流体力学综合实验实验报告.docx
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流体力学综合实验实验报告
流体力学综合实验-实验报告
专业：
化学工程与工艺
姓名：
学号：
日期：
2013/9/29
地点：
教十1208
实验报告
课程名称：
过程工程原理实验指导老师：
成绩：
_________________
实验名称：
流体力学综合实验实验类型：
_____同组学生姓名：
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
Ⅰ、流体流动阻力测定
一、实验目的
⑴掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法。
⑵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。
⑶测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ξ。
⑷识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、基本原理
⑴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：
⑴
即
⑵
⑶
采用涡轮流量计测流量V
⑷
用压差传感器测量流体流经直管的压力降
。
根据实验装置结构参数l、d，流体温度T（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、压力降ΔPf，求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
⑵局部阻力系数ζ的测定
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，这种方法称为阻力倍数法。
即：
⑸
故
⑹
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（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、压力降ΔPf’，通过式⑸或⑹，求取管件（阀门）的局部阻力系数ζ。
三、实验装置与流程
实验装置如下图所示：
1、水箱2、离心泵3、压差传感器4、温度计5、涡轮流量计6、流量计7、转子流量计8、转子流量计9、压差传感器10、压差传感器11、压差传感器12、粗糙管实验段13、光滑管实验段14、层流管实验段15、压差传感器16、压差传感器17、局部阻力18、局部阻力
图1实验装置流程图
装置参数：
名称
材质
管内径/mm
测量段长度/mm
光滑管
不锈钢管
21
1000
粗糙管
镀锌铁管
22
1000
局部阻力
闸阀
22
640
局部阻力
截止阀
21
620
四、实验步骤
⑴首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀，打开电源，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。
⑵对压差传感器进行排气，完成后关闭排气阀门，使压差传感器处于测量状态。
⑶缓慢转到调节阀，调节流量，让流量从最大到1.5
范围内变化，并且让流量按等比变化。
每次改变流量，待流动达到稳定后，分别记下流量值、直管压差和阀门压差。
⑷实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。
五、数据记录及处理
当水温T=27.1℃时，密度ρ=996.4kg/cm3，粘度μ=0.860*0.001Pa·s。
根据式⑵、⑶、⑷、⑹，以及公式
阀门压差
可计算得到如下结果：
⑴光滑管
序号
流量V/（m3/h）
平均流速u（m/s）
直管压差（kPa）
直管阻力摩擦系数λ
雷诺准数Re
截止阀压差（kPa）
局部阻力系数ξ
1
5.38
4.32
8.70
0.0197
105033.08
79.50
8.56
2
4.54
3.64
6.44
0.0205
88633.86
52.20
7.90
3
3.85
3.09
4.81
0.0212
75163.08
36.40
7.66
4
3.31
2.66
3.70
0.0221
64620.72
25.70
7.31
5
2.81
2.25
2.78
0.0230
54859.28
17.10
6.75
6
2.36
1.89
2.03
0.0239
46073.99
10.50
5.88
7
2.05
1.64
1.60
0.0249
40021.90
6.70
4.97
8
1.74
1.40
1.20
0.0259
33969.81
3.40
3.50
平均局部阻力系数ξ=6.566*0.001
⑵粗糙管
序号
流量V/（m3/h）
平均流速u（m/s）
直管压差（kPa）
直管阻力摩擦系数λ
雷诺准数Re
截止阀压差（kPa）
局部阻力系数ξ
1
5.61
4.10
13.23
0.0347
104545.01
17.07
0.96
2
4.78
3.49
9.73
0.0352
89077.56
12.53
0.97
3
4.04
2.95
6.99
0.0354
75287.31
9.06
0.99
4
3.43
2.51
5.11
0.0359
63919.67
6.58
0.99
5
2.93
2.14
3.78
0.0364
54601.94
4.87
1.01
6
2.50
1.83
2.82
0.0373
46588.68
3.64
1.03
7
2.09
1.53
2.02
0.0382
38948.14
2.61
1.06
8
1.81
1.32
1.53
0.0386
33730.21
1.98
1.08
9
1.52
1.11
1.12
0.0400
28325.92
1.43
1.09
平均局部阻力系数ξ=1.02*0.001
作λ～Re曲线：
对照化工原理教材上有关曲线图，可估算出粗糙管的相对粗糙度为0.034，则绝对粗糙度为7.48*10-4。
（0.034*0.022=7.46*10^-4）
同理，光滑管的相对粗糙度为0.019，则其绝对粗糙度为3.99*10-4。
从实验结果可以看到，粗糙管的相对粗糙度要大于光滑管的相对粗糙度；同时根据闸阀和球阀全开时的局部阻力系数ζ，可以看到球阀的局部阻力系数远远大于闸阀的局部阻力系数，这是由于它们的结构造成的。
六、思考题
⑴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？
答：
对装置做排气工作时，先要打开出口阀，使流体流动稳定后，再关闭流程尾部的出口阀，这样可使管中有较大压力使得气体排出。
⑵如何检测管路中的空气已经被排除干净？
答：
先检查连接软管以及传感器的出口管中有没有气泡。
如果没有了，关闭流量调节阀，看压差计的读数是否为零，如果为零，则说明气体已经排空。
⑶以水作介质所测得的λ~Re关系能否适用于其他流体？
如何应用？
答：
能适用于其他流体。
通过密度和黏度换算。
⑷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？
答：
不同设备上，不同的水温下测定的λ~Re数据能关联在同一曲线上。
Ⅱ、离心泵特性曲线测定
一、实验目的
⑴了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；
⑵测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；
⑶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。
二、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与泵流量Q之前的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。
由于泵内流动复杂，不能使用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。
⑴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：
⑴
若泵进出口速度相差不大，则速度平方差可忽略，则有
⑵
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，m；
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。
⑵轴功率N的测量与计算
⑶
其中，
为电功率表显示值，k代表电动机转动效率，可取k=0.95。
⑶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：
⑷
故泵效率为
⑸
⑷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，这话随着流量Q的变化，多个试验点的转速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）的数据。
换算关系如下：
流量
⑹
扬程
⑺
轴功率
⑻
效率
⑼
三、实验装置与流程
⑴实验装置
实验对象部分是由贮水箱、离心泵，涡轮流量计和压差传感器等组成的。
水的流量使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，流体温度采用Pt100温度传感器测量。
⑵实验流程
离心泵特性曲线测定装置流程图如上图1所示。
四、实验步骤及注意事项
㈠实验步骤
⑴清洗水箱，并加装实验用水。
给离心泵灌水，排除泵内气体。
⑵检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，检查各阀门开度和仪器自检情况，试开状态下检查电机和离心泵是否正确运转。
⑶实验时，逐渐关闭调节阀以减小流量，待各仪器读数显示稳定后，读取相应数据。
（离心泵特性实验部分，主要获取实验参数为：
流量Q、泵进出口压差ΔP、电机功率N电、泵转速n和流体温度t。
）
⑷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、扬程和功率等）。
⑸实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。
㈡注意事项
⑴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。
⑵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。
五、实验数据及处理
⑴分别绘制一定转速下的H~Q、N~Q、η~Q曲线
实验原始数据记录：
离心泵型号MS100/L1，额定流量6m3/h，额定扬程24m
额定功率1.1kw，额定转速2850rpm，泵进出口测压点高度差H0
水温t：
33.2℃
序号
流量Q（m3/h）
泵进出口压差ΔP/kPa
电机功率N电/W
泵转速n/rpm
1
10.08
109.0
1231
2910
2
8.94
154.3
1236
2895
3
8.02
180.6
1199
2895
4
6.94
208.4
1153
2910
5
5.97
230.0
1069
2910
6
5.02
248.8
1003
2925
7
3.97
267.4
904
2925
8
2.97
283.7
784
2940
9
2.02
293.8
731
2955
10
0.93
306.6
593
2970
11
0.00
319.9
525
2955
水温t=33.2℃时，水的密度ρ=994.6kg/m3
根据式⑵、⑶、⑸、⑹、⑺、⑻、⑼，计算结果如下表所示。
序号
流量Q（m3/h）
泵进出口压差ΔP/kPa
电机功率N电/W
泵转速n/rpm
Q`（m3/h）
H（m）
H`（m）
N（W）
N`（W）
η=η`
1
10.08
109.0
1231
2910
9.87
11.28
10.82
1041379.35
978283.16
0.276
2
8.94
154.3
1236
2895
8.80
15.93
15.44
1324424.23
1263618.55
0.355
3
8.02
180.6
1199
2895
7.90
18.63
18.05
1389372.18
1325584.67
0.384
4
6.94
208.4
1153
2910
6.80
21.48
20.60
1365020.90
1282315.57
0.386
5
5.97
230.0
1069
2910
5.85
23.70
22.73
1295371.60
1216886.25
0.395
6
5.02
248.8
1003
2925
4.89
25.63
24.33
1159869.55
1072916.97
0.371
7
3.97
267.4
904
2925
3.87
27.53
26.14
985573.60
911687.56
0.350
8
2.97
283.7
784
2940
2.88
29.21
27.45
770190.08
701601.50
0.311
9
2.02
293.8
731
2955
1.95
30.24
28.13
534199.79
479254.10
0.228
10
0.93
306.6
593
2970
0.89
31.56
29.06
252754.44
223338.73
0.131
11
0.00
319.9
525
2955
0.00
32.92
30.62
0.00
0.00
0.000
作H~Q、N~Q、η~Q曲线：
（见下页）
⑵分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。
效率曲线有一最高点，称为设计点。
由于管路输送条件不同，离心泵不可能正好在最佳工况点运行。
一般选用离心泵时，其工作区应处于最高效率点的92%左右。
由上图得，当Q=5.97m3/h时，泵效率最大，η值为0.395。
因此，正常工作时泵的效率η为0.363~0.395，工作范围为5.1～9.0m3/h。
六、思考题
⑴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：
从图中可以看出，轴功率随流量的增大而增大，当流量为零时，功率最小，若开机时阀门开大，则电机的瞬时功率很大，会对电机造成损害。
因此，离心泵应在出口阀关闭时启动，以防止电机过载。
⑵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：
若泵内无液体，则当离心泵运转时，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，使离心泵吸不上液体。
如果依然启动不了，可能是引水好后未将引水阀门关闭，泵启动之后，吸入口处产生负压，将引水漏斗处的水吸完后即吸入空气，产生气缚，从而不能将水打出。
⑶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？
答：
如果在泵的进口侧调节流量，当阀门关小时，会出现液体不能充满管路的现象，这会对实验结果造成影响，因此要用泵的出口阀门调节流量。
这种方法的优点是简单易行，缺点是节流阀消耗能量。
另外可以使用变频器调节电机转速来调节流量。
⑷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？
答：
不会上升。
因为水是不可压缩的流体，当出口阀关闭时，管路内水的量保持恒定，且动能为零，泵启动后，泵产生的动能转化为水的静压能，泵稳定转动时，水的静压能保持不变，因此压力表读数不会上升。
⑸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：
合理。
虽然阀门会增大阻力，增加能耗，但阀门能方便检修，因此安装阀门是合理的。
⑹试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m3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？
答：
由
得：
理论压头与流体密度无关，因此在相同流量下输送盐水泵的压力不变。
而由
得：
轴功率与流体密度有关，输送盐水时轴功率增大，且轴功率之比等于密度之比。
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