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机械能转化实验实验报告

篇一：机械能转化演示实验

篇二：机械能转化实验

机械能转化实验

一、实验目的

1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，

验证连续性方程和柏努利方程。

2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管

径关系。

3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。

4.定性观察流体流经节流元件、弯头的压损情况。

二、基本原理

化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此

研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。任何运

动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研

究流体力学性质的基本出发点。

1.连续性方程

对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如

下的连续性方程：

?1??vdA??2??vdA（1－1）

12

根据平均流速的定义，有?1u1A1??2u2A2（1－2）即

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m1?m2（1－3）而对均质、不可压缩流体，?1??2?常数，则

式（1－2）变为

u1A1?u2A2（1－4）

可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积

成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越

大。

对圆管，A??d/4，d为直径，于是式（1－4）可转化为2

u1d1?u2d2（1－5）22

2.机械能衡算方程

运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量

守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能

衡算方程。

对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机

械能衡算方程（以单位质量流体为基准）为：

upupz1?1?1?he?z2?2?2?hf（1－6）2g?g2g?g

显然，上式中各项均具有高度的量纲，z称为位头，u/2g

称为动压头（速度头），p/?g称为静压头（压力头），he称

为外加压头，hf称为压头损失。

关于上述机械能衡算方程的讨论：

理想流体的柏努利方程

无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就

是说，理想流体的hf?0，若此时又无外加功加入，则机械能

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衡算方程变为：222

upupz1?1?1?z2?2?2（1－7）2g?g2g?g

式（1－7）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想

流体在流动过程中，总机械能保持不变。

（2）若流体静止，则u?0，he?0，hf?0，于是机械能衡

算方程变为22

z1?p1p?z2?2（1－8）?g?g

式（1－8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是

流体流动的一种特殊形式。

3.管内流动分析

按照流体流动时的流速以及其它与流动有关的物理量

（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分

成两类：稳定流动和不稳定流动。连续生产过程中的流体流

动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定

流动。

流体流动有两种不同型态，即层流和湍流，这一现象最

早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层

流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向

无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向

前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向

各个方向作不规则的运动。

流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个无

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因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当

注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管

内流动，则雷诺准数可用下式表示：

Re?

式中：Re—雷诺准