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，测出扬程与流量、功率与流量以及离心泵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、电动调节阀以及相关仪表的原理和操作；

二、装置图：

图1 实验装置流程示意图

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

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：

   由于两截面间的管子较短，通常可忽略阻力项fhΣ，速度平方差也很小，故也可忽略，则有

式中：  ，表示泵出口和进口间的位差，m；

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

其中，N_电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取k=0.95

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：

故泵效率为：

4．转速改变时各参数的换算

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：

扬程：

轴功率：

效率：

二、实验步骤

2.1    实验准备：

（1）实验用水准备：清洗水箱，并加装实验用水。

（2）离心泵排气：通过灌泵漏斗给离心泵灌水，排出泵内气体。

2.2    开始实验：

（1）仪表自检情况，打开泵进口阀，关闭泵出口阀，试开离心泵，检查电机运转时声音是否正常，，离心泵运转的方向是否正确。

（2）开启离心泵，当泵的转速达到额定转速后，打开出口阀。

（3）实验时，通过组态软件或仪表逐渐改变出口流量调节阀的开度，使泵出口流量从1000L/h逐渐增大到4000L/h，每次增加500L/h。在每一个流量下，待系统稳定流动5分钟后，读取相应数据。离心泵特性实验主要需获取的实验数据为：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）实验结束，先关闭出口流量调节阀，再停泵。然后记录下离心泵的型号，额定流量、额定转速、扬程和功率等。

三、数据处理

3.1    原始数据记录

流体实验数据

离心泵型号:MS60/0.55   装置号:No.OH11146119

额定流量:60L/min     额定扬程:19.5m

额定功率:0.55kw   额定转速:2850r/min

转速未换算为2850r/min(额定转速)时的原始数据

3.2    转速未换算为2850r/min(额定转速)时的所需数据

1． {  扬程H的计算：

    

     轴功率N的计算：

泵的有效功率N_e可用下式计算：

故泵效率为：

                           }

3.3    （1）转速换算为2850r/min(额定转速)时所需的数据

（2）转速换算为2850r/min(额定转速)时的数据

图2 离心泵特性曲线

四、结果分析与讨论

4.1     如图2所示，由离心泵特性曲线分析可知，

（1） H-Q 曲线  离心泵的压头在较大流量范围内随流量的增大而减少。不同型号的离心泵，H-Q 曲线的形状有所不同。

（2） N-H 曲线  离心泵的轴功率随流量的增大而增大。当流量Q=0时，泵轴消耗的功率最小。因此离心泵启动时应关闭出口阀门，使启动功率最小，以保护电机。

（3） η-H 曲线  开始泵的效率随流量的增大而增大，达到一最大值后，又随流量的增加而下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为离心泵的设计点。离心泵使用时，应在该点附近工作，通常为最高效率的92%左右，称为高效率区。

（4）离心泵的特性曲线与转速有关，因此在特性曲线图上一定要标出泵的转速。

4.2    分析实验结果，离心泵使用时，应在高效率区（最高效率的92%）使用，由图2 离心泵的特性曲线可知，其最佳使用范围应控制流量为：6.27~6.81 m³/h，此时泵在该高效率区工作最为经济。

第二篇：离心泵特性曲线测定

离心泵的特性曲线

一、    实验目的

1、了解离心泵结构于特性，学会离心泵的操作。

2、掌握离心泵特性曲线测定方法。

二、    实验原理

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扬程H、轴功率N及效率η与流量V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。

1、扬程H的测定与计算

在泵进、出口取截面列柏努利方程:

p₁,p₂：分别为泵进、出口的压强 N/m²     ρ：液体密度 kg/m³

    u₁,u₂：分别为泵进、出口的流量m/s       g：重力加速度 m/s²

当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为：

 

2、轴功率N的测量与计算

N=0.94w    

w-电机输出功率；W

    可知：测定泵的轴功率，只需测定电机的输出功率，乘上功率转换中的倍率即可。

3、效率η的计算

泵的效率η为泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是流体单位时间内自泵得到的功，轴功率N是单位时间内泵从电机得到的功，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=HVρg                                   

   故

η=Ne/N=HVρg/N                       

4、转速改变时的换算

泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。换算关系如下：

  

三、    实验装置流程

离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图和离心泵性能特性曲线测定实验仪控柜面板图如图所示：

 

四、    实验步骤及注意事项

1、关闭进口阀及管道阀门。

2、打开总开关，打开仪表开关通电，把离心泵电源转换到“直接”位置。停止按钮灯亮。

3、打开进口阀，打开离心泵灌水罚，进行水泵灌水（注意：在打开灌水阀时要慢，且只打开一定的开度，不要开太大，否则会损坏压力表）。灌好水后关闭泵的出口阀与灌水阀门。

4、一切准备就绪后，按下开启按钮。启动按钮绿灯亮，即可进行实验。

5、打开泵的出水阀（全开），流量达到最大。

6、等待流动和显示的数据稳定后，测定泵的真空度P1，泵后压力P2，水温t，流量V及泵的功率并记录。

7、调节泵的出口阀，调节流量，改变流量大小，测定不同流量下的P1,P2,t，V。

8、同样方法测定8次，同时注意流量不低于3m³/h.

9、实验完毕，关闭水泵出口阀。按下仪表台上的水泵停止按钮，停止运行。

10、进入实验数据处理软件，处理数据。

五、    原始实验数据（附页）

六、    数据处理

以其中第一组数据为例：

H=(P₂-P₁)/gρ=(166.0+7.0)×1000Pa/(1000kg/m³×9.81m/s²)=17.64m

N=0.94×1.58kw=1.4852kw

η=Ne/N=HVρg/N=(17.64m×1.41m³/h×1000 kg/m³×9.81m/s²)/(3600s×1.4852×1000w)=0.0456

所有结果列于下表中

绘制一定转速下的H-V、N-V、η-V曲线

H-V特性曲线

                 N-V特性曲线

                   η-V特性曲线

七、    结果分析与讨论

发现我们的η-V特性曲线是单调递增的，与理论上先增后减不符。可能是我们进行的实验流量都普遍较小，还没有到达η的最大点。

本实验的目的是掌握离心泵特性曲线测定方法。实验时应注意尽量控制流量在整数位便于计算，流量的最小值不能小于3。由于离心泵工作时流量不稳定，读数有误差，还有可能测量离心泵工作范围未取得适当的间隔，使得数据差异有所偏大。在实验控制流量时，泵的出水阀开关可能未完全打开而出口阀控制的不稳定导致了一定误差。

八、    思考题解答

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？

答：关闭阀门的原因从试验数据上分析：开阀门时，扬程极小，电机功率极大，可能会烧坏电机。

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？

 答： 离心泵不灌水很难排掉泵内的空气，导致泵空转而不能排水；泵不启动可能是电路问题或是泵本身已损坏，即使电机的三相电接反了，泵也会启动的。

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？还有其他方法调节流量？

 答：用出口阀门调解流量而不用泵前阀门调解流量保证泵内始终充满水，用泵前阀门调节过度时会造成泵内出现负压，使叶轮氧化，腐蚀泵。还有的调节方式就是增加变频 装置。

4、泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？

答：不会，因为当泵完好时，真空表和压力表读数会恒定不变，水泵不排水空转不受外网特性曲线影响。

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?

答： 不合理，安装阀门会增大摩擦阻力，影响流量的准确性。