流体力学综合实验报告

四川大学化工原理实验报告学院化学工程学院专业化学工程与工艺班号姓名学号实验日期年月日指导老师一．实验名称流体力学综合实验二．实验目的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。观察水在管道内的流动类型。测定在一定转速下离心泵的特性曲线。标定孔板流量计，绘制Co与Re的关系曲线。熟悉流量、压差、温度等化够不够仪表的使用。三．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:p1ρ+u122+gz1=p2ρ+u222+gz2+hf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hf=p1−p2ρ=∆pρ流体以流速u通过管内径d、长度为l的一段管道时，其直管阻力为hf=λ·ld·u22由上面两式得：λ=∆pρ·dl·2u2而Re=duρμ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。由因次分析法整理可形象地表示为λ=φ(Re,εd)式中：fh-----------直管阻力损失，J/kg；------------摩擦阻力系数；dl.----------直管长度和管内径，m；P---------流体流经直管的压降，Pa；-----------流体的密度，kg/m3；-----------流体黏度，Pa·s；u-----------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hf。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u。在已知管径d和平均流速u的情况下，测定流体温度，确定流体的密度ρ和黏度μ，则可求出雷诺数Re，从而关联出流体流过水平直管的摩擦系数λ与雷诺数Re的关系曲线图。2求离心泵的特性曲线离心泵的特性，可用该泵在一定转速下，扬程与流量H=f1(qv),轴功率与流量N=f2(qv)，效率与流量η=f3(qv)三条曲线形式表示。若将扬程H、轴功率N和效率𝜂对流量𝑞𝑣之间的关系分别绘制在同一直角坐标上所得的三条曲线，即为离心泵的特性曲线，如图二所示。①流量𝑞𝑣：离心泵输送的流量qv由涡轮流量计测定。②扬程H：扬程是指离心泵对单位重量的液体所提供的外加能量。以离心泵入口管中心线的水平面为基准面，离心泵入口真空压力表处为1-1截面，出口压力表处为2-2截面，在1-1截面和2-2截面之间列出伯努利方程式，确定流体经离心泵所增加的能量（mH2O）此能量称为扬程H，其计算式为H=p2−p1ρg+u22−u122g+(z2−z1)+∑Hf1−2式中：∑Hf1−2≈0；p2、p1——离心泵出、进口表压（Pa）；u1,u2——离心泵进、出口管内流速（m/s）；z1,z2——离心泵进、出口压力表处离基准面的高度（m）；H——离心泵扬程（mH2O）；ρ——流体密度（kg/m3）③轴功率N：离心泵的轴功率N(kW)是指泵轴所消耗的电功率，实验采用功率表测定电机输入功率后，按下式进行计算N=N电×η传式中：N——离心泵轴功率（kW）；η传——机械传动效率，近似取为0.95；N电——电动机的输入有效功率，由功率表测定。④效率：离心泵的效率𝜂是理论功率与轴功率的比值。即𝜂=𝑁𝑡𝑁×100%而理论功率Nt是离心泵对流体所做的有效功（kW），即Nt=qvHρ102四．实验装置图及主要设备⑴流体力学实验装置示意图如图所示。⑵主要设备和仪表①供水系统：水箱、离心泵、循环管路。②测压仪表：压差变送器、压力表。③流量仪表：涡轮流量计、转子流量计、孔板流量计。④控制柜：变频器、功率表、转速器、无纸记录仪。⑤管路系统：由不锈钢管、铜管、水箱和离心泵构成循环管路系统。五．实验步骤1)理清实验装置，检查设备和仪表是否完好，先启动总电源，再启动仪表电源，然后观察仪表工作是否正常。2)关闭调节阀1和调节阀2，检查水箱里的水液位是否到指定液位（高于离心泵出口至少100mm）。3)测定离心泵特性曲线时应设定离心泵频率，再启动离心泵。4)调节阀2（逆时针为开启，顺时针为关闭）开到最大开度，流量最大，稳定2-3min后，记录流量、离心泵进口和出口表压、功率。5)逐渐调节调节阀2，使流量从最大到零，重复操作8-10次，每次稳定2-3min后，记录流量、离心泵进出口表压、功率，完成离心泵特性曲线的测定。6)改变离心泵频率，重复操作实验步骤（4）、（5），完成不同频率时离心泵特性曲线测定。7)开启调节阀1，全开管路的切换阀，关闭调节阀2，排除管路系统内空气。8)开启所测管路的三通阀后，再开启所测管路1-1截面和2-2截面的测压阀，排除测压管内的气体。9)测定a钢管时，全开切换阀2开启转子流量计计流量，观察测压管内的气体是否排尽，确定排尽后，关闭三通阀，稳定3min，记录流量和压差。10)改变转子流量计流量，流量从小到大，每次调节后稳定3min，记录相应的流量和压差。11)重复操作实验步骤（10）5-6次，完成流体在a管内层流时的直管阻力测定。12)测定b铜管路流体在湍流时的直管阻力，全开切换阀3，开启b铜管路的三通阀后，再开此管路1-1截面和2-2截面的测压阀，检查并关闭其余管路的切换阀和测压阀，排尽测压管内的气体，使测压管内充满流体。13)关闭此管路的三通阀，全开调节阀1使流量到最大，稳定3min后，记录其流量和压差。14)调节调节阀1改变流量，每次调节稳定3min后，记录相应的流量和压差。15)重复操作步骤（14）8-10次，使流量从最大到4m3/h，完成流体在b铜管路内湍流时的直管阻力测定。16)开启c钢管路切换阀和三通阀后，再开所测管路1-1截面和2-2截面的测压阀，检查并关闭其余管路的切换阀和测压阀，排除测压管内的气体。17)关闭三通阀，全开调节阀1使流量到最大，稳定3min后，记录其流量和压差。18)调节调节阀1改变流量，稳定3min，记录流量和压差。19)重复操作步骤（18）8-10次，流量从最大到4m3/h，完成c钢管管路湍流的直管阻力测定。20)开启d钢管路切换和三通阀后，再开所测管路1-1截面和2-2截面的测压阀，检查并关闭其余管路的切换阀和测压阀，排除测压管内的气体。21)关闭三通阀，通过调节阀1调节流量，观察并注意差压变送器的显示读数不要超过其量程，记录流量和压差，此时流量为最大。22)改变流量，每次调节后稳定3min，记录相应的流量和压差。23)重复操作实验步骤（22）8-10次，流量从大到小，完成局部阻力的测定和孔板流量计的标定。24)实验完毕后，开启调节阀2，关闭调节阀1、所有的切换阀和测压阀。25)依次关闭离心泵、仪表和总电源。注意事项1）检查水箱液位2）调节流量时，观测压差不要超过量程范围。3）记录水箱中水的温度，严禁丢东西到水箱。4）注意用电安全六．实验原始数据记录列表序号a管管长：2.0ma管管径：6mm序号流量𝑞𝑣(/h)压差∆（Pa）序号流量𝑞𝑣(/h)压差∆（Pa）④28.00404.7⑨8.0081.3流量𝑞𝑣(/h)压差∆（Pa）⑤24.00284.1⑩4.0020.3①40.001063.8⑥20.00247.2②36.00817.2⑦16.00206.3③32.00620.4⑧12.00120.0序号b管管长：1.2mb管管径：31mm序号流量𝑞𝑣(m3/h)压差∆（Pa）序号流量𝑞𝑣(m3/h)压差∆（Pa）⑷8.6003046⑼6.1001770流量𝑞𝑣(m3/h)压差∆（Pa）⑸8.1002769⑽5.6001488⑴10.104057⑹7.6002481⑾5.1001313⑵9.6003729⑺7.1002197⑶9.1003370⑻6.6001921序号c管管长：1.2mc管管径：31mm序号流量qv(m3/h)压差∆p（Pa）序号流量qv(m3/h)压差∆p（Pa）⑸8.4003996⑾5.4001874流量qv(m3/h)压差∆p（Pa）⑹7.9003539⑿4.9001572⑴10.405949⑺7.4003253⒀4.4001276⑵9.9005329⑻6.9002781⒁4.0001093⑶9.4004787⑼6.4002466⑷8.9004376⑽5.9002091↑测定直管阻力及局部阻力数据记录备注序号流量m3/h真空表MPa压力表MPa功率W(8)11.100.0010.085787.035Hz1995.5r/min24℃(1)18.10-0.0030.0551040.2(9)10.100.0020.089744.2(2)17.04-0.0020.06993.3(10)9.130.0020.092686.9(3)16.01-0.00150.065949.5(11)8.110.00210.097666.8(4)15.10-0.00080.07916.5(12)7.130.00130.099633.6(5)14.10-0.00020.074872.0(13)6.130.0020.102604.1(6)13.1400.078841.9(14)5.080.0020.105552.0(7)12.100.00090.081809.9(15)00.0020.119381.9备注序号流量m3/h真空表MPa压力表MPa功率W序号流量m3/h真空表MPa压力表MPa功率W40Hz26℃3339.2r/min(1)20.46-0.0060.0721447.4(10)11.47-0.00120.1151040.6(2)19.43-0.0050.081400.9(11)10.46-0.0010.121000.2(3)18.45-0.0050.0851332.3(12)9.44-0.00080.124949.2(4)17.45-0.0040.091302.4(13)8.4500.129897.8(5)16.44-0.00300.0951242.1(14)7.460.00080.132860.4(6)15.44-0.00250.11212.3(15)6.490.0010.136809.9(7)14.43-0.0020.1031176.7(16)5.450.00150.139762.8(8)13.44-0.00180.1071127.7(17)00.0020.152510.0(9)12.46-0.00160.111085.8↑测定离心泵特性曲线记录备注序号流量�3/ℎ压差kPa序号流量�3/ℎ压差kPa35Hz29℃(1)7.8912.42(5)5.867.05(2)7.3610.90(6)5.395.91(3)6.879.55(7)4.884.85(4)6.388.30(8)4.403.56↑孔板流量计标定数据记录七．实验数据处理查得24℃时水的物性参数：ρ=(kg/m3),μ=012×103a管：hf=∆pρ=13kg⁄=10kg⁄;u==×1−/31×()2=0m⁄Re=duρμ=×33×12×1−=2;λ=hf·dl·2u2=1××2×2×332=001b管：hf=∆pρ=kg⁄=0kg⁄；u==11/31×(31)2=1m⁄Re=duρμ=31×31×12×1−=12；λ=hf·dl·2u2=×31×2×12×312=0012C管：hf=∆pρ=kg⁄=2kg⁄；u==1/31×(31)2=2m⁄Re=duρμ=31×32×12×1−=120；λ=hf·dl·2u2=2×31×2×12×322=00210标定孔板流量计查得29℃时水的物性参数：ρ=kg/m3,μ=010×103u==/31×222m/=m/;u1=1=1×312m/=20m/=u√2∆=√2×122×1=11;Red=du1ρμ=31×2×1×1−=100离心泵的特性曲线改变离心泵频率，H、N、𝜂的计算方法不变