化工原理實驗報告

流體力學綜合實驗

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實驗日期：2016

實驗成績：

流體力學綜合實驗

一、實驗目的：

1.測定流體在管道內流動時的直管阻力損失，作出λ與Re的關系曲線。

2.觀察水在管道內的流動類型。

3.測定在一定轉速下離心泵的特性曲線。

二、實驗原理

1、求

λ

與Re的關系曲線

流體在管道內流動時，由于實際流體有粘性，其在管內流動時存在摩擦阻力，必然會引起流體能量損耗，此損耗能量分為直管阻力損失和局部阻力損失。流體在水平直管內作穩態流動（如圖1所示）時的阻力損失可根據伯努利方程求得。

以管中心線為基準面，在1、2截面間列伯努利方程:

圖1

流體在1、2截面間穩定流動

因u1=u2，z1=z2，故流體在等直徑管的1、2兩截面間的阻力損失為

流體流經直管時的摩擦系數與阻力損失之間的關系可由范寧公式求得，其表達式為

由上面兩式得：

而

由此可見，摩擦系數與流體流動類型、管壁粗糙度等因素有關。由因此分析法整理可形象地表示為

式中：-----------直管阻力損失，J/kg；

------------摩擦阻力系數；

----------直管長度和管內徑，m；

---------流體流經直管的壓降，Pa；

-----------流體的密度，kg/m3；

-----------流體黏度，Pa.s；

-----------流體在管內的流速，m/s；

流體在一段水平等管徑管內流動時，測出一定流量下流體流經這段管路所產生的壓降，即可算得。兩截面壓差由差壓傳感器測得；流量由渦輪流量計測得，其值除以管道截面積即可求得流體平均流速。在已知管徑和平均流速的情況下，測定流體溫度，確定流體的密度和黏度，則可求出雷諾數，從而關聯出流體流過水平直管的摩擦系數與雷諾數的關系曲線圖。

2、求離心泵的特性曲線

三、實驗流程圖

流體力學實驗流程示意圖

轉子流量計

離心泵

壓力表

真空壓力表

水箱

閘閥1

閘閥2

球閥3

球閥2

球閥1

渦輪流量計

孔板流量計

?35×2鋼管

?35×2鋼管

?35×2銅管

?10×2鋼管

四、實驗操作步驟

1、求

λ

與Re的關系曲線

1)

根據現場實驗裝置，理清流程，檢查設備的完好性，熟悉各儀表的使用方法。

2)

打開控制柜面上的總電源開關，按下儀表開關，檢查無誤后按下水泵開關。

3)

打開球閥1，調節流量調節閘閥2使管內流量約為10.5，逐步減小流量，每次約減少0.5，待數據穩定后，記錄流量及壓差讀數，待流量減小到約為4后停止實驗。

4)

打開球閥2，關閉球閥1，重復步驟（3）。

5)

打開球閥2和最上層鋼管的閥，調節轉子流量計，使流量為40，逐步減小流量，每次約減少4，待數據穩定后，記錄流量及壓差讀數，待流量減小到約為4時停止實驗。完成直管阻力損失測定。

2、求離心泵的特性曲線

1)

根據現場實驗裝置，理清流程，檢查設備的完好性，熟悉各儀表的使用方法。

2)

打開控制柜面上的總電源開關，按下儀表開關，先關閉出口閥門，檢查無誤后按下水泵開關。

3)

打開球閥2，調節流量調節閥1使管內流量，先開至最大，再逐步減小流量，每次約減少1，待數據穩定后，記錄流量及壓差讀數，待流量減小到約為4后停止實驗，記錄9-10組數據。

4)

改變頻率為35Hz，重復操作（3），可以測定不同頻率下離心泵的特性曲線。

五、實驗數據記錄

1、設備參數：；

；

2、實驗數據記錄

1）求

λ

與Re的關系曲線

銅管湍流

鋼管湍流

序號

qv(m3h)

?p(kpa)

序號

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

鋼管層流

序號

qv(Lh)

?p(pa)

935

701

500

402

340

290

230

165

116

582、求離心泵的特性曲線

30Hz離心泵數據記錄

序號

流量

真空表

壓力表

電機功率

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離心泵數據記錄

序號

流量

真空表

壓力表

電機功率

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、典型計算

1、求

λ

與Re的關系曲線

以銅管湍流的第一組數據為例計算

T=22℃時，ρ≈997.044kg/m3

μ≈1.0×10-3Pa?s

以管中心線為基準面，在1、2截面間列伯努利方程

P1ρ+u12+gz1=P2ρ+u22+gz2+hf

因u1=u2，z1=z2，故流體在等徑管的1、2兩截面間的阻力損失為

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

因為hf=λ?Pρ

;

所以λ=?Pρd1l2u2=3.15×0.0311.2×23.2022=0.01587

其他計算與此相同。

2、求離心泵的特性曲線

湍流銅管：管長L2=1.2m；管內徑d2=31mm

銅管湍流

序號

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

鋼管湍流

序號

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

湍流鋼管：管長L3=1.2m；管內徑d32=31mm

鋼管層流

層流鋼管：管長L1=2m；管內徑d1=6mm

序號

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、離心泵的特性曲線

以第一組數據為例，n=30Hz

T=23℃時，ρ≈997.044Kg/m3

μ≈1.0×10-3Pa?s

以水平地面為基準面，離心泵進口壓力表為1-1截面，離心泵出口壓力表為2-2截面，在此兩截面之間列伯努利方程

P1ρg+u12g+z1+H=P2ρg+u22g+z2+Hf

因為

Hf≈0

;

所以H=

P2-P1ρg+u2-u12g+?Z

?Z=Z2-Z2=0.2m

;

進口直徑D=50mm

;

出口直徑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電?η電?η傳

;

η電=0.75

;

η傳=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%

序號

流量Qv(m3h)

揚程

軸功率

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離心泵的特性曲線

35Hz離心泵的特性曲線

序號

流量Qv(m3h)

揚程

軸功率

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、實驗結果分析與討論

1、求

λ

與Re的關系曲線

實驗結果：由關系曲線可以看出，鋼管層流實驗中，雷諾數與摩擦阻力系數在雙對數坐標中呈線性關系，摩擦阻力系數只與流動類型有關，且隨雷諾數的增加而減小，而與管壁粗糙度無關；在銅管湍流與鋼管湍流實驗中，摩擦阻力系數隨雷諾數增加而趨于一個定值，此時流體進入完全阻力平方區，摩擦阻力系數僅與管壁的相對粗糙度有關，與雷諾數的增加無關。

結果分析：實驗結果基本與理論相符合，但是也存在誤差，如：在鋼管層流實驗中，在雷諾數在1870~2000范圍內，雷諾數Re增大，λ并不隨Re增大而減小，反而增大。產生這種現象可能是因為在Re為1870~2000范圍內時已經非常接近于湍流，導致其規律與理論出現偏差。此外，還有可能是因為設備本身存在的誤差，即流量調小至一定程度時，無法保證對流量的精準調節，使結果出現誤差。

減小誤差的措施：a.在實驗正式開始前對設備進行檢查，確認設備無漏水等現象再開始實驗；b.進行流量調節時，每次應以相同幅度減小c.調節好流量后，應等待3分鐘，等讀數穩定后再進行讀數。

2、離心泵的特性曲線

實驗結果：有實驗數據和曲線圖可以看出，揚程隨流量的增加而降低，軸功率隨流量的增加而升高，效率隨流量的增加先升高后降低。隨著轉速增大，三者均增大，由實驗結果可以看出，基本符合Qv＇Qv=n＇n、H＇H=n＇n2、N＇N=n＇n3的速度三角形關系。

結果分析：實驗結果與理論規律基本符合，在轉速為35Hz時結果較理想，但是在轉速為30Hz時，雖然符合基本規律，但是效率明顯過低。造成這種現象的主要原因是轉速過低，設備存在的設備誤差更大，改善方法是在較高轉速下進行實驗。

減小誤差的方法：a.在實驗正式開始前對設備進行檢查，確認設備無漏水等現象再開始實驗；b.進行流量調節時，每次應以相同幅度減小c.調節好流量后，應等待3分鐘，等讀數穩定后再進行讀數。d.在轉速稍高的條件下進行實驗。e.讀數壓力表時指針擺動幅度大，應在均勻擺動時取其中間值。

六、實驗思考與討論問題

1、直管阻力產生的原因是什么？如何測定與計算？

答：流體有粘性，管壁與流體間存在摩擦阻力。用壓力計測定所測流體在所測水平等徑管內流動的壓差,一定要水平等徑，△p=ρhf就可求得直管阻力。

2、影響本實驗測量準確度的原因有哪些？怎樣才能測準數據？

答：管內是否混入氣泡，流體流動是否穩定。排出管內氣泡，改變流速后等待2~3min待流體流動穩定后記錄數據。

3、水平或垂直管中，對相同直徑、相同實驗條件下所測出的流體的阻力損失是否相同？

答：不同，根據伯努利方程可知，垂直管高度差將影響阻力損失。

根據實驗測定數據，如何確定離心泵的工作點？

答：離心泵的工作點就是離心泵特性曲線與管路特性曲線的交點，此時泵給出的能量與管路輸送液體所消耗的能量相等。