流体流动阻力及离心泵特性曲线测定

流体流动阻力及离心泵特性曲线测定
一．实验目的：
1.通过实验学习直管阻力、直管摩擦系数的测定方法，理解并掌握流体流经直
管时摩擦系数与雷诺数Re的关系。

2.学习局部阻力、局部阻力系数ζ的测定方法。

3.通过实验理解离心泵的工作原理和操作方法，加深对离心泵性能的了解。

4.掌握管路特性曲线的测量方法。

二．实验原理：
1.流体流动阻力
流体在管路中流动时，由于内摩擦力和涡流的存在，不可避免的引起能量的损失。

其损失主要有直管阻力损失和局部阻力损失。

（1）直管阻力损失
流体在水平等径直管中稳定流动时，其阻力损失为：
h f= ΔP f/ρ=(p1-p2)/ρ=λ(L/d)(u2/2) (3-1)
λ=2dΔP f/ρLu2 (3-2)
式中 h f——单位质量流体流经Lm直管的机械损失，J/kg;
流体流经Lm直管的压降，Pa；
λ——直管阻力摩擦系数，量纲为1；
d——直管内径，m；
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。

层流时，λ=64/Re (3-3)
Re=duρ/μ (3-4)
式中 Re——雷诺数，量纲为1；
μ——流体黏度，Pa*s。

湍流时λ既随雷诺数Re变化，又随相对粗糙度（ε/d）变化，情况比较复杂，需由实验确定。

由式（3-2）可知，欲测定λ，需确定L、d、ρ、μ,并测定ΔP f、u等参数。

L、d为装置参数（表格中给出)，ρ、μ通过测定流体温度，再查相关手册而得，u可通过测定流体流量，再由流量方程计算得到。

采用U形管液柱压差计得：
ΔP f=（ρ0-ρ）gR (3-5) 式中 R——柱液高度，m；
ρ0——指示液密度，kg/m3
根据实验装置结构参数L、d，指示液密度ρ0，流体温度t（用于查取流体物性ρ、μ）及实验时测定的流量Vs、液柱压差计得读数R，再通过（3-5）确定ΔP f、式（3-2)确定Re,用式（3-2）求取λ，再将Re和λ的关系绘制在对数坐标图上，从而揭示出不同流动形态的λ——Re关系。

（2）局部阻力损失
局部阻力损失是流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变而引起的机械能损失。

通常有两种计算方法，即当量长度法和阻力系数法。

①当量长度法
将流体流过某管件或阀门时所造成的机械能损失折合成与某一长度的同径管道所产生的机械能损失相当，该折合的管道长度称为当量长度，用符
号Le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、阀门的当量长度之和称为计算长度
L+ΣLe，则流体在管路中流动时的总机械能损失Σh f为:
Σh f=λ(L+ΣLe)/d * u2/2 (3-6) 阻力系数法
将流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体动能的某一倍
数，称这种计算方法为阻力系数法，即
h f ’=Δp ’/ρg =ξu 2/2 (3-7)
故 ξ=2Δp ’/ρgu 2 (3-8) 式中 h f ’——局部能量损失，J/kg ；
ξ——局部阻力系数，量纲为1；
Δp ’——局部阻力压降，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，㎏/
ɡ——重力加速度，9.81m/
u ——流体在小截面管路中的平均流速，m/s 。

图-1 局部阻力测量取压口布置图
待测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。

局部阻力引起的压强降'
f p 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等
的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a -a'和b -b ＇，见图-1，使
ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇
则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ；
△P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇
在a~a ＇之间列柏努利方程式：
P a －P a ＇=2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f ⑸
在b~b ＇之间列柏努利方程式：
P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f
=△P fab +△P ab +△P f ⑹
联立式⑸和⑹，则：
'f P ＝2(P b －P b ＇)－(P a －P a ＇)
为了实验方便，称(P b －P b ＇)为近点压差，称(P a －P a ＇)为远点压差。

其数值用差压传感器来测量。

2.离心泵特性曲线
离心泵是化工生产中应用最广泛的一种流体输送设备。

它的主要性能参数包括流量Q,泵的扬程H,轴功率N 及效率η，这些参数间存在着一定的关系，以曲线形式表示出来即为离心泵的特性曲线。

离心泵特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据。

由于离心泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出离心泵的特性曲线，只能通过实验测定。

（1）扬程H 的测定
以离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列伯努利方程：
z 1+p 1/ρg +u 12/2g +H=z 2+p 2/ρg +u 22/2g+ΣH f (3-9)
由于两截面间得管长较短，通常可忽略阻力项ΣH f ，速度平方差很小也可
以忽略，则有
H=（z 2-z 1)+(p 2-p 1)/ρg (3-10)
=H 0+(p 表+p 真） （3-11）
式中 H 0=（z 2-z 1)，表示泵出口和进口间得高度差，m ；
ρ——流体密度，kg/m 3；
g ——重力加速度，m/s 2；
p 1、p 2——泵进、出口的真空度、表压，Pa ；
p 表、p 真——压力表和真空表的读数，Pa ；
u 1、u 2——泵进、出口的流速，m/s ；
z 2、z 1——真空表、压力表的安装高度，m 。

实验中，只要直接读出真空表和压力表的读数，测定出两表的安装高度
差，就可计算出泵的扬程。

（2）轴功率N的测量和计算
离心泵的轴功率是指泵轴所需要的功率，也就是电机直接传递给泵轴对的功率大小。

N=N电k（w) (3-12) 式中，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之比。

η=Ne/N *100% (3-13) 其中 Ne=HQρg (3-14)
故泵效率为η=HQρg/N *100% (3-15)三．实验装置与流程
1实验装置
图一流体综合实验图
1-水箱；2-水泵；3-入口真空表；4-出口压力表；5、16-缓冲罐；6、14-测局部阻力近端阀；7、15-测局部阻力远端阀；8、17-粗糙管测压阀；9、21-光滑管测压阀；10-局部阻力阀；11-文丘里流量计（孔板流量计）；12-压力传感器；13-涡流流量计；18、32-阀门；20-粗糙管阀；22-小转子流量计；23-大转子流量计；24阀门；25-水箱放水阀；26-倒U型管放空阀；27-倒U型管；28、30-倒U型管排水阀；29、31-倒U型管平衡阀
2 设备及仪器规格
(1)流体阻力
①被测直管段光滑管管径d,0.008(m);管长L,1.70(m);材料,不锈钢
②粗糙管管径d,0.010(m);管长L,1.70(m);材料,不锈钢
③玻璃转子流量计
④压差传感器型号:LXWY,测量范围:0~200kPa.
⑤数显表型号:PD139,测量范围:0~200kPa.
⑥离心泵型号WB70/055,流量20~200L/h,扬程19~13.5，电机功率550W，电流1.35A，电压380V
(2)流量计量计
文丘里流量计：文丘里喉径0.22m，实验管路管径0.045m
(3)离心泵
①离心泵：流量Q=4m3/h，扬程H=8m，轴功率N=168W.
②真空表测压位置管内径d1=0.025m
③压力表测压位置管内径d2=0.045m
④真空表与压力表测压口之间的垂直距离H0=0.355m。

⑤电机效率：60%
⑥流量测量：涡轮流量计。

⑦功率测量：功率表型号为PS-139，精度1.0级
⑧泵吸入口真空度的测量：
⑨真空表，表盘直径100mm，测量范围 -0.1~0MPa，精度1.5级。

⑩泵出口压力的测量
○11压力表，表盘直径100mm，测量范围 0~0.25MPa，精度1.5级。

（4）变频器
型号为N2-401-H ，规格：0~50Hz
（5）数显温度计
型号为501BX
3实验流程图
（1）流体阻力的测量
水泵2将储水槽2中的水抽出，经转子流量计22、
23测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动的阻力，
经回流管流回储水槽1。

被测直管段流体流动阻力ΔP 可
根据其数值大小分别采用变送器12或空气—水倒置U 型
管来测量（液体流动路线为
A →
B →
C →
D →
E →
F →
G →
H →
I →
J ）。

（2）流量计，离心性能的测试：
水泵2将水槽1内的水输送到实验系统,用流量调节阀32调节流量,流体经涡轮流量计13计量，回到储水槽。

同时测量文丘里流量计11两端的压差,离心泵进出口压力,离心本电机输入功率.（液体流动路线为A →B →C →F →G →H →I →J ）。

(3)管路特性曲线的测量：
流体阻力的测量
流量计，离心性能的测试 管路特性曲线的量 离心泵串并联性能的测定
流量调节阀18调节流量到某一位置,改变电机频率,记录涡轮流量计的流量,泵入口压强,泵出口压力.（液体流动路线为A→B→C→F→G→H→I→J）。

四．实验步骤
1. 流体阻力的测量
（1）向储水罐内注满蒸馏水。

（2）首先将全部阀门关闭，打开电源开关，打开图3-2阀门1后，用变频调速器启动离心泵I。

将阀门图一中24打开，在大流量状态下把实验管路中的气泡赶出。

（3）打开图一种阀门19。

作光滑管阻力实验。

当流量为零时打开9，21两个阀门，空气-水倒置U形管内两液柱的高度差不多为零，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测数据。

图二倒U型压差计
3、4-排水阀；11- U型管进水阀；12-压力传感器，26- U型管放空阀；27-U型管
赶气泡的方法：
a.打开11，3，4，10~30秒（层流实验时30~60秒）；
b.关闭11；
c.打开26，将倒U型压差计中的水排净；
d.关闭3，4，26；
e.打开11，使水进入倒U型压差计；
f.闭流量调节阀24，此时若倒U型压差计中的差值为0，则说明管线中的气已排净。

如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。

（4）在流量稳定的情况下，测得直管阻力压差。

数据顺序可从小流量至大流量，反之也可。

应在最大流量和最小流量之间进行实验操作一般测15~20组数，建议当流量读数小于200L/h时只用空气-水倒置U形管测压差，测水箱水温。

（5）粗糙管阻力压差测定，将阀门19关闭，打开阀门20，其余测量方法同上。

（6）局部阻力测定，将阀门20关闭，打开阀门10，其余测量方法同上。

（7）待数据测量完毕，关闭流量调节阀，切断电源。

2. 流量计性能测定
（1）将全部阀门关闭。

打开电源开关，打开图2中阀门1后，用变频调速器启动离心泵I。

（2）缓慢打开调节阀18至全开。

待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开文丘里流量计导压管开关，在涡轮流量计流量稳定的情况下，测得文丘里流量计两端压差。

（3）测取数据的顺序可从最大流量至零，或反之。

一般测15~20组数据。

（4）每次测量应记录;涡轮流量计流量，文丘里流量计两端压差及流体温度。

3. 离心泵性能测定
（1）首先将全部阀门关闭。

打开总电源开关，打开图一中阀门1后，用变频调速器启动离心泵I（单本操作）。

（2）缓慢打开调节阀18至全开。

待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表4和真空表3的开关，方可测取数据。

（3）测取数据的顺序可从最大流量至零，或反之。

一般测15~20组数据。

（4）每次测量同时记录;涡轮流量计流量，流量表，压力表，真空表，功率表的读数及流体温度。

（5）两泵串联：关闭图一中阀门1，4，打开阀门2，3。

同时启动离心泵I,II,实验数据测量同前。

4. 两泵并联：关闭图一中阀门3，打开阀门1，2，4。

同时启动离心本I,II,实验数据测量同前
五．实验数据处理分析与思考
1.离心泵特性曲线测定（数据整理表以及实例计算）
入口流速83.514
.30125.036003
.10)2
(36002
211=⨯⨯=⨯⨯=
π
d Q u (m/s)， 出口流速80.114
.30225.036003
.10)2
(36002222=⨯⨯=⨯⨯=
π
d Q u (m/s)
压头
36
.681
.9283.580.181.999610034.0040.0355.02(2
2622=⨯-+⨯⨯++=-+-+-=））（）入出入出入出g u u g P P Z Z H ρ (m)
其中Z 出-Z 入=355mm （两取压口之间垂直距离）
泵轴功率N=0.75*1000*0.6=450（w ） 有效功率17881.99963.1036.6=⨯⨯⨯==g HQ Ne ρ (w)
%5.39450
178===
N Ne η
实验结果分析讨论
H-V曲线：离心泵的压头在较大流量范围内随流量的增大而减
小
N-V曲线：离心泵的轴功率随流量的增大而增大。

ŋ-V曲线：开始随着泵的流量增大而增大，达到一个最大值后，又随流量的增加而下降。

从中得出一些结论：
1 从N-V曲线上可以看出，当流量V=0时，泵轴消耗功率最
小。

因此离心泵启动时应关闭出口阀，使启动功率最小，以保
护电机。

2 从ŋ-V曲线上可以看出，ŋ在离心泵转速一定的情况下有最
大值，即最高效率点，该点称为离心泵的设计点，在该点所对
应的情况下离心泵的工作最为经济，离心泵使用时，应在该点
附近工作。

2.流体流动阻力测定
装置结构尺寸
原始实验数据
数据处理
(1)查数据可知 黏度：1.3077×10-3 Pa.s
密度：999.7kg/m 3
以光滑管V=1m 3/h 为例， u=
24
1q d v π=
20215.04
1
360070.0⨯π=0.54m/s
Re=
μρud =310
050.10215
.054.04.998-⨯⨯⨯=10954.76 根据伯努利方程：2
p
2
u d l ⨯⨯=∆λρ 求得
0351.054.025.10215.04.9981000300.0222=⨯⨯⨯=⨯⨯
∆=u l d p
ρ
λ
实验处理结果
流量V ／(m3
/h)
光滑管阻力局部阻力粗糙管阻力
直管摩擦系
数λ
雷诺数Re局部阻力系数ξ直管摩擦系数λ雷诺数Re
10.0351 9578 0.1708 0.0472 9755 1.40.0290 13279 0.5809 0.0458 13572
1.80.0284 17197 0.5710 0.0432 17602
2.20.0269 20898 0.5841 0.0482 21419
2.60.0279 24599 0.5614 0.0414 25448
3.00.0260 28517 0.5408 0.0407 29266 3.40.0247 32218 0.5261 0.0404 33083 3.80.0244 36136 0.5335 0.0401 37112 (1)粗糙管
由数据作图得：
(2) 柏拉修斯公式: λ=(0.3164)/Re^(0.25)，上式适用范围为Re=3×103~1×105
项目12345678
实验λ0.03610.02900.02840.02690.02790.02600.02470.0244
计算λ0.03200.02950.02760.02630.02530.02430.02360.0229误差—————— 4.66％ 6.55％
（3）根据局部阻力实验结果，闸阀全开时的平均ξ为：
ξ=(0.1708+0.5809+0.5710+0.5841+0.5614+0.5408+0.5261+0.5335)/ 8=0.5086
(4)结果分析与讨论
从上面的数据及所作出的图来看，本次实验存在一定误差，可能有几方面的原因：
测定H时读刻度时存在误差，不与凹液面最低处相齐平；流量未控制得当，未在平衡时读数；仪器漏气；系统本身的误差；液柱还没有稳定就开始读数。

六．注意事项
（1）在实验过程中每调节一次流量后，应待流量和只管压降的数据稳定以后方可记录数据。

要仔细阅读仪器说明书。

（2）若较长时间内不做实验，放掉系统内及水槽内的水。

（3）启动离心本前，关闭压力表和真空表的开关，以免损坏测压表。

（4）离心泵启动前必须灌水。

（5）实验水质要清洁，以免影响涡轮流量计运行
（6）利用压力传感器测量大流量下△P时,应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门否则将影响测量数值的准确。

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？
答：减小泵的启动功率，从而达到保护电机的目的。

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：（1）防止气缚现象的发生（2）水管中还有空气没有排除
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？
优点：操作简单，但是难以达到对流量的精细控制。

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，因为水不能运输上去
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：合理如果在装置运行过程中出现了问题，需要拆开检修，如果没有阀门，就不能拆开了。

1、流体流动时为什么会产生摩擦阻力？摩擦阻力以哪几中形式反
映出来？
答：流体的黏性是产生阻力的主要原因，由于管壁间的
摩擦易产生摩擦阻力形式有沿程阻力和局部阻力。

2、如何检验测试系统内的空气已经被排除干净？若测压管道中存
有气体将对测量带来什么影响？
答：实验开始前和结束后，都应关闭泵的出口阀，检查倒U型压差计各臂读数是否相同，如不相等，则测压系统中有气泡，需重新排气。

3、以水做介质所测得的？关系能否适用于其他流体？
答：可以用于牛顿流体的类比，牛顿流体的本构关系一致。

应该类似平行的曲线，但雷诺数本身并不十分准确，建议取中间段曲线，不要用两边端数据。

4、若要减少流动时的阻力，你认为从哪些方面着手去解决?
答：在管道壁上施加电场来减小流动阻力；让流体以喷淋的方式流动。