【正文】 只能達到1600左右。層流時紅墨水成一直線流下，不與水相混。湍流時紅墨水與水混旋，分不出界限。三、實驗裝置及儀器試驗裝置如圖1－1所示，液面保持一定高度的水箱與玻璃測試管相連，水箱上放有顏色水瓶，測試管上安有帶針頭的膠塞，用出口閥調(diào)節(jié)流量，用轉(zhuǎn)子流量計測定流量。試驗時水由高位水箱進入玻璃管，槽內(nèi)水由進水管供應(yīng)，槽內(nèi)設(shè)有進水穩(wěn)流裝置及溢流箱用以維持平穩(wěn)而又穩(wěn)定的液面，多余之水由溢流管排入水溝。 圖1－1 雷諾實驗裝置四、實驗步驟檢查針頭是否堵塞，顏色水是否沉淀。向水箱內(nèi)注水。打開出口閥，排除實驗管中的氣體。開啟上水閥，使高位槽充水至產(chǎn)生溢流時關(guān)閉（若條件許可，此步驟可在實驗前數(shù)小時進行，以使高位槽中的水經(jīng)過靜置，消除旋流，提高實驗的準確度）。開顏色水閥，使顏色水由針頭注入玻璃試驗管。逐步開大排水閥，觀察不同雷諾數(shù)時的流動狀況，并把現(xiàn)象記入表中。做兩種情況下的對比實驗：（1）關(guān)閉高位槽的進水閥，保持液面平靜，從觀察的玻璃管中，測取管中水流從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的Re臨界值。注意，此時液面雖平靜，但液面的高度是在緩慢下降的。（2）開啟高位槽的進水閥以保持槽中液面高度不變，但此時液面是不平而有波動的，測取此時的Re臨界值，并分析和比較兩種情況下的實驗結(jié)果。觀察層流時流體質(zhì)點的速度分布。層流時，由于流體與管壁間的摩擦力及流體內(nèi)摩擦力的作用，管中心處流體質(zhì)點速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，靜止時處于同一橫截面的流體質(zhì)點，開始層流流動后，由于速度不同，組成了旋轉(zhuǎn)拋物面（即由拋物線繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)形成的曲面）。先打開紅墨水閥門，使紅墨水擴散為團狀。再稍稍開啟排水閥，使紅墨水緩慢隨水運動，則可觀察到紅墨水團前端的界限，形成了旋轉(zhuǎn)拋物面。五、思考題 影響流動形態(tài)的因素有哪些？ 如果管子是不透明的，不能直接觀察管中的流動形態(tài)，你可以用什么辦法來判斷流體在管中的流動形態(tài)？ 有人說可以只用流速來判斷管子中的流動形態(tài)，流速低于某一個具體數(shù)時是層流，否則是湍流，這種看法對嗎？在什么條件下可以只由流速來判斷流動形態(tài)？ 研究流動形態(tài)有何意義？ 實驗二 流體流動阻力的測定一、實驗?zāi)康臏y定水流過一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力損失Δpf，確定層流時摩擦阻力系數(shù)λ和雷諾準數(shù)Re 之間的關(guān)系；測定水流過管件、閥門等的局部阻力損失，確定其局部阻力系數(shù)ζ；熟悉測定流體流經(jīng)直管和管件時的阻力損失的實驗組織方法及測定摩擦系數(shù)的工程意義；學會U形壓差計、轉(zhuǎn)子流量計的使用方法，了解渦輪流量計、差壓變送器、變頻器等的工作原理；識別組成管路中的各個管件、閥門并了解其作用。二、實驗原理由于流體粘性的存在，流體在流動的過程中會發(fā)生流體間的摩擦，從而導致阻力損失。層流時阻力損失的計算式是由理論推導得到的；湍流時由于情況復雜得多，未能得出理論式，但可以通過因次分析法再結(jié)合實驗研究，獲得具體的關(guān)聯(lián)式。實驗研究發(fā)現(xiàn)，影響湍流時直管阻力損失 Δpf 的因素有：流體性質(zhì)：密度 ρ 和粘度 μ；管路特性：管徑d、管長 l和 管壁粗糙度ε；操作條件：流速u；根據(jù)因次分析法，Δpf可以表示成上述諸多影響因素的關(guān)系式：Δpf = f (d, u, ρ , μ , l , ε) (21)組合成四個無因次數(shù)群： (22) 若實驗設(shè)備已定，(22) 式可寫為： hf = (23) 若實驗設(shè)備是水平直管，Δpf = Δp，即阻力損失表現(xiàn)為壓力降，(23) 式可寫為：hf = (24)所以： hf = (25)即： (26)式中 λ 為直管的摩擦阻力系數(shù)。 由 (26) 式可知，λ 與流體流動的雷諾數(shù)Re及管壁的相對粗糙度 ε/d 有關(guān)。若流體為層流流動時，直管的摩擦阻力系數(shù)為： (27)若裝置已經(jīng)確立，物系也已確定，那么λ只隨Re而變，實驗操作變量僅有流量，改變閥門的開度可以達到改變流速u的目的，因此在管路中需要安裝一個流量計；在直徑為d、長度為l的水平直管上，引出二個測壓點，并接上一個壓差計，可以用壓差變送器或液柱壓差計測量壓差Δp（注：壓差變送器是將壓差轉(zhuǎn)換成電信號再用儀表顯示，液柱壓差計是將壓差以液柱高度表示的，若為U形管壓差計計算公式為：。若為倒U型管壓差計，計算公式請自行推導）；實驗體系確定后，ρ、μ是物性參數(shù)，它們只取決于實驗溫度，所以，在實驗裝置中需要安裝測流體的溫度計；再配上水槽、泵、管件等組建成循環(huán)管路，實驗裝置流程見圖21。局部阻力損失通常有兩種表示方法：當量長度法和阻力系數(shù)法。由阻力系數(shù)法： (28)測定通過某局部（彎頭、管件、閥門等）的前后壓差Δp（=Δpf）和通過此局部的平均流速u，由(27) 式計算其局部阻力系數(shù)ζ。三、實驗流程圖和實驗步驟（1）手動阻力實驗裝置a、實驗流程圖（圖21）41光滑管，2粗糙管，3層流管，4離心泵管圖21 流體流動阻力實驗流程圖實驗裝置參數(shù)見下表裝置1名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力 大小頭不銹鋼管閘閥鍍鋅鐵管湍流光滑管不銹鋼管1200粗糙管鍍鋅鐵管2200 層流銅管36140裝置2名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力90176。彎頭鍍鋅鐵管閘閥鍍鋅鐵管湍流光滑管不銹鋼管1200粗糙管鍍鋅鐵管2200 層流銅管36140b、實驗步驟泵的啟動：關(guān)閉控制閥，關(guān)閉光滑管和粗糙管引壓閥，引水灌泵，啟動泵。系統(tǒng)排氣（1）總管排氣：同時打開光滑管和粗糙管的切換閥，先將控制閥開足然后再關(guān)閉，重復三次，目的為了使總管中的大部分氣體被排走，然后打開總管排氣閥，開足后再關(guān)閉，重復三遍。（2）引壓管及壓差計排氣：每次測直管阻力或測局部阻力時，打開相應(yīng)的引壓閥，再打開差壓變送器上的平衡閥和相應(yīng)的引壓管放氣閥，開、關(guān)重復三次。注意：檢驗排氣是否徹底是將控制閥開至最大，再關(guān)至為零，看壓差變送器計讀數(shù)，若前后讀數(shù)相等，則判斷系統(tǒng)排氣徹底；若前后讀數(shù)不等，則重復上述2步驟。湍流時直管阻力的測定： 由于 Re 在充分湍流區(qū)時，λ～Re的關(guān)系曲線處在雙對數(shù)座標的密集區(qū)，所以在大流量時少布點，而Re在比較小時，λ～Re的關(guān)系是曲線，所以小流量時多布點。先將控制閥開至最大，讀取流量顯示儀讀數(shù)F大，再讀取流量顯示儀讀數(shù)F小，在F小 和F大 二個讀數(shù)之間布14～16個點。局部阻力和層流阻力的測定：切換引壓閥，測定相應(yīng)局部阻力。關(guān)閉總管控制閥，打開轉(zhuǎn)子流量計，排除空氣，測定層流阻力。停泵：關(guān)閉出口閥，停止水泵電機。上機處理數(shù)據(jù)。c、實驗數(shù)據(jù)記錄序號流量L/s（湍流 ）或(L/h)(層流 )光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa層流mmH2O壓差壓差壓差左右壓差（2）自動控制阻力實驗裝置a、實驗流程圖（圖22）自動測量阻力實驗裝置具有在線操作功能。實驗對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計和倒U型壓差計等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，自上而下分別為用于測定局部阻力系數(shù)、光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測定局部阻力使用不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定使用內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。4442311局部阻力（閘閥），2光滑管，3粗糙管，4倒U型壓差計圖22 流體流動阻力在線操作界面水的流量使用渦輪流量計測量，管路和管件的阻力損失對應(yīng)的壓差采用各自的倒U形壓差計測量，或用差壓變送器將壓差信號傳遞給差壓顯示儀。實驗裝置由兩套相同的裝置組成，裝置參數(shù)見下表。名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力閘閥1A100光滑管不銹鋼管1B100粗糙管鍍鋅鐵管1C100b、實驗步驟1．泵的啟動：首先對水泵進行灌水，然后關(guān)閉出口閥，啟動水泵電機，待電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后，把泵的出口閥緩緩開到最大。2．倒U型壓差計的排氣：采用手動方法測量時，應(yīng)對倒U型壓差計進行排氣和調(diào)零，使壓差計兩端在帶壓且零流量時的液位高度相等。由于本流體力學綜合裝置中，選用的為經(jīng)典離心泵，揚程較高，故倒U型壓差計的量程只能做到一定程度，大流量數(shù)據(jù)應(yīng)取差壓變送器測得的壓差。3．流量和壓差的測定：實驗時可以分別使用自動或手動方法。手動方法時，先緩緩開啟調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)流量。每次改變流量，待流動達到穩(wěn)定后，分別記下壓差計左右兩管的液位高度，兩高度相減的絕對值即為該流量下的差壓。使用自動方法時，流量值可以由無紙記錄儀的流量通道顯示，改變流量時只需改變流量控制通道的設(shè)定（通過改變電機的轉(zhuǎn)速而改變流量）即可，同理，差壓值可以直接由無紙記錄儀的壓差顯示通道讀取。4．λ～Re曲線的繪制：裝置確定時，根據(jù)和u的實驗測定值，可計算λ和ξ，在等溫條件下，雷諾數(shù)Re = duρ/μ = Au，其中A為常數(shù)，因此只要調(diào)節(jié)管路流量，即可得到一系列λ～Re的實驗點，從而繪出λ～Re曲線。5．停泵：實驗結(jié)束，關(guān)閉出口閥，停止水泵電機，清理裝置。c、實驗數(shù)據(jù)記錄序號流量(m3/h)光滑管mmH2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O左右壓差左右壓差左右壓差四、思考題在對裝置做排氣工作時，是否一定要關(guān)閉流程尾部的出口閥?為什么? 壓差計上的平衡閥起什么作用？它在什么情況下是開著的，又在什么情況下是關(guān)閉的？ 如何檢測管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈? 以水做介質(zhì)所測得的λ～Re關(guān)系能否適用于其它流體?如何應(yīng)用? 在不同設(shè)備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的λ～Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在同一條曲線上? 如果測壓口、孔邊緣有毛刺或安裝不垂直，對靜壓的測量有何影響?在直管阻力測量中，壓差計顯示的壓差是否隨著流量的增加而成線性增加？分別就層流和湍流進行討論。實驗三 離心泵特性曲線的測定一、實驗?zāi)康?．熟悉離心泵的操作，了解離心泵的結(jié)構(gòu)和特性，掌握實驗組織方法。2．掌握離心泵特性曲線的測定方法。3．掌握離心泵的流量調(diào)節(jié)方法，了解電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、差壓變送器等的工作原理。二、基本原理對一定類型的泵來說，泵的特性曲線主要是指在一定轉(zhuǎn)速下，泵的揚程 (H)、軸功率(P) 和效率 (η ) 與流量 ( qv) 之間的關(guān)系。由于離心泵的結(jié)構(gòu)和流體本身的非理想性以及流體在流動過程中的種種阻力損失，至今為止，還難以推出揚程的純理論計算式。因此，一般采用實驗的方法測定揚程，即泵的特性曲線由實驗測得。對圖31所示的系統(tǒng)，分別取泵的進出口為11截面與22截面，建立機械能衡算式： + z1 + + H = + z2 + (31) H = ∴ H = (32)式中： h0 — 表示泵出口和進口間的位差，m；