实验三_周期信号的频谱分析

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1、流體流動（FluidFlow）一、實驗目的1.學習管中個點壓力隨著管中流體流速不同而變化之情形。2.研討流體通過閥件，閥件開度與流體流速之關係。3.研討流體通過閥件，在固定閥件開度，流體流速與閥件壓降之關係。4.研討流體通過閥件，在固定流體流速，閥件開度與閥件壓降之關係。5.研討流體通過口孔口流量計、文氏流量計及浮子流量計，流體流速與其壓降之關係。二、實驗原理1.壓力(pressure)和剪應力(shearstress)所謂流體就是一群粒子能自由地相對互相移動，不像固體流體不能永久地抵抗變形（扭曲）而在外力的影響下，流力直到應力被另一外力移除或平衡掉才改變形態。而藉於流體和固

2、體差異最簡單的證明就是固體在沒外部容器時會保持原來的形狀，但流體則否。當放置容器時流體將填滿整個容器，在體積容許下，當固體能位在容器中一小部份。分子在流體上是處於一般運動狀態之下，有動能在氣體分子是相對地遠離及有較高的隨意速度。換句話說，液體的分子是絕對地互相接近和在他們隨意運動之下，每秒處於更多的碰撞。這將導致液體的隨意速度將更低於氣體。除了增加碰撞次數外，液體分子的臨時結合是由於較弱的化學鍵存在，因此進一步抑制隨意速度。在容器壁上，流體分子和相對流體分子當然靜止。這種狀態當應用在氣體上，得到有名的氣體動力論而預測流體分子隨意速度則能從此方程式計算：，其中c是均方根速度（r

3、ootmeansquarevelocity）大部分液體和氣體均遵守此一方程式及可用牛頓流體描述。然而，一些純液體和許多液體或液體懸浮物並沒有遵守此定律。2.流體流動通過管柱：雷諾數當一流體流動通過一玻璃管或一表面，流動的型態將隨流體的速度而改變。其物理性質（尤其是黏度），亦會受到玻璃管是平滑面或粗糙面的影響。玻璃管的流體流動情形在一百多年前（在1883年）由雷諾所測得，藉允許細的彩色水流進入流動管柱之流體床，但他僅明顯的陳述流動型態之本質。在低流速時此彩色水流延著玻璃管之軸依然保持細的細絲，但在高流速率時它逐漸擾亂直到它被破壞而和液體柱流混合在一起。流動第一形態，在低流動速度

4、存在和當流體行為如黏稠方式。描述如層流，這摩擦拖曳力導致在接近壁層是靜止的，此交互作用力被重複抑制，此結果為層流速度範圍從零到最大值（在玻璃管柱之中心）。當流速增加時，流體次序結構將被破壞和與巨大的流體混合，此時層流混合開始發生，更進一步增加流動速率。也就是說，在流體速度造成完全混合則此流動稱之為亂流（turbulent）。介於層流和亂流之間的過渡區被定義，當它發生時此速度稱之為臨界速度，雷諾後來研究證明有關臨界速度的因素有以下四種:（1）管柱直徑（2）流動平均速度=體積流速/截面積（3）流體密度（4）流體黏度這些變數若仔細檢查，則能證明它們能夠跟臨界速度有關係：（3.1）（

5、3.2）其中Rec=在臨界速度之雷諾數這重新整理可得檢查此方程式顯示它是無因次，此項即是著名的雷諾數。從實驗顯示對圓滑管有圓切面，介於層流和亂流的雷諾數在2100~4000之間。Re<2100→流動是層流Re>4000→流動是完全亂流2100

6、的l.25倍。對亂流而言，顯示它至少是由四層所組成:（1）此層實際上是接近牆而速度為零，在此層忽略厚度。（2）此層稍微遠離牆移動緩慢以致於它在層流為一層流副層。（3）此層接近層流副層但更遠離牆，此流動速度達到臨界雷諾值，對此系統以致於亂流開始發展成緩衝層。（4）此一完全混合層速度大約等於總平均速度。4.流體流過套管與其壓降對力而言最方便測量是壓力，因為壓力=作用力/面積（3.4）因此建立流動充分的力或壓力必定用到流體以致於克服阻力，因為流速能被一般轉移方程式所引導流速=驅動力/阻力（3.5）流體流過管柱，阻力可被分類:（1）表面摩擦阻力（2）膨脹或縮小阻力（3）沈浸物體阻力（

7、4）非恆溫阻力而至少有四種因素能被鑑定當摩擦阻力對流體流動之影響:（1）粗糙參數（K）（2）相對組糙（K/D）（3）粗糙種類（4）套管材料實驗顯示隨意粗糙比規律表面的改變有更多影響，因此材料有相同相對粗糙（K/D），可能有不同的影響。然而對新的和圓滑材料其範圈相對較低，也就是其粗糙因子在0.9~1.2之間，粗糙越低則套管越滑而有越低壓降。而由實驗上，壓降被表面摩擦所造成而可由Fanningequation來表示:（3.6）其中：由摩攘力造成壓降v：流體平均速度L：套管長度：流體密度D：套管內徑f：Fan