流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

離心泵特性測定實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）能進(jìn)行離心泵特性曲線測定實(shí)驗(yàn)，測出揚(yáng)程、功率和效率與流量的關(guān)系曲線圖；

（2）學(xué)習(xí)工業(yè)上流量、功率、轉(zhuǎn)速、壓力和溫度等參數(shù)的測量方法，使學(xué)生r解玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓

力表、以及相關(guān)儀表的原理和操作。

一、基本原理

離心泵的特性曲線是選擇和使用離心泵的重要依據(jù)之一，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(dòng)規(guī)律的宏觀表現(xiàn)形式。由于泵

內(nèi)部流動(dòng)情況及雜，不能用理論方法推導(dǎo)出泵的特性關(guān)系曲線，只能依靠實(shí)驗(yàn)測定。

1.流量的測定

流量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)，同時(shí)記錄水溫表的讀數(shù)t。通過水溫表的讀數(shù)t查水在操作條件下的密

度，通過式（1）對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量進(jìn)行校正。

(1)

----轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)，nrVh

q、，2----流體實(shí)際流量，nRh

pi——標(biāo)定溫度下（20℃）水的密度，1000kg/m5

P2——操作溫度下水的密度，kg/m3

pj一一轉(zhuǎn)子的密度，近似為kg/m3

由于轉(zhuǎn)子流量計(jì)密度4比m和〃2大很多，（力■〃/）和（勿以），因此，式（1）可以簡化為:

2.揚(yáng)程H的測定與計(jì)算

取離心泵進(jìn)口真空表和出口壓力表處為1、2兩截面，列機(jī)械能衡算方程：

22

+—+—+H+—+—+Ehf（3）

pg2gtpg2g

山于兩截面間的管長較短，通?？珊雎宰枇?xiàng)2%，速度平方差也很小故可忽略，則有

〃。二(z2-zj+----—<4)

Pg

式中：

P---流體密度，kg/m3；

g——重力加速度nVs2；

pi，P2一一分別為泵進(jìn)、出口的真空度和表壓，Pa；

山、U2---分別為泵進(jìn)、出口的流速，m/s；

zi>Z2---分別為真空表、壓力表的安裝高度，m。

由上式可知，只要直接讀出真空表和壓力表上的數(shù)值，及兩表的安裝高度差，就可計(jì)算出泵的

揚(yáng)程。

3.軸功率N的測量與計(jì)算

N=N迅xk(W)(5)

其中，N電為電功率表顯示值，k代表電機(jī)傳動(dòng)效率，可取&=0.95。

4.效率n的計(jì)算

泵的效率n是泵的有效功更Ne與軸功率N的比值。有效功率Nc是單位時(shí)間內(nèi)流體經(jīng)過泵時(shí)所獲

得的實(shí)際功率，軸功率N是單，立時(shí)間內(nèi)泵軸從電機(jī)得到的功，兩者差異反映了水力損失、容枳損失和

機(jī)械損失的大小。

泵的有效功率Ne可用下式計(jì)算：

Ne=HQpg(6)

故泵效率為HQ^xl()0%(7)

N

5.轉(zhuǎn)速改變時(shí)的換算

泵的特性曲線是在定轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)測定所得。但是，實(shí)際上感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩改變時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)

有變化，這樣隨著流量Q的變化，多個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速n將有所差異，因此在繪制特性曲線之前，須將

實(shí)測數(shù)據(jù)換算為某一定轉(zhuǎn)速d下(可取離心泵的額定轉(zhuǎn)速2900rpm)的數(shù)據(jù)。換算關(guān)系如下：

流量Q=Q-(8)

n

揚(yáng)程=2(9)

n

f

軸功率N'=N(勺3(10)

n

效率(11)

二、實(shí)驗(yàn)裝置與流程

離心泵特性曲線測定裝置流程圖如下：本實(shí)驗(yàn)采用光滑管做實(shí)驗(yàn)，測定泵的特性曲線。

1一水箱；2一進(jìn)口壓力表；3一雙金屬溫度計(jì)；4一灌泵漏斗；5一出口壓力表；6—玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)；7

一局部阻力管；8—電氣控制箱；9一局部阻力管上的閘閥VI；10—光滑管：11—倒U型差壓計(jì)；12

一均壓環(huán)；13—粗糙管：14一管路選擇球閥fl、f2、f3；15一出口流量調(diào)節(jié)閘閥V2

圖1實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖

三、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)

1.實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）清理水箱中的雜質(zhì)，然后加裝實(shí)驗(yàn)用水。通過濯泵漏斗給離心泵灌水，直到排出泵內(nèi)氣體。

（2）檢查各閥門開度和儀表自檢情況，關(guān)閉出口流量調(diào)節(jié)間閥V2,開啟離心泵，當(dāng)泵達(dá)到額定

轉(zhuǎn)速后方可逐步打開此出口閥。

（3）選擇光滑管作為實(shí)驗(yàn)管路，關(guān)閉粗糙管的閥門fl和帶局部阻力管的閥門f3o

（4）實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)閘閥V2以增大流量，待各儀表讀數(shù)顯示穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。離心泵

特性實(shí)驗(yàn)主要獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：流量Q、泵進(jìn)口壓力口、泵出口壓力P2、電機(jī)功率Ng泵轉(zhuǎn)速n,及

流體溫度I和兩測壓點(diǎn)間高度差Ho（Ho=0.lm）o

（5）測取10組左右數(shù)據(jù)后，可以停泵，同時(shí)記錄下設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)（如離心泵型號(hào)，額定流量、

額定轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和功率等），停泵前先將出口閥關(guān)閉。

2.注意事項(xiàng)：

（1）一般每次實(shí)驗(yàn)前，均需對(duì)泵進(jìn)行灌泵操作，以防止離心泵氣縛。同時(shí)注意定期對(duì)泵進(jìn)行保養(yǎng),

防止葉輪被固體顆粒損壞。

（2）泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，勿觸碰泵主釉部分，因其高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)纏繞并傷害身體接觸部位。

（3）不要在出口閥關(guān)閉狀態(tài)下長時(shí)間使泵運(yùn)轉(zhuǎn)，一般不超過三分鐘，否則泵中液體循環(huán)溫度升高,

易生氣泡，使泵抽空。

四、數(shù)據(jù)處理

（1）記錄實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)如下表：

實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)人員：學(xué)號(hào)：裝置號(hào):

離心泵型號(hào)=,額定流量=,額定揚(yáng)程=,額定功率=

泵進(jìn)出口測壓點(diǎn)高度差H（尸，流體溫度1=

轉(zhuǎn)子流量計(jì)流體實(shí)際泵進(jìn)口壓力泵出口壓力P2電機(jī)功率N電泵轉(zhuǎn)速n

熨驗(yàn)次數(shù)

讀數(shù)L/h流量m3/hpiMPaMPakWr/m

（2）根據(jù)原理部分的公式，按比例定律校合轉(zhuǎn)速后，計(jì)算各沆量下的泵揚(yáng)程、軸功率和效率，如下表:

校正后流量Q揚(yáng)程H軸功率N泵效率n

實(shí)驗(yàn)次數(shù)m3/hmkW%

五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告

I.分別繪制一定轉(zhuǎn)速下的H?Q、N~Q、n?Q曲線

2.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，判斷泵最為適宜的工作范圍。

六、思考題

1.試從所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，離心泵在啟動(dòng)時(shí)為什么要關(guān)閉出口閥門？

2.啟動(dòng)離心泵之前為什么要引水灌泵？如果灌泵后依然啟動(dòng)不起來，你認(rèn)為可能的原因是什

么？

3.為什么用泵的出口閥門調(diào)節(jié)流量？這種方法有什么優(yōu)缺點(diǎn)？是否還有其他方法調(diào)節(jié)流量？

4.正常工作的離心泵，在其進(jìn)口管路上安裝閥門是否合理？為什么？

流體流動(dòng)阻力測定實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

I.掌握測定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時(shí)阻力損失的一般實(shí)驗(yàn)方法。

2.測定宜管摩擦系數(shù)九與雷諾準(zhǔn)數(shù)Rc的關(guān)系，驗(yàn)證在一般湍流區(qū)內(nèi)入與Re的關(guān)系曲線。

3.測定流體流經(jīng)管件、閥門時(shí)的局部阻力系數(shù)自。

4.學(xué)會(huì)倒U形壓差計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)的使用方法。

5.識(shí)辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。

二、基本原理

流體通過由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時(shí)，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(shí)所造成機(jī)械能損失稱為直管阻力損失。流體通過

管件、閥門時(shí)因流體運(yùn)動(dòng)方向和速度大小改變所引起的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。

1.直管阻力摩擦系數(shù)2的測定

流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，阻力損失為：

W=——-=--------=4---(1)

rppd2

即，A=----「一(2)

plu~

式中：入一直管阻力摩擦系數(shù)，無因次；

d—直管內(nèi)徑，m；

A/。一流體流經(jīng)/米直管的壓力降，Pa：

%.一單位質(zhì)量流體流經(jīng)/米直管的機(jī)械能損失，J/kg；

p—流體密度，kg/m3；

/一直管長度，m；

“一流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均流速，nVso

滯流（層流）時(shí),

1

式中：Re—雷諾準(zhǔn)數(shù)，無因次；

"一流體粘度，kg/（m-s）＜

湍流時(shí)7是雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和相對(duì)粗糙度（￡/d）的函數(shù)，須由實(shí)驗(yàn)確定。

由式（2）可知，欲測定;I,需確定/、d,測定A%.、〃、p、〃等參數(shù)"I、）為裝置參數(shù)（裝置參

數(shù)表格中給出），p、〃通過測定流體溫度，再查有關(guān)手冊而得，〃通過測定流體流量，再白管徑計(jì)算

得到。

本裝置采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測流量，V,m3/ho

3600成

可用倒置U型管測定?！鳌?計(jì)算方法為

△Pf=pgR

式中：R—水柱高度，m。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)人"，指示液密度0。，流體溫度to（查流體物性p、"），及實(shí)驗(yàn)時(shí)測定的

流量V、液柱壓差計(jì)的讀數(shù)R,通過式（5）、（6））、（4）和式（2）求取Re和九再將Re和2標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐

標(biāo)圖上。

2.局部阻力系數(shù)4的測定

流體通過某一管件或閥門時(shí)的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動(dòng)時(shí)平均動(dòng)能的某一倍數(shù)，局

部阻力的這種計(jì)算方法，稱為阻力系數(shù)法。即：

式中：自一局部阻力系數(shù)，無因次；

△P：一局部阻力壓強(qiáng)降，Pa；（木裝置中，所測得的壓降應(yīng)扣除兩測壓口間直管段的壓降，直管段

的壓降由直管阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果求取。）即：

~△夕總一八夕f直管

其中，Cp總由U型壓差計(jì)測定

2

A1IU

△0直管=P'7"7

aZ

p—流體密度，kg/m3；

g—重力加速度,9.8lm/s2；

〃一流體在小截面管中的平均流速，m/s.

久為光滑管的測量結(jié)果。

待測的管件和閥門由現(xiàn)場指定。本實(shí)驗(yàn)采用阻力系數(shù)法表示管件或閥門的局部阻力損失。

根據(jù)連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，指示液密度p。，流體溫度to（查流體物性p、"），

及實(shí)驗(yàn)時(shí)測定的流量V、液柱壓差計(jì)的讀數(shù)R,通過式（5）、（6〕、（10）求取管件或閥門的局部阻力系數(shù)短

三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程

I.實(shí)臉裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖I所示：

3

1—水箱；2一離心泵；3一進(jìn)口壓力表；4一雙金屬溫度計(jì)；5—出口壓力表；6—玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)；7—

局部阻力管；8—電氣控制柜；9一光滑管；10一均壓環(huán)；11一倒U型差壓計(jì)；12—粗糙管；13—管路

選擇球閥fl、及、f3；14一局部管上的閘閥VI；15一引壓管；16-出口流量調(diào)節(jié)閘閥V2

圖1實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖

2.實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)對(duì)象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的小管，各種閥門、管件，玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)

和倒U型差壓計(jì)等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，分別為用于測定粗糙管直管阻力系數(shù)、

光滑管直管阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)。粗糙管直管阻力的測定對(duì)象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管；光滑

管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管；測定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測管

件（閘閥）。

水的流量使用玻璃轉(zhuǎn)子流晝計(jì)測量，管路和管件的阻力采用均壓環(huán)和引壓管將壓力傳遞給倒U型

差壓計(jì)直接顯示壓差。

3.裝置參數(shù)

裝置參數(shù)如表1所示。

4

表1裝置管尺寸

管內(nèi)徑(mm)測量段長度

名稱材質(zhì)

管路號(hào)管內(nèi)徑(cm)

裝置1局部阻力閘閥1A20.095

光滑管不銹鋼管1B20.0100

粗糙管鍍鋅鐵管1C21.0100

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:

清洗水箱，清除底部雜物，防止損壞泵的葉輪和轉(zhuǎn)子流量計(jì)。關(guān)閉箱底側(cè)排污閥，灌清水至高水

箱上緣約15cm高度，既可提供足夠的實(shí)驗(yàn)用水又可防止出口管處水花飛濺。

2.泵排氣、灌泵

打開離心泵旁的小出口閥，打開閥門聯(lián)通漏斗和離心泵，開始灌泵，直到離心泵旁的小出口管不

再排出氣體，關(guān)上小出口閥。保證漏斗中有一定高度液位，關(guān)閉漏斗下的閥門。

3.泵的啟動(dòng)

接通控制柜電源，打開總開關(guān)電源及儀表電源，進(jìn)行儀表自檢。打開所有管路閥門，關(guān)閉出口調(diào)

節(jié)閥V2。啟動(dòng)水泵，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，把出口閥V2緩緩開到最大。

4.引壓管排氣:

打開所有管路上的引壓閥，對(duì)倒U型管進(jìn)行操作如F，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

a)排出系統(tǒng)和引壓管內(nèi)的氣泡

關(guān)閉管路總出口閥V2,使系統(tǒng)處于零流量、高揚(yáng)

程狀態(tài)。關(guān)閉進(jìn)氣閥門⑶和平衡閥門(4)。打開高壓側(cè)

閥門(2)和低壓側(cè)閥門(1)以及出水活栓(5)使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的

水經(jīng)過系統(tǒng)管路、導(dǎo)壓管、高壓側(cè)閥門(1)、倒U形管、

低壓側(cè)閥門(2),從出水活松(5)排出系統(tǒng)，并使水流出

一會(huì)。

圖2倒U型管壓差計(jì)

1一低壓側(cè)閥門：2—高壓側(cè)閥門；3一進(jìn)氣閥門:

4一平衡閥門：5一出水網(wǎng)門

b)玻璃管吸入空氣

5

排凈氣泡后，關(guān)閉(1)和(2)兩個(gè)閥門，打開進(jìn)氣閥(3)和平衡閥(4),保持出水活栓⑸打開，使

玻璃管內(nèi)的水排凈并吸入空氣。

c)平衡水位

關(guān)閉閥(4)、(5)、(3),然后打開(1)和(2)兩個(gè)閥門，讓水進(jìn)入玻璃管至平衡水位(此時(shí)系統(tǒng)中

的出水閥門始終是關(guān)閉的，管路中的水在零流量時(shí)，U形管內(nèi)水位是平衡的；如不平衡，打

開閥(4)使壓差計(jì)兩邊水位平衡。壓差計(jì)即處于待用狀態(tài)。

5.實(shí)驗(yàn)管路選擇：

選擇實(shí)驗(yàn)管路，關(guān)閉非實(shí)驗(yàn)管路閥門，待測環(huán)路的導(dǎo)壓管閥門打開，其他管路的導(dǎo)壓管閥門關(guān)閉,

開始實(shí)驗(yàn)測定。被測對(duì)象在不同流量下對(duì)應(yīng)的差壓，就反應(yīng)為倒U型管壓差計(jì)的左右水柱之差。

6.流量調(diào)節(jié)：

進(jìn)行不同流量卜.的管路壓差測定實(shí)驗(yàn)。讓流量在轉(zhuǎn)子流量計(jì)量程范圍內(nèi)變化，由小到大或由大到

小調(diào)節(jié)管路總出口閥，每次改變流量，待流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，讀取各項(xiàng)數(shù)據(jù)，共作8—10組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。主

要獲取實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：流量Q、測量段壓差A(yù)P,及流體溫度t。

7.計(jì)算：

裝置確定時(shí)，根據(jù)和u的實(shí)驗(yàn)測定值，可計(jì)算入和。在等溫條件下，雷諾數(shù)Re=dup/|i=Au,

其中A為常數(shù)，因此只要調(diào)節(jié)管路流量，即可得到一系列入?Re的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，從而繪出兀?R?曲線。

8.實(shí)驗(yàn)結(jié)束：

實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉管路總出口閥，然后關(guān)閉泵開關(guān)和控制柜電源，將該管路的進(jìn)口球閥和對(duì)應(yīng)均壓

環(huán)上的引壓閥關(guān)閉，清理裝置(若長期不用，則管路殘留水可從排空閥進(jìn)行排空，水箱的水也通過排

水閥排空)。

6

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)I:述實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)填寫到下表：

實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)人員：學(xué)號(hào)：裝置號(hào)：

直管基本參數(shù)：光滑管徑局部阻力管徑流體溫度：

轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀實(shí)際流量