化工原理实验讲义(学生版)

化工原理实验

实验一 流体力学综合实验

一、实验目的

1、了解管路粗糙度及管件对流动阻力的影响。

2、测定水在管道内流动时的直管阻力损失，作出λ与Re 的关系曲线。

3、测定水在管道内流动时的局部阻力损失，测量和计算不同开度下截止阀的局部阻力系数ζ或当量长度l e 。

4、测定一定转速下，离心泵的特性曲线。

二、实验原理

1. 摩擦阻力系数 λ～Re

流体在管道内流动时，由于内摩擦力的存在，必然有能量损耗，此损耗能量为直管阻力损失。根据柏努利方程，对等直径的1、2两截面间的直管阻力损失为：

图1 直管阻力测量原理示意图

ρ

p

h f ∆=

（1）

由因次分析法得

2

2

u d l h f ⋅⋅=λ

（2）

2

2d p

l u λρ∆=

⋅ （2） μ

ρ

⋅⋅=

u d Re （3）

⎪⎭

⎫ ⎝

⎛

=d f ελRe,

（4）

式中： h f − 直管阻力损失 (J/kg)； λ − 摩擦阻力系数；

l 、d 、ε − 直管的长度、管内径和绝对粗糙度 (m)； ∆p − 流体流经直管的压降 (Pa)；

ρ 、μ − 分别是流体的密度 (kg/m 3) 和粘度 (Pa ⋅s)； u − 流体在管内的平均流速 (m/s)。

由公式（2）可以看出，流体流动时的摩擦阻力损失与管道的长度成正比，与管道的直径成反比。流体的平均速度越高，阻力损失越大。利用公式（2）计算直管阻力损失时，需要知道不同雷诺数下摩擦阻力系数的值。穆迪图给出了

λ~Re 的关系曲线。本实验装置可以利用上面的公式来验证直管阻力损失计算，测定λ~Re 的关系曲线。

流体在长度和直径一定的管道内流动时，利用U 型管压差计实验测出一定流量下流体流经该长度管段所产生的压降，即可算得 h f ，利用公式（2）可得到

λ，根据流速和物性数据可按公式（5）计算出对应的雷诺数Re ，从而关联出 λ 与Re 的关系曲线。

改变实验管可得出不同粗糙度（不同材质直管）的λ 与Re 的关系曲线。 2. 当量长度l e 和局部阻力系数 ζ

流体在流经阀门、管件时，由于流道方向或大小的改变，造成流体的剧烈湍动，造成的能量损失称为局部阻力损失。 （1）当量长度法

流体通过管件、阀门等的局部阻力损失，若与流体流过一定长度的相同管径的直管阻力相当，则称这一直管长度为管件或阀门的当量长度，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。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合并在一起计算，则流体在管路中的总阻力损失为

2

2

e f f f l l u h h h d λ+'∑=+=⋅⋅ （5）

2

2

e f l u h d λ'=⋅⋅

（6）

式中： f h ' − 局部阻力损失 (J/kg)； l e − 当量长度 (m)；

（2）局部阻力系数法

流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法，即

2

2

f u h ζ'=⋅

（7）

式中： ζ − 局部阻力系数；

图2 局部阻力测量原理示意图

测出一定流速时流体通过阀门或管件的压降h f ，就可利用公式（6）、（7）计算出对应的当量长度或局部阻力系数。 3.离心泵的特性曲线

离心泵的特性，可用该泵在一定转速下，流量与扬程，流量与功率以及流量与效率三种曲线表示，即)(1Q f H =，)(2Q f N =，)(2Q f =η曲线。若将H 、N 和η 对Q 间的关系分别标绘在同一直角坐标上所得的三条曲线，即为离心泵的特性曲线。

经离心泵输送的流量Q 由涡轮流量计测定。

如果水箱液面和离心泵入口高度相同，在水箱液面和离心泵出口压力表之间列出柏努利方程式，可确定水经离心泵所增加的能量（mH 2O ），此能量称为扬程H ，其计算式为：

∑+++=f H g

u g p g p H 22

ρρ真

表

其中 H — 离心泵扬程(mH 2O)；

p 表—离心泵出口表压(Pa)； p 真—离心泵入口真空度(Pa)； u — 离心泵出口管内流速(m/s)；

ρ − 流体密度(kg/m 3)；

0≈∑f

H

离心泵的轴功率N （kW ）是指泵轴所消耗的电功率，实验采用功率表测定后，以下式进行计算。

传电电ηη⨯⨯=N N

式中：N — 离心泵轴功率（kW ）； η电 — 电动机效率，近似取为0.75； η传 — 机械传动效率，近似取为0.95； N 电 — 电动机的输入功率，由功率表测定。 离心泵的效率η 是理论功率与轴功率的比值。即

N

N t

=

η 而理论功率N t 是离心泵对水所作的有效功，即

102

ρQH N t =（kW ）

三、实验流程和主要设备

1．综合流体力学实验流程

综合流体力学实验流程见图1。 2. 主要设备及仪表

（1） 供水系统：循环水箱、离心泵IS50-32-125、电机2200W ； （2） 测压系统：差压变送器、测压环、连接管路、小球阀； （3） 流量系统：涡轮流量计LWGW40、变送器；

（4） 控制柜：智能数显仪、功率表SWP-W-C80、转速表、变频器； （5） 管路系统：由不锈钢管、碳钢管构成循环体系。