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流体力学综合实验报告

浙 江 大 学
化学实验报告

课程名称：过程工程原理实验甲
实验名称： 流体力学综合实验
指导教师：

专业班级：
姓 名：
学 号：
同组学生：

实验日期：
实验地点：

Ⅰ流体流动阻力的测定
一、 实验目的
1） 掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法。
2） 测定直管摩擦系数λ及雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ及Re的关系曲线。
3） 测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ξ。
4） 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二、 试验流程及装置

图 1 流体力学综合实验流程示意图
装置结构说明及参数如下：
名称
类型
直管规格
管内径/mm
直管段长度/mm
光滑管
不锈钢管
光滑直管
22
1000
粗糙管
镀锌铁管
粗糙直管
21
1000
局部阻力
截止阀
截止阀两端直管（光滑管）
22
680
闸阀
闸阀两端直管（粗糙管）
21
660

三、 基本原理
1. 流量计校核
通过计时称重对涡轮流量计读数进行校核。
2. 雷诺数求解
Re=ρudμ………………………………(1)
u=V900πd2………………………………(2)
式中：V----流体流量，m3h
3. 直管阻力摩擦系数λ的测定
流体水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
hf=Δpfρ=λldu22……………………(3)
即
λ=2dΔpfρlu2……………………………………(4)
式中：Δpf----直管长度为l的压降，Pa
4. 局部阻力系数ξ的测定
阻力系数法：流体通过某一管件（阀门）时的机械能损失可表示为流体在管径内流动时平均动能的某一倍数，即：
hf'=Δpf'ρg=ξu22g………………………………(5)
即
ξ=2Δpf'ρu2………………………………………………(6)
式中：Δpf'----局部阻力压力降，Pa
局部阻力压力降的测量方法：测量管件及管件两端直管（总长度为l'）总的压降为Δp，减去其直管段的压降，该直管段的压降可由直管阻力Δpf（长度为l）实验结果求取，即
Δpf'=Δp-l'lΔpf……………………………………(7)

四、 实验步骤
1） 离心泵灌水，关闭出口阀（23），打开电源，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀（23）缓缓开到最大；
2） 对压差传感器进行排气，完成后关闭排气口阀，使压差传感器处于测量状态；
3） 开启旁路阀（24），选定自最小到最大若干流量，对流量计做流量校核试验；
4） 开启流量调节阀（21），先调至最大流量，然后在最小流量1m3h之间再连续取8组等比数据，每次改变流量，待流量稳定后，，记录压差、流量、温度等数据；
5） 实验结束，关闭出口阀（23），停止水泵电机，清理装置。

五、 实验数据处理及结果
1. 原始数据
实验组号
温度/℃
流量/m3h
直管压差/ Pa
直管和管件压差/ Pa
粗糙管
1
32.2
5.14
36960
35860
2
32.6
4.28
26300
25260
3
32.7
3.57
19020
17480
4
32.8
3.00
13970
12660
5
32.9
2.50
10330
8950
6
33.1
2.07
7660
6240
7
33.2
1.71
5730
4250
8
33.2
1.45
4733
3180
9
33.4
1.21
3800
2310
10
33.5
1.02
3180
1700
光滑管
1’
29.9
5.26
9990
70700
2’
31.1
4.40
7710
50300
3’
31.4
3.66
6030
35300
4’
31.6
3.02
4760
24400
5’
31.7
2.50
3920
17100
6’
31.8
2.05
3290
11700
7’
31.8
1.74
2870
8500
8’
31.9
1.45
2540
6000
9’
32.1
1.19
2330
4200
10’
32.1
1.02
2220
3300

2. 数据计算
1） 流量校正
流量/m3h
时间/s
桶质量/kg
桶+水质量/kg
计算流量m3h
相对误差/%
0.64
30
0.590
4.992
0.528
21.2
1.07
30
0.584
8.934
1.002
6.8

由此可见当流量小于1m3h时，流量计显示的数据及实际测得的流量相对误差很大，故而在整个实验过程中，流量不能小于1m3h，当流量大于1m3h时，相对误差在5%~10%之间，在工业误差允许范围内，但及实际值还是有一定的误差。

2）以粗糙管1为例，计算过程如下：
查水的物性表可知，在32.2℃时，水的密度为994.93kg/m3，水的粘度为7.684×10-4Pa∙s.
根据式（2）可得，
u=V900πd2=5.14900π0.0212=4.124m/s
根据式（1）可得，
Re=ρudμ=994.93×4.124×0.0217.684×10-4=1.121×105
根据式（4）得，
λ=2dΔpfρlu2=2×0.021×36960994.93×1×4.1242=9.172×10-2
根据式（7）可得，
ξ=2Δpf'ρu2=2×(35860-36960×0.66)994.93×4.1242=1.355
从而根据以上计算过程可得到下表：
实验组号
流速m/s
密度kg/m3
粘度Pa∙s.
Re
λ
ξ
粗糙管
1
4.124
994.93
7.684×10-4
1.121×105
9.172×10-2
1.355
2
3.434
994.79
7.625×10-4
9.409×104
9.415×10-2
1.347
3
2.865
994.76
7.610×10-4
7.863×104
9.786×10-2
1.207
4
2.407
994.72
7.596×10-4
6.620×104
1.018×10-1
1.194
5
2.006
994.69
7.581×10-4
5.527×104
1.084×10-1
1.065
6
1.661
994.62
7.551×10-4
4.594×104
1.172×10-1
0.863
7
1.372
994.58
7.536×10-4
3.803×104
1.285×10-1
0.500
8
1.163
994.58
7.536×10-4
3.225×104
1.476×10-1
0.084
9
0.971
994.51
7.507×10-4
2.701×104
1.702×10-1
-0.422
10
0.818
994.48
7.492×10-4
2.281×104
2.005×10-1
-1.197
光滑管
1’
3.846
995.73
8.030×10-4
1.049×105
2.985×10-2
8.680
2’
3.217
995.32
7.847×10-4
8.977×104
3.294×10-2
8.749
3’
2.676
995.21
7.803×10-4
7.508×104
3.723×10-2
8.757
4’
2.208
995.14
7.773×10-4
6.219×104
4.317×10-2
8.725
5’
1.828
995.11
7.78×10-4
5.158×104
5.188×10-2
8.684
6’
1.499
995.07
7.744×10-4
4.237×104
6.476×10-2
8.467
7’
1.272
995.07
7.744×10-4
3.596×104
7.842×10-2
8.133
8’
1.060
995.04
7.729×10-4
3.003×104
9.994×10-2
7.642
9’
0.870
994.97
7.699×10-4
2.474×104
1.361×10-1
6.946
10’
0.746
994.97
7.699×10-4
2.120×104
1.765×10-1
6.471

根据上表可作λ~Re的关系曲线如下图：

将该图及莫狄图对照，可得
粗糙管的相对粗糙度εd=0.05，绝对粗糙度ε=0.05×0.021=1.05mm
光滑管的相对粗糙度εd=0.004，绝对粗糙度ε=0.004×0.022=0.09mm。
另外，从上表中排除粗糙管的9,10两组ξ为负值的数据，可以得出球心阀的局部阻力系数远远大于闸阀的局部阻力系数。
六、 思考题
1）对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀，为什么？
要先打开流程尾部的出口阀，是流体稳定流动后，再关闭出口阀可以形成较高压差以利于气体的排出。

2）如何检测管路中的空气已经被排净？
当连接软管以及传感器的出口管中没有气泡后，关闭流量调节阀，看压差计的读数是否为零，如果为零，则说明气体已经排空。否则要继续排气。
3） 以水作介质所测得的λ~Re关系能否适用于其他流体，如何应用？
影响曲线的因素在于密度和黏度，所以把水介质下的曲线换算成其他流体的密度和黏度则可以依旧使用。
4） 在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据能否关联
在同一曲线上？
可以关联在同一曲线上。
5） 如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响？
根据U型压差计的原理，这样的偏差会使静压的测量值偏大。

Ⅱ离心泵特性曲线测定
一、 实验目的
1） 了解离心泵结构及特性，熟悉离心泵的使用；
2） 测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；
3） 了解差压变送器、涡轮流量计等仪器仪表的工作原理和使用方法。

二、 试验流程及装置
装置图见流体流动阻力测定实验的装置图
三、 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及泵流量Q之前的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内流动复杂，不能使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的测定及计算
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：
z1+p1ρg+u122g+H=z2+p2ρg+u222g……………………(1)
若泵进出口速度相差不大，则速度的平方差可忽略，则有：
H=z2-z1+p2-p1ρg=H0+Δpρg…………………………(2)
式中：H0=z2-z1，表示泵出口和进口的位差，本实验为0.1m;
ρ----流体密度，kg/m3；
g----重力加速度，m/s2;
p1，p2----分别为泵进口的真空度和泵出口的表压，Pa；
u1，u2----分别为泵进出口的流速，m/s；
Δp----泵的进出口之间的压差，Pa。
2. 轴功率N的测量及计算
N=N电×k电×k传………………………………(3)
式中：N电----电功率表显示值，w；
k电----电机效率，可取0.8；
k传 ----传动效率，为1。
3. 效率η的计算
泵的效率η是泵的有效功率Ne及轴功率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，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：
Ne=HQρg……………………(4)
故泵的效率为
η=HQρgN×100%…………(5)
4. 转速改变时的换算
泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这话随着流量Q的变化，多个试验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n'下（可取离心泵的额定转速）的数据。换算关系如下：
流量
Q'=Qn'n……………………………(6)
扬程
H'=H(n'n)2………………………………(7)
轴功率
N'=Nn'n3…………………………(8)
效率
η'=H'Q'ρgN'=HQρgN=η…………………(9)

四、 实验步骤
1） 离心泵灌水，关闭出口阀（23），开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把泵的出口阀（23）缓慢开到最大；
2） 对压差传感器进行排气，完成后关闭排气口阀，使压差传感器处于测量状态；
3） 缓慢开启流量调节阀（22），先调至最大流量，然后在最小流量0之间再连续取8组等差数据，每次改变流量，待流量稳定后，记录压差、流量、温度、电机功率等数据。记录设备数据有离心泵型号、额定流量、扬程、和功率；
4） 实验结束，关闭出口阀（23），停止水泵电机，关闭电源，清理装置。

五、 实验数据处理及结果
1. 原始数据
实验组号
温度/℃
流量/m3h
转速r/min
功率/W
压差/Pa
1
33.5
10.25
2700
1212
91900
2
33.9
9.11
2715
1233
143600
3
34.3
7.99
2715
1187
173500
4
34.4
6.85
2730
1128
199300
5
34.7
5.68
2715
1043
224100
6
34.9
4.54
2730
943
245300
7
35.0
3.40
2715
828
264000
8
35.3
2.24
2715
703
279600
9
35.4
1.12
2730
582
291600
10
35.3
0
2700
510
310600
额定转速 2850r/min；额定流量 6m3h；额定功率 1100 W
额定扬程 23.4m
2. 数据计算
以泵实验1为例，计算过程如下：
查水的物性表可知，在33.5℃时，水的密度为994.48kg/m3。
根据式（2）可得，
H=H0+Δpρg=0.1+91900994.48×9.8=9.5296m
根据式（3）可得，
N=N电×k电×k传=1212×0.8×1=969.6W
根据式（5）得，
η=HQρgN=9.5296×10.25÷3600×994.48×9.8969.6=27.27%
再根据式（6）（7）（8）（9）可得，
Q'=Qn'n=10.82m3h
H'=Hn'n2=10.6179m
N'=Nn'n3=1140.3W
η'=η=27.27%
从而根据以上计算过程可得到下表：
实验组号
流量/m3h
扬程/m
功率/W
效率/%
1
10.82
10.6179
1140.3
27.27
2
9.56
16.3486
1141.0
37.09
3
8.39
19.7325
1098.4
40.78
4
7.15
22.4031
1026.7
42.23
5
5.96
25.4587
965.2
42.56
6
4.74
27.5534
858.3
41.17
7
3.57
29.9753
766.2
37.78
8
2.35
31.7432
650.5
31.04
9
1.17
32.7394
529.7
19.55
10
0
35.6432
479.8
0

根据上表可得离心泵的特性曲线如下图：

图中不难得出在6m3h时，效率有最高点43%左右，在工业设计中，工作区的效率一般不低于最高效率点的92%，故而工作区的效率范围为40%~43%，所以流量范围为4.5m3h~8.6m3h，此时为泵的最适宜工作范围。
从本次实验中可以看出，在误差较小可以忽略的情况下，泵的最高效率也只有43%，还不足50%，所以泵的效率很低，耗能也一般很多。
六、 思考题
1） 试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？
从离心泵特性曲线可以看出，轴功率随流量的增大而增大，如果开机时阀门开大，则电机的瞬时功率很大，会对电机造成损害。因此，离心泵启动时应关闭出口阀，以防止电机过载。

2） 启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？
如果泵内无液体，则当离心泵运转时，其内部的气体经离心力的作用所形成的吸入室内的真空度很小，没有足够的压差使液体进入泵内，使离心泵吸不上液体。 
如果依然启动不了，可能是灌水水好后未将引水阀门关闭，泵启动之后，吸入口处产生负压，将引水漏斗处的水吸完后即吸入空气，产生气缚，从而不能将水打出。
3） 为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调节流量？
使用出口阀调节流量可以保证流体充满管路。这种方法的优点是简单易行，缺点是节流阀消耗能量。另外可以使用变频器调节电机转速来调节流量。
4） 泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？
不会上升，因为水是不可压缩的流体，当出口阀关闭时，管路内水的量保持恒定，且动能为零，泵启动后，泵产生的动能转化为水的静压能，泵稳定转动时，水的静压能保持不变，因此压力表读数不会上升。 
5） 正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？
合理，可以用来调节流量，而且相对于出口管路的阀门，可以保证关闭阀门能阻止流体进入泵，防止泵内积液。
6） 试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m3的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？
因为压力及密度无关，所以压力不变，但是轴功率及密度成正比，所以轴功率表会变大。
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