證流動(dòng)流體的機(jī)械能衡算方程實(shí)驗(yàn)三 管路流體阻力的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究管路系統(tǒng)中的流體流動(dòng)和輸送，其中重要的問題之一，是確定流體在流動(dòng)過程中的能量損耗。 流體流動(dòng)時(shí)的能量損耗（壓頭損失），主要由于管路系統(tǒng)中存在著各種阻力。管路中的各種阻力可分為沿程阻力（直管阻力）和局部阻力兩大類。 本實(shí)驗(yàn)的目的，是以實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)定摩擦系數(shù)λ和局部阻力系數(shù)ζ。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)不可壓縮流體在圓形導(dǎo)管中流動(dòng)時(shí)，在管路系統(tǒng)內(nèi)任意二個(gè)截面之間列出機(jī)械能衡算方程為 （1）或 （2）式中：Z—流體的位壓頭，m液柱； p—流體的壓強(qiáng)，Pa； u一流體的平均流速，ms1 hf一單位質(zhì)量流體因流體阻力所造成的能量損失，Jkg1 Hf一單位重量流體因流體阻力所造成的能量損失，即所謂壓頭損失，m；符號(hào)下標(biāo)1和2分別表示上游和下游截面上的數(shù)值。 假若：（1）水作為試驗(yàn)物系，則水可視為不可壓縮流體； （2）試驗(yàn)導(dǎo)管是按水平裝置的，則Z1 = Z2； （3）試驗(yàn)導(dǎo)管的上下游截面上的橫截面積相同，則u1= u2.因此（11）和（12）兩式分別可簡(jiǎn)化為 （3）或 （4）由此可見，因阻力造成的能量損失（壓頭損失），可由管路系統(tǒng)的兩截面之間的壓力差（壓頭差）來測(cè)定。當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體因摩擦阻力所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關(guān)系式： （5）或1