化工原理实验讲义西北民族大学化工学院化学工程实验室实验1 雷诺实验一、实验目的1.了解管内流体质点的运动方式，认识不同流动形态的特点，掌握判别流行的准则；2. 观察圆直管内流体作层流、过渡流、湍流的流动形态。
二、实验内容以红墨水为示踪剂，观察圆直玻璃管内水为工作流体时，流体作层流、过渡流、湍流时的各种流动形态。
三、基本原理流体流动时存在两种不同的型态：即层流和湍流。
层流时大多数流体服从牛顿粘性定律、傅立叶定律和费克定律。
即动量传递量、热量传递量、质量传递量分别与速度梯度、温度梯度、浓度梯度成线性关系。
而湍流时流体不再服从这些定律，此时流体内会产生大量旋涡，以毫无秩序的方式快速运动，从而使过程变得复杂起来。
流动型态对传递过程有着非常显著的影响。
特别是,湍流流体中质点在径向的脉动，会造成垂直于主流方向上流体的强烈混合；这对减小边界层的厚度，进而降低传热与传质阻力，都是十分必要的。
在雷诺实验中，可以观察到层流和湍流的非常鲜明直观的流动现象。
低流量时着色水成一平稳的细线，在管心沿管轴流动；随着流量的逐渐增大，着色水便成为波浪形细线，并且不规则地波动；流量再增大，细线的波动加剧，进而形成许许多多旋涡向四周散开，致使着色水扩散至全管，从而使管内流体的颜色均匀一致。
实验中还可观察到湍流流体中不断有旋涡产生、移动、扩大、分裂和消失。
根据大量实验结果，发现影响流动状况的因素有：流体的性质ρ和μ、管内径d及流速u 。
雷诺数Re就是由这些影响因素组合成的一个无量纲群，即( [Re]=m 0kg 0s 0 )式中 d ——管子内径( m )u ——流体流速( m · s -1 ) ρ ——流体密度( kg · m -3 ) μ ——流体粘度 ( Pa · s )当流体在圆形直管内流动时，若Re ＜2000，流动型态为层流；而Re ＞4000时，则为湍流，并且随着雷诺数的增大，反映出湍动强度在加剧；Re 在2000～4000之间为过渡流，即可能是层流，也可能是湍流，即便是层流，流动也易受外界因素如噪声、震动等的影响而转变为湍流。
实验中需保持流动始终处于稳态, 因而需保持水箱内液位恒定和避免液面波动。
为此在实验装置中，水由进水管先流入进水槽后再由小孔流入水箱，并且超出液位的水经溢流口泄入下水道中，溢流流量要尽可能地小。
四、装置流程及操作步骤实验室有两种不同类型的雷诺实验装置，其中A 型装置流程及操作步骤如下： （一）A 型装置流程流程图21. 着色水瓶2. 针形阀3. 透明水箱4. 有机玻璃管5. 流量调节阀 6、8. 转子流量计7. 管子喇叭形入口图1. 雷诺实验装置A流程（二）A型装置操作步骤1.打开进水阀（逆时针方向旋转），将水充满水箱；打开溢流管泄水阀，以保持水箱液位恒定；2.由放空阀排除管路系统空气；若管壁附着大量气泡时，可开启流量调节阀，使水流快速流过以冲走气泡；3.用玻璃温度计测定水温，并记录；4.先启开流量调节阀少许；然后调节针形阀，控制着色水的注入速度（尽量小），使着色水为一细线；5.逐渐增大流量调节阀开度，观察管内着色水流的变化；读出流量计读数, 并记录实验现象（先打开量程小的转子流量计，关闭大量程流量计，待流量超出小流量计的量程后，把它关闭，再改用大量程的转子流量计；每调定一个流量，需保持十分钟使得流动稳定）；6.实验结束，打开水箱下管路上的排水阀，关闭进水阀，关闭流量调节阀和针形阀，实验装置恢复原状。
（三）B型装置流程【【流程图图2. 雷诺实验装置B流程（四）B型装置操作步骤1.检查所有阀门处于关闭状态，向墨水瓶内注入墨水（示踪剂）。
2.将高位槽注满水。
3.待溢流管内有水流出时，调节进水龙头开度，使溢流管内有少量溢流。
4.打开“排气阀”，待墨水流出，关闭“排气阀”，打开“示踪剂调节阀”，调节示踪剂流量至墨水呈细线状。
5.稍稍打开“流量调节阀”，待示踪剂呈稳定线状流动后，再缓慢调节流量至所需流量。
6.控制流体在滞流区、过渡区、湍流区各做几组流量，并观察现象。
7.关闭各阀门，停止实验。
五、注意事项1.实验过程中，注意保持水箱液位恒定；在稳定流动下，易于观察实验现象；2.若着色水管路堵塞，可将针形阀从管路上拆下清洗；安装针形阀时要注意标明在阀柄上的安装方向；长时间不做实验，应将墨水瓶内的墨水倾倒干净，换上清水，将示踪剂管道清洗干净，以免堵塞。
3.通常打开阀门时按逆时针方向旋转，关闭阀门时按顺时针方向旋转；开关阀门时不能开关过头，用力过猛；4.溢流管内有少量溢流即可，否则会影响雷诺准数的测定。
六、数据记录原始数据表七、报告要求1.计算不同流量对应的雷诺数；2.与所学理论结合，讨论实验现象，并对于理论有出入部分从实验操作不当的角度来找寻引起实验误差的原因。
八、思考题1.什么是无量纲群?2.流动型态对传递过程的意义是什么?3.若红墨水注入管不设在实验观察管中心，能得到实验预期的结果吗？4.层流和湍流的本质区别在于流体质点的运动方式不同，试述两者的运动方式。
实验2 柏努利方程实验一、实验目的1.了解流体在管内流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转换的关系，加深对柏努利方程的理解；2.了解流体在管内流动时，流动阻力的表现形式。
二、实验内容观察流动过程中，随着实验测试管结构与水平位置的变化及流量的改变，静压能、位能与动能之间的变化情况，并找出其规律，以验证柏努利方程。
三、基本原理在实验中，观察不可压缩流体在导管内流动时，各种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。
通过实验，加深对流体流动过程基础本原理的理解。
流体在流动时具有位能、动能、压力能、内能，另还由于流体流动时会产生阻力，因而损耗一部分机械能，当流体在导管内作定常流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由稳定流动总能量基本方程来表达。
当稳定流动总能量方程应用于理想的不可压缩的流体且无外加功时，假设沿实验管路内水流动方向任意取1－1和2－2过水截面，则这两个截面之间的能量方程可简化为：2212112222u u gZ p v gZ p v ++=++（1）该方程式（1）为柏努利方程（Bernoulli's equation ）。
以单位质量基准：2211221222p u p u gZ gZ ρρ++=++（1a ）以单位重量基准：2211221222p u p u Z Z g g g g ρρ++=++（1b ）以单位体积基准：2212112222u u gZ p gZ p ρρρρ++=++（1c ）式（1a ）、（1b ）和（1c ）为柏努利方程的延伸方程。
当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则稳定流动总能量方程可简化为22112222f p u p u H ρρ+=++∑ （2）当流体处于静止状态时，则稳定流动总能量方程可简化为1212p p gZ gZ ρρ+=+（3）该方程为流体静力学基本方程。
以上方程中，Z — 流体的位压头； 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；fH ∑－流动系统内因阻力造成的能量损失，J · kg –1；下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。
选好基准面，从已设置的各截面读出相应的数据，就可以得到各截面的测管水头和总水头。
四、装置流程及操作步骤（一）装置流程流程图图3. 柏努利方程实验装置流程（二）操作步骤1.检查所有阀门处于关闭状态，确定水槽内注满水。
2.启动离心泵向管路输送液体，缓慢调节“流量调节阀”，将管路中的气体排放干净。
3.待流量稳定后，调节“流量调节阀”，记录各测压管内液柱高度。
4.改变流量、阀门开度重复实验。
5.关闭各阀门，停止实验。
五、注意事项1.实验开始前所有阀门须处于关闭状态。
2.实验开始时水槽内须注满水。
3.禁止在无液体时启动离心泵。
4.流量调节阀须缓慢关小，以免造成流量突然下降，使测压管中的水溢出。
5.必须排除实验的导管中的空气泡。
六、数据记录七、报告要求1.计算不同流量时，各处的位能、动能、静压能；2.验证机械能是否守恒，讨论各处机械能不相等的原因。
八、思考题1. 如何将实验导管和测压管中的空气泡排干净？分析未将空气排净对实验的影响？2. 在开启进水阀和实验导管出口调节阀时,为何一定要缓慢调节阀的开启度？3. 为什么实验要保持在恒水位条件下进行?实验3 流量计标定实验一、实验目的1. 了解几种常用流量计的构造、工作原理和主要特点。
2. 掌握流量计的标定方法。
3. 了解节流式流量计流量系数C 0随雷诺数Re 的变化规律、流量系数C 0的确定方法。
4.学习合理选择坐标系的方法。
二、实验内容1. 通过实验室实物和图像，了解孔板流量计、转子流量计、涡轮流量计的构工作原理。
2. 测定孔板流量计和转子流量计的流量标定曲线。
3. 测定孔板流量计的雷诺数Re 和流量系数C 0的关系。
三、基本原理转子流量计和孔板流量计测量的都是体积流量，目前测定体积流量的流量计主要分为：节流式（压差式）、转子式、涡轮式等。
转子流量计通过改变流通面积的方法测量流量。
转子流量计具有结构简单、价格便宜、刻度均匀、直观、量程比大、使用方便、能量损失少等特点。
孔板流量计是节流式流量计的一种，节流式流量计是利用液体流经节流装置时产生压力差而实现压力测量的。
它通常是由能将被测流量转化成压力信号的节流元件（如孔板、喷嘴等）和测量压力差的压差计组成。
对于标准孔板，流量与流量系数的关系为：()ρb A s p p A C Q -=200，式中：sQ ——体积流量，m 3/s ；C ——流量系数也称孔流系数，无因次； 0A ——孔板小孔的面积，m 2；()b A p p -——孔板前后的压差，Pa ；ρ——被测流体密度，kg/m 3。
由测定的流量即可计算出流量系数的数值，流量系数与Re 准数有关，通过实验可以测定C 0～Re 关系图。
标定流量计的方法可按校验实验装置的标准器形式分为：容器式、称量式、标准体积管式和标准流量计式等。
本实验采用的为称量法（称量式）。
该方法，用离心泵将液体贮槽中抽出实验液体，通过被标定流量计进入测量容器，同时用电子秤对流入的液体进行测量。
按照增加一定质量读取所需时间，然后用此重量、时间和被标定流量的示值即可标定该流量计。
式中：sV q ——准确体积流量，m 3/h ；m ——流入液体的质量，kg ；ρ——流过被标定流量计的液体密度，kg/m 3；空ρ——空气的密度，kg/m 3； τ——流入时间，s 。
四、装置流程及操作步骤（一）装置流程流程图图4. 柏努利方程实验装置流程（二）操作步骤1. 将水槽加满水，注意清理水槽内杂物，以免损坏离心泵。