流动力学综合实验

实验1流动过程综合实验一、实验目的1.学习离心泵性能参数及特性曲线的测定方法，加深对离心泵性能的了解；2.熟悉离心泵的操作方法；3.学习管路特性曲线的测定方法；4.学习直管摩擦阻力△Pf、直管摩擦系数的测定方法。5.了解几种常用流量计的构造、工作原理、主要特点及流量计的标定方法；6.了解节流式流量计流量系数C随雷诺数Re的变化规律，流量系数C的测定方法；7.掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。二、实验内容1.练习离心泵的操作；2.测定某型号离心泵在一定转速下，H（扬程）、N（轴功率）、（效率）与Q（流量）之间的特性曲线；3.测定管路特性曲线；4.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数。5.对文丘里流量计进行校正。三、实验原理（一）离心泵特性曲线离心泵是最常见的液体输送设备。在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率及效率η均随流量Q而改变。通常通过实验测出H—Q、N—Q及η—Q关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。泵特性曲线的具体测定方法如下：1.H的测定在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程：(1)(2)上式中出入fH是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力(不包括泵体内部的流动阻力所引起的压头损失)，当所选的两截面很接近泵体时，与柏努利方程中其它项比较，出入入出入出入出）fHguugPPZZH2(22出入出出出入入入fHgugPZHgugPZ2222出入fH值很小，故可忽略。于是上式变为：guugPPZZH2(22入出入出入出）(3)将测得的）入出ZZ(和入出PP的值以及计算所得的u入，u出代入上式即可求得H的值。2.N的测定功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1.0，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：泵的轴功率N＝电动机的输出功率，kW电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率。泵的轴功率＝功率表的读数×电动机效率，kw。3.η的测定NNe其中1021000HQgHQNekw(4)式中：η—泵的效率；N—泵的轴功率，kwNe—泵的有效功率，kwH—泵的压头，mQ—泵的流量，m3/sρ—水的密度，kg/m3（二）管路特性曲线测定当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。在一定的管路上，泵所提供的压头和流量必然与管路所需的压头和流量一致。若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。因此，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。泵的压头H计算同上。（三）直管摩擦系数与雷诺数Re的测定流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：hf=fP=22udl（5）λ=22uPldf（6）Re=ud（7）式中：d管径，m；fP直管阻力引起的压强降，Pa；l管长，m；u流速，m/s；流体的密度，kg/m3；流体的粘度，N·s/m2。直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△Pf与流速u（流量Vs）之间的关系。根据实验数据和式（6）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（7）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。（四）文丘里流量计的标定流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：)(20下上PPCAVs(8)式中：—SV被测流体(水)的体积流量，m3/s；—C流量系数，无因次；—0A流量计节流孔截面积，m2；—下上PP流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa；—被测流体(水)的密度，kg／m3。用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量VS。每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数△P和流量VS绘制成一条曲线，即流量标定曲线。同时用上式整理数据可进一步得到C—Re关系曲线。四、实验装置实验装置流程如图所示。1.流量测量：用转子流量计或标准涡轮流量计测量。2.泵的入口真空度和出口压强：用真空表和压强表来测量。3.电动机输入功率：用功率表来测量。五、实验方法（一）离心泵特性曲线及管路特性曲线测定1.检查离心泵各阀门及仪表是否正常。2.按下调频器的启动按钮，启动离心泵。关闭阀(4)，用阀(5)调节流量，从流量为零至最大或流量从最大到零，测取10～12组数据（同时测量泵入口真空度、泵出口压强、流量计读数、功率表读数），并记录水温。3.测量管路特性曲线测定时，先置流量调节阀(5)为某一状态(使系统流量为某一固定值)。4.调节离心泵电机频率，使管路特性改变，调节范围(50—20Hz)，测取10～12组数据（同时测量泵入口真空度、泵出口压强、流量计读数），并记录水温。5.实验结束后，关闭流量调节阀，继续其它实验或停泵，切断电源。图1流动过程综合实验装置流程图⑴—离心泵；⑵—压强表；⑶—真空表；⑷—调节阀1；⑸—调节阀2；⑹—转子流量计；⑺—被标定流量计；⑻—倒U管；⑼—温度表；⑽—涡轮流量计；⑾—直管压差计；⑿—变频器；⒀—功率表；⒁—水箱。H(1)(2)(4)(5)(8)(9)(10)(14)(12)(13)(11)(3)(7)(6)（二）直管摩擦阻力△Pf及摩擦系数的测定1.按下电源和离心泵的绿色按钮，通电预热数字显示仪表，记录直管差压数字表(11)的初始值。按一下变频器上的启动按钮，启动离心泵。2.关闭截止阀(5)，将闸阀(4)打开。3.在流量为零条件下，旋开倒置U形管左右旋钮，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U形管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。操作方法如下：开大流量调节阀(4)，使倒置U形管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U形管上部的放空阀，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气—水柱；此时管内液柱高度差应为零。4.通过阀(4)调节流量。根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量。5.直管段的压差：小流量时用倒置U形管压差计测量，大流量时用差压数字表(11)测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取12～15组数据，建议流量读数在40L/h之内，不少于4个点，以便得到滞流状态下的λ—Re关系。在能用倒置U形管测压差时，尽量不用差压数字表测压差。6.在水箱中测取水温。7.待数据测量完毕,关闭流量调节阀，核实差压数字表初始值，继续其它实验或切断电源。（三）文丘里流量计的标定⒈按下电源和离心泵的绿色按钮，通电预热数字显示仪表，记录差压数字表的初始值，关闭流量调节阀(4)。⒉按下变频器启动按钮，启动离心泵，将阀(5)打开，逐渐调大流量，排出管路里气泡。3.用阀(5)调节流量，从小流量至大流量或从大流量至小流量测取10组左右数据(即同时测量压差和流量)，并记录水温。4.实验结束后，关闭流量调节阀，核实差压数字表初始值，停泵，切断电源。六、注意事项1.启动心泵之前，必须检查所有流量调节阀是否关闭。2.用直管差压数字表测量时，必须关闭通倒置U形管的阀门，防止形成并联管路。七、报告内容1.将实验数据和计算结果列在数据表格中，并以一组数据进行计算举例。2.在合适的坐标系上标绘离心泵的特性曲线，并在图上标出离心泵的各种性能（泵的型号、转速和高效区）。3.在合适的坐标系上标绘直管λ—Re关系曲线。4.根据所标绘的λ—Re曲线，求本实验条件下滞流区的λ—Re关系式，并与理论公式比较。5.在合适的坐标系上，标绘节流式流量计的流量VS与压差△P的关系曲线（即流量标定曲线）、流量系数C与雷诺数Re的关系曲线。八、思考题1.试分析实验数据，看一看，随着泵出口流量调节阀开度的增大，泵入口真空表读数是减少还是增加，泵出口压强表读数是减少还是增加。为什么?2.测定离心泵特性曲线时，为了得到较好的实验结果，实验流量范围下限应小到零，上限应尽量的大。为什么?3.离心泵的流量，为什么可以通过出口阀来调节?往复泵的流量是否也可采用同样的方法来调节。为什么?4.本实验用水为工作介质做出的λ一Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？5.本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上流动的垂直管，从测量两取压点间压差的倒置U形管读数R到△Pf的计算过程和公式是否与水平管完全相同?为什么?6.为什么采用差压变送器和倒置U形管并联起来测量直管段的压差？何时用变送器?何时用倒置U形管？操作时要注意什么？7.试验管路及导压管中如果积存有空气，为什么要排除?九、数据记录及处理表表1离心泵特性曲线测定数据记录及处理表序号流量读数/Hz管路流量/m3/s真空表读数/kPa压强表读数/kPa功率表读数/kW压头/m轴功率/kW效率表2管路特性曲线测定数据记录及处理表序号变频器频率流量读数/Hz管路流量/m3/s真空表读数/kPa压强表读数/kPa压头/m表3直管能量损失测定数据记录及处理表序号转子流量计读数/m3/sU管压差计读数/mmH2O压差变送器读数/kPa能量损失Pf/PaRe表4文丘里流量计标定数据记录及处理表序号涡轮流量计读数/Hz实际流量/m3/s文丘里流量计压差/mmH2ORe流量系数C