流体力学综合实验

一、实验目的

1）能进行光滑管、粗糙管、闸阀局部阻力测定实验，测出湍流区阻力系数与雷诺数关系曲线图；
2）能进行离心泵特性曲线测定实验，测出扬程、功率和效率与流量的关系曲线图；
3）学习工业上流量、功率、转速、压力和温度等参数的测量方法，使学生了解涡轮流量计、C1000、电动调节阀以及相关仪表的原理和操作；

二、装置整体流程图：

1－离心泵；2－进口压力变送器；3－铂热电阻（测量水温）；4－出口压力变送器；5－电气仪表控制箱；6－均压环；7－粗糙管；8－光滑管（离心泵实验中充当离心泵管路）；9－局部阻力管；10－管路选择球阀；11－涡轮流量计；12－局部阻力管上的闸阀；13－电动调节阀；14－差压变送器；15－水箱

图1 实验装置流程示意图

离心泵特性测定实验

一、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的测定与计算

取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：

                   （1－1）

由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项，速度平方差也很小故可忽略，则有

                        

                                                          （1－2）

式中： ，表示泵出口和进口间的位差，m；和                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

ρ——流体密度，kg/m³    ；

g——重力加速度 m/s²；

p₁、p₂——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；

H₁、H₂——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；   

u₁、u₂——分别为泵进、出口的流速，m/s；     

z₁、z₂——分别为真空表、压力表的安装高度，m。

由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。

2．轴功率N的测量与计算

  （W）                            （1－3）

其中，N_电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取。

3．效率η的计算

泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功率，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：

                                   （1－4）

 故泵效率为                                                （1－5）

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，这样随着流量Q的变化，多个实验点的转速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2900rpm）的数据。换算关系如下：

流量                                                            （1－6）

扬程                                                        （1－7）

轴功率                                                       （1－8）

效率                                            （1－9）

二、实验装置与流程

离心泵特性曲线测定装置流程图如下：

1－水箱；2－离心泵；3—铂热电阻（测量水温）；4－泵进口压力传感器；5－泵出口压力传感器；6－灌泵口；7－电器控制柜；8—离心泵实验管路(光滑管)；9－离心泵的管路阀；10—涡轮流量计；11－电动调节阀；12－旁路闸阀；13－离心泵实验电动调节阀管路球阀；

图2-2 实验装置流程示意图

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

四、实验步骤及注意事项

1．实验步骤：

     （1）清理水箱中的杂质，然后加装实验用水。给离心泵灌水，直到排出泵内气体。

     （2）检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状态下检查电机和离心泵是否正常运转。开启离心泵之前先将出口阀关闭，当泵达到额定转速后方可逐步打开出口阀。

     （3）实验时，通过组态软件或者仪表逐渐增加电动调节阀的开度以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。离心泵特性实验主要获取实验数据为：流量Q、泵进口压力p₁、泵出口压力p₂、电机功率N_电、泵转速n，及流体温度t和两测压点间高度差H₀（H₀＝0.1m）。

     （4）测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、额定转速、扬程和功率等），停泵前先将出口阀关闭。

2．注意事项：

     （1）一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。

      （2）泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。

（3）不要在出口阀关闭状态下长时间使泵运转，一般不超过三分钟，否则泵中液体循环温度升高，易生气泡，使泵抽空。

五、数据处理

（1）记录实验原始数据如下表1：

实验日期：        实验人员：         学号：           装置号：    

离心泵型号＝         ，额定流量＝       ，额定扬程＝            ，额定功率＝

泵进出口测压点高度差H₀=     ，流体温度t＝    

   

   

（2）根据原理部分的公式，按比例定律校合转速后，计算各流量下的泵扬程、轴功率和效率，如表2：

六、实验报告

1．分别绘制一定转速下的H～Q、N～Q、η～Q曲线

2．分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。

七、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？

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？

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？

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？

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？

6.         试分析，用清水泵输送密度为1200Kg/ｍ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？

流体流动阻力测定实验

一、实验目的

1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。

2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与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x。

4．学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。

5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二、基本原理

流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）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机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。

  1．直管阻力摩擦系数λ的测定

    流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

                                                        （1）

即，                                                               （2）

式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次；

   d —直管内径，m；

—流体流经l米直管的压力降，Pa； 

—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/m³；                                                      

l —直管长度，m；                                 

u —流体在管内流动的平均流速，m/s。

滞流(层流)时，

                                        （3）

                                    （4）

式中：Re —雷诺准数，无因次；

 μ —流体粘度，kg/(m·s)。

湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。

由式（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定、u、ρ、μ等参数。 l、d为装置参数（装置参数表格中给出）， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。

例如本装置采用涡轮流量计测流量，V，m³/h。

                                                                   (5)

可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。

（1）当采用倒置U型管液柱压差计时

                                                                           (6)

式中：R－水柱高度，m。

      （2）当采用U型管液柱压差计时

                                   (7)

式中：R－液柱高度，m；

－指示液密度，kg/m³。

根据实验装置结构参数l、d，指示液密度，流体温度t₀(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。

2．局部阻力系数x的测定

局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。

(1)    当量长度法

流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失  为：

                                   (8)  

(2)    阻力系数法

流体通过某一管件或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，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即：

                                                                      (9)

故                                                                          (10)

 式中：x—局部阻力系数，无因次；

   －局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。）

   ρ —流体密度，kg/m³；

   g —重力加速度，9.81m/s²；

u—流体在小截面管中的平均流速，m／s。

待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。

根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度，流体温度t₀(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或阀门的局部阻力系数x。

三、实验装置与流程

1．  实验装置

实验装置如图1所示：

1－离心泵；2－进口压力变送器；3－铂热电阻（测量水温）；4－出口压力变送器；5－电气仪表控制箱；6－均压环；7－粗糙管；8－光滑管（离心泵实验中充当离心泵管路）；9－局部阻力管；10－管路选择球阀；11－涡轮流量计；12－局部阻力管上的闸阀；13－电动调节阀；14－差压变送器；15－水箱

图1  实验装置流程示意图

2.实验流程

实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。

水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。

3．装置参数

装置参数如表1所示。由于管子的材质存在批次的差异，所以可能会产生管径的不同，所以表1中的管内径只能做为参考。

表1

四、实验步骤

1．泵启动：首先对水箱进行灌水，然后关闭出口阀，打开总电源和仪表开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开到最大。

2.实验管路选择：选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5－10min。

3．流量调节：手控状态,电动调节阀的开度选择100,然后开启管路出口阀，调节流量，让流量从1到4m³/h范围内变化，建议每次实验变化0.5m³/h左右。每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值；自控状态，流量控制界面设定流量值或设定电动调节阀开度，待流量稳定记录相关数据即可。

4．计算：装置确定时，根据和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ～Re的实验点，从而绘出λ～Re曲线。

5．实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。

五、实验数据处理

根据上述实验测得的数据填写到下表：

实验日期：        实验人员：         学号：         温度：      装置号：    

直管基本参数：  光滑管径           粗糙管径            局部阻力管径         

六、实验报告                                            

     1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。

     2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。

     3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。

     4．对实验结果进行分析讨论。

七、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?

     2．如何检测管路中的空气已经被排除干净?

     3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?如何应用?

     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条曲线上?

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?