流体力学实验讲义Word文件下载.docx
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5－循环泵；
6－上水管；
7－溢流回水管；
8－调节阀；
9－储水槽
图1－1流体流型演示实验装置示意图
实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。
待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。
水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。
水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。
示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。
细孔玻璃注射管（或注射针头）位于试验导管人口的轴线部位。
注意：
实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。
四、演示操作
（1）层流流动型态
试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。
再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。
待流动稳定后．记录主体流体的流量。
此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。
（2）湍流流动型态
缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。
此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。
随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。
当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。
1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。
2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。
3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。
4.定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。
化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。
任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。
1.连续性方程
对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程
（2－1）
根据平均流速的定义，有
（2－2）
即
（2－3）
而对均质、不可压缩流体，
，则式（2－2）变为
（2－4）
可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；
反之，面积越小，流速越大。
对圆管，
，
为直径，于是式（2－4）可转化为
（2－5）
2.机械能衡算方程
运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能衡算方程。
对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准）为：
（2－6）
显然，上式中各项均具有高度的量纲，
称为位压头，
称为动压头（速度头），
称为静压头（压力头），
称为有效压头，
称为压头损失。
关于上述机械能衡算方程的讨论：
（1）理想流体的柏努利方程
无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的
，若此时又无外加功加入，则机械能衡算方程变为：
（2－7）
式（2－7）为理想流体的柏努利方程。
该式表明，理想流体在流动过程中，总机械能保持不变。
（2）若流体静止，则
，于是机械能衡算方程变为
（2－8）
式（2－8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。
3.管内流动分析
按照流体流动时的流速以及其它与流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分成两类：
稳定流动和不稳定流动。
连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。
流体流动有两种不同型态，即层流和湍流，这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。
流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。
（2－9）
式（2－9）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。
当Re>
4000时，圆管内已形成湍流；
三、装置流程
图2-1机械能转化演示实验装置流程示意图
该装置为有机玻璃材料制作的管路系统，通过泵使流体循环流动。
管路内径为30mm，节流件变截面处管内径为15mm。
单管压力计1和2可用于验证变截面连续性方程，单管压力计1和3可用于比较流体经节流件后的能头损失，单管压力计3和4可用于比较流体经弯头和流量计后的能头损失及位能变化情况，单管压力计4和5可用于验证直管段雷诺数与流体阻力系数关系，单管压力计6与5配合使用，用于测定单管压力计5处的中心点速度。
在本实验装置中设置了两种进了方式：
1、高位槽进料；
2、直接泵输送进料，设置这两种方式是为了让学生有对比，当然直接泵进料液体是不稳定的，会产生很多空气，这样实验数据会有波动，所以一般在采集数据的时候建议采用高位槽进料。
1.先在下水槽中加满清水，保持管路排水阀、出口阀关闭状态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管路中充满流体，并保持上水槽液位一定高度，可观察流体静止状态时各管段高度。
2.通过出口阀调节管内流量，注意保持上水槽液位高度稳定（即保证整个系统处于稳定流动状态），并尽可能使转子流量计读数在刻度线上。
观察记录各单管压力计读数和流量值。
3.改变流量，观察各单管压力计读数随流量的变化情况。
注意每改变一个流量，需给予系统一定的稳流时间，方可读取数据。
4.结束实验，关闭循环泵，全开出口阀排尽系统内流体，之后打开排水阀排空管内沉积段流体。
（1）若不是长期使用该装置，对下水槽内液体也应作排空处理，防止沉积尘土，否则可能堵塞测速管。
（2）每次实验开始前，也需先清洗整个管路系统，即先使管内流体流动数分钟，检查阀门、管段有无堵塞或漏水情况。
五、数据分析
1.h1和h2的分析
由转子流量计流量读数及管截面积，可求得流体在1处的平均流速u1（该平均流速适用于系统内其他等管径处）。
若忽略h1和h2间的沿程阻力，适用柏努利方程即式（2－7），且由于1、2处等高，则有：
（2－10）
其中，两者静压头差即为单管压力计1和2读数差（mH2O），由此可求得流体在2处的平均流速u2。
令u2代入式（2－5），验证连续性方程。
2.h1和h3的分析
流体在1和3处，经节流件后，虽然恢复到了等管径，但是单管压力计1和3的读数差说明了能头的损失（即经过节流件的阻力损失）。
且流量越大，读数差越明显。
3.h3和h4的分析
流体经3到4处，受弯头和转子流量计及位能的影响，单管压力计3和4的读数差明显，且随流量的增大，读数差也变大，可定性观察流体局部阻力导致的能头损失。
4.h4和h5的分析
直管段4和5之间，单管压力计4和5的读数差说明了直管阻力的存在（小流量时，该读数差不明显，具体考察直管阻力系数的测定可使用流体阻力装置），根据
（2－11）
可推算得阻力系数，然后根据雷诺准数，作出两者关系曲线。
5.h5和h6的分析
单管压力计5和6之差指示的是5处管路的中心点速度，即最大速度uc，有
（2－12）
考察在不同雷诺准数下，与管路平均速度u的关系。
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－水箱；
2－进口压力变送器；
3－离心泵；
4－出口压力变送器；
5－涡沦流量计；
6－管路选择球阀；
7－均压环；
8－连接均压环和压力变送器球阀；
9－局部阻力管上的闸阀；
10－差压变送器；
11－出水管路闸阀；
12－水箱放水阀；
13－宝塔接头；
14－温度传感器；
15－离心泵的管路阀；
16－旁路阀；
17－电动调节阀；
图3-1实验装置流程示意图
（一）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：
（3－1）
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
（3－2）
——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
（W）（3－3）
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，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：
（3－4）
故泵效率为
（3－5）
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
（3－6）
扬程
（3－7）
轴功率
（3－8）
效率
（3－9）
二、实验装置与流程
离心泵特性曲线测定装置流程图如下：
2－离心泵；
3－泵进口压力传感器；
4－泵出口压力传感器；
5－灌泵口；
6－涡沦流量计；
7－离心泵的管路阀；
8－电动调节阀；
9－旁路闸阀；
10－排水阀；
图3-2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）清洗水箱，并加装实验用水。
给离心泵灌水，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＝
实验次数
流量Q
m3/h
泵进口压力p1kPa
泵出口压力p2kPa
电机功率N电kW
泵转速n
r/m
（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：
扬程H
m
轴功率N
kW
泵效率η
%
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.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？
（二）流体流动阻力测定实验
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。
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：
（3-10）
即，
（3-11）
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，
（3-12）
（3-13）
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（3-11）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。
（3-14）
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
（3-15）
R－水柱高度，m。
（2）当采用U型管液柱压差计时
（3-16）
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（3-14）、（3-15）或（3-16）、（3-13）和式（3-11）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：
（3-17）
（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：
（3-18）
故
（3-19）
式中：
—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（3-14）、（3-15）或（3-16）、（3-19）求取管件或阀门的局部阻力系数。
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图3-3所示：
2－管道泵；
3－涡轮流量计；
4－管路选择球阀阀；
5－均压阀；
6－局部阻力管上闸阀；
7－连接均压环和压力变送器球阀；
8－差压变送器；
9－出口阀；
图3-3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3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3中的管内径只能做为参考。
表3
装置3-3
名称
材质
管内径（mm）
测量段长度（cm）
管路号
管内径
局部阻力
闸阀
1A
20.0
95
光滑管
不锈钢管
1B
100
粗糙管
镀锌铁管
1C
21.0
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,变频器输出选择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变频器输出值，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4：
温度：
直管基本参数：
光滑管径粗糙管径局部阻力管径
序号
流量（m3/h）
光滑管压差（KPa）
粗糙管压差（KPa）
局部阻力压差（KPa）
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。
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?
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