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1、实验一 流体流动阻力的测定一、实验目的1掌握流体流经直管和阀门时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。2测定直管摩擦系数与雷诺准数Re的关系，将所得的-Re方程与Blassius经验公式相比较。3测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数。4学会差压计、流量计的使用方法。5观察组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。二、基本原理流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的直管阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。1直管阻力流体在水平等径圆管中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即 湍流流体发的流动阻力，目
2、前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量组合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有：（1）流体性质：密度、粘度； （2）管路的几何尺寸：管径d、管长l、管壁粗糙度； （3）流动条件：流速。 可表示为： 组合成如下的无因次式： 令 则 式中hf直管阻力，J/kg l被测管长，md被测管内径，m u平均流速，实验测定，m/s直管摩擦阻力系数当流体在一定管径d的圆形管中流动时，选取两个截面，测出这两个截面的静压强差，即为流体流过两截面的流动阻力。根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求出摩擦
3、阻力系数。改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的-Re关系。 （1）湍流区的摩擦阻力系数在湍流区内，对于光滑管，实验证明，当Re在3103105范围内，与Re的关系遵循Blasius关系式，即 对于粗糙管，与Re的关系均以图来表示。 （2）层流的摩擦阻力系数 2局部阻力 局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。（1）当量长度法流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时，可将管路中的直管长
4、度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为l，各种局部阻力的当量长度之和为，则流体在管路中流动时的总阻力损失为 （2）阻力系数法 流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。即 式中，局部阻力系数，无因次 u在小截面管中流体的平均流速，m/s 由于管件两侧距测压孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此值可应用柏努利方程由压差计读数求取。 三、实验装置与流程1实验装置 图1 流体阻力实验装置流程图1-底阀 2-移动框架 3-离心泵 4-转速传感器 5-测压差阀门及压力传感器 6-涡轮流量计
5、7-离心泵流量调节阀1 8-阀2 9-阀3 10-阀4 11-阀5 12-均压环 13-光滑管 14粗糙管 15-局部阻力阀16-压力表、压力传感器 17-阻力流量调节阀6 18-温度计 19-真空表、真空度传感器 20-泵灌水口 21-排水口（关） 22-灌水阀 23-放水阀实验装置如图所示，主要由离心泵，水箱，不同管径、材质的管子，各种阀门和管件、涡轮流量计等组成。第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为不锈钢管，装有待测闸阀，用于局部阻力的测定。本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过地下管道流入储水箱内循环使用。水流量采
6、用涡轮流量计测量，直管段和闸阀的阻力分别用各自的压差传感器测量。2装置结构尺寸 表1 装置结构尺寸名称材质管内径（mm）测试段长度（m）光滑管不锈钢管291.5粗糙管镀锌铁管28局部阻力不锈钢管29/四、实验步骤及注意事项1实验步骤（1）关闭阀1、阀2；（2）打开放水阀与灌水阀，给水泵灌水，灌好水后关闭放水阀与灌水阀。打开总电源开关，打开仪表电源开关，按下启动按钮启动离心泵。（3）缓缓打开阀5、阀6，将测光滑管压差的阀门打开，然后排气。（4）当装置确定后，根据p和u的实验测定值，可计算和，在等温条件下，雷诺数Re=du/=Au，其中A为常数，因此只要调节流量调节阀，可得一系列Re的实验点，绘出
7、Re曲线。（5）缓缓打开出水阀门6，流量调至最大，待水稳定后，正确测取压差和流量等有关参数。然后依次减小流量，正确读取不同流量下的测取压差和流量等有关参数。（6）根据本装置特点，流量每次改变0.4m/h，直至2m/h左右，测量实验数据并记录，测完数据后整理实验数据并输入实验数据处理是软件处理。（7）做完光滑管实验后，关闭阀5。（8）同理，分别打开阀4、阀3，分别进行粗糙管及局部阻力实验。（9）实验结束后，应将装置中的水排放干净，以防锈和冬天防冻。2注意事项（1）在启动离心泵前要对水泵进行灌水。（2）在启动离心泵前，要确保三相电源的正确，确保不缺相，离心泵缺相不会运转，且会烧毁离心泵。（3）在启
8、动离心泵前，要确保离心泵转向的正确，否则长时间反向运转会损坏离心泵。（4）在做流体阻力实验时，要排尽管路里的气泡。（5）开启、关闭管道上的各阀门时，一定要缓慢开关，切忌用力过猛过大，防止测量仪表因突然受压、减压而受损（如玻璃管断裂，阀门滑丝等）。五、实验报告1根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出-Re曲线，对照化工原理教材上有关图形，即可确定该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。2根据光滑管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出-Re曲线，并对照柏拉修斯方程，计算其误差。3根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均值。 4对实验结果进行分析讨论。 六、实验数据记录、数据处理及计算示例水温： ；管长L=
9、1.5m；光滑管管径D=0.029m；粗糙管管径D=0.028m；局部阻力管径D=0.029m。镀锌铁管/d=0.007实验序号流量（m3/h）光滑管压差（kPa）粗糙管压差（kPa） 1234567计算结果实验次数流量（m3/h）Re光滑管光滑管expRe粗糙管粗糙管exp1234567实验序号流量（m3/h）闸阀（全开）阻力（kPa）值123七、思考题1如何检验测试系统内的空气是否已经被排除干净? 2在测量前为什么要将设备中的空气排净？怎样才能迅速地排净？3本实验装置的流量调节阀为什么要安装在出口的下端？4以水做介质所测得的-Re 关系能否适用于其它流体?如何应用? 5在不同设备上（包括不
10、同管径），不同水温下测定的-Re数据能否关联在同一条曲线上? 6如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?7在进行系统排气时，是否应关闭系统的出口阀门？为什么？8如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？ 9测出的直管摩擦阻力与直管的放置状态有关吗？请说明原因。实验二 离心泵特性曲线的测定一、实验目的1了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作。2测定恒定转速条件下离心泵的有效扬程（H）、轴功率（P）、以及总效率（）与有效流量（Q）之间的曲线关系。3掌握离心泵流量调节的方法（阀门）和涡轮流量传感器及智能流量积算仪的工作原理和使用方法。二、基本原理离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的
11、重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下扬程H、轴功率N及效率与流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。1流量Q的测定与计算采用涡轮流量计测量流量，智能流量积算仪显示流量值Qm3/h。2扬程H的测定与计算在泵进、出口取截面列柏努利方程： ,：分别为泵进、出口的压强 N/m2：液体密度 kg/m3,：分别为泵进、出口的流量m/sg：重力加速度 m/s2当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为： 由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上数值，就可以计算出泵的扬程。3轴功率P的测量与计
12、算可由功率传感器测量，功率表显示读取。4效率的计算泵的效率为泵的有效功率Pe与轴功率P的比值。有效功率Pe是流体单位时间内自泵得到的功，轴功率P是单位时间内泵从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。泵的有效功率Pe可用下式计算： 故 5转速改变时的换算泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的所有实验点，其转速都是相同的。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。换算关系如下： 三、实验装置流程图图2 离心泵特性曲线测定装置流程图1-底
13、阀 2-移动框架 3-离心泵 4-转速传感器 6-涡轮流量计 7-离心泵流量调节阀1 8-阀2 16-压力表、压力传感器 18-温度计 19-真空表、真空度传感器 20-泵灌水口 22-灌水阀 23-放水阀四、实验步骤1 关闭阀1及阀3、阀4、阀5。2打开总电源空气开关，打开仪表电源开关，仪表上电。 3打开离心泵灌水阀及放水阀，对水泵进行灌水。（注意：若采用自来水管对泵进行灌水，在打开灌水阀时要慢慢打开，且只打开一定的开度，不要开的太大，否则会损坏压力表。）灌好水后关闭泵的放水阀与灌水阀门。4当一切准备就绪后，按下离心泵启动按钮，启动离心泵，这时离心泵启动按钮绿灯亮，开始进行离心泵实验。5打开泵的出水阀1（全开），这时流量达到最大值。6 等实验数据稳定后，测定泵的真空度p1、泵后压力p2、水温t、流量Q及泵的功率并记录。7通过调节泵的出口阀1调节流量，改变流量的大小，每次减小0.5m/h的流量，稳定后记录数据。8以同样的方法改变流量并测定实验数据，最少测8次。同时注意流量不能低于2m3/h。9实验完毕，关闭水泵出口阀，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。五、实验报告1在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H-Q、P-Q、
