流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)

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沏戶/貨實(shí)驗(yàn)報(bào)告

課程名稱：過程工程原理實(shí)驗(yàn)（甲）指導(dǎo)老師：成績:

實(shí)驗(yàn)名稱：流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)（一、二）實(shí)驗(yàn)類型：工程實(shí)驗(yàn)同組學(xué)生姓名：姿

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）

三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）

七、討論、心得

1.流體流動阻力的測定實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.1.1掌握測定流體流經(jīng)直管、閥門時阻力損失的一般實(shí)驗(yàn)方法

1.1.2測定直管摩擦系數(shù)人與雷諾數(shù)的關(guān)系，臉證在一般湍流區(qū)內(nèi)人與的關(guān)系曲線

1.1.3測定流體流經(jīng)閥門時的局部阻力系數(shù)&

1.1.4識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用

1.2實(shí)驗(yàn)裝置與流程：

1.2.1實(shí)驗(yàn)裝置：

實(shí)驗(yàn)對象部分由貯水箱、離心泵、不同管徑和材質(zhì)的水管、閥門、管件、渦輪流量計(jì)、U形流量計(jì)等

所組成。實(shí)驗(yàn)管路部分有兩段并聯(lián)長直管，自上而下分別用于測定粗糙管直管阻力系數(shù)和光滑管直管阻力

系數(shù)。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(shù)。

水的流量使用渦流流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)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(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖，如圖1,箭頭所示為實(shí)驗(yàn)流程：

其中：1一一水箱2一一離心泵3一—渦輪流量計(jì)4一一溫度計(jì)5一—光滑管實(shí)驗(yàn)段

6——粗糙管實(shí)驗(yàn)段7——截止閥8—閘閥9、10、11.12—壓差傳感器13—引水漏斗

圖1流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)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(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定

的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管時所造成的機(jī)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(yùn)動

方向和速度大小的改變所引起的機(jī)械能損失成為局部阻力損失。

1.3.1直管阻力摩擦系數(shù)工的測定：

由流體力學(xué)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(jīng)I米直管的壓力將,Pa；

入：直管阻力摩擦系數(shù)，無因次；

d:直管內(nèi)徑，m；

:單位質(zhì)量流體流經(jīng)1米直管的機(jī)械能損失，J/kg；

P：流體密度,kg/

m

3

；

1：直管長度,m；

u：流體在管內(nèi)流動的平均速度，m/s；

由上面的式子可知：竺"(2)

pkr

雷諾數(shù)：Re=

ReuP

u

式子中：口：流體粘度，kg/(m?s)o

湍流時人是和相對粗糙度(￡/d)的函數(shù)，須由實(shí)驗(yàn)測定。

由(2)可知，要測定入，需要確定1、d,測定、u、P、u等參數(shù)。其中1和d由裝置參數(shù)表給出,

P、U通過測定流體溫度，查相關(guān)手冊而得,u通過測定流體流吊，再由管徑計(jì)算得到。

本裝置采用渦流流量計(jì)測量流量

U=-T(3)

900r?d2

式中：v為流量計(jì)測得的流量，

H1

3

/h

可直接從儀表中讀出

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)I、d,指示液密度，液體溫度，以及實(shí)驗(yàn)測定的、V,求取Re和入，然后將Re

和X在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上繪制成曲線。

1.3.2局部阻力系數(shù)&的測定：

流體通過某一管件或者閥門時的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動時平均動能的某一倍數(shù)，局部阻力

的這種算法，叫做阻力系數(shù)法。即：

?。弧?

2丁巖⑷

故：g=2，\Pf（5）

式中：/pg

h

:單位流體流經(jīng)某一管件或者閥門時的機(jī)械能損失,J/kg；

€:局部阻力系數(shù)，無因次；

△

P

：局部阻力壓力降,

P

a

；（△

P

△

P

f

心

P

fl

,即表示流體經(jīng)過閥門或管件時的靜壓損失。）

P:流體密度,kg/

m

3

*

g：重力加速度,9力向

s

2

9*

U：流體在在小截面管內(nèi)流動的平均速度,m/s；

根據(jù)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(shí)驗(yàn)測定的相關(guān)參數(shù)，通過公式（5）

求取管件或閥門的局部阻力系數(shù)4。

1.4實(shí)驗(yàn)步驟：

1.4.1開啟儀表柜上的總電源、儀表電源開關(guān)。

1.4.2實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將水泵中灌滿水，否則應(yīng)先將水泵中灌滿水。然后關(guān)閉泵出口閥，啟動水泵，待電機(jī)轉(zhuǎn)

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(nèi)的空氣。本裝置使用壓差變送

器測量壓差，應(yīng)先對差壓變送器兩側(cè)的引壓管進(jìn)行排氣操作。

1.4.3實(shí)驗(yàn)從做最大流量開始做起，最小流量應(yīng)控制在1

m

3

小。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時使用的是雙對數(shù)坐標(biāo)，所以實(shí)驗(yàn)時每次流展變化取等比數(shù)列，這樣得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)就

會均勻分布。流量改變后，要等到流動達(dá)到穩(wěn)定后再讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)時同時讀取不同流量下的壓差、流量和溫

度等有關(guān)參數(shù)（溫度取實(shí)驗(yàn)開始時與實(shí)驗(yàn)結(jié)束時溫度的平均值）。

1.4.4裝置確定時2根據(jù)4和u的實(shí)驗(yàn)值，可以計(jì)算入和,,在等溫條件下，雷諾數(shù)

R

duP

,繪制人~

R

e

曲線（雙對數(shù)坐標(biāo)）。

1.4.5實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉泵出口閥，關(guān)閉水泵電機(jī)，關(guān)閉儀表電源和總電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)原樣。

1.5數(shù)據(jù)記錄和處理：

1.5.1裝置參管內(nèi)徑"（mm）直管測量段長度/（mm）局部阻力測量段長度Amm）

數(shù)：

名稱

光滑管211000660

粗糙管221000680

1.5.2數(shù)據(jù)記錄和處理：

水溫t=28.3"C,查表得：P=996.2kg/

m

3

；u=0.8418X

10

T

Pa?s

光滑管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4

序號流量直管壓差閥壓差流速Re/10

v/(m3/h)z

△pf（kPa）Apf(kPa)u/(m/s)

15.238.170.94.19410.4240.01947.481

24.355.6147.783.4898.6700.01947.271

33.623.9732.62.9037.2150.01997.141

432.7621.372.4065.9790.02016.780

52.51.9614.452.0054.9830.02066.571

62.051.248.7316444086001935.876

71.740.865.611.3953.4680.01865.199

81.430.52.711.1472.8500.01603.633

91.210311.350.9702.4120.01392.442

1010.14-0.150.8021.9930.0092-0.757

110.830.05-0.970.6661.6540.00484545

粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4

序號流量直管壓差閥壓差流速Re/10X€

V/(m3/h)Apf(kPa)△pf(kPa)u/(m/s)

15.3924.9624.963.93910.2540.07111.034

24.4721.5123.483.2668.5040.08901.666

33.7114.8516.662.7117.0580.08921.792

43.0710.1611.432.2435.8410.08921.804

52.526.937.791.8414.7940.09031.822

62.124.985.651.5494.0330.09171.894

71.763.624.151.2863.3480.09672.049

81.452.382.831.0602.7590.09362.167

91.211.652.020.8842.3020.09322.306

1011.061.430.7311.9020.08772.666

110.830.671.010.6071.5790.08043.026

計(jì)算

示例：

取粗糙管第3組數(shù)據(jù)為例：

—=3.07/(900*3.1416*0.022*0.022)=2.243

R=^￡=0.022*2.243*996.2/(0.8418*10A-3)*10、4=5.841

2==2*0.022*10.16*1000/(996.2*1*2.243*2.243)=0.0892

plu-

2A/7r、

^=-7-^=2*(11.43-0.68*10.16)*1000/(996.2*2.243*2.243)=1.804

u-pg

1.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

1.6.1根據(jù)光滑管、粗糙管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在雙對數(shù)坐標(biāo)上分別標(biāo)繪出'~Rc曲線（見圖2）

圖2光滑管和粗糙管入-Re曲線

心.3

圖3Moody圖

對照Moody圖，估算得到：

光滑管：相對粗糙度e/d=0.0（X）2,絕對粗糙度￡=0.0002*2lmm=0.0（M2mm

粗糙管：相對粗糙度￡/d=0.06,名色對粗糙度￡=0.06*22mm=l.32mm

1.6.2求均值得光滑管全開&=5.821：粗糙管閥門全開&=1.920

1.6.3由Moody圖，人是雷諾數(shù)Re和相對粗糙度￡/d的函數(shù)。

（1）對于光滑管來說，當(dāng)流體流過光滑管時，因?yàn)楣艿拇植诜搴苄。植诜宥继幵谕牧鞯膶恿鞯讓又?/p>

下，故￡/d對流動阻力不產(chǎn)生任何影響，因此人只是Re的函數(shù)，且人隨著Re的增大而減小。

由圖2與Moody圖對比，實(shí)驗(yàn)圖中當(dāng)Re在3萬到10萬區(qū)間時，入穩(wěn)定在0.02左右；當(dāng)Re小于3萬

時，人隨著Re減小而減小,從0.02減小到0.14。理論上當(dāng)Re在2萬增加到10萬時，入從0.025減小到0.018。

實(shí)驗(yàn)圖形與理論圖形有較大的差別。

誤差分析：

I.實(shí)驗(yàn)中改變流量后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，等待穩(wěn)定的時間不夠長，數(shù)據(jù)還未穩(wěn)定。在數(shù)據(jù)讀取以及處理時

的精確度選擇也會實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.儀器測量精度所限，光滑管數(shù)據(jù)中，當(dāng)流審:在lnf3/h以下時，壓差出現(xiàn)負(fù)值，可見當(dāng)流量較小時,

測量壓差的誤差較大，使得所測入值偏小。

3、實(shí)驗(yàn)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）當(dāng)流體在粗糙館內(nèi)湍流流動時,Re、e/d對流動阻力均有影響，且隨著Re的增大，￡/d對人的

影響越來越重要，相反,Rc的影響卻越來越弱。這是因?yàn)?，“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對人的影響就越大；當(dāng)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(nèi)，此時流動進(jìn)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

h

oc

U

2

o

對比圖表和Moody可得，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)。

164總體的誤差分析：

（1）水槽中的水中雜質(zhì)很多，導(dǎo)致水的密度和粘度有變化。

（2）實(shí)驗(yàn)所用管道內(nèi)壁腐蝕或生銹，使管徑數(shù)值不準(zhǔn)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(shù)據(jù)時，由于數(shù)值不斷波動使讀數(shù)存在誤差。

（5）由于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

時的溫度取的是起始值與終值的平均值，使得數(shù)據(jù)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(guān)閉流程尾部的出II閥？為什么？

需要美閉。關(guān)閉出口閥可以使流體充分充涉管道，保證氣體排出。

（2）如何檢測管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈？

調(diào)節(jié)閥門，使流體流速為0,如果與=0,則說明空氣已經(jīng)排盡。

（3）以水作介質(zhì)所測得的人-Re關(guān)系能否用于其它流體？

可以，因?yàn)槿?Re關(guān)系與管內(nèi)介質(zhì)種類無關(guān)。

（4）在不同設(shè)備上（包括不同管徑），不同水溫下測定的入-Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在同一條曲線上？

不同設(shè)備上的相對粗糙度不同則不能關(guān)聯(lián)在同一條曲線上。若相對粗糙度均相同，則計(jì)算出實(shí)驗(yàn)溫度與實(shí)

驗(yàn)管徑下的雷諾數(shù)與人，可以關(guān)聯(lián)在同一條曲線上。

參考文獻(xiàn):《過程工程原理實(shí)驗(yàn)（甲）?.杭州:浙江大學(xué)化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室.2（川9.8.

《化工原理上冊》.何潮洪等.北京:科學(xué)出版社.2008.5.

專業(yè)：_______

沏戶/步實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇

日期：______

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組學(xué)生姓名：

2.離心泵特性曲線的測定

2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

2.2.1了解離心泵結(jié)構(gòu)與特性，熟悉離心泵的使用；

2.2.2測定離心泵在恒定轉(zhuǎn)速下的操作特性，做出特性曲線：

2.2.3J'解差壓變送器、渦輪流量計(jì)等儀器儀表的工作原理和使用方法。

2.2實(shí)驗(yàn)裝置與流程：

2.2.1實(shí)驗(yàn)主要裝置：

實(shí)驗(yàn)對象部分由貯水箱、離心泵、渦輪流量計(jì)和壓差傳感器等組成，如圖3。水的流量用渦輪流量

計(jì)進(jìn)行測量，泵進(jìn)出口壓差采用壓差傳感器進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jù)，其特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)速下泵的揚(yáng)程H、軸功

率N及效率n與泵的流量Q之間的關(guān)系曲線，它是流體在泵內(nèi)流動規(guī)律的宏觀表現(xiàn)形式。由于泵

內(nèi)部流動情況復(fù)雜，不能用理論方法推倒出泵的特性關(guān)系曲線，只能依靠實(shí)驗(yàn)測定。

2.3.1揚(yáng)程H的測定與計(jì)算

在離心家進(jìn)口真空表和出口壓力表處列機(jī)械能恒算方程：

Z1⑴

若泵進(jìn)出口速度相差不大，則速度平方差可忽略，有:

H=

2

z

+

p

2

P

Pg

H

0

+

H

表值

+

II

2

(2)

式中：

H

0

z

2

z

,表示泵出口和進(jìn)口的位差,m

P：流體密度,kg/

m

3

*

g：重力加速度,9.81m/

s

2

*

p表示壓力.H表示真空度和表壓對應(yīng)的壓頭,u表示速度,z示壓力表安裝高度。

由（2）可知，只要直接讀出泵進(jìn)出口測量點(diǎn)的高度差和壓差，就可以算出泵的揚(yáng)程。

本實(shí)驗(yàn)直接由壓差變送器讀出壓差，計(jì)算時估算案進(jìn)出口位差為0.1m。

2.3.2軸功率N的測量和計(jì)算

N=N電xk(W)

其中,N電為電功率表顯示數(shù)值,k代表電機(jī)傳動效率,k=0.8

2.3.3效率n的計(jì)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(nèi)流體通過泵獲得的實(shí)際功,

軸功率N是單位時間內(nèi)泵軸從電機(jī)獲得的功，兩者差異反映了水力損失、容積損失和機(jī)械損失的大小。

Q：泵的流量，

m

3

/ho

2.3.4轉(zhuǎn)速改變時的計(jì)算

泵的特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)測定所得，實(shí)際上電機(jī)在運(yùn)作時轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，流量Q也就跟

著變化，轉(zhuǎn)速n也會變化，因此在繪制特性曲線之前，本次實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)離心泵的額定功率進(jìn)行換

算，換算關(guān)系如下：

揚(yáng)程：流量：軸功率：

效率不受影響。

2.4實(shí)驗(yàn)步驟：

2.4.1開啟儀表柜上的總電源、儀表電源開關(guān)。

2.4.2實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將水泵中灌滿水，否則應(yīng)先將水泵中灌滿水。然后關(guān)閉泵出口閥，啟動水泵，待電

機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)的空氣。實(shí)驗(yàn)從最大流量開始做起，待各儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)

數(shù)據(jù)。（流量Q、泵進(jìn)出口壓力差P、電機(jī)功率N電、泵轉(zhuǎn)速n,及流體溫度t）并記錄下設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.4.4改變流量，測定10組左右數(shù)據(jù)（包括流量為。的數(shù)據(jù)）。

245實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉泵出口「%關(guān)閉水泵電機(jī)，關(guān)閉儀表電源和總電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)原狀。

2.5數(shù)據(jù)記錄和處理：

2.5.1設(shè)備參數(shù)記錄：

離心泵型號：Ms100/1.1額定轉(zhuǎn)速：2850rpm額定流量：100L/min

額定揚(yáng)程:28.4m額定功率：l.lkw水溫:31.9℃

泵進(jìn)出口測壓點(diǎn)高度H:0.1m

查表得實(shí)驗(yàn)溫度下水的物性：P=995.0kg/

m

3

P=0.7714X

10

-3

Pa,s

2.5.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

~量進(jìn)出口壓電機(jī)功率泵轉(zhuǎn)速揚(yáng)程H/m軸功率效率“―

V/（m3/h）差A(yù)p/kPaN電/wu/rpmN/W

19.7590111728509.32893.60.276

28.78134.491125285013.889000.367

37.85161.371105285016.638840.400

46.76188.131057285019.37845.60.420

55.85210.341008285021.65806.40.426

64.88230.08926286523.67740.80.423

73.9248.19842286525.53673.60.401

82.93249.78748286525.69598.40.341

92249.78646288025.69516.80.270

101249.78556288()25.69444.80.157

110249.78489288025.69391.20.000

計(jì)算示例:取第7組數(shù)據(jù)

H=任+0.1=248.19*1000/(995.0*9.81)+0.1=25.53m

gp

N=Nd*0.8=842*0.8=673.6W

n=to^=3.9*995.0*9.81*25.53/(3600*673.6)=0.401

N

2.5.3因轉(zhuǎn)速改變換算后的數(shù)據(jù)

序號揚(yáng)程H7m軸功率N7W效率T]'

流量Q7(m71i)

19.759.32893.60.276

28.7813.88900.00.367

37.8516.63884.00.400

46.7619.37845.60.420

55.8521.65806.40.426

64.8523.42729.20.423

73.8825.26663.10.401

82.9125.42589.10.341

91.9825.16500.80.270

100.9925.16431.00.157

110.0025.16379.1().000

計(jì)算示例:取第7組數(shù)據(jù)

Q'=QJ=3.9*2850/2865=3.88mA3/h

H'=H+2=25.53*(285()/2865)*(2850/2865)=25.26m

Nz=N(g)3=673.6*(2850/2865)*(2850/2865)*(2850/2865)=663.1W

2.6試驗(yàn)結(jié)果與分析：

2.6.1繪制一定轉(zhuǎn)速下的H~Q、N~Q、n-Q曲線

N/W

H/mn/%

1000ro.5

26-

24-900

-0.4

22-

800

20--0.3

700

18-

-0.2

16-600

1