化工流动过程综合实验

化工流动过程综合实验

讲义

天津大学化工基础实验中心

2014．02

一、实验目的：

1.学习直管摩擦阻力f P ∆、直管摩擦系数λ的测定方法。

2.掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系及变化规律。

3.掌握局部摩擦阻力f P ∆,局部阻力系数ζ的测定方法。

4.学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。

5.熟悉离心泵的操作方法。

6.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。 二、实验内容:

1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。

2.测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re 和相对粗糙度之间的关系曲线。

3.测定管路部件局部摩擦阻力f P ∆和局部阻力系数ζ。

4.熟悉离心泵的结构与操作方法。

5.测定某型号离心泵在一定转速下的特性曲线。

6.测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。 三、实验原理:

1.直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定:

直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：

ρ

ρf

f P P P h ∆=-=

2

1 （1）

又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）

2

2u d l h f

P f λρ

==

∆ （2）

整理（1）（2）两式得 22u

P l d f

∆⋅⋅=

ρλ （3）

μ

ρ

⋅⋅=

u d Re （4）

式中： -d 管径，m ； -∆f P 直管阻力引起的压强降，Pa ；

-l 管长，m ； -u 流速，m / s ；

-ρ流体的密度，kg / m 3； -μ流体的粘度，N ·s / m 2。

在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降

f P ∆与流速u （或流量q v ）之间的关系。

根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re ，整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。

2．局部阻力系数ζ的测定： 22

'u P h f

f ζρ

=∆=

' 2'2u P f ∆⋅⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=ρζ 式中： -ζ局部阻力系数，无因次；

-∆'f P 局部阻力引起的压强降，Pa ；

-'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图-1 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降'f P ∆ 可用下面方法测量：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，在上、下游各开两对测压口a-a'和b-b ＇如图-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 (5)

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 f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f （6） 联立式(5)和(6)，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或U 型管压差计来测量。 3.离心泵特性曲线的测定:

离心泵是最常见的液体输送设备。在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H 、轴功率N 及效率η均随流量Q 而改变。通常通过实验测出H —Q 、N —Q 及η—Q 关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。泵特性曲线的具体测定方法如下：

(1) H 的测定：

在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程

出入入出

出入入入-+++=+++f H g u g P Z H g u g P Z 2222ρρ （7）

()出入入出入出入出-+-+-+-=f H g

u u g P P Z Z H 222ρ （8）

上式中出入-f H 是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努力方程中其它项比较，出入-f H 值很小，故可忽略。于是上式变为：

()g

u u g P P Z Z H 222入

出入出入出-+-+-=ρ （9）

将测得的()入出Z Z -和入出P P -值以及计算所得的出入u u ,代入上式，即可求得H 。

(2) N 测定：

功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：

泵的轴功率 N=电动机的输出功率，Kw

电动机输出功率=电动机输入功率×电动机效率。 泵的轴功率=功率表读数×电动机效率，Kw 。

(3) η 测定 N

Ne

=

η （10）

)(102

1000Kw HQ g HQ Ne ρ

ρ==

（11）

式中：η—泵的效率； N —泵的轴功率，Kw ；

Ne-泵的有效功率Kw ； H —泵的扬程，m ； Q —泵的流量，m 3/s ； ρ-水的密度，Kg/m 3。 4.管路特性曲线的测定:

当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者相互制约的。

管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系。若将泵的特性曲线与管路特性曲线在同一坐标图上，两曲线交点即为泵的在该管路的工作点。因此，如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线，求出泵的特性曲线一样，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。泵的压头H 计算同上。

5.流量计性能的测定:

流体通过节流式流量计时在上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为： ρ

)

(2q 0

0V P P A C -= （12）

式中：-V q 被测流体(水)的体积流量，m 3/s ； —0C 流量系数，无因次； —0A 流量计节流孔截面积，m 2；

—下上P P -流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa ； —ρ被测流体(水)的密度，kg ／m 3 。

用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量V q ，每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数△P 和流量V q 绘制成一条曲线，即流量标定曲线。同时利用上式整理数据可进一步得到—0C Re 关系曲线。