实验三、流体力学综合实验 化工基础实验

流体力学综合实验包括流体在管路内流动时的直管和局部阻力的测定，流量计的流量系数校核和在一定的转速下离心泵的特性曲线的测定。这三个实验都是以柏努利方程为基础。

流体流动时会产生阻力，为了克服阻力需损耗一部分能量，因此，柏努利方程在实际应用中Σh f一项代表每公斤流体因克服各种流体流动阻力而损耗的能量，在应用柏努利方程时，不管是为了求取各能量之间的互相转化关系式或是计算流体输送机械所需的能量及功率都必须算出Σh f：对于在长距离的流体输送，流体输送机械所作的功，主要是用于克服输送管路中的流体阻力，故阻力的大小关系到流体输送机械的动力消耗，也涉及到流体输送机械的选用。流体阻力的大小与流体的性质（如粘性的大小），流体流动类型、流体所通过管路或设备的壁面情况（粗糙或光滑）通过的距离及截面的大小等因素有关。

在流体流动的管路上装有孔板或文氏流量计用于测定流体的流量，流量计一般都按标准规范制造，给出一定的流量系数按规定公式计算或者给出标定曲线，照其规定使用，如果不慎遗失原有的流量曲线或者流量计经过长期使用而磨损较大，或者被测流体与标准流体的成分或状态不同；或者由于科研往往需要自制一些非标准形式的流量计，此时，为了精确地测定流量，必须对自制流量计进行校验，求出具体计算式或标定流量曲线。

泵是输送液体的机械，离心泵铭牌上所示的流量，扬程，功率是离心泵在一定转速下效率最高点所对应的Q,H,N的值。在一定转速下，离心泵的扬程H，轴功率N及效率η均随流量的大小而改变，其变化关系可用曲线表示，该所示曲线称为离心泵的特性曲线。通常根据H~Q曲线，可以确定离心泵在给定管路条件下输送能力，根据N~Q曲线可以给离心泵合理选配电动机功率，根据η~Q曲线可以选择离心泵的工况处于高效工作区，发挥泵的最大效率。离心泵的特性曲线目前还不能用解析方法进行准确计算，只能通过实验来测定。

一、管道流体阻力测定

一、实验目的：

1.掌握测定流体阻力的实验方法。

2.测定流体流经直管时的摩擦系数与雷诺准数的关系。

3.测定闸阀的当量长度。

4.学会对数坐标纸的用法。

二、实验原理：

流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，因此不可避免地要消耗一定机械能。管路是由直管和管件（如三通、肘管及阀门等）组成。流体在直管中流动造成的机械能损失称直管阻力损失，而流体在通过阀门、管件等的局部障碍，引起流动方向和流动截面的突然改变而造成的机械能损失称局部阻力损失。

1.流体在直管内流动时所产生的阻力损失

根据伯努利方程式：

（2-3）

流体在水平均管道中作稳态流动时，由截面1流动到截面2时，阻力损失表现为压强的降低，即:

（2-4）

如果能测得截面上的流体的压强差⊿P，即可求得流体的阻力损失h f，我们就用这种方法来测定流体在直管中流动时的阻力损失。

流体的压强差ΔP，可用u形管压差计测得，u形管压差计公式如下：

（2-5）式中：

R——形管压差计读数,m

——压差计中指示液密度，㎏/

ρ——流体的密度，㎏/

g——重力加速度，g=9.81m/

影响阻力损失的因素十分复杂，为了简化实验。可采用因次分析法将各变量组合成准数关系。

根据因次分析法，影响阻力损失的因素：

流体性质：密度ρ，粘度μ；

流体的几何尺寸：管径d，管长L,管壁粗糙度；

流动条件：流速u 。

即：ΔP = f（d，L，u，ρ，μ，ε）

组合成如下无因次式：（2-6）

（2-7）

引入直管阻力损失计算式:

（2-8）

则: （2-9）式中：λ为直管摩擦系数

在上式中，d、L已知，流速可以从测得的流量换算得到，这样我们就能求得λ。

滞流时：λ=/Re，湍流时：λ与Re的关系受管壁粗糙度的影响，需由实验求得。

2．局部阻力通常有两种表示方法

1)局部当量长度法

流体通过某一管件或阀门时因局部阻力而造成的能量损失,相当于流体通过与其具有相同管径的若干米长度的直管能量损失。这个直管长度称为当量长度，用Le表示。这样可用直管阻力公式来计算局部阻力的能量损失。即：

（2-10）

由上式可得：

（2-11）

2)阻力系数法

阻力系数法近似地认为局部阻力损失服从速度平方定律，即：

（2-12）式中：——局部阻力导数（无因次），由实验测定。

三、实验装置及流程：

1．实验装置示意图及流程：

图2-6管道流体阻力测定实验——实验装置示意图及流程

1、2—白铁管；3—不锈钢管； 4—白铁管；

5—孔板流量计； 6—文丘里流量计； 7—涡轮流量计；

以水为工作流体，经高位槽（或实验自备水箱）由泵循环供水，流体经2#管路作测定光滑直管摩擦系数λ与雷诺数Re的关系；流体流经3#管路作粗糙直管的摩擦系数λ与雷诺数Re的关系，流体流经4#管路作测定闸阀（全开时）的当量长度L e，流体流经直管及闸阀时所产生阻力损失用U型压差计测量，流量由数字式流量积算仪显示。

2．实验仿真界面：

图2-7管道流体阻力测定实验——仿真界面

四、实验步骤及注意事项：

（1）实验步骤：

1）熟悉管路系统，确定供水方式，根据实验要求打开被测管路的阀门和检查关闭与本次实验无关的阀门。

2）排除管路系统内积存的空气，使u型压差计两端液柱平衡。

3）根据实验流程，确定各测点所测得内容。

4）打开流量计算仪上的开关，调节流量每次必须在稳定后测取数据，测定直管阻力时，在最大流量和最小流量间合理地取8个读数。

）实验结束，关闭高位槽进水阀或泵，并使综合实验台上各阀门复原。

（2）注意事项：

1）调节流量时，必须注意最小流量也要保证流体在管内流动呈湍流。

2）每次测定必须在稳定后读取各测点上的数据。

3）注意保持高位槽溢流管有水溢出，以维持高位槽液面的稳定。

五、实验数据记录及整理

1．实验数据记录：

a）直管阻力的测定

图2-8管道流体阻力测定实验——直管阻力数据记录

b）1″闸阀（全开时）的当量长度Le的测定

图2-9 管道流体阻力测定实验——闸阀阻力数据记录

2．实验数据整理：

a）直管阻力的测定：

图2-10 管道流体阻力测定实验——直管阻力数据整理

b）1″闸阀（全开时）的当量长度Le的测定：

图2-11 管道流体阻力测定实验——闸阀阻力数据整理

六、实验报告要求：

1．直管阻力测定：在双对数坐标纸上绘制λ～Re曲线。

2．闸阀（全开）的当量长度Le测定。

图2-12 管道流体阻力测定实验——直管阻力数据作图七、相关素材：

图2-13 管道流体阻力测定实验——圆管内速度分布演示

图2-14 管道流体阻力的测定实验——涡轮流量计演示

图2-15 管道流体阻力测定实验——闸阀演示

图2-16 管道流体阻力测定实验——阀芯演示

图2-17 管道流体阻力测定实验——阀壳演示

八．思考题：

1．为什么在实验前要将管路中的空气排净？怎样说明管路中的空气已经排除干净。

2．为了使实验点在双对数坐标纸上均匀分布，流量应如何调节？

3．不同管径，不同水温下测定的～Re数据的能否关联在同一条曲线上？

4．为什么测定闸阀阻力损失时，测压点不能设置在紧靠闸阀进出口的两端？采用怎样方法测定闸阀的阻力损失并且如何计算出闸阀（全开）当量长度Le？

二、孔板流量计及文氏流量计校验

一、实验目的:

1．熟悉孔板和文氏流量计的构造及应用；

．通过孔板和文氏流量计流量系数的测定，学会流量计流量校验（或标定）的方法。

二、实验原理：

在管路中作稳定流动的流体通过孔口（孔板或文氏管喉道）时，由于截面积缩小，流速增大，静压能降低而造成孔口前后有一定的压降，流速愈大，压降愈大，由此原理可测得孔板流量计或文氏流量计的流量系数。

1.孔板流量计

在水平管路上装有一片孔板（孔板为中间开有圆孔的金属薄板）孔板前后测压管与U型压差计相连。流体流过孔板的孔口时，因速度变化而造成压降，同时在出口发生收缩形成“缩脉”，此处的流道截面最小，流速最大，引起的静压降也最大。孔板流量计就是利用压降随流量的变化来测定流体的流量。

若不考虑损失，在孔板上游截面1-1’和缩脉2-2’处列柏努利方程，整理可得：

（2-13）

或：（2-14）由于缩脉处的面积很难确定，而孔板的孔径是已知的，用孔板的孔口流速代替缩脉处的流速，并考虑所引起的能量损失，故用C 加以校正，将上式改写成为：

（2-15）对不可压缩流体，根据连续性方程又可得：

（2-16）代入上式整理后得：

（2-17）

令：（2-18）孔板前后的压力降用U形压差计测量，即：

（2-19）

得：

[m/s] （2-20）根据和孔口截面积即可求得流体的体积流量：

&nbs, p;（2-21）式中：A0——孔板孔口的截面积[m2]； g——重力加速度[m/s2]；

C0——流量系数（或孔流系数）无因次； R——U形压差计读数[m]

ρ——流体的密度[kg/m3]；ρ0——U形压差计指示液密度[kg/m3]。

孔板的流量系数的大小与流体流经孔板的能量损失，测压口的位置，孔径与管径比和

雷诺数有关，具体数值由实验确定。当一定时，雷诺数Re超过某个数值后，C o就接近于

定值。

2.文氏流量计

孔板流量计的主要缺点是流体通过孔板时，由于流道的突然缩小而产生涡流，因而造成能量的严重损失。文氏流量计为一管径渐渐均匀缩小而后又渐渐均匀扩大的光滑管子，收缩管与扩大管接合处，称为文式管喉道，这样可以在很大程度上避免涡流所产生的损失。

文氏流量计公式：

（2-22）——文氏流量计的流量系数，其余各项意义同孔板流量计。

式中：C

v

三、实验装置及流程：

1．实验装置示意图及流程

见图2-6；

以水为工作流体，经高位槽（或实验台自备水箱）由泵循环供水，流体流经1#管路中孔板、文丘里,作孔板、文氏流量计流量系数校核实验。流体通过孔板、文氏流量计所产生的静压降用U形压差计测量，流量由数字式流量积算仪显示。

2．实验仿真界面

见图2-7；

四、实验步骤及注意事项：

同流体阻力测定实验步骤及注意事项。

五．实验数据记录及整理

1．实验数据记录

图2-18孔板流量计及文氏流量计校验实验——数据记录2．实验数据整理

图2-19孔板流量计及文氏流量计校验实验——数据整理

六、实验报告要求：1．在双对数坐标纸上分别作出孔板流量计与文氏流量计斜率为1/2的直线（ [J/㎏]）并且求出孔板流量计的流量系数和文氏流量计的流量系数。

2．用平均值法分别求出孔板流量计的流量系数和文氏流量计的流量系数。

图2-20孔板流量计及文氏流量计校验实验——数据作图

七、相关素材：

图2-21孔板流量计及文氏流量计校验实验——孔板流量计演示

图2-22 孔板流量计及文氏流量计的校验实验——文丘里流量计演示

八、思考题：

1．若流量相同，试比较孔板流量计和文氏流量计所测压差哪个大，为什么？

2．实验求得的流量系数校正了哪些内容？

3．为什么在双对数坐标纸上分别作孔板流量计与文氏流量计的的关联图是直线，且其斜率为1/2？

三、离心泵的特性曲线的测定

一、实验目的：

1．掌握离心泵操作，了解离心泵的结构和性能；

2．测定离心泵在一定转速下的特性曲线的测定。

二、实验原理：

见实验四.

三、实验装置及流程：

1．实验装置示意图及流程：

见图2-6；

由泵将实验台自备水箱的水经1#管路和2#、3#、4#管路中任一管路，汇合经涡轮流量变送器和控制阀流回自备水箱组成水循环系统，流量由数字式流量积算仪显示，功率、真空度和压力读数分别由功率表、真空表和压力表测得。

2．实验仿真界面：

见图2-7；四、实验步骤及注意事项：

1．实验步骤：

（1）关闭实验台自备水箱放空阀，放水至水箱2/3左右；

（2）打开1#管路和2#、3#、4#管路中任一管路上的阀门并关闭该管路上U形压差计的测压阀，以免水银被冲走；

（3）检查电机和离心泵是否正常运转。打开电机的电源开关（观察电机和离心泵的运转情况，如有异常，立即切断电源）；

（4）实验时逐渐打开流量控制阀以增大流量，测取6～8组数据；

（5）实验结束，停泵，管路阀门复原。

2．注意事项：

（1）启动前泵应关闭管路控制调节阀门，并特别要检查关闭流体流经的管路上U形压差计

的测压阀；

（2）在最大流量范围内合理分割流量进行实验布点，由控制阀调节流量大小；

（3）在每次流量调节稳定后，读取各参数的数据，不要遗漏流量为零时的各读数的记录。

五、实验数据记录及整理：

1．实验数据记录：见实验四。

2．实验数据整理：见实验四。

六、实验报告要求：

在普通坐标纸上绘制离心泵的特性曲线。

七、相关素材：

见实验四。

八、思考题：

见实验四。