实验一 射流时间之测定.doc

實驗一 射流時間之測定Determination of Efflux Time 一、實驗目的 流體黏度、管徑與長度對射流時間之影響。 二、原理 如圖1所示，直立圓形槽中之不可壓縮性牛頓液體，流經槽底排出管連接時，假設在管入口處之入口損失與水槽之摩擦損失可忽略，則a，b兩點間之機械能平衡式表示： (1) 圖1 射流系統圖 中 g： 重力加速度 H： 槽內液體高度 L： 排出管之長度 lwf： 排出管中之摩擦損失 (lose work of friction) Pa、Pb： 點a,b處之壓力 R： 槽半徑 R0： 射流管半徑 ? 液體之密度 ua、ub： 點a，b處之平均流速 因水槽直徑比排出管直徑大許多，故 uaub 又點a、點b接和大氣相通，及同為大氣壓力，則 (2) 排出管之摩擦損失lwf，可以式3)表示： (3) f： 泛寧摩擦係數(fanning friction factor) D： 排出管直徑(cm) 將(2)、(3)式帶入式(1)，則 (4) 由於DL，忽略動能項 ，則 (5) 根據圖1，ub亦可由對系統做質量平衡(material balance)而得之： (6) (7) 依Re數分為層流(Laminar flow)與亂流(Turbulent flow)兩種情況討論： (8) 層流：若液體之流動為完全發展層流，摩擦係數與雷諾數之關係為： Re＜2000 (9) 將(9)代入式(5)得： (10) 將(10)式代入(7)式積分得： (11) te：射流時間s) H1：槽中液面之最初高度 H2：槽中液面之最終高度 Enterance Length，Le)，邊界層由流體進入時即開始形成，如圖2所示，邊界層之厚度在進口處為0，其後逐漸增大，直到達入口長度後，邊界層厚度達到圓管中心，流動達完全發展，其流動形式將不再改變，沿管軸方向各點截面上速度分佈皆一致。 Le≒ 0.1 R0 Re (12) 圖2 圓管入口處邊界層的發展 亂流：若液體之流動為完全發展亂流，流經平滑管時可用巴勒式(Blasius)摩擦係數方程式 4000＜Re＜105 (13) 將上式代入(5)式，得 (14) 將(14)式代入(7)式積分得： (15) Le≒ (50~80) R0 (16) 三、實驗裝置 本實驗用水與甘油為選測液體。裝置如圖所示，包括： 1)圓柱槽。 3)可替換式射流管一組5支，共兩組。 (4)碼錶2個、捲尺、游標尺、燒杯、量筒。 圖3 射流裝置圖 圖4 黏度計 四、實驗步驟 確認圓柱槽上透明刻度尺對齊液體底部刻度。 將兩組射流管纏繞止洩帶。 射流管No.1連接於槽底，並將選測液體裝至高於預定刻度處，趕出射流管中空氣，使液體充滿射流管，暫壓管口，防止液體流出。(水之槽頂預定刻度為 12 cm；甘油則為 3 cm) 鬆開管口，當液位降到達預定間距，以碼錶連續記錄射流時間，至液位達底部 2 cm刻度止。(水在槽內每降低 1 cm紀錄，共 10 次；甘油則每射流 0.2 cm紀錄，共 5 次) 液面自預定刻度降至底部 cm處所須之時間即為總射流時間。 依次更換排出管 No.2 ~ No.5重覆步驟。 利用游標尺量測各排出管之內徑、管長。 使用黏度計測量選測液體之黏度。 黏度計操作： 調整底座旋鈕，使黏度計保持水平狀態，水位儀的水珠。 開後，勿懸掛Spindle，按任一鍵，黏度計會自動歸零，此時下端懸掛處將自動旋轉。 掛上Spindle後，按任一鍵，黏度計會再自動歸零一次。 查出水與甘油之理論黏度表選定待測液體之轉速。 使用黏度計測量甘油黏度時，需確定Spindle是否黏著於盛裝器材壁面，若黏著於壁面，則將盛裝器材取下，重新裝回，否則將出現%EEE之錯誤訊息。 顯視窗中之 % 表目前黏度值佔最大可測黏度值%，如最大可測黏度為 600 cp 時，黏度 300 cp，則顯示 50 %。當顯示值＜20 % 或＞ 80 % 時，測得之黏度值接近此轉速測量極限，不予採用。表1 S00型號SPINDLE各轉速對應最大黏度表 射流管須以逆於螺紋旋入方向繞纏止洩帶，避免射流管溢漏。 射流管長度之測量包含接頭部分，接頭並與槽之 0 cm處對齊。 卸下黏度計spindle時，動作請輕巧，以免造成掛勾與spindle損壞。 1)數據紀錄 槽半徑 R： cm 液體溫度 T ： ℃ 水密度?： g/cm3 水粘度?： cpNo.1內徑D： cm 長度L： cmNo.2內徑D： cm 長度L： cmNo.3內徑D： cm 長度L： cmNo.4內徑D