实验1 流体力学综合实验

本科实验报告姓名：学院：系：专业：学号：指导教师：2018年11月30日实验报告课程名称：过程工程原理实验 实验类型：综合实验 实验项目名称：流体力学综合实验 学生姓名： 专业： 学号： 同组学生姓名： 指导老师：实验地点：流体综合实验室实验日期：2018年 11月 30日实验一流体流动阻力测定一、实验目的和要求1) 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。

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ξ。

4) 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二、实验内容和原理2.1Re 数：Re du ρμ=⑴2900Vu d π=⑵采用涡轮流量计测流体流量V （m 3/h ） 2.2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：2122ff p p p l u h d λρρ∆-===⑶装订线即22fd p lu λρ∆=⑷f p ∆－直管（长度l ）的压降。

Pa ；用压差传感器测量。

2.3局部阻力系数ζ的测定(阻力系数法)： 流体通过某一管件（阀门）时的机械能损失可表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数。

即：'2'2ffp u h g gζρ∆==⑸ 故'22fp uζρ∆=⑹f p '∆－局部阻力压力降，Pa ；局部阻力压力降的测量方法：测量管件及管件两端直管（总长度'l ）总的压降p ∑∆，减去其直管段的压降，该直管段的压降可由直管阻力f p ∆（长度l ）实验结果求取。

f f P ll p p ∆-∑∆='∆'⑺p ∑∆－包含管件（阀门）与直管（长度为'l ）的压降，Pa ；用压差传感器测量。

2.4流量计校核通过计时称重对涡轮流量计读数进行校核。

三、主要仪器设备（系统、软件或平台） 1. 实验装置如下图所示1—水箱2—离心泵3、10、11、12、13、14—压差传感器4—温度计5—涡轮流量计6—孔板（或文丘里）流量计7、8、9—转子流量计15—层流管实验段16—粗糙管实验段17—光滑关实验段18—闸阀19—截止阀20—引水漏斗21、22—调节阀23—泵出口阀24—旁路阀（流量校核）abcdefgh—取压点2.四、操作方法与实验步骤1)离心泵通过引水漏斗(20)灌水，关闭出口阀（23），打开电源，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀（23）缓缓开到最大。

2)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。

3)开启流量调节阀（21），合理分配流量。

每次改变流量，待流动达到稳定后，记录压差、流量、温度等数据。

4)实验结束，关闭出口阀（23），停止水泵电机，清理装置。

五、实验数据记录和处理2.光滑管流体阻力实验记录求其局部阻力(截止阀全开)为9.005。

求其局部阻力(闸阀全开)为1.097。

六、实验结果与分析（必填）1.光滑管λ与Re的关系曲线由于光滑管λ与Re的关系曲线无法较好的拟合，故无法计算及相对粗糙度，问题原因将在下部展开。

2.粗糙管λ与Re的关系曲线在上图中找出Re范围4.5—8*104;然后再找出λ的范围0.03-0.04，查阅课本找出大致相符的弧线，最后找到e/d=0.0008。

七、实验分析实验中问题分析：本次实验与现实时之间皆有较大的误差，例如各局部阻力构建的局部阻力系数明显大于表定值；且无论粗糙管或光滑管的λ与Re相关性较差，尤其是光滑管的雷若数与直管摩擦系数之间不不如理论上随着雷诺数增加直管摩擦阻力减小，相反的两者间反而成一如周期性的线性关系。

以下将分析实验过程中可能导致实验出现误差与错误的地方。

本次实验中主要使用的数据包含光环管的流量与直管压差。

(1)实验出现误差的可能原因一：流量测量出现误差本次实验中流量的测量使用的是涡轮流量计，其工作原理为将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号输出，故造成流量测量出现的原因可能是在仪器老化，导致电信号的传递出现误差。

另外涡轮流量计在仪器安装上也有一定的限制，例如在安装上其要求流量计需要安装在管道倾斜在5以内的管道上，且其安装点的上下游配管的内径与流量计内径相同，且其中通过待测液体应保持洁净无杂质，故另一可能造成测量原因可能是因为流量计在安装上出现问题。

(2)实验出现误差的可能原因二：直管压差测量出现误差实验中用以测量直管压差的仪器为压差传感器，测量可能出现误差的原因可能为实验者在压差还未达到完全稳定时就记录其压差，或压差传感器的安装出现问题，导致其测量出的不是流体的静压差。

八、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？答:是。

由离心泵特性曲线可知，当流量为零时，离心泵轴功率最小，电机负荷最小，关闭流程尾部的出口阀可以起到保护电机的作用。

2) 如何检测管路中的空气已经被排除干净？答:启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。

关闭出口阀后，打开U形管顶部的阀门，利用空气压强使U形管两支管水往下降，当两支管液柱水平，证明系统中空气已被排除干净。

;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？答：(1)适用其他种类的牛顿型流体。

理由:从λ=Φ(Re,s/d)可以看出，阻力系数与流体具体流动形态无关，只与管径、粗糙度等有关。

(2)鉴于Re本身并不十分准确，建议选取中间段曲线，不宜用两边端数据。

Re与流速、黏度和管径一次相关，黏度可查表得。

4) 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：:只要ε/d 相同，λ~Re 的数据点就能关联在一条直线上。

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？答:没有影响.静压是流体内部分子运动造成的.表现的形式是流体的位能是上液面和下液面的垂直高度差，只要静压一-定.高度差就一定.如果用弹簧压力表测量压力是一样的.所以没有影响。

实验二离心泵特性曲线测定一、实验目的和要求1) 了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用； 2) 测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；3) 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、实验内容和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。

2.1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（流程图中的h 和g ），列机械能衡算方程：2211221222p u p u z H z g g g gρρ+++=++⑴若泵进出口速度相差不大，则速度平方差可忽略，则有2121()p p H z z gρ-=-+=H 0+ΔP/ρg ⑵式中：021H z z =-，表示泵出口（g ）和进口（h ）的位差，本实验为0.1m ； ρ——流体密度，kg/m 3；g ——重力加速度，m/s 2；p 1、p 2——分别为泵进口的真空度和泵出口的表压，Pa ； u 1、u 2——分别为泵进、出口的流速，m/s ；z 1、z 2——分别为真空表、压力表的安装高度，m ；ΔP ——泵的出口和进口之间的压差，Pa ，用压差传感器测量。

2.2轴功率N 的测量与计算⑶其中，2.3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：Ne HQ g ρ=⑷故泵效率为100%HQ gNρη=⨯⑸ 2.4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）的数据。

流量''n Q Q n=⑹扬程''2()n H H n=⑺轴功率''3()n N N n=⑻效率''''Q H g QH gN Nρρηη===⑼三、主要仪器设备（系统、软件或平台） 实验流程图见实验一。

实验装置是由贮水箱、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（3）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。

四、操作方法与实验步骤1) 离心泵通过引水漏斗(20)灌水，关闭泵出口阀（23），开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把泵的出口阀（23）缓缓开到最大。

2)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。

3)缓缓开启流量调节阀（22），合理分配流量。

每次改变流量，待流动达到稳定后，记录压差、流量、电机功率、流体温度、转速等数据。

记录设备数据（如离心泵型号，额定流量、扬程和功率等）。

4)实验结束，关闭泵出口阀（23），关闭水泵电机，关闭仪表电源和总电源开关，将装置恢复原状。

五、实验数据记录和处理1.实验数据：2.其余参数：3. 离心泵特性曲线：六、实验结果与分析根据该离心泵的特性曲线，其泵扬程与流量间的关系为：随着流量变大，扬程H 减小。

与轴功率之间的关系为：随着流量增大，轴功率接近线性增加。

与泵的效率η的关系为，随着流量增加，泵的效率η增加。

根据泵特性曲线，可以发现当流量为7m3/h 时离心泵效率最高，故在其流量值±15%为泵的高效区。

该实验操作中有一很大的问题，在离心泵进出口压差测量点上，进出口压力传感器分别接在进口段旁一支管与利用一口径与值管相近的管做为压差传感器的测量点，该做法会给测量造成极大的误差，也是本次实验中实验值出现误差的主要来源。

七、思考题1) 试从所测试验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？答:由于轴功率随着流量增大而上升，故离心泵启动前应关闭出口阀，使泵在所需功率最小的条件启动，以减小电动机的启动电流，同时避免出口管线的水利冲击。

2) 启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后仍然启动不起来，你认为可能的原因是什么？答:(1)离心泵在工作前如为先灌满所需液体或气体，叶轮会在空气中转动，甩出空气，因空气密度比液体小，以轮旋转所产生的离心力又与密度成正比，从而造成叶轮吸入端真空度不足以膝上液体的现象，即气缚现象。