四川大学化工原理流体力学实验报告

化工原理实验报告 流体力学综合实验 姓名：
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实验日期：2016 实验成绩：
流体力学综合实验 一、 实验目的：
1. 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。

2. 观察水在管道内的流动类型。

3. 测定在一定转速下离心泵的特性曲线。

二、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。

1 1 2 以管中心线为基准面，在1、2截面间列伯努利方程: 图1 流体在1、2截面间稳定流动 2 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 流体流经直管时的摩擦系数与阻力损失之间的关系可由范宁公式求得，其表达式为 由上面两式得：
而 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。由因此分析法整理可形象地表示为 式中：-----------直管阻力损失，J/kg；

------------摩擦阻力系数；

----------直管长度和管内径，m；

---------流体流经直管的压降，Pa；

-----------流体的密度，kg/m3；

-----------流体黏度，Pa.s；

-----------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。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。在已知管径和平均流速的情况下，测定流体温度，确定流体的密度和黏度，则可求出雷诺数，从而关联出流体流过水平直管的摩擦系数与雷诺数的关系曲线图。

2、求离心泵的特性曲线 三、实验流程图 流体力学实验流程示意图 转子流量计 离心泵 压力表 真空压力表 水箱 闸阀1 闸阀2 球阀3 球阀2 球阀1 涡轮流量计 孔板流量计 ∅35×2钢管 ∅35×2钢管 ∅35×2铜管 ∅10×2钢管 四、实验操作步骤 1、求 λ 与Re的关系曲线 1) 根据现场实验装置，理清流程，检查设备的完好性，熟悉各仪表的使用方法。

2) 打开控制柜面上的总电源开关，按下仪表开关，检查无误后按下水泵开关。

3) 打开球阀1，调节流量调节闸阀2使管内流量约为10.5，逐步减小流量，每次约减少0.5，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4后停止实验。

4) 打开球阀2，关闭球阀1，重复步骤（3）。

5) 打开球阀2和最上层钢管的阀，调节转子流量计，使流量为40，逐步减小流量，每次约减少4，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4时停止实验。完成直管阻力损失测定。

2、求离心泵的特性曲线 1) 根据现场实验装置，理清流程，检查设备的完好性，熟悉各仪表的使用方法。

2) 打开控制柜面上的总电源开关，按下仪表开关，先关闭出口阀门，检查无误后按下水泵开关。

3) 打开球阀2，调节流量调节阀1使管内流量，先开至最大，再逐步减小流量，每次约减少1，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4后停止实验，记录9-10组数据。

4) 改变频率为35Hz，重复操作（3），可以测定不同频率下离心泵的特性曲线。

五、实验数据记录 1、设备参数：
；

；

2、实验数据记录 1）求 λ 与Re的关系曲线 铜管湍流 钢管湍流 序号 qv(m3h) ∆p(kpa) 序号 qv(m3h) ∆p(kpa) 1 8.7 3.14 1 11.1 4.65 2 8.3 2.90 2 10.5 4.20 3 7.9 2.66 3 9.9 3.78 4 7.5 2.40 4 9.3 3.38 5 7.1 2.21 5 8.7 3.00 6 6.7 1.97 6 8.1 2.61 7 6.3 1.77 7 7.5 2.25 8 5.9 1.55 8 6.9 1.97 9 5.5 1.38 9 6.3 1.68 10 5.1 1.21 10 5.7 1.40 11 4.7 1.04 11 5.1 1.16 钢管层流 序号 qv(Lh) ∆p(pa) 1 40 935 2 36 701 3 32 500 4 28 402 5 24 340 6 20 290 7 16 230 8 12 165 9 8 116 10 4 58 2、求离心泵的特性曲线 30Hz离心泵数据记录 序号 流量 真空表 压力表 电机功率 1 15.65 -2200 28000 694 2 14.64 -2000 31000 666 3 13.65 -1800 37000 645 4 12.65 -1200 40000 615 5 11.62 200 42000 589 6 10.68 0 47000 565 7 9.66 100 50000 549 8 8.67 1000 51000 521 9 7.67 1500 55000 488 10 6.63 1800 59000 468 11 5.62 1800 60000 442 12 4.58 2000 67000 388 13 0.08 0.0022 0.083 166.9 35Hz离心泵数据记录 序号 流量 真空表 压力表 电机功率 1 18.27 -500 42000 1052 2 17.26 -400 48000 998 3 16.24 -300 51000 972 4 15.26 -300 56000 933 5 14.27 -200 61000 906 6 13.28 -200 65000 861 7 12.27 -200 68000 824 8 11.27 -100 71000 798 9 10.26 0 76000 758 10 9.26 -100 80000 725 11 8.26 0 82000 682 12 7.26 -100 89000 653 13 6.27 150 90000 626 14 5.26 180 100000 585 15 4.43 200 110000 528 六、典型计算 1、 求 λ 与Re的关系曲线 以铜管湍流的第一组数据为例计算 T=22℃时，ρ≈997.044kg/m3 μ≈1.0×10-3Pa∙s 以管中心线为基准面，在1、2截面间列伯努利方程 P1ρ+u12+gz1=P2ρ+u22+gz2+hf 因u1=u2，z1=z2，故流体在等径管的1、2两截面间的阻力损失为 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 因为hf=λ∆Pρ ; 所以λ=∆Pρd1l2u2=3.15×0.0311.2×23.2022=0.01587 其他计算与此相同。

2、求离心泵的特性曲线 湍流铜管：管长L2=1.2m；
管内径d2=31mm 铜管湍流 序号 qv(m3h) ∆p(kpa) u(ms) Re λ 1 8.7 3.14 3.202 98960.27 0.01587 2 8.3 2.90 3.055 94410.37 0.01611 3 7.9 2.66 2.907 89860.48 0.01631 4 7.5 2.40 2.760 85310.58 0.01633 5 7.1 2.21 2.613 80760.68 0.01677 6 6.7 1.97 2.466 76210.78 0.01679 7 6.3 1.77 2.318 71660.89 0.01706 8 5.9 1.55 2.171 67110.99 0.01704 9 5.5 1.38 2.024 62561.09 0.01745 10 5.1 1.21 1.877 58011.19 0.01780 11 4.7 1.04 1.730 53461.3 0.01801 钢管湍流 序号 qv(m3h) ∆p(kpa) u(ms) Re λ 1 11.1 4.65 4.085 126259.7 0.01444 2 10.5 4.20 3.864 119434.8 0.01458 3 9.9 3.78 3.643 112610 0.01476 4 9.3 3.38 3.423 105785.1 0.01495 5 8.7 3.00 3.202 98960.27 0.01517 6 8.1 2.61 2.981 92135.43 0.01522 7 7.5 2.25 2.760 85310.58 0.01530 8 6.9 1.97 2.539 78485.73 0.01583 9 6.3 1.68 2.318 71660.89 0.01620 10 5.7 1.40 2.098 64836.04 0.01649 11 5.1 1.16 1.877 58011.19 0.01706 湍流钢管：管长L3=1.2m；
管内径d32=31mm 钢管层流 层流钢管：管长L1=2m；
管内径d1=6mm 序号 qv(Lh) ∆p(pa) u(ms) Re λ 1 40 935 0.393 2351.03 0.06084 2 36 701 0.353 2111.74 0.05631 3 32 500 0.314 1878.43 0.05083 4 28 402 0.275 1645.12 0.05338 5 24 340 0.236 1411.81 0.06145 6 20 290 0.196 1172.52 0.07547 7 16 230 0.157 939.22 0.09353 8 12 165 0.118 705.91 0.11928 9 8 116 0.079 472.60 0.18869 10 4 58 0.039 233.31 0.37737 2、 离心泵的特性曲线 以第一组数据为例，n=30Hz T=23℃时，ρ≈997.044Kg/m3 μ≈1.0×10-3Pa∙s 以水平地面为基准面，离心泵进口压力表为1-1截面，离心泵出口压力表为2-2截面，在此两截面之间列伯努利方程 P1ρg+u12g+z1+H=P2ρg+u22g+z2+Hf 因为 Hf≈0 ; 所以H= P2-P1ρg+u2-u12g+∆Z ∆Z=Z2-Z2=0.2m ; 进口直径D=50mm ; 出口直径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电∙η电∙η传 ; η电=0.75 ; η传=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% 序号 流量Qv(m3h) 扬程 轴功率 效率 1 15.65 3.647 494.5 31.36% 2 14.64 3.889 474.5 32.60% 3 13.65 4.440 459.6 35.83% 4 12.65 4.647 438.2 36.45% 5 11.62 4.672 419.7 35.15% 6 10.68 5.173 402.6 37.29% 7 9.66 5.439 391.2 36.49% 8 8.67 5.422 371.2 34.41% 9 7.67 5.756 347.7 34.50% 10 6.63 6.113 333.5 33.02% 11 5.62 6.197 314.9 30.04% 12 4.58 6.876 276.45 30.95% 30Hz离心泵的特性曲线 35Hz离心泵的特性曲线 序号 流量Qv(m3h) 扬程 轴功率 效率 1 18.27 5.036 749.55 33.35% 2 17.26 5.586 711.08 36.84% 3 16.24 5.833 692.55 37.16% 4 15.26 6.298 664.76 39.28% 5 14.27 6.756 645.53 40.58% 6 13.28 7.125 613.46 41.91% 7 12.27 7.394 587.10 41.99% 8 11.27 7.656 568.58 41.23% 9 10.26 8.125 540.08 41.94% 10 9.26 8.515 516.56 41.47% 11 8.26 8.684 485.93 40.11% 12 7.26 9.387 465.26 39.80% 13 6.27 9.444 446.03 36.07% 14 5.26 10.446 416.81 35.82% 15 4.43 11.455 376.20 36.65% 七、实验结果分析与讨论 1、求 λ 与Re的关系曲线 实验结果：由关系曲线可以看出，钢管层流实验中，雷诺数与摩擦阻力系数在双对数坐标中呈线性关系，摩擦阻力系数只与流动类型有关，且随雷诺数的增加而减小，而与管壁粗糙度无关；
在铜管湍流与钢管湍流实验中，摩擦阻力系数随雷诺数增加而趋于一个定值，此时流体进入完全阻力平方区，摩擦阻力系数仅与管壁的相对粗糙度有关，与雷诺数的增加无关。

结果分析：实验结果基本与理论相符合，但是也存在误差，如：在钢管层流实验中，在雷诺数在1870~2000范围内，雷诺数Re增大，λ并不随Re增大而减小，反而增大。产生这种现象可能是因为在Re为1870~2000范围内时已经非常接近于湍流，导致其规律与理论出现偏差。此外，还有可能是因为设备本身存在的误差，即流量调小至一定程度时，无法保证对流量的精准调节，使结果出现误差。

减小误差的措施：a.在实验正式开始前对设备进行检查，确认设备无漏水等现象再开始实验；
b.进行流量调节时，每次应以相同幅度减小c.调节好流量后，应等待3分钟，等读数稳定后再进行读数。

2、离心泵的特性曲线 实验结果：有实验数据和曲线图可以看出，扬程随流量的增加而降低，轴功率随流量的增加而升高，效率随流量的增加先升高后降低。随着转速增大，三者均增大，由实验结果可以看出，基本符合Qv＇Qv=n＇n、H＇H=n＇n2、N＇N=n＇n3的速度三角形关系。

结果分析：实验结果与理论规律基本符合，在转速为35Hz时结果较理想，但是在转速为30Hz时，虽然符合基本规律，但是效率明显过低。造成这种现象的主要原因是转速过低，设备存在的设备误差更大，改善方法是在较高转速下进行实验。

减小误差的方法：a.在实验正式开始前对设备进行检查，确认设备无漏水等现象再开始实验；
b.进行流量调节时，每次应以相同幅度减小c.调节好流量后，应等待3分钟，等读数稳定后再进行读数。d.在转速稍高的条件下进行实验。e.读数压力表时指针摆动幅度大，应在均匀摆动时取其中间值。

六、 实验思考与讨论问题 1、直管阻力产生的原因是什么？如何测定与计算？ 答：流体有粘性，管壁与流体间存在摩擦阻力。用压力计测定所测流体在所测水平等径管内流动的压差,一定要水平等径，△p=ρhf就可求得直管阻力。

2、影响本实验测量准确度的原因有哪些？怎样才能测准数据？ 答：管内是否混入气泡，流体流动是否稳定。排出管内气泡，改变流速后等待2~3min待流体流动稳定后记录数据。

3、水平或垂直管中，对相同直径、相同实验条件下所测出的流体的阻力损失是否相同？ 答：不同，根据伯努利方程可知，垂直管高度差将影响阻力损失。

根据实验测定数据，如何确定离心泵的工作点？ 答：离心泵的工作点就是离心泵特性曲线与管路特性曲线的交点，此时泵给出的能量与管路输送液体所消耗的能量相等。