流体力学综合实验

 

实验报告

课程名称：过程工程原理实验（甲）            指导老师：     成绩：__________________

实验名称：流体力学综合实验（一、二）    实验类型：工程实验   同组学生姓名：姿  

一、实验目的和要求（必填）                                       二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）                                          四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理                                              六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

1、流体流动阻力的测定实验

  1.1 实验目的：

     1.1.1 掌握测定流体流经直管、阀门时阻力损失的一般实验方法

     1.1.2 测定直管摩擦系数λ与雷诺数   的关系，验证在一般湍流区内λ与   的关系曲线

1.1.3测定流体流经阀门时的局部阻力系数ξ

1.1.4 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用

  1.2 实验装置与流程：

     1.2.1 实验装置：

实验对象部分由贮水箱、离心泵、不同管径和材质的水管、阀门、管件、涡轮流量计、U形流量计等所组成。实验管路部分有两段并联长直管，自上而下分别用于测定粗糙管直管阻力系数和光滑管直管阻力系数。同时在粗糙直管和光滑直管上分别装有闸阀和截止阀，用于测定不同种类阀门的局部阻力阻力系数。

水的流量使用涡流流量计或转子流量计测量，管路直管阻力和局部阻力采用压差传感器测量。

1.2.2 实验装置流程示意图，如图1，箭头所示为实验流程：

 

其中：1——水箱   2——离心泵   3——涡轮流量计   4——温度计   5——光滑管实验段  

6——粗糙管实验段   7——截止阀   8——闸阀    9、10、11、12——压差传感器   13——引水漏斗

图 1 流体力学综合实验装置流程示意图

 1.3 基本原理：

流体通过由直管、管件和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成的机械能损失成为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时由于流体运动方向和速度大小的改变所引起的机械能损失成为局部阻力损失。

1.3.1直管阻力摩擦系数λ的测定：

由流体力学知识可知，流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

                                                                          （1）

公式中： ：流体流经l米直管的压力将，Pa；

       λ：直管阻力摩擦系数，无因次；

       d ：直管内径，m；

       ：单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；

       ρ：流体密度，kg/；

       l：直管长度，m；

       u：流体在管内流动的平均速度，m/s；

 

由上面的式子可知：                                                          （2）

雷诺数：

式子中：μ：流体粘度，kg/(m·s)。

湍流时λ是和相对粗糙度（ε/ d）的函数，须由实验测定。

由（2）可知，要测定λ，需要确定l、d，测定、u、ρ、μ等参数。其中l和d由装置参数表给出，ρ、μ通过测定流体温度，查相关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。

本装置采用涡流流量计测量流量

                                                    （3）

式中：v为流量计测得的流量，/h

  可直接从仪表中读出

根据实验装置结构参数l、d，指示液密度，液体温度，以及实验测定的 、V，求取Re和λ，然后将Re和λ在双对数坐标图上绘制成曲线。

1.3.2 局部阻力系数ξ的测定：

流体通过某一管件或者阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种算法，叫做阻力系数法。即：

                    

（4）

 故：                                                                              （5）

式中： :单位流体流经某一管件或者阀门时的机械能损失，J/kg；

      ξ：局部阻力系数，无因次；

      ：局部阻力压力降，；（= ，即表示流体经过阀门或管件时的静压损失。）

      ρ：流体密度，kg/；

       g：重力加速度，9.81m/；

       u：流体在在小截面管内流动的平均速度，m/s；

    根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，流体温度t，以及实验测定的相关参数，通过公式（5）求取管件或阀门的局部阻力系数ξ。

  1.4 实验步骤：

   1.4.1 开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关。

   1.4.2 实验室已经将水泵中灌满水，否则应先将水泵中灌满水。然后关闭泵出口阀，启动水泵，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。然后全开流量阀，以排除测试管内的空气。本装置使用压差变送器测量压差，应先对差压变送器两侧的引压管进行排气操作。

   1.4.3 实验从做最大流量开始做起，最小流量应控制在1 /h。由于实验数据处理时使用的是双对数坐标，所以实验时每次流量变化取等比数列，这样得到的数据点就会均匀分布。流量改变后，要等到流动达到稳定后再读数，实验时同时读取不同流量下的压差、流量和温度等有关参数（温度取实验开始时与实验结束时温度的平均值）。

   1.4.4 装置确定时，根据和u的实验值，可以计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数=，绘制λ~曲线（双对数坐标）。

   1.4.5 实验结束，关闭泵出口阀，关闭水泵电机，关闭仪表电源和总电源开关，将实验装置恢复原样。

1.5 数据记录和处理：

   1.5.1 装置参数：

1.5.2 数据记录和处理：
水温t=28.3℃，查表得：ρ=996.2 kg/；  μ=0.8418Pa·s

光滑管实验数据处理

粗糙管实验数据处理

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

计算示例：

 取粗糙管第3组数据为例：

  =3.07/（900*3.1416*0.022*0.022）=2.243

==0.022*2.243*996.2/（0.8418*10^-3）*10^-4=5.841

         =2*0.022*10.16*1000/（996.2*1*2.243*2.243）=0.0892

 

         =2*（11.43-0.68*10.16）*1000/（996.2*2.243*2.243）=1.804

  1.6 实验结果与数据分析

1.6.1根据光滑管、粗糙管实验结果，在双对数坐标上分别标绘出λ~Re曲线（见图2）

图 2光滑管和粗糙管λ-Re曲线

图 3 Moody图

对照Moody图，估算得到：

光滑管：相对粗糙度ε/d=0.0002，绝对粗糙度ε=0.0002*21mm=0.0042mm

粗糙管：相对粗糙度ε/d=0.06， 绝对粗糙度ε=0.06*22mm=1.32mm

1.6.2 求均值得光滑管全开ξ=5.821；粗糙管阀门全开ξ=1.920

1.6.3 由Moody图，λ是雷诺数Re和相对粗糙度ε/d的函数。

（1）对于光滑管来说，当流体流过光滑管时，因为管的粗糙峰很小，粗糙峰都处在湍流的层流底层之下，故 ε/d对流动阻力不产生任何影响，因此λ只是Re的函数，且λ随着Re的增大而减小。

由图2与Moody图对比，实验图中当Re在3万到10万区间时，λ稳定在0.02左右；当Re小于3万时，λ随着Re减小而减小，从0.02减小到0.14。理论上当Re在2万增加到10万时，λ从0.025减小到0.018。实验图形与理论图形有较大的差别。

误差分析：

1、实验中改变流量后进行数据采集时，等待稳定的时间不够长，数据还未稳定。在数据读取以及处理时的精确度选择也会实验结果产生影响。

2、仪器测量精度所限，光滑管数据中，当流量在1m^3/h以下时，压差出现负值，可见当流量较小时，测量压差的误差较大，使得所测λ值偏小。

3、实验所选用的光滑管并非理想的光滑管，ε/d比值较大，因而不能忽略其影响。

（2）当流体在粗糙馆内湍流流动时，Re、ε/d 对流动阻力均有影响，且随着Re的增大，ε/d对λ的影响越来越重要，相反，Re的影响却越来越弱。这是因为，ε/d一定时，Re越大，则暴露在湍流主体区的粗糙峰就越多，ε/d对λ的影响就越大；当 Re 增大到一定程度后，几乎所有的粗糙峰都暴露在湍流主体区内，此时流动进入了阻力平方区，该区域的曲线趋近于水平线。这时粗糙管的摩擦损失∝。

对比图表和Moody可得，实验结果与理论基本上吻合，偏离不是很大，粗糙管曲线的趋势线接近于水平线，且处在阻力平方区内。

1.6.4总体的误差分析：

（1）水槽中的水中杂质很多，导致水的密度和粘度有变化。

（2）实验所用管道内壁腐蚀或生锈，使管径数值不准确。且光滑管与理想光滑管偏差较大。

（3）在读取仪表显示器数据时，由于数值不断波动使读数存在误差。

（5）由于实验中流体温度不断升高，改变了流体的密度和粘度，变化范围在5摄氏度左右，实验数据处理时的温度取的是起始值与终值的平均值，使得数据存在偏差。

 1.7 讨论、心得、思考题

思考题：

（1）在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？

需要关闭。关闭出口阀可以使流体充分充满管道，保证气体排出。

（2）如何检测管路中的空气已经被排除干净？

调节阀门，使流体流速为0，如果=0，则说明空气已经排尽。

（3）以水作介质所测得的 λ-Re 关系能否用于其它流体？

可以，因为λ-Re 关系与管内介质种类无关。

（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条曲线上？

不同设备上的相对粗糙度不同则不能关联在同一条曲线上。若相对粗糙度均相同，则计算出实验温度与实验管径下的雷诺数与λ，可以关联在同一条曲线上。

参考文献：《过程工程原理实验（甲）》 . 杭州：浙江大学化学工程实验室 . 2009.8.

          《化工原理上册》 . 何潮洪等 . 北京：科学出版社 . 2008.5.

实验报告

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实验名称：流体力学综合实验（一、二）    实验类型：工程实验   同组学生姓名： 

2、离心泵特性曲线的测定

 2.1 实验目的：

   2.2.1了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；

   2.2.2测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；

   2.2.3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。

 2.2 实验装置与流程：

   2.2.1 实验主要装置：

实验对象部分由贮水箱、离心泵、涡轮流量计和压差传感器等组成，如图3。水的流量用涡轮流量计进行测量，泵进出口压差采用压差传感器进行测量，泵的轴功率由功率表测量，流体温度由Pt100温度传感器测量。

                    

图3.离心泵曲线实验装置流程图

2.3 基本原理：

离心泵特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据，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，不能用理论方法推倒出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。

2.3.1 扬程 H 的测定与计算

在离心泵进口真空表和出口压力表处列机械能恒算方程：

  

                                             (1)

若泵进出口速度相差不大，则速度平方差可忽略，有：
=                                       （2）
式中：，表示泵出口和进口的位差，m

  ρ：流体密度，kg/；

      g：重力加速度，9.81m/；

      p表示压力，H表示真空度和表压对应的压头，u表示速度，z示压力表安装高度。

由（2）可知，只要直接读出泵进出口测量点的高度差和压差，就可以算出泵的扬程。

本实验直接由压差变送器读出压差，计算时估算泵进出口位差为0.1m。

    2.3.2 轴功率 N 的测量和计算

N = N电 ´ k （W）                                  (3)    

其中，N 电为电功率表显示数值，k 代表电机传动效率，k=0.8

2.3.3效率 η的计算

泵的效率是指泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体通过泵获得的实际功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机获得的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。

 

                                                                                   （4）

Q：泵的流量，/h。

2.3.4 转速改变时的计算

泵的特性曲线是在恒定转速下的实验测定所得，实际上电机在运作时转速会发生变化，流量Q也就跟着变化，转速n也会变化，因此在绘制特性曲线之前，本次实验将实验数据根据离心泵的额定功率进行换算，换算关系如下：

扬程：   流量：             轴功率：

效率不受影响。

 2.4 实验步骤：

   2.4.1 开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关。

   2.4.2 实验室已经将水泵中灌满水，否则应先将水泵中灌满水。然后关闭泵出口阀，启动水泵，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。

2.4.3全开流量阀，以排除测试管内的空气。实验从最大流量开始做起，待各仪表读数稳定后，读取相应数据。（流量Q、泵进出口压力差P、电机功率N电、泵转速n，及流体温度t）并记录下设备的相关数据。

   2.4.4改变流量，测定10组左右数据（包括流量为0的数据）。

2.4.5实验结束，关闭泵出口阀，关闭水泵电机，关闭仪表电源和总电源开关，将实验装置恢复原状。

 2.5数据记录和处理：

  2.5.1 设备参数记录：

离心泵型号：Ms 100/1.1   额定转速：2850rpm   额定流量：100L/min

额定扬程：28.4m         额定功率：1.1kw     水温：31.9℃

泵进出口测压点高度H：0.1m

查表得实验温度下水的物性：ρ=995.0 kg/  μ=0.7714Pa·s

  2.5.2 实验数据处理

 

计算示例：取第7组数据

  =248.19*1000/(995.0*9.81)+0.1=25.53m

N=Nd*0.8=842*0.8=673.6W

 

η=     =3.9*995.0*9.81*25.53/(3600*673.6)=0.401

2.5.3因转速改变换算后的数据

计算示例：取第7组数据

=3.9*2850/2865=3.88m^3/h

=25.53*(2850/2865)*(2850/2865)=25.26m

=673.6*(2850/2865)*(2850/2865) *(2850/2865)=663.1W

  2.6试验结果与分析：

2.6.1绘制一定转速下的 H~Q、N~Q、η~Q 曲线

   2.6.2图表分析

   （1）从以上三条曲线可以看出，该离心泵的压头随流量的增加而下降，轴功率随流量的增加而增加，符合大部分离心泵的特点。效率曲线先上升后下降，当离心泵工作在额定流量6m^3/h附近时，效率曲线达到最高效率点，此时所对应的流量、压头、轴功率为最佳工况参数。

（2）由于管道输送条件不同，离心泵或风机不可能正好在最佳工况点运行。一般选用离心泵时，其工作区的效率应不低于最高效率点的92%。

取5m^3/h流量时的效率0.426为最高效率，则实际工作效率应高于0.426*92%=0.39，由图表可得运送流量为3~7m^3/h时是最为适宜的工作范围。

2.7 讨论、心得、思考题：

2.7.1 思考题

（1）从所测数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀？

由图表可得，轴功率随流量的增大而增大，当流量为零时，功率最小，所以离心泵在启动时关闭出口阀是为了防止电机过载。

（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，可能的原因是什么？

因为离心泵运转时，若泵内没有液体，则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，从而使离心泵吸不上液体，产生“气缚”现象。

灌泵后依然无法启动，可能是因为离心泵安装高度过高、离心泵叶轮与轴锈蚀、泵入口处的止逆阀坏了等原因。

（3）为什么用阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其它方法调节泵的流量？

调节出口阀门开度，改变管路了特性曲线，改变泵的工作点，可以调节其流量。优点是方便、快捷、流量可以连续变化，缺点是阀门关小时，增大流动阻力，多消耗一部分能量不是很经济。

也可以改变泵的转速、减少叶轮直径，但生产上很少采用。还可以用双泵并联操作。

（4）正常工作的离心泵，在进口管路上安装阀门是否合理？

不合理，因为水从水池输送到水泵靠的是液面上的大气压与泵入口处真空度产生的压强差，将水从水箱压入泵体，进口管安装阀门增大了这一段管路的阻力，使得流体没有足够的压强差实现这一流动过程。

（5）试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m³的盐水在相同流量下泵的压力是否变化？轴功率是

否发生变化？

泵的压力不变化，因为离心泵的压头与被输送流体的密度无关。

但轴功率与密度有关，轴功率的校正式为

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献：《过程工程原理实验（甲）》 . 杭州：浙江大学化学工程实验室 . 2009.8.

          《化工原理上册》 . 何潮洪等 . 北京：科学出版社 . 2008.5.