化工原理实验报告
流体力学综合实验
姓名：
学号：
班级号：
实验日期：2016
实验成绩：
流体力学综合实验
一、实验目的：
1.测定流体在管道内流动时的直管阻力损失，作出λ与Re的关系曲线。
2.观察水在管道内的流动类型。
3.测定在一定转速下离心泵的特性曲线。
二、实验原理
1、求
λ
与Re的关系曲线
流体在管道内流动时，由于实际流体有粘性，其在管内流动时存在摩擦阻力，必然会引起流体能量损耗，此损耗能量分为直管阻力损失和局部阻力损失。流体在水平直管内作稳态流动（如图1所示）时的阻力损失可根据伯努利方程求得。
以管中心线为基准面，在1、2截面间列伯努利方程:
图1
流体在1、2截面间稳定流动
因u1=u2，z1=z2，故流体在等直径管的1、2两截面间的阻力损失为
流体流经直管时的摩擦系数与阻力损失之间的关系可由范宁公式求得，其表达式为
由上面两式得：
而
由此可见，摩擦系数与流体流动类型、管壁粗糙度等因素有关。由因此分析法整理可形象地表示为
式中：-----------直管阻力损失，J/kg；
------------摩擦阻力系数；
----------直管长度和管内径，m；
---------流体流经直管的压降，Pa；
-----------流体的密度，kg/m3；
-----------流体黏度，Pa.s；
-----------流体在管内的流速，m/s；
流体在一段水平等管径管内流动时，测出一定流量下流体流经这段管路所产生的压降，即可算得。两截面压差由差压传感器测得；流量由涡轮流量计测得，其值除以管道截面积即可求得流体平均流速。在已知管径和平均流速的情况下，测定流体温度，确定流体的密度和黏度，则可求出雷诺数，从而关联出流体流过水平直管的摩擦系数与雷诺数的关系曲线图。
2、求离心泵的特性曲线
三、实验流程图
流体力学实验流程示意图
转子流量计
离心泵
压力表
真空压力表
水箱
闸阀1
闸阀2
球阀3
球阀2
球阀1
涡轮流量计
孔板流量计
∅35×2钢管
∅35×2钢管
∅35×2铜管
∅10×2钢管
四、实验操作步骤
1、求
λ
与Re的关系曲线
1)
根据现场实验装置，理清流程，检查设备的完好性，熟悉各仪表的使用方法。
2)
打开控制柜面上的总电源开关，按下仪表开关，检查无误后按下水泵开关。
3)
打开球阀1，调节流量调节闸阀2使管内流量约为10.5，逐步减小流量，每次约减少0.5，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4后停止实验。
4)
打开球阀2，关闭球阀1，重复步骤（3）。
5)
打开球阀2和最上层钢管的阀，调节转子流量计，使流量为40，逐步减小流量，每次约减少4，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4时停止实验。完成直管阻力损失测定。
2、求离心泵的特性曲线
1)
根据现场实验装置，理清流程，检查设备的完好性，熟悉各仪表的使用方法。
2)
打开控制柜面上的总电源开关，按下仪表开关，先关闭出口阀门，检查无误后按下水泵开关。
3)
打开球阀2，调节流量调节阀1使管内流量，先开至最大，再逐步减小流量，每次约减少1，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4后停止实验，记录9-10组数据。
4)
改变频率为35Hz，重复操作（3），可以测定不同频率下离心泵的特性曲线。
五、实验数据记录
1、设备参数：；
；
2、实验数据记录
1）求
λ
与Re的关系曲线
铜管湍流
钢管湍流
序号
qv(m3h)
∆p(kpa)
序号
qv(m3h)
∆p(kpa)
8.7
3.14
11.1
4.65
8.3
2.90
10.5
4.20
7.9
2.66
9.9
3.78
7.5
2.40
9.3
3.38
7.1
2.21
8.7
3.00
6.7
1.97
8.1
2.61
6.3
1.77
7.5
2.25
5.9
1.55
6.9
1.97
5.5
1.38
6.3
1.68
5.1
1.21
5.7
1.40
4.7
1.04
5.1
1.16
钢管层流
序号
qv(Lh)
∆p(pa)
935
701
500
402
340
290
230
165
116
582、求离心泵的特性曲线
30Hz离心泵数据记录
序号
流量
真空表
压力表
电机功率
15.65
-2200
28000
694
14.64
-2000
31000
666
13.65
-1800
37000
645
12.65
-1200
40000
615
11.62
200
42000
589
10.68
0
47000
565
9.66
50000
549
8.67
1000
51000
521
7.67
1500
55000
488
6.63
1800
59000
468
5.62
1800
60000
442
4.58
2000
67000
388
0.08
0.0022
0.083
166.9
35Hz离心泵数据记录
序号
流量
真空表
压力表
电机功率
18.27
-500
42000
1052
17.26
-400
48000
998
16.24
-300
51000
972
15.26
-300
56000
933
14.27
-200
61000
906
13.28
-200
65000
861
12.27
-200
68000
824
11.27
-100
71000
798
10.26
0
76000
758
9.26
-100
80000
725
8.26
0
82000
682
7.26
-100
89000
653
6.27
150
90000
626
5.26
180
100000
585
4.43
200
110000
528
六、典型计算
1、求
λ
与Re的关系曲线
以铜管湍流的第一组数据为例计算
T=22℃时，ρ≈997.044kg/m3
μ≈1.0×10-3Pa∙s
以管中心线为基准面，在1、2截面间列伯努利方程
P1ρ+u12+gz1=P2ρ+u22+gz2+hf
因u1=u2，z1=z2，故流体在等径管的1、2两截面间的阻力损失为
hf=∆Pρ=3.14*10001000=3.15J/kg
u=qvA=qvπ4d12=8.73600×0.0007548=3.202m/s
;
Re=duρμ=0.031×3.202×997.0440.001=98960.27
因为hf=λ∆Pρ
;
所以λ=∆Pρd1l2u2=3.15×0.0311.2×23.2022=0.01587
其他计算与此相同。
2、求离心泵的特性曲线
湍流铜管：管长L2=1.2m；管内径d2=31mm
铜管湍流
序号
qv(m3h)
∆p(kpa)
u(ms)
Re
λ
8.7
3.14
3.202
98960.27
0.01587
8.3
2.90
3.055
94410.37
0.01611
7.9
2.66
2.907
89860.48
0.01631
7.5
2.40
2.760
85310.58
0.01633
7.1
2.21
2.613
80760.68
0.01677
6.7
1.97
2.466
76210.78
0.01679
6.3
1.77
2.318
71660.89
0.01706
5.9
1.55
2.171
67110.99
0.01704
5.5
1.38
2.024
62561.09
0.01745
5.1
1.21
1.877
58011.19
0.01780
4.7
1.04
1.730
53461.3
0.01801
钢管湍流
序号
qv(m3h)
∆p(kpa)
u(ms)
Re
λ
11.1
4.65
4.085
126259.7
0.01444
10.5
4.20
3.864
119434.8
0.01458
9.9
3.78
3.643
112610
0.01476
9.3
3.38
3.423
105785.1
0.01495
8.7
3.00
3.202
98960.27
0.01517
8.1
2.61
2.981
92135.43
0.01522
7.5
2.25
2.760
85310.58
0.01530
6.9
1.97
2.539
78485.73
0.01583
6.3
1.68
2.318
71660.89
0.01620
5.7
1.40
2.098
64836.04
0.01649
5.1
1.16
1.877
58011.19
0.01706
湍流钢管：管长L3=1.2m；管内径d32=31mm
钢管层流
层流钢管：管长L1=2m；管内径d1=6mm
序号
qv(Lh)
∆p(pa)
u(ms)
Re
λ
935
0.393
2351.03
0.06084
701
0.353
2111.74
0.05631
500
0.314
1878.43
0.05083
402
0.275
1645.12
0.05338
340
0.236
1411.81
0.06145
290
0.196
1172.52
0.07547
230
0.157
939.22
0.09353
165
0.118
705.91
0.11928
116
0.079
472.60
0.18869
0.039
233.31
0.377372、离心泵的特性曲线
以第一组数据为例，n=30Hz
T=23℃时，ρ≈997.044Kg/m3
μ≈1.0×10-3Pa∙s
以水平地面为基准面，离心泵进口压力表为1-1截面，离心泵出口压力表为2-2截面，在此两截面之间列伯努利方程
P1ρg+u12g+z1+H=P2ρg+u22g+z2+Hf
因为
Hf≈0
;
所以H=
P2-P1ρg+u2-u12g+∆Z
∆Z=Z2-Z2=0.2m
;
进口直径D=50mm
;
出口直径d=40mm
u1=qvA1=qvπ4D2=15.653600×π4×0.052m/s=2.215m/s
;
u2=qvA2=qvπ4d2=15.653600×π4×0.042m/s=3.458m/s、H=3.647mH2O
N=N电∙η电∙η传
;
η电=0.75
;
η传=0.95
N=694×0.75×0.95=494.5W
η=NtN
;
Nt=qHρg=3.647×15.65×997.044×9.81/3600W=155.26W
η=155.26494.5×100%=31.36%
序号
流量Qv(m3h)
扬程
轴功率
效率
15.65
3.647
494.5
31.36%
14.64
3.889
474.5
32.60%
13.65
4.440
459.6
35.83%
12.65
4.647
438.2
36.45%
11.62
4.672
419.7
35.15%
10.68
5.173
402.6
37.29%
9.66
5.439
391.2
36.49%
8.67
5.422
371.2
34.41%
7.67
5.756
347.7
34.50%
6.63
6.113
333.5
33.02%
5.62
6.197
314.9
30.04%
4.58
6.876
276.45
30.95%
30Hz离心泵的特性曲线
35Hz离心泵的特性曲线
序号
流量Qv(m3h)
扬程
轴功率
效率
18.27
5.036
749.55
33.35%
17.26
5.586
711.08
36.84%
16.24
5.833
692.55
37.16%
15.26
6.298
664.76
39.28%
14.27
6.756
645.53
40.58%
13.28
7.125
613.46
41.91%
12.27
7.394
587.10
41.99%
11.27
7.656
568.58
41.23%
10.26
8.125
540.08
41.94%
9.26
8.515
516.56
41.47%
8.26
8.684
485.93
40.11%
7.26
9.387
465.26
39.80%
6.27
9.444
446.03
36.07%
5.26
10.446
416.81
35.82%
4.43
11.455
376.20
36.65%
七、实验结果分析与讨论
1、求
λ
与Re的关系曲线
实验结果：由关系曲线可以看出，钢管层流实验中，雷诺数与摩擦阻力系数在双对数坐标中呈线性关系，摩擦阻力系数只与流动类型有关，且随雷诺数的增加而减小，而与管壁粗糙度无关；在铜管湍流与钢管湍流实验中，摩擦阻力系数随雷诺数增加而趋于一个定值，此时流体进入完全阻力平方区，摩擦阻力系数仅与管壁的相对粗糙度有关，与雷诺数的增加无关。
结果分析：实验结果基本与理论相符合，但是也存在误差，如：在钢管层流实验中，在雷诺数在1870~2000范围内，雷诺数Re增大，λ并不随Re增大而减小，反而增大。产生这种现象可能是因为在Re为1870~2000范围内时已经非常接近于湍流，导致其规律与理论出现偏差。此外，还有可能是因为设备本身存在的误差，即流量调小至一定程度时，无法保证对流量的精准调节，使结果出现误差。
减小误差的措施：a.在实验正式开始前对设备进行检查，确认设备无漏水等现象再开始实验；b.进行流量调节时，每次应以相同幅度减小c.调节好流量后，应等待3分钟，等读数稳定后再进行读数。
2、离心泵的特性曲线
实验结果：有实验数据和曲线图可以看出，扬程随流量的增加而降低，轴功率随流量的增加而升高，效率随流量的增加先升高后降低。随着转速增大，三者均增大，由实验结果可以看出，基本符合Qv＇Qv=n＇n、H＇H=n＇n2、N＇N=n＇n3的速度三角形关系。
结果分析：实验结果与理论规律基本符合，在转速为35Hz时结果较理想，但是在转速为30Hz时，虽然符合基本规律，但是效率明显过低。造成这种现象的主要原因是转速过低，设备存在的设备误差更大，改善方法是在较高转速下进行实验。
减小误差的方法：a.在实验正式开始前对设备进行检查，确认设备无漏水等现象再开始实验；b.进行流量调节时，每次应以相同幅度减小c.调节好流量后，应等待3分钟，等读数稳定后再进行读数。d.在转速稍高的条件下进行实验。e.读数压力表时指针摆动幅度大，应在均匀摆动时取其中间值。
六、实验思考与讨论问题
1、直管阻力产生的原因是什么？如何测定与计算？
答：流体有粘性，管壁与流体间存在摩擦阻力。用压力计测定所测流体在所测水平等径管内流动的压差,一定要水平等径，△p=ρhf就可求得直管阻力。
2、影响本实验测量准确度的原因有哪些？怎样才能测准数据？
答：管内是否混入气泡，流体流动是否稳定。排出管内气泡，改变流速后等待2~3min待流体流动稳定后记录数据。
3、水平或垂直管中，对相同直径、相同实验条件下所测出的流体的阻力损失是否相同？
答：不同，根据伯努利方程可知，垂直管高度差将影响阻力损失。
根据实验测定数据，如何确定离心泵的工作点？
答：离心泵的工作点就是离心泵特性曲线与管路特性曲线的交点，此时泵给出的能量与管路输送液体所消耗的能量相等。
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