三、实验装置与流程
实验装置如图1所示。
主要由玻璃试验导管、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽、缓冲水槽以及流量计等部分组成。
实验前，先将水充满低位贮水槽，然后关闭泵的出口阀和流量计后的调节阀，再将溢流水槽到缓冲水槽的整个系统加满水。
最后，设法排尽系统中的气泡。
实验操作时，先启动循环水泵，然后开启泵的出口阀及流量计后的调节阀。
水由稳压溢流水槽流经试验导管、缓冲槽和流量计，最后流回低位贮水槽。
水流量的大小，可由流量计后调节阀调节。
泵的出口阀控制溢流水槽的溢流量。
示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶．经连接软管和玻璃注射管的细孔喷嘴，注入试验导管。
细孔玻璃注射管（或注射针头）位于试验导管人口的轴线部位。
四、实验操作
1.层流流动类型
图1雷诺演示实验装置
1-可移动框架2-循环水泵3-低位贮水槽4-流量调节闸阀5-旁路阀门6-转子流量
7-溢流水槽8-红墨水贮瓶9-红墨水喷针10-玻璃试验导管11-低位贮水槽排污阀
试验时，先少许开启凋节阀，将流速调至所需要的值。
再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并用自由夹作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。
待流动稳定后．记录主体流体的流量。
此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好象一根拉直的红线一样。
2.湍流流动型态
缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大。
玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。
同时，相应地适当凋节泵出口阀的开度，以保持溢流水槽内仍有一定溢流量，以确保试验导管内的流体始终为稳定流动。
可观察到：
玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。
随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。
当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后。
立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。
五、思考题
1、影响流动形态的因素有哪些？
2、如果管子是不透明的，不能直接观察管中的流动形态，你可以用什么办法来判断管子中流动的形态？
3、有人说可以只用流速来判断管子中的流动形态，流速低于某一个具体数据时是层流，否则是湍流，这种看法对吗？
在什么条件下可以只由流速来判断流动形态？
4、研究流动形态有何意义？
实验二流体能量转换（柏努利）演示实验
一、实验目的和任务
1、加深对能量转化概念的理解；
2、观察流体流经扩大管、缩小管段时，各截面上静压变化。
二、实验原理
对于不可压缩流体，在导管内作定常流动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为衡算基准，由于导管截面上的流速不同，而引起相应静压头变化，其关系可由流动过程中能量恒算方程来描述，即：
式中：
——每千克质量流体具有的位能，J/kg；
——表示每千克质量流体具有的动能，J/kg；
——表示每千克质量流体具有的压强能，J/kg；
——表示每千克质量流体在流动过程中的摩摖损失，J/kg。
若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为
mm水柱
（2）
式中：
Z—流体的位压头，m液柱；
P—流体的压强，Pa；
u—流体的平均流速，m·s–1；
ρ－流体的密度，kg·m–3；
—流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg–1；
H—流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。
因此，由于导管截面和位置发生变化引起流速变化，致使部分静[-压头转化成动压头，它的变化可由各玻璃管中水柱高度指示出来。
三、实验装置
如图2-1所示，本实验装置主要由实验导管、稳压溢流水槽和三对侧压管所组成。
实验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分四处设置压管。
每处测压管有一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头。
图2-1伯努利实验装置流程图
1-转子流量计2-移动框架3-排污阀4-流量调节阀15-储水箱6-实验导管7-循环泵8-进口调节阀29-水箱放水调节阀310-溢流管11-稳压水槽12-水泵开关盒13-标尺14-压头测量管
图2-2实验导管结构图
实验装置的流程如图2-1所示。
液体油稳压水槽流入实验导管，途径直径分别为19、32和19mm的管子，再经过一个19mm内径弯管，最后排除出设备。
流体流量由出口调节阀调节。
流量从转子流量计测定之。
实验前，先将水充满低位储水箱，然后关闭泵的出口阀和试管导管出口调节阀，并将水灌满稳压流水水箱，最后，设法排尽系统中的气泡。
实验时，先启动循环水泵，然后依次开启出口阀和调节阀，水由低位储水箱被送入稳压溢流水箱。
流经试验导管后再返回低位储水箱中。
流体流量可由试验管出口调节阀控制。
泵出口阀控制溢流水箱的溢流量，以保持水箱内液面恒定，从而保证流动体系在整个实验过程中维持稳定流动。
四、实验方法
1、非流动体的机械能分布及其转换
演示时，将泵的出口阀和试验导管出口的调节阀全部关闭，系统内的液体处于静止状态。
此时，可观察到：
试验导管上的所有的测压管中的水柱高度都是相同的，且其液面与溢流水箱内的液面平齐。
2、流动体系的机械能分布及其转换
启动循环水泵，将泵出口阀逐渐开启，调节流量至溢流水箱中有足够的溢流水溢出。
缓慢地开启试验导管的出口调节阀，使导管内水开始流动，各测压管中的水柱高度将随之开始发生变化。
可观察到：
各截面上的水柱高度差随着流体流量的增大而增大。
这说明，当流量加大时，流体流过导管各截面上的流速也随之加大。
这就需要更多的静压头转化为动压头，表现为每对测压管的水柱高度差加大。
同时，各对测压管的右侧管中水柱高度则随流体流量增大而下降，这说明流体在流动过程中，能量损失与流体流速成正比。
流速愈大，流体在流动过程中能量损失亦愈大。
实验一流量计校核实验
一、实验目的
1．了解孔板流量计、文丘里流量计的构造、原理、性能及使用方法。
2．掌握流量计的标定方法。
3．测定节流式流量计的流量系数C，掌握流量系数C随雷诺数Re的变化规律。
4．学习合理选择坐标系的方法。
5．学习对实验数据进行误差估算的具体方法。
二、实验原理
流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量有如下关系：
采用正U形管压差计测量压差时，流量Vs与压差计读书R之间关系有：
（1）
式中：
Vs被测流体（水或空气）的体积流量，m3/s；
C流量系数（或称孔流系数），无因次；
A0流量计最小开孔截面积，m2，A0=（π/4）d02；
流量计上、下游两取压口之间的压差，Pa；
被测流体（水或空气）的密度，Kg/m3；
U形管压差计内指示液的密度，Kg/m3；
１ 空气的密度，Kg/m3；
RU形管压差计读数，m；
式3-1也可以写成如下形式：
（1a）
若采用倒置U形管测量压差：
（忽略空气对测量的影响）则流量系数C与流量的关系为：
（2）
用体积法测量流体的流量Vs，可由下式计算：
（3）
（4）
式中：
Vs水的体积流量，m3/s；
△t计量桶接受水所用的时间，s；
A计量桶计量系数；
△h计量桶液面计终了时刻与初始时刻的高度差，mm，△h=h2-h1；
V在△t时间内计量桶接受的水量，L。
改变一个流量在压差计上有一对应的读数，将压差计读数R和流量Vs绘制成一条曲线即流量标定曲线。
同时用式（1a）或式
（2）整理数据可进一步得到流量系数C—雷诺数Re的关系曲线。
（5）
式中：
d—实验管直径，m；
u—水在管中的流速，m/s。
三、实验内容
1、以涡轮流量计为基准，对孔板流量计进行校核，并绘制校核曲线。
2、以转子流量计为基准，对孔板流量计进行校核，并绘制校核曲线。
实验二离心泵特性曲线测定
一、实验目的
1.了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作；
2.掌握离心泵特性曲线测定方法。
二、基本原理
离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵的流量V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。
由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。
1．扬程H的测定与计算
在泵进、出口取截面列柏努利方程：
式中：
p1,p2——分别为泵进、出口的压强N/m2ρ——流体密度kg/m3
u1,u2——分别为泵进、出口的流量m/sg——重力加速度m/s2
当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为：
由上式可知：
只要直接读出真空表和压力表上的数值，就可以计算出泵的扬程。
2．轴功率N的测量与计算
轴的功率可按下式计算：
式中，N—泵的轴功率，W
w—电机输出功率，W
由上式可知：
测定泵的轴功率，只需测定电机的输出功率，乘上功率转换中的倍率即可。
3．效率η的计算
泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。
有效功率Ne是单位时间内流体自泵得到的功，轴功率N是单位时间内泵从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。
泵的有效功率Ne可用下式计算：
Ne=HVρg
故
η=Ne/N=HVρg/N
4．速改变时的换算
泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。
但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。
换算关系如下：
流量
扬程
轴功率
N效率
离心泵功率转换系数＝0.89
三、实验装置与流程
离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如图2-1：
图2-1离心泵实验装置流程示意图
3．仪表控制柜面板如图2-2所示：
图2-2流体力学综合实验装置仪表面板
1、空气开关2、3、4电源指示灯5、流量控制仪6、6路巡检仪（单位m3／h）：
第一通道测量离心泵进口压力（单位：
kpa），第二通道测量离心泵出口压力（单位：
kpa），第三通道测量离心泵转速（单位：
r／min）第四通道测量流体阻力压差（单位：
pa）第五通道测量流体温度（单位：
摄氏度），第六通道没用，7、功率表（单位：
KW）8、仪表电源指示灯、9、仪表电源开关，10、变频器电源指示灯，11、变频器电源开关，12、离心泵电源指示灯、13、离心泵直接或变频器运行转换开关，14、离心泵启动按钮，15、离心泵停止按钮。
四、实验步骤及注意事项
1．灌泵
储水箱中出水到适当位置（大概三分之二处）关闭阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、打开离心泵出口排气阀和进口灌水阀，用水杯从灌水阀灌水，气体从排汽阀排出，直到排水阀有水排出并且没有气泡灌水完毕，关闭排气阀和灌水阀。
2．启动水泵
打开控制柜上1空气开关，打开9仪表电源开关，仪表指示灯10亮，仪表上电，显示被测数据。
把转换开关转到直接位置，指示灯12亮，按一下离心泵启动按钮，离心泵运转，启动按钮指示灯亮，水泵启动完毕。
3.打开离心泵监控软件，输入班级、姓名、学号等信息，进入离心泵监控界面，打开阀1到最大，每隔2m3／h采集一组数据（等数据稳定之后再采集），从最大流量做到0。
4.数据采集完毕后，按离心泵停止按钮，泵停止。
5、打开数据处理软件，打开采集的数据，进行数据处理，计算出数据处理结果，绘出离心泵特性曲线。
实验完毕
注意事项：
1、一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。
同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。
2、泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。
实验数据记录
离心泵原始数据
水温：
℃
No.
流量L/s
真空表读数MPa
压力表读数MPa
功率表读数w
五、实验报告
1．在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H～V、N～V、η～V曲线
2．分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。
六、思考题
1．试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？
2．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？
3．为什么用泵的出口阀门调节流量？
这种方法有什么优缺点？
十分还有其他方法调节流量？
4．泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升？
为什么？
5．正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？
为什么？
6．试分析，用清水泵输送密度为1200Kg／m3的盐水（忽略密度的影响），在相同流量下你认为泵的压力是否变化？
轴功率是否变化？
实验三对流给热系数的测定
一、实验目的
1、观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型；
2、测定空气（或水）在圆直管内强制对流给热系数
；
3、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
4、掌握热电阻测温的方法。
二、基本原理
在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：
VρCP（t2－t1）＝αiAi（tw－t）m（1-1）
式中：
V——被加热流体体积流量，m3/s；
Ρ——被加热流体密度，kg/m3；
CP——被加热流体平均比热，J/（kg·℃）；
αi——流体对内管内壁的对流给热系数，W/（m2·℃）；
t1、t2——被加热流体进、出口温度，℃；
Ai——内管的外壁、内壁的传热面积，m2；
（T－TW）m——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃；
（1-2）
（tw－t）m——内壁与流体间的对数平均温度差，℃；
（1-3）
式中：
T1、T2——蒸汽进、出口温度，℃；
Tw1、Tw2、tw1、tw2——外壁和内壁上进、出口温度，℃。
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即为所测得的该点的壁温。
由式（1-3）可得：
（1-4）
若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积Ai，以及水蒸气温度T，壁温Tw1、Tw2，则可通过式（1-4）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数αi。
流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得：
湍流时：
（1-5）
式中：
αi—— 流体在直管内强制对流时的给热系数，W/（m2·℃）；
λ——流体的导热系数，W/（m2·℃）；
di——内管内径，m；
Re——流体在管内的雷诺数，无因次；
Pr——流体的普朗特数，无因次。
上式中，定性温度均为流体的平均温度，即tf=（t1+t2）/2。
过渡流时：
αi’＝φαi（1-6）
式中：
修正系数，
⒉对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
.（1-7）
其中：
，
，
物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。
经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：
（1-8）
这样通过实验确定不同流量下的Rei与
，然后用线性回归方法确定A和m的值。
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图1所示。
来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自水泵）的水进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。
冷水经涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。
图1传热系数测定装置流程图
1-可移动框架2-中间储水箱3-液位控制浮球阀4-涡轮流量计5-水箱排水阀66-阀57-进水口8-水泵9-脚轮10-冷凝水排放口11-冷凝水排水阀412-蒸汽进汽口13-冷凝水调节阀214-蒸汽调节阀315-冷流体出口温度16-蒸汽压力表17-壁面右端温度18-排不宁性气体阀门19-蒸汽右端温度20-冷流体流量调节阀121-壁面左端温度22-蒸汽左端温度23-排不宁性气体阀门24-冷流体进口温度25-换热外套管26-换热紫铜管27-可视视窗
2．仪表箱面板图如2所示：
图2仪表箱面板图
1-总电源指示灯2-空气开关3-仪表电源指示灯4-仪表电源开关5-风机电源指示灯6-风机电源开关7-温度巡检仪第一通道为流体进口温度，第二通道为流体出口温度，第三通道为左端蒸气温度，第四通道为右端蒸气温度
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：
紫铜管外径＝21mm紫铜管管厚＝1.5mm
（2）外套玻璃管规格：
直径φ100×5mm，长度L=1000mm
（3）压力表规格：
0～0.1Mpa
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤
1、蒸气发生器加水，加热，把蒸气加热到额定压力下。
1．打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。
2．打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门。
4．打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
5．在做实验前，应打开冷凝水排水阀4将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。
具体排除冷凝水的方法是：
关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，可进行实验。
6．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀3的阀门大小开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
7．当一切准备好后，调节蒸汽进口阀3的开度，把蒸汽压力调到0.01Mpa，并保持蒸汽压力不变。
（可通过调节排不宁性气体阀以及蒸汽进口阀3配合来实现。
）
8．流量调节：
（1）手动调节1：
可通过调节空气的进口阀1手动调节空气流流量，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后记录实验数据。
9．记录3到8组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀与冷流体进口阀，关闭仪表电源和风机的电源。
10．关闭蒸汽发生器。
11．打开实验数据处理软件“对流给热系数测定实验”文件夹，运行“对流给热系数测定实验”，打开该组实验数据，进行实验数据分析处理。
（二）注意事项
1．先打开排冷凝水的阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
2．一定要在套管换热器内管输以一定量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。
3．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
3．操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。
4.确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。
五、实验数据处理
原始数据记录表
编号
热流体
冷流体
壁温tw
℃
流量
L／h
温度℃
P压力
MPa
T温度℃
t进
t出
1
2
3
4
5
6
六、实验报告
1．将冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。
2．说明蒸汽冷凝给热系数的实验值和冷流体给热系数实验值的变化规律。
3．按冷流体给热系数的模型式：
。
确定式中常数A及m。
七、思考题
1．实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?
2．蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？
3．实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？
如何及时排走冷凝水？
4．实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？
为什么？
5．如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？
实验四干燥速率曲线的测定实验
一、实验目的
1．熟悉常压洞道式（厢式）干燥器的构造和操作；
2．测定在恒定干燥条件（即热空气温度、湿度、流速不变、物料与气流的接触方式不变）下的湿物料干燥曲线和干燥速率曲线；
3．测定该物料的临界湿含量X0；
4．掌握有关测量和控制仪器的使用方法。
二、基本原理
当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始气化，并向周围介质传递。
根据干燥过程中不同期间的特点，干燥过程可分为两个阶段。
第一个阶段为恒速干燥阶段。
在过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部的水分能迅速地达到物料表面。
因此，干燥速率为物料表面上水分的气化速率所控制，故此阶段亦称为表面气化控制阶段。
在此阶段，干燥介质传给物料的热量全部用于水分的气化，物料表面的温度维持恒定（等于热空气湿球温度），物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。
第二个阶段为降速干燥阶段，当物料被干燥达到临界湿含量后，便进入降速干燥阶段。
此时，物料中所含水分较少，水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的气化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制。
故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。
随着物料湿含量逐渐减少，物料内部水分的迁移速率也逐渐减少，故干燥速率不断下降。
恒速段的干燥速率和临界含水量的影响因素主要有：
固体物料的种类和性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间的相对运动方式。
恒速段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据。
本实验在恒定干燥条件下对帆布物料进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速段干燥速率和临界含水量的测定方法及其影响因素。
⒈干燥速率的测定
（7-
升级会员 