机械工程实验(三)

1、機械工程實驗(三)綜合流量計原理指導教授： 盧 昭 暉 老師班 級：組 別：姓 名：學 號： 一.實驗目的 在機械世界裡，大部份的機件都需要靠流質來作功及運作，要知道單位流量的淨功，就必須精確的知道流量的大小。因此，學習各種流量計的使用方法及基本原理是一件很重要的事。 本次實驗的目的有二：（一）學習文式管（Venturi meter） 銳孔流量計（Orifice flowmeter） 噴嘴流量計（Nozzle flow meter） 皮托管（Pitot tube） 與三角堰（Triangular weir）針尺的原理特性及其使用方法。 （二）研討流出係數（Discharge coefficie

2、nt）Cd和Reynolds 數之間的關係。 二.實驗原理（a）銳孔計 銳孔流量計，係將一中央鑿有圓孔之銳孔盤插於圓管中，銳孔盤前後有連接壓差計之壓力接頭以測定流體流經銳孔盤前後時在管璧所產生之靜壓差，利用此壓差求出流量的一種裝置。 為方便計算，我們假定流體為不可壓縮流體。今假定點一（流體在銳孔盤上游，其流動截面正要開始受銳孔盤影響而收縮之處）與點二（束縮截面）間之摩擦損失可忽略，則根據伯努力（Bernoulli）方程式，兩點間之能量平衡方程式為： .（1） 、：流體分別在點 1、點 2處之壓力（） ：流體之密度（） 、 ：流體分別流經點 1、點 2處之平均流速（） ：單位換算常數（ ）因質量

3、流量為一定、所以 =.（2） ：流體通過銳孔時之平均流速（） ：銳孔之截面積（）令 = .（3）與 = .（4）其中 = 開口比，即銳孔之截面積與直管之截面積之比 = 收縮係數（Coefficient of Contraction）合併（1）、（2）、（3）及（4）式可得 =.（5）然而，流體在流動時，會因摩擦損失而造成壓力下降。為了校正誤差，則以校正因子（Correction Factor）（ < 1 ）來修正（5）式，即 =.（6） 、 可由差壓計讀取，其關係式如下： =.（7） =差壓計內液之密度（） =差壓計之讀數（）則流體之質量流量為： =.（8）其中 =稱為銳孔流量計之流出係

4、數（Orifice Discharge Coefficient）。由於流出係數受管內流場影響，通常都與管內雷諾數有關，在此我們定義雷諾數（Reynolds Number）為=。（b）文式管 文式流量計之構造原理，與銳孔流量計相似，惟將管子之直徑逐漸縮小再逐漸擴大，不使管流之面積大小驟然改變，以免銳孔流量計因渦流（Vortex）引起大量之能量消耗而已。對流體為不可壓縮性流體，由（5）式得： =.（9）其中為文式流量計之流出係數（Venturi Discharge Coefficient），係用於校正該流量計之摩擦損失。在一般之情況下，值為0.98。將（9）式代入（8）式得： =.（10）（c）噴

5、嘴 噴嘴流量計，以漸縮管（Convergent tube）裝置於管內作為噴嘴，代替孔口板之用於流率側定。噴嘴流量計之流率計算，其原理與孔口計同，只是噴嘴具有較高之放洩係數（），將（8）式中之改成即可。此種流量計因其設計精巧，所以廣用於蒸氣與髒流體之流率測量。（d）皮托管 皮托管為可以量度管內各點流速之流量計。皮托管為一倒L形之雙重構造管，在外管管壁沿管周圍刻有許多小孔，是為了量度和流體流動方向平行之壓力，即靜壓（Static pressure）。正對流體流動方向之開口，是為了量度動壓（Dynamic pressure）之用。兩管分別接在差壓計上，即靜壓與動壓之差可以差壓計之讀數來決定。 由Be

6、rnoulli公式可得： .（11） 其中 ：點1處之速度（） ，：點2，點1處之壓力（） ：流體密度（） ：點1，點2間之摩擦損失（） 在（11）式中導入一常數，將摩擦損失與壓力損失一起考慮，則（11）式可變為.（12） 其中 ：差壓計封液密度（） ：差壓計之讀數（） ：皮托管係數（Pitot tube coefficient） 在平常值大約和1相近，故在不要很精確時，其值可以1代替。若管子半徑為，距離管子中心處之速度為，則流經管子之體積流量為 .（13） 而管中之平均速度可寫成 .（14） 考慮管子截面，皮托管置於處，而此點之速度經皮托管量度出來為，則在半徑為與所圍成之環形部份間之平均流速

7、為 故（13）式可用下列近似值來表示.（15）為正整數，代表半徑為與所圍成之環形面積。若為已知，則利用（15）式，流量可以決定出來。（e）堰 當液體在敞開式明槽（Open channel）內流動時，液體呈現出與空氣接觸之自由表面（Free surface），其流量大小時常可用堰或缺口（Notch）來量度。平常為了穩定堰之上游情況，常在堰之上游設有增加穩定用之篩屏（Screen）。 本實驗為三角堰，其缺口寬度隨而變化，其關係如下 其中 ：三角形缺口夾角之半 故 .（16）如利用流出係數來校正上式：得 .（17） 其中約在0.590.60，而一般多在之範圍內。一般=最常用，此時=0.59。 則（1

8、7）式可化簡為若欲精密測量流量，則可由下式計算： .（18） 其中皆以為單位 三.實驗儀器1.量水箱之面積 長寬：mmmm。2.三角堰之 寬、高：mm、mm。3.針尺基準高度：mm。4.文式管：5.噴嘴：6.銳孔：7.液壓計板：8.浮標尺：9.皮托管：10.壓力管： 可調整11.水箱：12.整流網： 金屬製13.堰：14.水道：，15.抽水機：， 四.實驗步驟（1）.依實驗設備之實體自己繪出流程圖，並標出各部名稱。（2）.1檢查電源安全。 2檢查儲水箱內水位高度（不得低於吸入口），以免大量吸入空氣，造成空蝕，損壞pump。 3打開，。 4起動pump 5稍微關閉，使流量固定在約，等流量穩定後檢查所有差壓計。此時皮托管內可能會有氣泡產生，請將其上下移動，以利氣泡之去除。 6若發現空氣柱太短，可稍微放氣，直至水柱停在可見之範圍內，並記錄之。 7水槽內有刻度，每五公分一格，以碼錶測量水位上升一格所需之時間。另以皮尺量出水槽之長，寬，計算出真實的流量，並將各操做點之真實流量與浮標流量計（Rotameter）所測得之流量繪出關係圖。 8稍微打開，並記錄堰上針尺高度。 9等堰內水位與水槽內水位皆靜止後，量取堰之針尺高度。 10改變流量，重複5、6、7、8、9之步驟。 11實驗完成後，關閉pump開關並打開把水洩放 五.實驗結果（1）流量校