文丘里流量计实验

文丘里流量计实验(新)             

一、实验目的和要求、

1、掌握文丘里流量计的原理。

2、学习用比压计测压差和用体积法测流量的实验技能。

3、利用量测到的收缩前后两断面1-1和2-2的测管水头差，根据理论公式计算管道流量，并与实测流量进行比较，从而对理论流量进行修正，得到流量计的流量系数，即对文丘里流量计作出率定。

    

一、实验装置

       1. 仪器装置简图

图一  文丘里流量计实验装置图

1. 自循环供水器        2. 实验台          3. 可控硅无级调速器 4. 恒压水箱

5. 溢流板              6. 稳水孔板      7. 文丘里实验管段    8. 测压计气阀

9. 测压计           10. 滑尺         11. 多管压差计     

12. 实验流量调节阀

[说明] 

       1. 在文丘里流量计7的两个测量断面上, 分别有4个测压孔与相应的均压环连通, 经均压环均压后的断面压强，由气—水多管压差计9测量, 也可用电测仪测量。

2. 功能

       (1) 训练使用文丘里管测量管道流量和采用气—水多管压差计测量压差的技术;

       (2) 率定流量计的流量系数m, 供分析m与雷诺数Re的相关性;

       (3) 可供实验分析文氏流量计的局部真空度, 以分析研究文氏空化管产生的水力条件与构造条件及其他多项定性、定量实验。

       3. 技术特性      

       (1) 由可控硅无级调速器控制供水流量的自循环台式装置实验仪;

       (2) 恒压供水箱、文丘里管及实验管道采用丘明有机玻璃精制而成。文丘里管测压断面上设有多个测压点和均压环;

       (3) 配有由有机玻璃测压管精制而成的气?水多管压差计, 扩充了测压计实验内容;

       (4) 为扩充现代量测技术, 配有压差电测仪, 测量精度为0.01;

       (5) 供电电源: 220V、50HZ; 耗电功率:100W;

       (6) 流量: 供水流量0～300ml/s, 实验管道过流量0～200ml/s;

       (7) 实验仪专用实验台: 长×宽=150cm×55cm 。

二、安装使用说明:

       1. 安装  仪器拆箱以后, 按图检查各个部件是否完好, 并按装置图所示安装实验仪, 各测点与测压计各测管一一对应,并用连通管联接, 调速器及电源插座可固定在实验台侧壁或图示位置, 调速器及电源插座位置必须高于供水器顶;

       2. 通电试验  加水前先接上220V交流市电, 顺时针方向打开调速器旋钮, 若水泵启动自如, 调速灵活, 即为正常。请注意, 调速器旋钮逆时针转至关机前的临界位置, 水泵转速最快, 即出水流量最大;

       3. 加水

      (1) 供水器内加水  加水前,需先把供水器及水箱等擦干净, 水质要求为洁净软水, 经过滤净化更佳,若水的硬度过大, 最好采用蒸馏水。加水量以使水位刚接近自循环供水器与回水管接口为宜，并检查供水器是否漏水。

       (2) 多管压差计内加水  做实验之前需对多管压差计内加水, 先打开气阀8, 在测管2、3内注水至h₂＝h₃ » 24.5cm, 并检查测压计管1与管2、管3与管4之间是否连通, 再检查管2、3之间底部，若有气泡, 也需排除。

       4. 排气  开启水泵供水, 待水箱溢流后, 来回开关实验流量调节阀数次, 待实验管道内无气泡后, 关闭调节阀, 松开气阀8, 调节调速器3使测压计读数h₁＝h₄ » 28.5cm, 并抖动连通软管, 将连通管内气泡排出后, 拧紧气阀8。若配有文丘里电测仪, 还需对连接电测仪传感器端的连通管进行排气和调压筒注水，方法是在上述状态下松开调压筒顶部气阀, 待筒内充水2/3后拧紧, 再松开传感器上气阀排气, 待气阀处无气泡、连续出水、连通管内无气泡后，拧紧气阀，即可。排气后关闭阀门、气阀, 检查水箱、实验管道、测压计及各接口处密封状况, 应无漏水, 且稳定后, 测压计上读数h₁－h₂＋h₃－h₄ £ 2mm(毛细高度), 不然需查明故障原因(如连通管受阻、破损、夹气泡、漏气等);

       5. 采用文丘里电测仪测压差,；

         

图1.2       电测仪及连接示意图

                 1、压力传感器；2、排气旋钮；3、连通管；4、主机。

6、稳压筒   

为了简化排气，并防止实验中再进气，在传感器前连接由2只充水（不顶满）之密封立筒构成。

7、电测仪   

由压力传感器和主机两部分组成。经由连通管将其接入测点（图1.2）。压差读数（以厘米水柱为单位）通过主机显示。

       6. 保养、维修

   (1) 仪器保养

   a. 做完实验后, 请松开测压计底座螺栓, 排尽测压计各测管内积水, (若用电测仪, 还需排尽调压筒内积水), 以防结垢粘污;

b. 仪器切勿置于阳光照射之下;

c. 不使用时, 请加防尘罩, 以防尘埃;

   d. 学期末实验结束时, 须排尽储水系统中的水, 并拔下连通软管的一个端头，排净积水;

e. 北方寒冷地区, 冬季需做好防寒工作, 以防水冻结损坏仪器。

       (2) 仪器维修

       a. 测点接头损坏或渗漏, 可更换不锈钢针咀处密封软塑管;

      b. 若实验管道断裂, 将断裂处对接上, 并在外面套一有机玻璃套箍固定, 用氯仿粘结即可恢复原样; 若断裂在螺旋处, 在原管道上截去一管段，并取等长度带螺纹有机玻璃管替换, 再用上述方法修复;

       c. 若水箱、实验管道、漏斗等有机玻璃胶结处有脱胶现象, 待脱胶处干燥后用氯仿粘合, 过5～10分钟后即可正常使用;

       d. 若测压计各测管底部不锈钢细管处发生松动、渗漏, 将测压架倒置, 待干燥后,在渗漏、松动处滴上502胶合剂, 数分钟后即可正常使用;

       e. 若测压计(调压筒、传感器)等各气阀、螺栓处有渗水、漏气现象, 在气阀、螺栓上换上新橡皮圈即可;

       f. 供水器线路如图二所示, 供水发生故障, 一般检修方法如下: 先接通220V交流市电, 短接B、C两点, 若水泵不转, 而A、B二点电压正常(为220V), 则表明水泵坏, 需更换之; 若水泵转动正常, 则表明是调速器损坏, 需更换调速器; 换下来的调速器一般经检修后可再用, 例如更换可控硅(6A, 双向)或其他已损坏的元器件即可; 做完实验后, 必须检查调速器有否关闭, 切勿将其调至最小流量处, 否则, 长时间易损坏调速器。

                      图二 供水器供电线路简图

三、教学指导

       1. 设计思想

       根据能量方程, 在有压管路中，如果有可以引起(静)压强变化的局部管件, 则局部管件该处的(静)压强的改变与流量之间(对一定管径而言)存在着一定关系, 运用这种关系, 只要测得局部管件的压强变化值, 便可算出流量。文丘里管就是这种类型的管件, 它由光滑的渐缩段、喉道及渐扩段三部分组成(如图三所示), 在收缩段进口断面与喉道处分别安装一根测压管(或是连接两处的水银压差计)。

   文丘里管测流量。这种方法在十九世纪末即已提出。由于文丘里管能量损失小、对水流干扰较少和使用方便等优点, 在生产上及实验室中均被广泛采用。因此, 作为一名工科专业的学生, 有必要熟知文丘里管流量计的结构及其使用方法。

图三  文丘里管结构图

       然而, 传统的文丘里管实验仪器, 在设计选材方面存在一定缺陷: 其一, 设计结构偏大, 供水、量水设备庞大复杂; 其二, 往往采用铜等金属材料来制作, 由于金属材料不丘明性, 无法让学生看清文丘里管的内部结构; 其三, 测压孔内表面难以处理, 常影响实验精度; 其四,采用高位水箱供水, 引水供多组实验共用, 造成实验组间互相干扰。

       鉴于以上原因, 我们对原有文丘里实验仪器在结构﹑选材上进行了重新设计与改造。在材料方面, 一改原有的金属材料, 为丘明的有机玻璃, 使其内部结构可视化,且便于测点光滑处理; 将其结构进行缩小, 采用独立自循环供水系统, 布置在专用实验台上, 恒压水箱提供稳压水头, 并在测压断面上设有多个测压点和均压环, 从而降低了因制作误差对实验的影响, 提高了实验精度; 同时, 可方便地用体积法或重量法测量流量, 这比以往的实验仪器更能满足实验教学要求, 经过多年来的不断完善、改进, 现已在国内众多高等院校中广泛使用。

       2. 实验原理

       我们知道, 如果能求得任一断面的流速v, 然后乘以面积A, 即可求得流量Q¢。如图三所示, 对于文丘里管前断面及喉管处, 处于该两处面积分别为A₁、A₂只要测得该两处流速v,便可测得流量Q¢。为此, 我们可根据能量方程式和连续性方程式对该两断面立方程求解。取管轴线为基准, 并且不计阻力作用时

                                  (1)

                 

       即                                  (2)

由式(1)、(2)可解得

                 

因此      Q＇           (3)

                                                 (4)

(3)、(4)式中：Dh为两断面测压管水头差;

             k为文丘里流量计常数, 对给定管径是常数。

       然而，由于阻力的存在, 实际通过的流量Q恒小于实验所测得的流量Q＇。今引入一个无量纲系数m = Q / Q＇(m称为流量系数), 对计算所得流量值进行修正。

即         　　　                          (5)

       另由静水力学基本方程可得气—水多管压差计的Dh 为

                 Dh = h₁－h₂＋h₃－h₄

       在做本实验时, 通过实验测得流量Q＇及水头差Dh , 据此, 我们便可以测得此时文丘里管的流量系数 m

                  

       3. 实验内容

       定量分析实验请参考《实验报告解答》。以下仅介绍定性分析实验，测定文丘里管内真空度。

       实验时, 将电测仪传感器低压端用连通管通过三通连接于文丘里管喉颈处, 电测仪传感器高压(即带红点)端接通大气。待实验管道及连通管内的空气排净后, 在恒定水位下关闭阀门, 使流量为零, 此时对电测仪调零。调零后，开启阀门，调节流量, 这时电测仪读数即相应流量下管内真空度(喉颈处允许最大真空值分析，请参看成果分析)。

       4. 成果分析

       (1) 本实验中, 影响文丘里管流量系数大小的因素分析。

       由式：

          

          

可见本实验(水为流体)的m值大小与Q、d₁、d₂、Dh有关。其中d₁、d₂影响最敏感。如实验的文氏管d₁=1.4cm, d₂=0.71cm, 通常在切削加工中d₁比d₂测量方便, 容易掌握好精度, d₂不易测量准确, 从而不可避免的要引起实验误差。例如实验最大流量时 m值为0.976, 若d₂的误差为－0.01cm, 那么 m值将变为1.006, 显然不合理。

       (2) 验证气—水多管压差计的关系:

        

图四

如图四所示：   

           Δh_１＝h_１－h_２ ，Δh₂＝h₃－h₄

  因为     

                  

  所以      

                   

                   

       (3) 应用量纲分析法, 阐明文丘里流量计的水力特性。

       运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式, 然后结合实验成果, 便可进一步搞清流量计的量测特性。

       对于平置文丘里管,影响u₁的因素有: 文氏管进口直径d₁、喉径d₂、流体的密度r、动力粘滞系数 m及两个断面间的压强差Dp。根据p定理有:

        　　　   f(u²、d₁、d_２、p、m、Dp)=0                      (6)

       从中选取三个基本量, 分别为:

                    

                    

                    

共有6个物理量, 有3个基本物理量, 可得3个无量纲p数, 分别为:

                    

根据量纲和谐原理, p₁的量纲式为  

                     

分别有

           L:    1 = a₁＋b₁－3c₁

                   T:    0 = －b₁

           M:   0 = c₁

                 

联解得:  a₁=1， b₁=0， c₁=0  则

                                         

同理可解得：         

                     

将各p值代入式(6)得无量纲方程为：

                  

或写成

                  

        、=、

进而可得流量表达式为

              、Re₁)                           (7)

式(7)与不计损失时理论推导得到的

                                  (8)

相似。为计及损失对流量的影响, 实际流量在式(3)中引入流量系数m_Q计算, 变为

                           (9)

比较(7)、(9)两式可知, 流量系数与Re一定有关, 又因为式(9)中 d₂/d₁的函数关系并不一定代表了式(7)中函数f₃所应有的关系, 故应通过实验搞清与Re、d₂/d₁的相关性。

       通过以上分析, 明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径, 只要搞清它与Re及d₂/d₁的关系就行了。

       由本实验所得在紊流过渡区的 ～Re关系曲线(d₂/d₁为常数), 可知 随Re的增大而增大, 因恒有m<1, 故若使实验Re增大,m_Q 将渐趋向于某一小于1的常数。

       另外, 根据已有的很多实验资料分析, 与d₁/d₂也有关, 不同的d₁/d₂值, 可以得到不同的～Re关系曲线, 文丘里管通常使d₁/d₂=2。所以实用上, 对特定的文丘里管均需实验率定～R_­e的关系, 或者查用相同管径比时的经验曲线，以及实用上较适宜于被测管道中的雷诺数Re>2×10⁵, 使值接近于常数0.98。

       流量系数的上述关系, 也正反映了文丘里流量计的水力特性。

       (4) 文丘里管构造、布置要求。

       丘过有机玻璃, 我们可以清晰观察到文丘里管的内部结构(如图三), 该种结构对水流干扰小, 能量损失少, 流量系数大。

　　文丘里管的设计布置要求为：一﹑在构造上,要求管径比 d₂/d₁在0.25～0.75之间, 通常采用d₂/d₁=0.5；二﹑其扩散部分的扩散角a₂也不宜太大, 一般以5°～7°为宜; 三﹑在布置上,要求文丘里管上游10倍管径d₁, 下游6倍管径d₁的距离以内, 均不得有其他管件, 以免水流产生漩涡而影响其流量系数。

       (5) 分析文丘里管的最大作用水头。

       文丘里管喉颈处容易产生真空,允许最大真空度为6~7mH₂O。工程上应用文丘里管时, 应检验其最大真空度是否在允许范围之内。

       如图五分别以水箱液面文丘里管、喉颈、出水管口为1－1，2－2，　　3－3断面, 以轴线高程为基准, 以本室1^#文丘里实验仪为例, 出水口低于轴线h= －10cm, 当水箱液面高于管轴线H₀ = 28 cm时, 测得其最大流量为156.91cm³/s, 喉颈处最大真空度60.5 cm。

图五

   则立1－1, 3－3断面能量方程。

              　                               　　 　  (10)

立2－2, 3－3断面能量方程：                                               　       　　　 　　　　  (11)

        解得:   ；

            。

       所以当2－2断面真空度达7m时，其值代入(10)、(11)式可测算出水箱水位高于管轴线5米左右。也就是说，当水箱内水位高于管线5m以上，则该文丘里管喉颈处的真空度将超过7m，超出其真空度允许范围。

四、实验方法与步骤、

1、   认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项，了解用压差计测压差和用电测仪测流量的原理和步骤。

2、   记录设备编号、水温及有关常数。

3、   做好准备工作后，启动水泵给水箱充水并保持溢流状态，使水位恒定。

4、   检查下游阀门全开时，比压计测管水面是否持平，如不平，则需排气调平。

5、   实验流量调节：从最大流量开始，顺次减小阀门开度。待水流稳定（比压计液面稳定）后，测读比压计读数及测读流量。顺序进行8个测点以上。

6、   本实验配有计算机自动量测系统，可实现率定过程中压差和流量的数据自采及处理。

7、   检查数据记录是否缺漏？是否有某组数据明显地不合理？若有此情况，进行补正。

8、   课后整理实验结果，得出流量计在各种流量下的和值，绘制～的率定关系曲线及～曲线。

五、实验成果及要求、

1、   有关常数：

有关常数：   水温  =                  ν=       cm2/s   

水箱液面标尺值▽0=    cm       管轴线高程标尺值▽=     cm

              进口直径=               喉道直径=          

 记录及计算表格                       =          

   六、实验分析及思考题、     

1、   文丘里的实际流量与理论流量为什么会有差别？这种差别是由哪些因素造成的？

2、   文丘里流量计的流量系数为什么小于1.0？

3、   为什么在实验中要反复强调保持水流恒定的重要性？

4、   影响文丘里流量系数的因素有哪些？

5、   文丘里流量计水平或垂直放置对值有无影响？