浙江大学化工原理(过程工程与控制乙)实验报告 流体力学综合实验

实验报告
课程名称：过程工程原理实验（乙）指导老师：金伟光成绩：__________________ 实验名称：流体力学综合实验（一、二）实验类型：工程实验同组学生姓名：_张子宽、王浩、张
宇、任欣
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
1、流体流动阻力的测定实验
1.1 实验目的：
1.1.1 掌握测定流体流经直管、阀门时阻力损失的一般实验方法
1.1.2 测定直管摩擦系数λ与雷诺数的关系，验证在一般湍流区内λ与的关系曲线
1.1.3测定流体流经阀门时的局部阻力系数ζ
1.2 实验装置与流程：
1.2.1 实验装置介绍：
实验对象部分由贮水箱、离心泵、不同管径和材质的水管、阀门、管件、涡轮流量计、U形流量计等所组成。

实验管路部分有两段并联长直管，自上而下分别为用于粗糙管直管阻力系数和光滑管直管阻力系数。

同时在粗糙直管和光滑直管上分别装有闸阀和截止阀，用于测定不同种类阀门的局部阻力。

水的流量使用涡流流量计测量，管路直管阻力和局部阻力采用压差传感器测量。

1.2.2 实验装置示意图，箭头所示为实验流程：
图1.
Re Re
代表温度传感器，度； 压差变送器 ；2—离心泵
1.3 基本原理：
流体通过由直管、管件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的机械能损失成为直管阻力损失。

流体通过管件、阀门时由于流体运动方向和速度大小的改变所引起的机械能损失成为局部阻力损失。

1.3.1直管阻力摩擦系数λ的测定：
由流体力学知识可知，流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
（1） 公式中： f
p ∆：流体流经l 米直管的压力将， ；
λ：直管阻力摩擦系数，无因次； d ：直管内径，m ；
f h ：单位质量流体流经l 米直管的机械能损失,J/K ；
ρ：流体密度，kg/
；
l ：直管长度，m ；
u ：流体在管内流动的平均速度，m/s ；
由上面的式子可知： （2）
式子中：Re ：雷诺数，无因次
μ：流体粘度，kg/(m*s)。

湍流时λ是Re 和相对粗糙度（ε/ d ）的函数，须由实验测定。

由（2）可是，要测定λ，需要确定l 、d ，测定f p ∆、u 、ρ、μ等参数。

其中l 和d 由装置参数表
（见下文）给出，ρ、μ通过测定流体温度，查相关手册而得，u 通过测定流体流量，再由管径计算得到。

本装置采用涡流流量计或者转子流量计，那么：
v 为流量计测得的流量，
/h 。

（3）
f p ∆可直接从仪表中读出。

根据实验装置结构参数l 、d ，液体温度，以及实验测定的相关参数，求取 和λ，然后将两者在双对数坐标图上绘制成曲线。

2
ρ2
u d l p h f f λ
=∆=2
ρlu
2f
p d ∆=λRe
1.3.2 局部阻力系数ξ的测定：
流体通过某一管件或者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，局部阻力的这种算法，叫做阻力系数法。

即：
故： （4） （5） 式中： :单位流体流经某一管件或者阀门时的机械能损失，J/kg ； ξ：局部阻力系数，无因次；
：局部阻力压力降，；（
=
，即表示流体经过阀门或管件时的静压损失。

）
ρ：流体密度，kg/
；
g ：重力加速度，
9.81m/；
u ：流体在在小截面管内流动的平均速度，m/s ；
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 ，以及实验测定的相关参数，通过公式（5）求取管件或阀门的局部阻力系数ξ。

1.4 实验步骤：
1.4.1 开启仪表柜上的总电源、仪表电源开关。

1.4.2 实验室已经将水泵中灌满水，否则应先将水泵中灌满水，然后进行排气，保证管道内流体流动是连续的，以便准确测量压差。

本装置使用压差变送器测量压差。

1.4.3 实验从做大流量开始做起，最小流量应控制在1.
5
/h 。

由于实验数据处理时使用的是双对数
坐标，所以实验时每次流量变化取一递减的等比数列，这样得到的数据点就会均匀分布，时实验结果更具准确性。

流量改变后，要等到流动达到稳定后再读数，实验时同时读取不同流量下的压差、流量和温度等有关参数（温度取实验开始时于实验结束时温度的平均值）。

1.4.4 装置确定时，根据
和u 的实验值，可以计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数
=
，绘制λ~
曲线（双对数坐标）。

1.4.5 实验结束，抄录好数据后准备做离心泵特性曲线特定的实验。

1.5 数据记录和处理： 1.5.1 装置参数： 装置号：D 名称 管内径（mm ）
直管测量段长度（mm ）
局部阻力测量段长度（mm ）
光滑管 21 1000 660 粗糙管
22
1000
680
1.5.2 数据处理与绘图 水温t=26.1℃，查表得： ρ=996.7 kg/
； μ=0.8737
Pa ·s
光滑管实验数据处理
序号
流
量 直管压差
阀压差
流速 u/（m/s ）
/
λ ξ
2ρ2'
u p h f
f ξ
=∆=ρg u 22'f p ∆=ξ
V/(/h)（kPa）（kPa）
1 5.19
2 4.5
3 5.8167.2 3.63 9.071 0.01850.984
3 3.93 4.5050.
4 3.1
5 7.870 0.01910.978
4 3.42 3.5338.6 2.74 6.849 0.01980.988
5 2.97 2.7929.7 2.38 5.947 0.0207 1.006
6 2.59 2.2023.0 2.08 5.186 0.0215 1.019
7 2.26 1.7417.7 1.81 4.526 0.0223 1.033
8 1.94 1.3813.9 1.56 3.885 0.0240 1.092
9 1.68 1.0710.3 1.35 3.364 0.0248 1.077
10 1.510.898.4 1.21 3.024 0.0255 1.091
粗糙管实验数据处理
序号流量
V/(/h)
直管压差
（kPa）
阀压差
（kPa）
流速
u/（m/s）
/
λξ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
计算示例：
取粗糙管第8组数据为例：
=2.44/（900*3.14*0.021*0.021）=1.96
==0.021*1.96*996.7/（0.8387*10）=4.886
=2*0.021*2.75*1000/（996.7*1*1.96*1.96）=0.0302
=2*（4.52-0.68*2.75）*1000/（996.7*1.96*1.96）=0.141
1.6 实验结果与数据分析
1.6.1根据光滑管、粗糙管实验结果，在双对数坐标上分别标绘出λ~Re曲线（见图2），对照Moody 图，估算得到：
光滑管：相对粗糙度ε/d=0.0008，绝对粗糙度ε=0.0008*0.021m=0.0168mm
6.45 1
7.22 25.00 5.18 12.916 0.0271 0.101
5.62 13.2 21.32 4.51 11.254 0.0274 0.124
4.89 9.99 16.08 3.92 9.792 0.0273 0.123
4.23 7.63 12.25 3.39 8.470 0.0279 0.125
3.70 5.97 9.68 2.97 7.409 0.0285 0.130
3.22
4.51 7.32 2.58 6.448 0.0285 0.130
2.79
3.53 5.70 2.24 5.587 0.0297 0.135
2.44 2.75 4.52 1.96 4.886 0.0302 0.141
2.11 2.11
3.42 1.69
4.225 0.0310 0.142
1.84 1.65
2.66 1.48
3.685 0.0319 0.144
2
ρlu
2
f
p
d∆
=
λ
ρg
u
2
2
'
f
p
∆
=
ξ
粗糙管：相对粗糙度ε/d=0.006，绝对粗糙度ε=0.006*21mm=0.126mm
1.6.2 光滑管阀门ξ=1.024；粗糙管阀门ξ=0.130
1.6.3 按照化工原理相关理论，对于光滑管来说，当流体流过光滑管时，因为管的粗糙峰很小，粗糙峰都处在湍流的层流底层之下，故ε/d对流动阻力不产生任何影响，因此λ只是Re的函数。

然而根据图2可以得知，实验所得的结果表明，λ也受到相对粗糙度ε/d的影响，但是相比于粗糙管的曲线可以看出，ε/d对光滑管阻力的影响要比对粗糙管阻力的影响小。

究其原因，可能是因为实验所选用的光滑管本身光滑度就不是很好，在实验过程中由于操作不精细也会引入误差，数据处理时精确度的选择等也会对结果造成影响。

另一方面，理论上讲，流体在粗糙馆内湍流流动时，Re、Re、ε/d 对流动阻力均有影响，且随着Re 的增大，ε/d对λ的影响越来越重要，相反，Re的影响却越来越弱。

这是因为，ε/d一定时，Re越大，则暴露在湍流主体区的粗糙峰就越多，ε/d对λ的影响就越大；二当Re 增大到一定程度后，几乎所有的粗糙峰都暴露在湍流主体区内，此时流动进入了阻力平方区，该区域的曲线趋近于水平线。

这时粗糙管的
摩擦损失∝。

查看图表可知，实验结果与理论基本上吻合，偏离不是很大，粗糙管曲线的趋势线接近与水平线。

图2.λ~Re曲线
1.7 讨论、心得、思考题
1.7.1 过程工程原理实验是工程实验，实验结果受实际复杂情况影响较大。

我认为，误差来源主要有下面几个方面：
（1）流体不纯净。

由于实验反复地有人在做，而水泵里面的水却没有及时更换，导致水中杂质很多，影响水的密度和粘度，导致实验结果不准确。

（2）装置中的光滑管和粗糙管实际上不可能做到真正水平，有一定的倾斜角，也会导致实验结果的偏离。

（3）在读取仪表显示器数据时，由于数值不断波动且长时间不能稳定，准确难度增加，导致实验结果产生误差。

（4）实验所用管道内壁经过流体的不断流通可能会被腐蚀或生锈，使管径数值不准确，造成实验误差。

（5）由于实验中流体的流动与管内壁发生摩擦会产生热量，使流体温度升高，改变了流体的密度和粘度，而实验数据处理时是假设实验过程中流体温度恒定，这样也就引入了误差。

1.7.2 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？ 需要关闭。

防止排气不充分，影响实验结果。

（2）如何检测管路中的空气已经被排除干净？ 调节阀门，使流体流速为0，如果
=0，则说明空气已经排尽。

然而事实上，由于实验装置本身的误差，
即使空气已经排除干净，压差也不一定为0。

而且由于实验室不断有人进行实验，所以本实验过程中并不要求做排气这一过程。

（3）以水作介质所测得的 λ-Re 关系能否用于其它流体？
可以，因为λ-Re 关系于管内介质种类无关，只与管子的相对粗糙度有关。

所以只要相对粗糙度相同，λ-Re 关系就相同。

2、离心泵特性曲线的测定
2.1 实验目的：
2.2.1了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的用；
2.2.2测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；
2.2.3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。

2.2 实验装置与流程： 2.2.1 实验主要装置：
实验对象部分由贮水箱，离心泵，文丘里流量计和压差传感器等组成。

如图3：
图3.离心泵曲线实验装置流程图 图中： 为涡流流量计，测量总管流体流量。

2.3 基本原理：
离心泵特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据，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，不能用理论方法推倒出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。

2.3.1 扬程 H 的测定与计算
在离心泵进口真空表和出口压力表处列机械能恒算方程：
(1)
若泵进出口速度相差不大，则速度平方差可忽略，有：
=
（2）
式中：
，表示泵出口和进口的位差，m
ρ：流体密度，kg/
；
g ：重力加速度，
9.81m/；
p 表示压力，H 表示真空度和表压对应的压头，u 表示速度，z 示压力表安装高度。

由（2）可知，只要直接读出泵进出口测量点的高度差和压差，就可以算出泵的扬程。

本实验直接由压差变送器读出压差，计算时不必考虑泵进出口位差。

2.3.2 轴功率 N 的测量和计算
N = N 电 ⨯ k
（W ） (3)
其中，N 电为电功率表显示数值，k 代表电机传动效率，k=0.8
2.3.3效率 η的计算
（4） Q ：泵的流量，
/h 。

2.3.4 转速改变时的计算
泵的特性曲线是在恒定转速下的实验测定所得，实际上电机在运作时转速会发生变化，流量Q 也就跟着变化，转速n 也会变化，因此在绘制特性曲线之前，本次实验将实验数据根据离心泵的额定功率进行换算，换算关系如下：
扬程：
2⎪⎭
⎫
⎝⎛'='n n H H 流量： 轴功率： 效率不受影响。

2.4 实验步骤：
前两步实验已经由实验1完成，本实验测取10组左右数据，同时记录设备相关数据。

实验结束，关闭泵出口阀，关闭水泵电机，关闭仪表电源和总电源开关，将实验装置回复原状。

2.5数据记录和处理： 2.5.1 设备参数记录：
=
=N N e ηN gH Q ρn n Q Q '='3⎪⎭⎫ ⎝⎛'='n n N N
离心泵型号：Ms 100/1.1 额定转速：2850rpm 额定流量：
6 /h
额定扬程：23.4m 额定功率：1.1kw 水温：28.7℃ 查表得：ρ=996.2 kg/ μ=0.8180
Pa ·s
2.5.2 实验数据处理 序号
流量 V/(
/h)
进出口压差
/kPa
电机功率N 电/w
泵转速u/rpm
扬程 H/m
轴功率 N/W
效率 η
1 10.00 98.7 1153 2880 10.10 922.4 0.297
2 9.47 125.9 1159 2865 12.88 927.2 0.357
3 9.02 141.5 1153 2880 14.48 922.4
0.384 4 8.49 157.1 1136 2880 16.08 908.8 0.408 5 8.01 169.8 1118 2880 17.37 894.4 0.422 6 7.51 185.6 1098 2008 18.99 878.4 0.441 7 7.00 197.8 1071 2880 20.24 856.8 0.449 8 6.52 208.4 1044 2880 21.32 835.2 0.452 9 6.04 218.5 1015 2895 22.36 812.0 0.451 10 5.52
230.5 980 2880 23.59 784.0 0.451
计算示例：取第7组数据
=197.8/(1996.2*9.81)*1000=20.24m N=Nd*0.8=1071*0.8=856.8W
η= =7.00*996.2*9.81*20.24/856.8/3600=0.449
2.5.3改变转速后的数据 序号
流量 Q’/(m 3/h)
扬程 H’/m 轴功率 N’/W
效率 η’ 1
9.90 9.89 893.9 0.297 2
9.42 12.75 912.7 0.357 3
8.93 14.18 893.9 0.384 4
8.40 15.74 880.7 0.408 5
7.93 17.01 866.7 0.422 6
7.43 16.80 851.2 0.441 7
6.93 19.82 830.3 0.449 8
6.45 20.88 809.4 0.452 9
5.95 21.67 774.7 0.451 10
5.46 23.10
759.8
0.451
计算示例：取第7组数据
N gH Q
=7.00*2850/2880=6.93/h
=20.24*(2850/2880)*(2850/2880)=19.82m
=856.8*(2850/2880)*(2850/2880) *(2850/2880)=830.3W
2.6试验结果与分析：
2.6.1绘制一定转速下的H~Q、N~Q、η~Q 曲线
过程工程原理实验（乙） 吴钰龙 3071102691
11
流体力学综合实验 2.6.2图表分析
（1）从以上三条曲线可以看出，该离心泵的压头随流量的增加而下降，轴功率随流量的增加而增加，符合大部分离心泵的特点。

（2）由于实验时发生不该有的失误，导致从η~Q 曲线无法确切地看出在什么流量下效率最大，按照实验要求，本实验的流量点应包含“0”点，而本小组误以为本实验流量也不得小于 1.5
/h ，所以产生了这样的大偏差。

不过从曲线上可以看出，在额定流量
6
/h 时，效率尚未达到最大，说明实验结果与
实际情况还是存在偏差。

（3）实验结果表明，该离心泵在整个实验过程中的轴功都没有达到额定功率1.1kW 。

2.7 讨论、心得、思考题：
2.7.1 实验时没有考虑清楚测定离心泵特性曲线应该时流量降低到0，所以导致了效率图与理想的抛物曲线有很大的出入。

这给我预习实验的不认真性敲响了警钟，教会我以后预习实验一定要看清楚实验对数据的要求。

如果时间允许，我想重新测量一次，再来绘制特性曲线。

2.7.2 思考题
（1）从所测数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀？
数据上并没有表现出原因，因为数据缺少至关重要的“0”点。

根据理论分析，当流量为零时，功率最小，所以离心泵在启动时关闭出口阀可以防止电机过载。

（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，可能的原因是什么？ 因为离心泵运转时，若泵内没有液体，则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，没有足够的也差使液体进入泵内，从而使离心泵吸不上液体，产生“气缚”现象。

（3）正常工作的离心泵，在进口管路上安装阀门是否合理？
不合理。

会产生“气蚀”现象，这样会缩短泵的寿命，还产生噪音与剧烈振动。

（4）试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m 3的盐水在相同流量下泵的压力是否变化？抽功率是 否发生变化？
泵的压力不变化，因为泵的压力与流量有关，而与流体密度无关，当流量不变时，泵的压力也不 变。

但是轴功率与密度有关，所以抽功率发生变化。

而且=1.2N
参考文献：《过程工程原理实验（乙）》 . 杭州：浙江大学化学工程实验室 . 2009.8.
《化工原理 上册》 . 何潮洪等 . 北京：科学出版社 . 2008.5.。