流體力學(xué)綜合實驗

1、專業(yè)： 姓名：_ 學(xué)號： 日期： 地點： 實驗報告課程名稱：過程工程原理實驗（甲） 指導(dǎo)老師： 成績：_實驗名稱：流體力學(xué)綜合實驗（一、二） 實驗類型：工程實驗 同組學(xué)生姓名：姿 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒嶒瀮?nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結(jié)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?zāi)康模?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驗方法 1.1.2 測定直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù) 的關(guān)系，驗證在一般湍流區(qū)內(nèi)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

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(zhì)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(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或轉(zhuǎn)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(xué)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(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)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)l米直管的壓力將，Pa； ：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)l米直管的機(jī)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(nèi)流動的平均速度，m/s；由上面的式子可知： （2）雷諾數(shù)： 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(shù)，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(shù)。其中l(wèi)和d由裝置參數(shù)表給出，、通過測定流體溫度，查相關(guān)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(jù)實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)坐標(biāo)圖上繪制

5、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： （4） 故： （5）式中：hf' :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； pf'：局部阻力壓力降，Pa；（pf'=pf-pfl ，即表示流體經(jīng)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(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，以及實驗測定的相關(guān)參數(shù)，通過公

6、式（5）求取管件或閥門的局部阻力系數(shù)。 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(guān)。 1.4.2 實驗室已經(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 實驗從做最大流量開始做起，最小流量應(yīng)控制在1 m3/h。由于實驗數(shù)據(jù)處理時使用的是雙對數(shù)坐標(biāo)，所以實驗時每次流量變化取等比數(shù)列，這樣得到的數(shù)據(jù)點就會均勻分布。流量改變后，要等到流動達(dá)到穩(wěn)定后再讀數(shù)，實驗時同時讀取不同流量下的壓差、流

7、量和溫度等有關(guān)參數(shù)（溫度取實驗開始時與實驗結(jié)束時溫度的平均值）。 1.4.4 裝置確定時，根據(jù)p和u的實驗值，可以計算和，在等溫條件下，雷諾數(shù)Re=du，繪制Re曲線（雙對數(shù)坐標(biāo)）。 1.4.5 實驗結(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)，將實驗裝置恢復(fù)原樣。 1.5 數(shù)據(jù)記錄和處理： 1.5.1 裝置參數(shù)：名稱管內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)果與數(shù)據(jù)分析1.6.1根據(jù)光滑管、粗糙管實驗結(jié)果，

12、在雙對數(shù)坐標(biāo)上分別標(biāo)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(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(chǎn)生任何影響，因此只是Re的函數(shù)，且隨著Re

13、的增大而減小。由圖2與Moody圖對比，實驗圖中當(dāng)Re在3萬到10萬區(qū)間時，穩(wěn)定在0.02左右；當(dāng)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(dāng)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(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驗結(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)流量在1m3/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(dāng)流體在粗糙館內(nèi)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(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hfu2。對比圖表和Moody可得，實驗結(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)。1.6.4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）實驗所用管道內(nèi)壁腐蝕或生銹，使

15、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(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)閉流程尾部的出口閥？為什么？需要關(guān)閉。關(guān)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(jīng)被排除干凈？調(diào)節(jié)閥門，使流體流速為0，如果p=0，則說明空氣已經(jīng)排盡。（3）以水作介質(zhì)所測得的 -Re 關(guān)系能否用于其它流體？可以，因為-Re 關(guān)系與管

16、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-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，則計算出實驗溫度與實驗管徑下的雷諾數(shù)與，可以關(guān)聯(lián)在同一條曲線上。參考文獻(xiàn)：過程工程原理實驗（甲） . 杭州：浙江大學(xué)化學(xué)工程實驗室 . 2009.8. 化工原理 上冊 . 何潮洪等 . 北京：科學(xué)出版社 . 2008.5.專業(yè)： 姓名：_ 學(xué)號： 日期： 地點： 實驗報告課程名稱：過程工程原理實驗（甲） 指導(dǎo)老師： 成績：_實驗名稱：流體力學(xué)綜合實驗（一、二） 實驗類型：工程實驗 同組學(xué)生姓名： 2、離心泵特性曲線的測定

17、2.1 實驗?zāi)康模?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； 2.2.3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(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(jù)，其特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)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(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，只能依靠實驗測定。2.3.1 揚程 H 的測定與計算在離心泵進(jìn)口真空表和出口壓力表處列機(jī)械能恒算方程： z1+p1g+u122g+H=z2+p2g+u122g (1)若泵進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(shù)值，k 代表電機(jī)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(nèi)流體通過泵獲得的實際功，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。 （4）Q：泵的流量，m3/h。2.3.4 轉(zhuǎn)速改變時的計算泵的特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)速下的實驗測定所得，實際上電機(jī)在

20、運作時轉(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，本次實驗將實驗數(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(guān)。 2.4.2 實驗室已經(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。實驗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

21、量，測定10組左右數(shù)據(jù)（包括流量為0的數(shù)據(jù)）。2.4.5實驗結(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)，將實驗裝置恢復(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：Ms 100/1.1 額定轉(zhuǎn)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(jìn)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(shù)據(jù)處理序號流量 V/(m3/h)進(jìn)出口壓差p/kPa電機(jī)功率N電/w泵轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)速改變換算后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)果與分析：2.6.1繪制一定轉(zhuǎn)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(dāng)離心泵工作在額定流量6m3/h附近時，效率曲線達(dá)到最高效率點，此時所對應(yīng)的流量、壓頭、軸功率為最佳工況參數(shù)。（2）由于管道輸送條件不同，離心泵或風(fēng)機(jī)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(yīng)不低于最高效率點的92%。取5