流體力學綜合實驗

1、專業(yè)： 姓名：_ 學號： 日期： 地點： 實驗報告課程名稱：過程工程原理實驗（甲） 指導老師： 成績：_實驗名稱：流體力學綜合實驗（一、二） 實驗類型：工程實驗 同組學生姓名：姿 一、實驗目的和要求（必填）二、實驗內容和原理（必填）三、主要儀器設備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數據記錄和處理六、實驗結果與分析（必填）七、討論、心得1、流體流動阻力的測定實驗 1.1 實驗目的： 1.1.1 掌握測定流體流經直管、閥門時阻力損失的一般實驗方法 1.1.2 測定直管摩擦系數與雷諾數 的關系，驗證在一般湍流區(qū)內與 的關系曲線1.1.3測定流體流經閥門時的局部阻力系數1.1.4 識辨組成管路的各

2、種管件、閥門，并了解其作用 1.2 實驗裝置與流程： 1.2.1 實驗裝置：實驗對象部分由貯水箱、離心泵、不同管徑和材質的水管、閥門、管件、渦輪流量計、U形流量計等所組成。實驗管路部分有兩段并聯長直管，自上而下分別用于測定粗糙管直管阻力系數和光滑管直管阻力系數。同時在粗糙直管和光滑直管上分別裝有閘閥和截止閥，用于測定不同種類閥門的局部阻力阻力系數。水的流量使用渦流流量計或轉子流量計測量，管路直管阻力和局部阻力采用壓差傳感器測量。1.2.2 實驗裝置流程示意圖，如圖1，箭頭所示為實驗流程：其中：1水箱 2離心泵 3渦輪流量計 4溫度計 5光滑管實驗段 6粗糙管實驗段 7截止閥 8閘閥 9、10、

3、11、12壓差傳感器 13引水漏斗圖 1 流體力學綜合實驗裝置流程示意圖 1.3 基本原理：流體通過由直管、管件和閥門等組成的管路系統(tǒng)時，由于粘性剪應力和渦流應力的存在，要損失一定的機械能。流體流經直管時所造成的機械能損失成為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時由于流體運動方向和速度大小的改變所引起的機械能損失成為局部阻力損失。1.3.1直管阻力摩擦系數的測定：由流體力學知識可知，流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動時，阻力損失為： （1）公式中： ：流體流經l米直管的壓力將，Pa； ：直管阻力摩擦系數，無因次； d ：直管內徑，m； ：單位質量流體流經l米直管的機械能損失，J/kg； ：流體密度，kg

4、/m3； l：直管長度，m； u：流體在管內流動的平均速度，m/s；由上面的式子可知： （2）雷諾數： Re=Reu式子中：流體粘度，kg/(m·s)。湍流時是和相對粗糙度（/ d）的函數，須由實驗測定。由（2）可知，要測定，需要確定l、d，測定、u、等參數。其中l(wèi)和d由裝置參數表給出，、通過測定流體溫度，查相關手冊而得，u通過測定流體流量，再由管徑計算得到。本裝置采用渦流流量計測量流量 u=V900*d2 （3）式中：v為流量計測得的流量，m3/h 可直接從儀表中讀出根據實驗裝置結構參數l、d，指示液密度，液體溫度，以及實驗測定的 、V，求取Re和，然后將Re和在雙對數坐標圖上繪制

5、成曲線。1.3.2 局部阻力系數的測定：流體通過某一管件或者閥門時的機械能損失表示為流體在小管徑內流動時平均動能的某一倍數，局部阻力的這種算法，叫做阻力系數法。即： （4） 故： （5）式中：hf' :單位流體流經某一管件或者閥門時的機械能損失，J/kg； ：局部阻力系數，無因次； pf'：局部阻力壓力降，Pa；（pf'=pf-pfl ，即表示流體經過閥門或管件時的靜壓損失。） ：流體密度，kg/m3； g：重力加速度，9.81m/s2； u：流體在在小截面管內流動的平均速度，m/s； 根據連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，流體溫度t，以及實驗測定的相關參數，通過公

6、式（5）求取管件或閥門的局部阻力系數。 1.4 實驗步驟： 1.4.1 開啟儀表柜上的總電源、儀表電源開關。 1.4.2 實驗室已經將水泵中灌滿水，否則應先將水泵中灌滿水。然后關閉泵出口閥，啟動水泵，待電機轉動平穩(wěn)后，把泵的出口閥緩緩開到最大。然后全開流量閥，以排除測試管內的空氣。本裝置使用壓差變送器測量壓差，應先對差壓變送器兩側的引壓管進行排氣操作。 1.4.3 實驗從做最大流量開始做起，最小流量應控制在1 m3/h。由于實驗數據處理時使用的是雙對數坐標，所以實驗時每次流量變化取等比數列，這樣得到的數據點就會均勻分布。流量改變后，要等到流動達到穩(wěn)定后再讀數，實驗時同時讀取不同流量下的壓差、流

7、量和溫度等有關參數（溫度取實驗開始時與實驗結束時溫度的平均值）。 1.4.4 裝置確定時，根據p和u的實驗值，可以計算和，在等溫條件下，雷諾數Re=du，繪制Re曲線（雙對數坐標）。 1.4.5 實驗結束，關閉泵出口閥，關閉水泵電機，關閉儀表電源和總電源開關，將實驗裝置恢復原樣。 1.5 數據記錄和處理： 1.5.1 裝置參數：名稱管內徑d（mm）直管測量段長度l（mm）局部阻力測量段長度l（mm）光滑管211000660粗糙管2210006801.5.2 數據記錄和處理：水溫t=28.3，查表得：=996.2 kg/m3； =0.8418×10-3Pa·s光滑管實驗數據處

8、理序號流量 V/(m3/h)直管壓差pf（kPa）閥壓差pf（kPa）流速u/（m/s）Re/10415.238.170.94.194 10.424 0.0194 7.481 24.355.6147.783.489 8.670 0.0194 7.271 33.623.9732.62.903 7.215 0.0199 7.141 432.7621.372.406 5.979 0.0201 6.780 52.51.9614.452.005 4.983 0.0206 6.571 62.051.248.731.644 4.086 0.0193 5.876 71.740.865.611.395 3.46

9、8 0.0186 5.199 81.430.52.711.147 2.850 0.0160 3.633 91.210.311.350.970 2.412 0.0139 2.442 1010.14-0.150.802 1.993 0.0092 -0.757 110.830.05-0.970.666 1.654 0.0048 -4.545 粗糙管實驗數據處理序號流量 V/(m3/h)直管壓差pf（kPa）閥壓差pf（kPa）流速u/（m/s）Re/1045.3924.9624.963.939 10.254 0.0711 1.034 4.4721.5123.483.266 8.504 0.0890

10、1.666 3.7114.8516.662.711 7.058 0.0892 1.792 3.0710.1611.432.243 5.841 0.0892 1.804 2.526.937.791.841 4.794 0.0903 1.822 2.124.985.651.549 4.033 0.0917 1.894 1.763.624.151.286 3.348 0.0967 2.049 1.452.382.831.060 2.759 0.0936 2.167 1.211.652.020.884 2.302 0.0932 2.306 11.061.430.731 1.902 0.0877 2.6

11、66 0.830.671.010.607 1.579 0.0804 3.026 1234567891011計算示例： 取粗糙管第3組數據為例：u=V900*d2 =3.07/（900*3.1416*0.022*0.022）=2.243Re=du=0.022*2.243*996.2/（0.8418*10-3）*10-4=5.841 =2*0.022*10.16*1000/（996.2*1*2.243*2.243）=0.0892 =2*（11.43-0.68*10.16）*1000/（996.2*2.243*2.243）=1.804 1.6 實驗結果與數據分析1.6.1根據光滑管、粗糙管實驗結果，

12、在雙對數坐標上分別標繪出Re曲線（見圖2） 粗糙管 光滑管圖 2光滑管和粗糙管-Re曲線圖 3 Moody圖對照Moody圖，估算得到：光滑管：相對粗糙度/d=0.0002，絕對粗糙度=0.0002*21mm=0.0042mm粗糙管：相對粗糙度/d=0.06， 絕對粗糙度=0.06*22mm=1.32mm1.6.2 求均值得光滑管全開=5.821；粗糙管閥門全開=1.9201.6.3 由Moody圖，是雷諾數Re和相對粗糙度/d的函數。 （1）對于光滑管來說，當流體流過光滑管時，因為管的粗糙峰很小，粗糙峰都處在湍流的層流底層之下，故 /d對流動阻力不產生任何影響，因此只是Re的函數，且隨著Re

13、的增大而減小。由圖2與Moody圖對比，實驗圖中當Re在3萬到10萬區(qū)間時，穩(wěn)定在0.02左右；當Re小于3萬時，隨著Re減小而減小，從0.02減小到0.14。理論上當Re在2萬增加到10萬時，從0.025減小到0.018。實驗圖形與理論圖形有較大的差別。誤差分析：1、實驗中改變流量后進行數據采集時，等待穩(wěn)定的時間不夠長，數據還未穩(wěn)定。在數據讀取以及處理時的精確度選擇也會實驗結果產生影響。2、儀器測量精度所限，光滑管數據中，當流量在1m3/h以下時，壓差出現負值，可見當流量較小時，測量壓差的誤差較大，使得所測值偏小。3、實驗所選用的光滑管并非理想的光滑管，/d比值較大，因而不能忽略其影響。（2

14、）當流體在粗糙館內湍流流動時，Re、/d 對流動阻力均有影響，且隨著Re的增大，/d對的影響越來越重要，相反，Re的影響卻越來越弱。這是因為，/d一定時，Re越大，則暴露在湍流主體區(qū)的粗糙峰就越多，/d對的影響就越大；當 Re 增大到一定程度后，幾乎所有的粗糙峰都暴露在湍流主體區(qū)內，此時流動進入了阻力平方區(qū)，該區(qū)域的曲線趨近于水平線。這時粗糙管的摩擦損失hfu2。對比圖表和Moody可得，實驗結果與理論基本上吻合，偏離不是很大，粗糙管曲線的趨勢線接近于水平線，且處在阻力平方區(qū)內。1.6.4總體的誤差分析：（1）水槽中的水中雜質很多，導致水的密度和粘度有變化。（2）實驗所用管道內壁腐蝕或生銹，使

15、管徑數值不準確。且光滑管與理想光滑管偏差較大。（3）在讀取儀表顯示器數據時，由于數值不斷波動使讀數存在誤差。（5）由于實驗中流體溫度不斷升高，改變了流體的密度和粘度，變化范圍在5攝氏度左右，實驗數據處理時的溫度取的是起始值與終值的平均值，使得數據存在偏差。 1.7 討論、心得、思考題思考題：（1）在對裝置做排氣工作時，是否一定要關閉流程尾部的出口閥？為什么？需要關閉。關閉出口閥可以使流體充分充滿管道，保證氣體排出。（2）如何檢測管路中的空氣已經被排除干凈？調節(jié)閥門，使流體流速為0，如果p=0，則說明空氣已經排盡。（3）以水作介質所測得的 -Re 關系能否用于其它流體？可以，因為-Re 關系與管

16、內介質種類無關。（4）在不同設備上（包括不同管徑），不同水溫下測定的-Re數據能否關聯在同一條曲線上？不同設備上的相對粗糙度不同則不能關聯在同一條曲線上。若相對粗糙度均相同，則計算出實驗溫度與實驗管徑下的雷諾數與，可以關聯在同一條曲線上。參考文獻：過程工程原理實驗（甲） . 杭州：浙江大學化學工程實驗室 . 2009.8. 化工原理 上冊 . 何潮洪等 . 北京：科學出版社 . 2008.5.專業(yè)： 姓名：_ 學號： 日期： 地點： 實驗報告課程名稱：過程工程原理實驗（甲） 指導老師： 成績：_實驗名稱：流體力學綜合實驗（一、二） 實驗類型：工程實驗 同組學生姓名： 2、離心泵特性曲線的測定

17、2.1 實驗目的： 2.2.1了解離心泵結構與特性，熟悉離心泵的使用； 2.2.2測定離心泵在恒定轉速下的操作特性，做出特性曲線； 2.2.3了解差壓變送器、渦輪流量計等儀器儀表的工作原理和使用方法。 2.2 實驗裝置與流程： 2.2.1 實驗主要裝置：實驗對象部分由貯水箱、離心泵、渦輪流量計和壓差傳感器等組成，如圖3。水的流量用渦輪流量計進行測量，泵進出口壓差采用壓差傳感器進行測量，泵的軸功率由功率表測量，流體溫度由Pt100溫度傳感器測量。 圖3.離心泵曲線實驗裝置流程圖2.3 基本原理：離心泵特性曲線是選擇和使用離心泵的重要依據，其特性曲線是在恒定轉速下泵的揚程 H、軸功率 N及效率 與

18、泵的流量 Q 之間的關系曲線，它是流體在泵內流動規(guī)律的宏觀表現形式。由于泵內部流動情況復雜，不能用理論方法推倒出泵的特性關系曲線，只能依靠實驗測定。2.3.1 揚程 H 的測定與計算在離心泵進口真空表和出口壓力表處列機械能恒算方程： z1+p1g+u122g+H=z2+p2g+u122g (1)若泵進出口速度相差不大，則速度平方差可忽略，有：H=z2-z1+p2-p1g=H0+H1表值+H2 （2）式中：H0=z2-z1，表示泵出口和進口的位差，m ：流體密度，kg/m3； g：重力加速度，9.81m/s2； p表示壓力，H表示真空度和表壓對應的壓頭，u表示速度，z示壓力表安裝高度。由（2）可

19、知，只要直接讀出泵進出口測量點的高度差和壓差，就可以算出泵的揚程。本實驗直接由壓差變送器讀出壓差，計算時估算泵進出口位差為0.1m。 2.3.2 軸功率 N 的測量和計算N = N電 ´ k（W） (3) 其中，N 電為電功率表顯示數值，k 代表電機傳動效率，k=0.82.3.3效率 的計算泵的效率是指泵的有效功率Ne與軸功率N的比值。有效功率Ne是單位時間內流體通過泵獲得的實際功，軸功率N是單位時間內泵軸從電機獲得的功，兩者差異反映了水力損失、容積損失和機械損失的大小。 （4）Q：泵的流量，m3/h。2.3.4 轉速改變時的計算泵的特性曲線是在恒定轉速下的實驗測定所得，實際上電機在

20、運作時轉速會發(fā)生變化，流量Q也就跟著變化，轉速n也會變化，因此在繪制特性曲線之前，本次實驗將實驗數據根據離心泵的額定功率進行換算，換算關系如下：揚程： 流量： 軸功率： 效率不受影響。 2.4 實驗步驟： 2.4.1 開啟儀表柜上的總電源、儀表電源開關。 2.4.2 實驗室已經將水泵中灌滿水，否則應先將水泵中灌滿水。然后關閉泵出口閥，啟動水泵，待電機轉動平穩(wěn)后，把泵的出口閥緩緩開到最大。2.4.3全開流量閥，以排除測試管內的空氣。實驗從最大流量開始做起，待各儀表讀數穩(wěn)定后，讀取相應數據。（流量Q、泵進出口壓力差P、電機功率N電、泵轉速n，及流體溫度t）并記錄下設備的相關數據。 2.4.4改變流

21、量，測定10組左右數據（包括流量為0的數據）。2.4.5實驗結束，關閉泵出口閥，關閉水泵電機，關閉儀表電源和總電源開關，將實驗裝置恢復原狀。 2.5數據記錄和處理： 2.5.1 設備參數記錄：離心泵型號：Ms 100/1.1 額定轉速：2850rpm 額定流量：100L/min 額定揚程：28.4m 額定功率：1.1kw 水溫：31.9泵進出口測壓點高度H：0.1m查表得實驗溫度下水的物性：=995.0 kg/m3 =0.7714×10-3Pa·s 2.5.2 實驗數據處理序號流量 V/(m3/h)進出口壓差p/kPa電機功率N電/w泵轉速u/rpm揚程 H/m軸功率 N/

22、W效率 19.7590111728509.32 893.60.276 28.78134.491125285013.88 9000.367 37.85161.371105285016.63 8840.400 46.76188.131057285019.37 845.60.420 55.85210.341008285021.65 806.40.426 64.88230.08926286523.67 740.80.423 73.9248.19842286525.53 673.60.401 82.93249.78748286525.69 598.40.341 92249.78646288025.69

23、516.80.270 101249.78556288025.69 444.80.157 110249.78489288025.69 391.20.000 計算示例：取第7組數據H=pg+0.1 =248.19*1000/(995.0*9.81)+0.1=25.53mN=Nd*0.8=842*0.8=673.6W= =3.9*995.0*9.81*25.53/(3600*673.6)=0.4012.5.3因轉速改變換算后的數據序號流量 Q/(m3/h) 揚程 H/m軸功率 N/W效率 19.75 9.32 893.6 0.276 28.78 13.88 900.0 0.367 37.85 16.

24、63 884.0 0.400 46.76 19.37 845.6 0.420 55.85 21.65 806.4 0.426 64.85 23.42 729.2 0.423 73.88 25.26 663.1 0.401 82.91 25.42 589.1 0.341 91.98 25.16 500.8 0.270 100.99 25.16 431.0 0.157 110.00 25.16 379.1 0.000 計算示例：取第7組數據Q'=Qn'n=3.9*2850/2865=3.88m3/hH'=H(n'n)2=25.53*(2850/2865)*(2850

25、/2865)=25.26mN'=N(n'n)3=673.6*(2850/2865)*(2850/2865) *(2850/2865)=663.1W 2.6試驗結果與分析：2.6.1繪制一定轉速下的 HQ、NQ、Q 曲線 HN/%H/mN/W 2.6.2圖表分析 （1）從以上三條曲線可以看出，該離心泵的壓頭隨流量的增加而下降，軸功率隨流量的增加而增加，符合大部分離心泵的特點。效率曲線先上升后下降，當離心泵工作在額定流量6m3/h附近時，效率曲線達到最高效率點，此時所對應的流量、壓頭、軸功率為最佳工況參數。（2）由于管道輸送條件不同，離心泵或風機不可能正好在最佳工況點運行。一般選用離心泵時，其工作區(qū)的效率應不低于最高效率點的92%。取5