流体力学综合实验指导.docx

1、流体力学综合实验指导 流体力学综合实验实验指导书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，使学生了解玻璃转子流量计、压力表、倒U型差压计以及相关仪表的原理和操作；二、装置整体流程图：1水箱；2进口压力表；3双金属温度计；4灌泵漏斗；5出口压力表；6玻璃转子流量计；7局部阻力管；8电气控制箱；9局部阻力管上的闸阀V1；10光滑管；11倒U型差压计；12均压环；13粗糙管；14管路选择球阀f1、

2、f2、f3；15出口流量调节闸阀V2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： （11）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 （12）式中：，表示泵出口和进口间的位差，m；和 流体密度，kg/m3 ；g重力加速度 m/s

3、2；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） （13）其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取。3效率的计算泵的效率是泵的有效功率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

4、用下式计算： （14） 故泵效率为 （15）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 （16）扬程 （17）轴功率 （18）效率 （19）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进口压力表；4双金属温度计；5灌泵漏斗；6出口压力表；7玻璃转子流量计；8电气控制箱；9离心泵的管路（利用光滑管充当）；10光滑管管路球阀f2；11

5、出口流量调节闸阀V2；图2-2 实验装置流程示意图 三、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。通过灌泵漏斗给离心泵灌水，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流量调节闸阀V2关闭，当泵达到额定转速后方可逐步打开此出口阀。 （3）实验时，通过调节闸阀V2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（H00.1m）。 （4）测取10组左右数据后，可

6、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。四、数据处理（1）记录实验原始数据如下表： 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

7、验次数流量Q m3/h泵进口压力p1 kPa泵出口压力p2 kPa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，如下表：实验次数流量Q m3/h扬程H m轴功率N kW泵效率 %五、实验报告1分别绘制一定转速下的HQ、NQ、Q曲线2分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。六、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

8、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/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测定直管摩擦系数与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内与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形压差计和转子流量计的使用方法。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

9、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： 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； 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； 流体粘度，kg/(ms)。湍流

10、时是雷诺准数Re和相对粗糙度（/d）的函数，须由实验确定。由式（2）可知，欲测定，需确定l、d，测定、u、等参数。 l、d为装置参数（装置参数表格中给出）， 、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、)，及实验时

11、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，再将Re和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： (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

12、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： 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。） 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，ms。 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、)，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

13、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1所示： 1水箱；2离心泵；3进口压力表；4双金属温度计；5出口压力表；6玻璃转子流量计；7局部阻力管；8电气控制柜；9光滑管；10均压环；11倒U型差压计；12粗糙管；13管路选择球阀f1、f2、f3；14局部管上的闸阀V1；15引压管；16-出口流量调节闸阀V2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，玻璃转子流量计和倒U型差压计等所组成的。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

14、，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。水的流量使用玻璃转子流量计测量，管路和管件的阻力采用均压环和引压管将压力传递给倒U型差压计直接显示压差。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 装置管尺寸装置1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1A20.095光滑管不锈钢管1B20.0100粗糙管镀锌铁管1C21.0100四、实验步骤1. 实验准备：清洗水箱，清除底部杂物，防止损坏泵的叶轮和转子流量计。关

15、闭箱底侧排污阀，灌清水至离水箱上缘约15cm高度，既可提供足够的实验用水又可防止出口管处水花飞溅。2. 泵排气、灌泵打开离心泵旁的小出口阀，打开阀门联通漏斗和离心泵，开始灌泵，直到离心泵旁的小出口管不再排出气体，关上小出口阀。保证漏斗中有一定高度液位，关闭漏斗下的阀门。3. 泵的启动接通控制柜电源，打开总开关电源及仪表电源，进行仪表自检。打开水箱与泵连接管路间的球阀，关闭泵的回流阀，全开转子流量计下的闸阀。启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀V2缓缓开到最大。4. 实验管路选择：选择实验管路，把对应的进口阀f1、f2、f3打开（f1是粗糙管管路的阀门，f2是光滑管管路的阀门，f3是局部阻力管路

16、的阀门），在出口阀最大开度下，保持全流量流动510min。5. 引压管排气：先进行管路的引压操作。需打开实验管路均压环上的引压阀，对倒U型管进行操作如下，其结构如图2所示。a) 排出系统和引压管内的气泡。关闭管路总出口阀9，使系统处于零流量、高扬程状态。关闭进气阀门(3)和出水活栓(5)以及平衡阀门(4)。打开高压侧阀门(2)和低压侧阀门(1)使实验系统的水经过系统管路、导压管、高压侧阀门(1)、倒U形管、低压侧阀门(2)排出系统。如引压管路上仍有气体无法排出，打开出水活栓(5)排气，并使水流出一会。b) 玻璃管吸入空气。排净气泡后，关闭(1)和(2)两个阀门，打开平衡阀(4)和出水活栓(5)

17、进气阀(3)，使玻璃管内的水排净并吸入空气。c) 平衡水位。关闭阀(4)、(5)、(3)，然后打开(1)和(2)两个阀门，让水进入玻璃管至平衡水位（此时系统中的出水阀门始终是关闭的，管路中的水在零流量时，U形管内水位是平衡的；如不平衡，打开阀(4)使压差计两边水位平衡。压差计即处于待用状态。d) 被测对象在不同流量下对应的差压，就反应为倒U型管压差计的左右水柱之差。 6流量调节：进行不同流量下的管路压差测定实验。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。由小到大或由大到小调节管路总出口阀，每次改变流量，待流动达到稳定后，读取各项数据，共作810组实验点。主要获取实验

18、参数为：流量Q、测量段压差P，及流体温度t。 7计算：装置确定时，根据和u的实验测定值，可计算和，在等温条件下，雷诺数Re=du/=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列Re的实验点，从而绘出Re曲线。8实验结束：实验完毕，关闭管路总出口阀，然后关闭泵开关和控制柜电源，将该管路的进口球阀和对应均压环上的引压阀关闭，清理装置（若长期不用，则管路残留水可从排空阀进行排空，水箱的水也通过排水阀排空）。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： 装置号： 直管基本参数： 光滑管径 粗糙管径 局部阻力管径 流体温度： 序号流量(m3/h)光滑管mm

19、H2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O左右R压差左右R压差左右R压差六、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?