一、实验目的： 1.学习直管摩擦阻力f P ?,直管摩擦系数λ的测定方法。. 2.掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。 3.掌握局部摩擦阻力f P ?,局部阻力系数ζ的测定方法。. 4.学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。 5.熟悉离心泵的操作方法。 6.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法、表示方法、加深对离心泵性能的了解。 二、实验内容: 1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。 2.测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系曲线。 3.测定管路部件局部摩擦阻力f P ?和局部阻力系数ζ。 4.熟悉离心泵的结构与操作方法。 5.测定某型号离心泵在一定转速下的特性曲线。 6.测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。 三、实验原理: 1.直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定: 直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。 流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为： ρ ρf f P P P h ?=-= 2 1 （1） 又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式） 2 2 u d l h f P f λρ == ? （2） 整理（1）（2）两式得 22u P l d f ???= ρλ （3）
μ ρ ??= u d Re （4） 式中： -d 管径，m ； -?f P 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 管长，m ； -u 流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3； -μ流体的粘度，N ·s / m 2。 在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。 根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re ，整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。 2．局部阻力系数ζ的测定 22 'u P h f f ζρ =?= ' 2'2u P f ?????? ??=ρζ 式中： -ζ局部阻力系数，无因次； -?'f P 局部阻力引起的压强降，Pa ； -'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。 图-1 局部阻力测量取压口布置图 局部阻力引起的压强降'f P ? 可用下面方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在上、下游各开两对测压口a-a'和b-b ＇如图-1，使 ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇，则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ； △P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇ 在a~a ＇之间列柏努利方程式 P a －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f (5) 在b~b ＇之间列柏努利方程式： P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f = △P f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （6） 联立式(5)和(6)，则：'f P ?＝2(P b －P b ＇)－(P a －P a ＇)
两相流：通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；其中含有多种尺寸组颗粒群为一个“相”，气体或液体为另一“相”，由此就有气—液，气—固，液—固等两相流之分。 两相流的研究：对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，而把颗粒群作为离散体系；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。 引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian 坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian 坐标或空间坐标。 一.离散相模型 FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；← 离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等；←应用范←围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等/大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等； 颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑；← 湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”← 二.多相流模型 FLUENT中提供的模型： VOF模型(Volume of Fluid Model)←
混合模型(Mixture Model)← 欧拉模型(Eulerian Model)← 1.VOF模型(Volume of Fluid Model) VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为α1，如果α1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果α1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果0←<α1<1，表示该控制容积中有两相交界面； VOF方法是用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，其方法占内存小，是一种简单而有效的方法。← 2.混合模型(Mixture Model) 用混合特性参数描述的两相流场的场方程组称为混合模型；← 考虑了界面传递特性以及两相间的扩散作用和脉动作用；使用了滑移速度的概念，允许相以不同的速度运动；← 用于模拟各相有不同速度的多相流；也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流；← 缺点：界面特性包括不全，扩散和脉动特性难于处理。← 3.欧拉模型(Eulerian Model) 欧拉模型指的是欧拉—欧拉模型；← 把颗粒和气体看成两种流体，空间各点都有这两种流体各自不同的速度、温度和密度，这些流体其存在在同一空间并相互渗透，但各有不同的体积分数，相互间有滑移；←颗粒群与气体有相互作用，并且颗粒与颗粒之间相互作用，颗粒群紊流输运取决于与气相间的相互作用而不是颗粒间的相互作用；← 各颗粒相在空间中有连续的速度、温度及体积分数分布。← 怎样选择？ 1. VOF模型适合于分层流动或自由表面流； Mixture和Eulerian模型适合于流动
第一章流体流动 一、单项选择题（每小题1分） 1．在SI单位制中，通用气体常数R的单位为( )B A. atm·cm / mol·K B. Pa·m /mol·K C. Kf·m / mol·K D. Ibf·ft / Ibmol·K 2．系统处于稳态指的是( )C A. 系统操作参数不随时间改变 B. 系统操作参数不随位置改变 C. 系统操作参数随位置改变,但不随时间改变 D. 系统操作参数随时间改变,但不随位置改变 3.下列流体中，认为密度随压力变化的是( )A A．甲烷 B.辛烷 C.甲苯 D. 水 4. 下列关于压力的表述中，正确的是( )B A. 绝对压强= 大气压强+ 真空度 B. 绝对压强= 大气压强- 真空度 C. 绝对压强= 大气压- 表压强 D. 绝对压强= 表压强+ 真空度 5．某系统的绝对压力为0.06MPa，若当地大气压为0.1MPa，则该系统的真空度为( )C A. 0.1MPa B. 0.14MPa C. 0.04MPa D. 0.06MPa 6. 容器中装有某种液体，任取两点A，B，A点高度大于B点高度，则( )B A. p A > p B B. p A < p B C. p A = p B D. 当液面上方的压强改变时,液体内部压强不发生改变 7．在一水平变径管路中，在小管截面A和大管截面B连接一U型压差计，当流体流过该管时，压差计读数R值反映( )。A A．A、B两截面间的压强差；B．A、B两截面间的流动阻力； C．A、B两截面间动压头变化；D．突然扩大或缩小的局部阻力。 8. 使用U型管压差计测量较小压差时，为了准确读数，下列方法中正确的做法是（）C A. 选择较大密度的指示液 B. 选择较小密度的指示液 C. 使用与被测流体密度相近的指示液 D. 加大指示液与被测流体密度的差别 9．用一U型管压差计测定正辛烷在管中两点间的压强差，若两点间的压差较小，为了提高读数精度，你认为较好的指示剂为( )D A. 乙醇 B. 水 C. 汞 D. 甲苯 10．所谓理想流体，指的是（）A A. 分子间作用力为零的流体 B. 牛顿流体 C. 稳定的胶体 D. 气体 11．牛顿粘性定律适用于牛顿型流体，且流体应呈( )。C A．过渡型流动；B．湍流流动；C．层流流动；D．静止状态。12．有两种关于粘性的说法：( )A (1) 无论是静止的流体还是运动的流体都具有粘性。 (2) 粘性只有在流体运动时才会表现出来。
化工原理实验讲义化工与环境学院化学工程与控制系化工原理实验室
编写说明 近几年来，本实验室的实验装置中的大部分都进行了更新或改造。过去编写的实验讲义已经不能适应目前的状况，兄弟院校的相关实验教程也由于装置、内容、重点等方面的差异而有一定的局限。所以有必要重新编写一本适用的实验讲义。这有助于提高实验教学质量，改善教学效果。 本实验讲义的大部分内容，曾经以补充讲义电子版的形式提供给2003和2004级两个年级的本科生700多名同学试用，取得了比较满意的效果。此次正式交付印刷，又增补了一些必要的基础知识，各个实验项目的思考题，以及选修实验项目的内容。第一、第二章由毋俊生执笔，其余章节由邓文生，康惠宝执笔，全书由刘文芳排版编辑。本次又根据2011年更换的设备，对流体阻力测定、干燥实验、雷诺实验部分进行了修订，并对其它部分的一些笔误进行了更正。虽然编者都具有较长期指导本实验课程的经历，但受知识结构、理解深度、认识水平等方面的局限，不当之处在所难免。期望使用本讲义的老师和同学提出您的意见、建议和指正。 2007年7月编 2012年4月修订
目录 第 1 章化工基础实验技术 (2) 1.1 温度的测量 (2) 1.2 压力的测量 (3) 1.3 流量的测量 (5) 第 2 章实验数据分布及基本数据处理 (9) 2.1 实验数据的分布 (9) 2.2 实验数据的基本处理 (9) 2.3 实验报告的基本要求 (10) 第 3 章化工原理基本实验 (12) 3.1 流体流动阻力的测定 (12) 3.2 离心泵特性曲线的测定 (16) 3.3 对流传热系数的测定 (20) 3.4 填料塔压降曲线和吸收系数的测定 (23) 3.5 精馏塔效率的测定 (28) 3.6 干燥速率曲线的测定 (32) 3.7 扩散系数的测定 (35) 3.8 液—液萃取塔的操作 (39) 第 4 章演示实验 (42) 4.1 雷诺实验 (42) 4.2 机械能守恒与转换 (45) 4.3 边界层形成与分离 (47) 第 5 章化工流动过程综合实验 (48)
一、单选题 1．单位体积流体所具有的（）称为流体的密度。 A A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（）。 A A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 3．层流与湍流的本质区别是（）。 D A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 4．气体是（）的流体。 B A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 5．在静止的流体，单位面积上所受的压力称为流体的（）。 C A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。 A A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 7．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 D A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 8．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 9．（）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。 10．被测流体的（）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 D A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 11. 流体在园管流动时，管中心流速最大，若为湍流时，平均流速与管中心的最大流速的关系为（）。B A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。 A A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关； B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关； C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。 13.层流底层越薄( )。 C A. 近壁面速度梯度越小； B. 流动阻力越小； C. 流动阻力越大； D. 流体湍动程度越小。 14.双液体U形差压计要求指示液的密度差( ) C A. 大； B. 中等； C. 小； D. 越大越好。 15.转子流量计的主要特点是( )。 C A. 恒截面、恒压差； B. 变截面、变压差； C. 恒流速、恒压差； D. 变流速、恒压差。 16.层流与湍流的本质区别是：( )。 D A. 湍流流速>层流流速； B. 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数； D. 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 17.圆直管流动流体，湍流时雷诺准数是（）。B A. Re ≤ 2000； B. Re ≥ 4000； C. Re = 2000～4000。 18.某离心泵入口处真空表的读数为200mmHg ，当地大气压为101kPa, 则泵入口处的绝对压强为（）。 A A. 74.3kPa； B. 101kPa； C. 127.6kPa。 19.在稳定流动系统中，水由粗管连续地流入细管，若粗管直径是细管的2倍，则细管流速是粗管的（）倍。 C A. 2； B. 8； C. 4。 20.流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是（）。 C
哈工大 2006 年 秋 季学期 化工综合实验 A 答案 试 题 一 填空（每题1分，共10分） 1.雷诺实验的目的是为了测定流体流动的型态，临界雷诺数 。 2.在流动阻力测定实验中，对于固定的管道其摩擦系数是 雷诺数 的函数。 3.传热实验中由于忽略了污垢和管壁热阻，因此总的传热系数和热水的传热膜系数数值关系近似为 1/2，一半 。 4.吸收实验测定二氧化碳在水中的浓度时，空白实验取 10 mL 的氢氧化钡用标准盐酸溶液滴定。 5.蒸馏实验中，分析塔顶和塔釜样品乙醇和丙醇的摩尔分数时，我们使用 阿贝折光仪 测得的实验数据。 6.干燥实验湿空气的相对湿度可以通过 湿球温度计 温度计测得，对干燥而言空气的湿度对于干燥操作影响很大。 7.离心泵特性曲线是在一定的条件下用清水测定的，主要有 压头-流量，效率-流量和功率-流量 组成。 8.转子流量计有用于测量空气和水的流量之分，使用时需要校正流量曲线，其正确的安装方法是 垂直向上 。 第 1 页 （共 4 页）
9.伯努力实验中,某一个截面的动压头等于该截面的冲压头与静压头之差。 10.在化工综合实验中，为了简化实验，便于数据处理，得到准数关联式。我们采用了量纲分析法，因次分析法 二简答题（20分） 1.U型压差计中指示液的选择原则是什么？（3分） 答：（1）指示液与管路流体互不相溶； （2）为了提高实验的精度，根据待测压差可能的最大值选择密度合理的指示液，待测压差较大的就应选择密度较大的指示液。 2.离心泵实验操作时，为何用控制出口阀的开度调节流量？（3分） 答：一个输送系统是由泵和管路共同构成，其工作状况也是由泵的特性与管路特性共同决定。控制出口阀的开度调节流量好处在于：（1）方便；（2）改变管路特性。 第2 页（共4 页）
第三章 颗粒与流体之间的相对运动 一、前言：(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的 蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。 1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的 界面。 例如：气、液、固称为三态，每一态又称为一相。再例如：空气（或溶液）虽是混合物，但 由于内部完全均匀，所以是一个相。水和冰共存时，其组成虽同是O H 2，但因有不同的物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个相，两块晶体不同的硫磺（如 斜方硫和单斜硫）是两个相。 2、均相：凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。溶 液及混合气都是均相混合物。 3、非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非 均相混合物或非均相物系。 非均相??? ?? ?? 属于气体非均相间煤气中夹杂煤渣子）合成氨厂造气车（如尘气体气体与固体微粒组成含 沫液）（含有气泡的液体即泡 液态非均相）（如碎木屑放在水面上浮液液体与固体离子组成悬 ,:,,, 非均相物系里，处于分散状态的物质称为分散物质（或分散相），包围着分散物质而处于 连续状态的流体，称为分散介质（或连续相）。如:浮悬液中的固体颗粒，称为分散物质，液体是分散介质。 4、非均相物系的分离：通过机械方法分离非均相物系的单元操作。具体点讲机械方法:沉降和过滤。 二、工业上非均相物系分离的目的 1、 收取分散物质：如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有 价值的颗粒回收利用。 2、 净化分散介质：合成氨生产，半水煤气中含有2CO 、S H 2灰尘等杂质，为了防止合 成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。 3、 环境保护：对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受 到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。 三、本章解决的问题 以硫铁矿为原料生产硫酸，在沸腾炉中进行的主化学反应为： 23222 82114SO O Fe O FeS +=+ 在焙烧时还有一些副反应，如生成3SO 、 硫酸盐、砷与硒的氧化物、氟化氢等。同时2SO 炉气中含有大量矿尘，它们主要是铁、铅、铜、钴、钡、锑、铋的氧化物和硫酸盐，此外 还含有气体杂质。如：三氧化硫、三氧化二砷、二氧化硒、氟化氢等。这些杂质能够堵塞管路和催化床,并使催化剂（52O V ）中毒，（二氧化硫催化氧化变成三氧化硫）。故炉气需
哈尔滨工业大学计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会成功举办 北京海基科技于2012年9月14日在哈尔滨工业大学能源科学工程学院举办了“计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会”。 本次研讨会上，海基科技的技术工程师与参会的哈尔滨工业大学的师生共同探讨专业的计算颗粒流体力学软件Barracuda和离散元模拟软件EDEM的创新性技术特色和工程应用实例。本次会议吸引了哈尔滨工业大学能源科学学院、机电工程学院、土木工程学院、市政环境学院、东北农业大学、东北大学以及黑龙江工程学院的师生参与，会上讨论热烈。 以下是本次会议的图片信息
EDEM简介 EDEM是世界上第一款基于离散元技术的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化，其基于1971年Cundall提出的专门处理非连续介质问题的离散元方法（Discrete Element Method，简称DEM）。 利用其独特的功能，用户可以以一种更加恰当的方式对颗粒生产、加工过程进行研究，从而获得对散料处理过程崭新的认识。EDEM被广泛应用于工程机械、矿山机械、农业机械、制药、石油化工、冶金工业、能源工业等所有涉及颗粒的设备和工艺的优化设计。目前，国内已有近80家用户在使用EDEM辅助科研和产品设计工作。 Barracuda简介 Barracuda是由美国CPFD Software, LLC采用自己开发的CPFD专利技术，专业模拟工业级尺度的流体-颗粒系统动力学及化学反应的商用软件包。Barracuda软件与化工、石化、能源、冶金等工业领域对流态化研究需求完全匹配，确立了它在这些领域流化装置模拟中的领导地位。众多政府研究机构和世界财富500强企业选用它来做流化设备设计和工艺过程优化。典型用户包括：阿尔斯通、埃克森美孚、陶氏化学、道康宁公司、美国能源部国家能源技术实验室、利安德巴塞尔工业公司、石川岛播磨重工业株式会社、新奥集团、中科院过程所、上海GE煤炭多联产技术研究室、清华大学化工系、中国科学院工程热物理所、中冶赛迪、神华集团NICE等。
流体综合实验 实验目的 1）能进行光滑管、粗糙管、闸阀局部阻力测定实验，测出湍流区阻力系数与雷诺数关系曲线图； 2）能进行离心泵特性曲线测定实验，测出扬程与流量、功率与流量以及离心泵效率与流量的关系曲线图； 3）学习工业上流量、功率、转速、压力和温度等参数的测量方法，使学生了解涡轮流量计、电动调节阀以及相关仪表的原理和操作； 离心泵特性测定实验 一、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Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。 1．扬程H的测定与计算 取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程： （1－1）由于两截面间的管子较短，通常可忽略阻力项fhΣ，速度平方差也很小，故也可忽略，则有 （1－2）式中：H=Z2-Z1，表示泵出口和进口间的位差，m； ρ——流体密度，kg/m3 ； g——重力加速度m/s2； p 1、p 2 ——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；
H 1、H 2 ——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m； u 1、u 2 ——分别为泵进、出口的流速，m/s； z 1、z 2 ——分别为真空表、压力表的安装高度，m。 由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。 2．轴功率N的测量与计算 N=N电×k （W）（1－3） 其中，N 电 为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取k=0.95 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是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功率，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，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： N e=HQρg （1－4）故泵效率为 （1－5）四、实验步骤及注意事项 （一）实验步骤： １．实验准备： （1）实验用水准备：清洗水箱，并加装实验用水。 （2）离心泵排气：通过灌泵漏斗给离心泵灌水，排出泵内气体。 2、开始实验： （1）仪表自检情况，打开泵进口阀，关闭泵出口阀，试开离心泵，检查电机运转时声音是否正常，，离心泵运转的方向是否正确。 （2）开启离心泵，当泵的转速达到额定转速后，打开出口阀。 （3）实验时，通过组态软件或仪表逐渐改变出口流量调节阀的开度，使泵出口流量从1000L/h 逐渐增大到4000L/h，每次增加500L/h。在每一个流量下，待系统稳定流动5分钟后，读 取相应数据。离心泵特性实验主要需获取的实验数据为：流量Q、泵进口压力p 1 、泵出
【采矿课件】第4章颗粒在流体中的运动 习题解答 1．什么是体积分数、质量分数？两者的关系如何？已知石英与水的密度分不为2650kg/m3和 1000kg/m3，将相同质量的石英砂和水配置成悬浮液，求悬浮液的质量分数、体积分数、物理密度和黏度？ 【解】悬浮体的体积分数ΦB（旧称容积浓度λ）是指悬浮体中固体颗粒（或气泡、液滴）的体积占有率，它是无量纲数，数值上等于单位体积的悬浮体中固体颗粒（或气泡、液滴）占有的体积。悬浮体的质量分数w B（旧称重量浓度C）是指悬浮体中固体颗粒的质量占有率，它也是无量纲数。若颗粒和流体的密度分不用δ和ρ表示，体积分数ΦB与质量分数w B有下面的关系： 已知δ=2650kg/m3和ρ=1000kg/m3，设石英砂和水的质量差不多上W，则有 故质量分数、体积分数、物理密度和黏度分不为0.5000、0.2740、1452kg/m3和2.2902μ。 2．牛顿流体和非牛顿流体的有效黏度和微分黏度有何特点？什么叫屈服切应力？哪些非牛顿流体的流变特性可用幂律模型描述？幂律模型中的参数K和n有何物理意义？ 【解】有效粘度是流变曲线上指定点到原点的直线斜率；微分粘度是流变曲线上指定点的切线斜率。牛顿流体的有效黏度等于微分黏度，同时差不多上常数；宾汉流体，微分粘度为常数，但有效黏度不为
常数，同时有效黏度大于微分黏度，当剪切速率趣近于零时有效黏度变为无穷大；假塑性流体的有效黏度大于微分黏度；胀塑性流体的有效黏度小于微分黏度；屈服假塑性流体与宾汉流体有些类似，只是微分黏度不是常数。 宾汉认为，当悬浮液的浓度大到其中的颗粒互相接触之后，就有塑性现象发生，欲使系统开始流淌，施加的剪切力必须足以破坏使颗粒形成的网架结构，那个刚好能够破坏颗粒网架结构的切应力确实是屈服切应力。 假塑性流体（包括胀塑性流体）的流变特性可用如下幂律模型描述： 幂律模型中的参数K也是流体黏性的量度，它不同于黏度，流体越黏，K值越大；指数n是液体非牛顿性的量度，n值与1相差越大，则非牛顿性越明显；关于假塑性流体的n<1（关于胀塑性流体n>1）。 3．什么是自由沉降？什么是干涉沉降？ 【解】颗粒在流体中沉降时，若不受周围颗粒或容器壁干扰，称为自由沉降。颗粒在有限空间中的沉降称之为干涉沉降。矿物加工中粒群在矿浆中的沉降确实是典型的干涉沉降，球体在窄管中的沉降也是干涉沉降。 4．已知石英与水的密度分不为2650kg/m3和1000kg/m3，水的运动黏度为1.007x10-6 m2/s，求直径为0.2mm的球形石英颗粒在水中的自由沉降速度、雷诺数和阻力系数？ 【解】已知δ=2650kg/m3、ρ=1000kg/m3、ν=1.007x10-6 m2/s和d=0.0002m，则 先试用通用公式运算：
实验四 化工流体过程综合实验 一、 实验目的 1?掌握光滑直管、粗糙直管阻力系数的测量方法，并绘制光滑管及粗糙管的 '-R e 曲线，将 其与摩擦系数图进行比较； 2?掌握阀门的局部阻力系数的测量方法； 3?了解各种流量计（节流式、转子、涡轮）的结构、性能及特点，掌握其使用方法；掌握节 流式流量计标定方法，会测定并绘制文丘里、孔板、喷嘴流量计流量标定曲线（流量 -压差 关系）及流量系数和雷诺数之间的关系（ C 。- R e 关系）； 4?了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性曲线测定方法，并能绘制相应曲线。 二、 实验内容 1?测定光滑直管和粗糙直管摩擦阻力系数，绘制光滑管及粗糙管的 ? - Re 曲线； 2?测定阀门的局部阻力系数； 3?测定并绘制文丘里、孔板、喷嘴流量计（三选一）流量标定曲线（流量 -压差关系）及流 量系数和雷诺数之间的关系（ C 。- R e 关系）； 4?测量离心泵的特性曲线，并绘制相应曲线，确定其最佳工作范围。 三、 实验原理、方法和手段 1. 流体阻力实验 a. 直管摩擦系数，与雷诺数Re 的测定： 直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即 ?二f （Re, ；/d ），对一定的相 对粗糙度而言，，=f （Re ）。 流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为: 又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式） h f Pi - P 2 P
i_u 2 d 2 整理⑴⑵两式得 h f P f
2d ■:Pf u 2 d -管径，m ; ：Pf -直管阻力引起的压强降，Pa ; I -管长，m ; u -流速，m / s ; 3 『-流体的密度，kg / m ; 亠-流体的粘度，N ?s / m 2。 在实验装置中，直管段管长 I 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度 p 和粘度卩也是 定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降 , ；p f 与流速u （流量V ）之间 的关系。 根据实验数据和式⑶可计算出不同流速下的直管摩擦系数 入用式⑷计算对应的 Re ,从 而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出 入与Re 的关系曲线。 b. 局部阻力系数'的测定： 式中： ■ -局部阻力系数，无因次； p 'f -局部阻力引起的压强降，Pa ; h 'f -局部阻力引起的能量损失， J /kg 。 式中: hf =
第一章 流体流动 流体的重要性质 1．某气柜的容积为6 000 m 3，若气柜内的表压力为5.5 kPa ，温度为40 ℃。已知各组分气体的体积分数为：H 2 40%、 N 2 20%、CO 32%、CO 2 7%、C H 4 1%，大气压力为 101.3 kPa ，试计算气柜满载时各组分的质量。 解：气柜满载时各气体的总摩尔数 ()mol 4.246245mol 313 314.86000 0.10005.53.101t =???+== RT pV n 各组分的质量： kg 197kg 24.246245%40%4022H t H =??=?=M n m kg 97.1378kg 284.246245%20%2022N t N =??=?=M n m kg 36.2206kg 284.246245%32%32C O t C O =??=?=M n m kg 44.758kg 444.246245%7%722C O t C O =??=?=M n m kg 4.39kg 164.246245%1%144C H t C H =??=?=M n m 2．若将密度为830 kg/ m 3的油与密度为710 kg/ m 3的油各60 kg 混在一起，试求混合油的 密度。设混合油为理想溶液。 解： ()kg 120kg 606021t =+=+=m m m 33 122 1 1 21t m 157.0m 7106083060=??? ? ??+=+ = +=ρρm m V V V 3 3t t m m kg 33.764m kg 157 .0120=== V m ρ 流体静力学 3．已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa ，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa ，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa 。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力 绝压=大气压-真空度= () kPa 3.65Pa 1020103.8533=?-? （2）真空表读数 真空度=大气压-绝压=() kPa 03.36Pa 103.651033.10133=?-? 4．某储油罐中盛有密度为960 kg/m 3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5 m ，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760 mm 的孔，其中心距罐底1000 mm ，孔盖用14 mm 的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5×106 Pa ，问至少需要几个螺钉（大
换热器传热系数测定 实验装置 说明书 天津大学化工基础实验中心 2014.08
一、实验目的： 1.了解套管换热器和列管换热器的结构，掌握对流传热系数i α和总传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。 2.学会并应用线性回归分析方法，确定传热管关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 数值。 二、实验内容： 1.测定不同流速下套管换热器的对流传热系数i α。 2.测定不同流速下列管换热器的总对流传热系数K 。 3.对i α实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的数值。 三、实验原理： 1.套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定： （1）对流传热系数i α的测定 在该传热实验套管换热器中，空气走内管，热水走外管。 对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 i i i S t Q ??= α （1） 式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2?℃)； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2； t ?—内壁面与流体间的温差，℃。 t ?由下式确定： 2 2 1t t T t w +- =? （2） 式中：t 1，t 2 —冷流体（空气）的入口、出口温度，℃； T w —壁面平均温度，℃； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用t w 来表示。 管内换热面积： i i i L d S π= （3） 式中：d i —内管管内径，m ； L i —传热管测量段的实际长度，m 。
由热量衡算式： )(12t t Cp W Q m m i -= （4） 其中质量流量由下式求得： 3600 m m m V W ρ= （5） 式中：m V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ； m Cp —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)； m ρ—冷流体的密度，kg /m 3 。 m Cp 和m ρ可根据定性温度t m 查得，2 2 1t t t m += 为冷流体进出口平均温度。t 1，t 2， T w ， m V 可采取一定的测量手段得到。 （2）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 n m A Nu Pr Re =. （6） 其中： i i i d Nu λα= ， m m i m d u μρ=Re ， m m m Cp λμ=P r 物性数据m λ、m Cp 、m ρ、m μ可根据定性温度t m 查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： 4.0Pr Re m A Nu = （7） 这样通过实验确定不同流量下的Re 与Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。 2.列管换热器传热系数的测定： 管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。一种在管内流动，称为管程流体（冷流体）；另一种在管外流动，称为壳程流体（热流体）。 传热系数Ko 用实验来测定
两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。 两相流的流动形态有多种。除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。 两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。流动形态不同，则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时，正系统混合物（浓度增加时表面张力减低）的板效率(见级效率)高于负系统混合物（浓度增加时表面张力增加）；而喷射状态下恰好相反。两相流研究的另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。当分散相液滴或气泡时，有很多特点。例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面
上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。这些都会影响传质通量，进而影响设备的性能。两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定性等。 两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。大量理论工作采用的是两类简化模型：①均相模型。将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定；②分相模型。认为单相流的概念和方法可分别用于两相系统的各个相，同时考虑两相之间的相互作用。两种模型的应用都还存在不少困难，但在计算技术发展的推动下颇有进展。 气体和液体混合物的两相流动体系。通常分为单成分两相流和双成分两相流。前者是具有相同化学成分的同质异态两相流，如水和蒸汽两相流；后者是具有不同化学成分的异质异态两相流，如水和空气两相流。气-液流动包括掺有气泡的液体流动和带有液滴的气体流动，如掺气水流和含雾滴的大气流动等。气-液流动因管道压力、流量、热负荷、流向、工质物性等的不同，可形成各种不同流型。竖管中最常见的流型（见图）有：细小气泡散布于液相中的气泡状流型；管中心为气弹、壁附近为连续液膜的气弹状流型；管中心为夹带细小液滴的气核和壁附近为连续液膜的环状流型；气相中含细小液滴和壁附近无连续液膜的雾状
一、单选题 1．单位体积流体所具有的（ A ）称为流体的密度。 A 质量； B 粘度； C 位能； D 动能。 2．单位体积流体所具有的质量称为流体的（ A ）。 A 密度； B 粘度； C 位能； D 动能。 3．层流与湍流的本质区别是（ D ）。 A 湍流流速＞层流流速； B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数； D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 4．气体是（ B ）的流体。 A 可移动； B 可压缩； C 可流动； D 可测量。 5．在静止的流体内，单位面积上所受的压力称为流体的（ C ）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 6．以绝对零压作起点计算的压力，称为（ A ）。 A 绝对压力； B 表压力； C 静压力； D 真空度。 7．当被测流体的（ D ）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 真空度； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 8．当被测流体的绝对压力（ A ）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 9．（ A ）上的读数表示被测流体的绝对压力比大气压力高出的数值，称为表压力。 A 压力表； B 真空表； C 高度表； D 速度表。 10．被测流体的（ D ）小于外界大气压力时，所用测压仪表称为真空表。 A 大气压； B 表压力； C 相对压力； D 绝对压力。 11. 流体在园管内流动时，管中心流速最大，若为湍流时，平均流速与管中心的最大流速的关系为（ B ）。 A. Um＝1/2Umax； B. Um＝0.8Umax； C. Um＝3/2Umax。 12. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( A )。 A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关；
化工流体过程综合实验 装置说明书
一、实验目的： 1.学习直管摩擦阻力f P ?,直管摩擦系数λ的测定方法。. 2.掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。 3.掌握局部摩擦阻力f P ?,局部阻力系数ζ的测定方法。. 4.学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。 5.熟悉离心泵的操作方法。 6.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法、表示方法、加深对离心泵性能的了解。 二、实验内容: 1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。 2.测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系曲线。 3.测定管路部件局部摩擦阻力f P ?和局部阻力系数ζ。 4.熟悉离心泵的结构与操作方法。 5.测定某型号离心泵在一定转速下的特性曲线。 6.测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。 三、实验原理: 1.直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定: 直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。 流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为： ρ ρf f P P P h ?=-= 2 1 （1） 又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式） 2 2 u d l h f P f λρ == ? （2） 整理（1）（2）两式得
2 2u P l d f ?? ?=ρλ （3） μ ρ ??=u d Re （4） 式中： -d 管径，m ； -?f P 直管阻力引起的压强降，Pa ； -l 管长，m ； -u 流速，m / s ； -ρ流体的密度，kg / m 3； -μ流体的粘度，N ·s / m 2。 在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△P f 与流速u （流量V ）之间的关系。 根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。 2.局部阻力系数ζ的测定 2 2'u P h f f ζρ =?= ' 2'2u P f ????? ? ??=ρζ 式中： -ζ局部阻力系数，无因次； -?'f P 局部阻力引起的压强降，Pa ； -'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。
第一章流体流动 一、单项选择题（每小题1 分） 1.在SI 单位制中，通用气体常数R 的单位为( )B A.atm· cm / mol·K B. Pa· m /mol·K C. Kf· m / mol·K D. Ibf· ft / Ibmol·K 2.系统处于稳态指的是( )C A.系统操作参数不随时间改变 B.系统操作参数不随位置改变 C.系统操作参数随位置改变,但不随时间改变 D.系统操作参数随时间改变,但不随位置改变 3.下列流体中，认为密度随压力变化的是( )A A.甲烷 B.辛烷 C.甲苯 D. 水 4.下列关于压力的表述中，正确的是( )B A.绝对压强= 大气压强+ 真空度 B. 绝对压强= 大气压强- 真空度 C. 绝对压强= 大气压- 表压强 D. 绝对压强= 表压强+ 真空度 5.某系统的绝对压力为0.06MPa，若当地大气压为0.1MPa，则该系统的真空度为( )C A. 0.1MPa B. 0.14MPa C. 0.04MPa D. 0.06MPa 6.容器中装有某种液体，任取两点A，B，A 点高度大于B 点高度，则( )B A.p A > p B B.p A < p B C.p A = p B D.当液面上方的压强改变时,液体内部压强不发生改变 7.在一水平变径管路中，在小管截面A 和大管截面B 连接一U 型压差计，当流体流过该管时，压差计读数R 值反映( )。A A．A、B 两截面间的压强差；B．A、B 两截面间的流动阻力； C．A、B 两截面间动压头变化；D．突然扩大或缩小的局部阻力。 8.使用U 型管压差计测量较小压差时，为了准确读数，下列方法中正确的做法是（）C A.选择较大密度的指示液 B. 选择较小密度的指示液 C. 使用与被测流体密度相近的指示液 D. 加大指示液与被测流体密度的差别 9.用一U 型管压差计测定正辛烷在管中两点间的压强差，若两点间的压差较小，为了提高 读数精度，你认为较好的指示剂为( )D A.乙醇 B. 水 C. 汞 D. 甲苯 10.所谓理想流体，指的是（）A A.分子间作用力为零的流体 B. 牛顿流体 C. 稳定的胶体 D. 气体 11.牛顿粘性定律适用于牛顿型流体，且流体应呈( )。C A.过渡型流动；B．湍流流动；C．层流流动；D．静止状态。12．有两种关于粘性的说法：( )A (1)无论是静止的流体还是运动的流体都具有粘性。