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： 学号： 班级号：

实验日期：2016.6.12 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 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 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 2 图1流体在1、2截面间稳定流动

P1

22u1p2u2gz1gz2hf22以管中心线为基准面，在1、2截面间列伯努利方程:

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P

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

lu2hfd2

由上面两式得：

Pd22ludu

Re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

f(Re,)d

式中：hf-----------直管阻力损失，J/kg；

------------摩擦阻力系数；

l.d----------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和黏度，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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(q)、轴功率与流量Nf2(q)和效率与流量f3(q)三种曲线来表示。若将H、N和对Q间的关系分别标绘在同一直角坐标系所得的三条曲线，即为离心泵的特性曲线。泵的特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用离心泵的重要依据。（1）流量qv(m3/h）的测定：通常用泵出口阀调节离心泵输送的流量，并由涡轮流量计测定，本实验采用涡轮流量计后面的调节阀来调节流量。（2）扬程H(mH2O)的测定：扬程是指泵每输送1kg重量流体所提供的外加能量。若泵输送的介质是水，则在水箱液面和离心泵出口压力表之间根据能量守恒定律可确定水经离心泵所增加的能量(mH2O)，此能量称为扬程H。以水平地面为基准，离心泵进口真空泵为1—1截面和离心泵出口压力表处为2—2截面，在此两截面间列出伯努利方程式：2p1u12p2u2Z1HZ2Hfg2gg2g-p真，p2p大气压p表，Z2-Z10.2，所以水经离心泵所因p1p大气压增加的能量为22p真-p表u2-u1H0.2g2gHf式中：Hf0，p表，p真——离心泵出口表压、进口真空度，Pa；u2——离心泵出口管内流速，m/s；H——离心泵扬程，mH2O；——流体密度，kg/m3。(3)离心泵的轴功率N(kW)的测定：泵轴功率是指泵轴所消耗的电功率，也是电动机传给泵轴的功率。本实验采用功率表测定电机输入功率后，用下式来计算轴功率。NN电传式中：N——离心泵轴功率，kW；传——机械传动效率，近似值取为0.95； N电——电动机的输入功率，由功率表测定。(4)离心泵效率η的测定：泵的效率是指理论功率与轴功率的比值，即ηNtN

而理论功率Nt是离心泵对流体所做的有效功率，即NtqHρgqHρ9.811000qHρ102三、实验流程图

球阀1 钢管 铜管 钢管 钢管 孔板流量计 转子流量计球阀2 球阀3 闸阀2 闸阀1

涡轮流量计 真空压力表 水箱 离心泵 压力表 流体力学实验流程示意图

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10.5m/h，逐步减小流量，每次

约减少0.5m/h，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4m/h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40L/h，逐步减小流量，

每次约减少4L/h，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4L/h时停止实验。完成直管阻力损失测定。

333

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1m/h，待数据稳定后，记录流量及压差读数，待流量减小到约为4m/h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：

33层流钢管管长：L12.0m;管内径：d16mm； 湍流铜管管长：L21.2m;管内径：d231mm； 湍流钢管管长：L31.2m;管内径：d331mm;

离心泵进口管径：D50mm；出口管径：d40mm；孔板孔径：do12mm.离心泵Z0.2m；NN电传(传0.95)；管内径：d131mm.

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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 8.7 8.3 7.9 7.5 7.1 6.7 6.3 5.9 5.5 5.1 4.7 3.14 2.90 2.66 2.40 2.21 1.97 1.77 1.55 1.38 1.21 1.04

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11.1 10.5 9.9 9.3 8.7 8.1 7.5 6.9 6.3 5.7 5.1 4.65 4.20 3.78 3.38 3.00 2.61 2.25 1.97 1.68 1.40 1.16

钢管层流

序号

40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 935 701 500 402 340 290 230 165 116 58 1

2

3

4

5

6

7

8 9 10 2、求离心泵的特性曲线

30Hz离心泵数据记录

序号 1 2 3 4

流量qv(m/h) 15.65 14.64 13.65 12.65 3真空表P1(Pa) -2200 -2000 -1800 -1200 压力表P2(Pa) 28000 31000 37000 40000 电机功率N电(W) 694 666 645 615

5 6 7 8 9 10 11 12 13 11.62 10.68 9.66 8.67 7.67 6.63 5.62 4.58 0.08 200 0 100 1000 1500 1800 1800 2000 0.0022

42000 47000 50000 51000 55000 59000 60000 67000 0.083 589 565 549 521 488 468 442 388 166.9

35Hz离心泵数据记录

序号 1 2 3 4 5 6 7 流量qv(m/h) 18.27 17.26 16.24 15.26 14.27 13.28 12.27 3真空表P1(Pa) -500 -400 -300 -300 -200 -200 -200 压力表P2(Pa) 42000 48000 51000 56000 61000 65000 68000 电机功率N电(W) 1052 998 972 933 906 861 824

8 9 10 11 12 13 14 15

11.27 10.26 9.26 8.26 7.26 6.27 5.26 4.43 -100 0 -100 0 -100 150 180 200 71000 76000 80000 82000 89000 90000 100000 110000 798 758 725 682 653 626 585 528 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

时， 以管中心线为基准面，在1、2截面间列伯努利方程

因 = ， ，故流体在等径管的1、2两截面间的阻力损失为

;

=98960.27

因为 λ ; 所以λ

其他计算与此相同。

2、求离心泵的特性曲线

铜管湍流

湍流铜管：管长 ；管内径

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

8.7 8.3 7.9 7.5 7.1 6.7 6.3 5.9 5.5 5.1 4.7 3.14 2.90 2.66 2.40 2.21 1.97 1.77 1.55 1.38 1.21 1.04 3.202 3.055 2.907 2.760 2.613 2.466 2.318 2.171 2.024 1.877 1.730 98960.27 94410.37 89860.48 85310.58 80760.68 76210.78 71660.89 67110.99 62561.09 58011.19 53461.3 0.01587 0.01611 0.01631 0.01633 0.01677 0.01679 0.01706 0.01704 0.01745 0.01780 0.01801

Re与λ的关系曲线 0.1 λ 0.01 10000 100000 Re

钢管湍流

湍流钢管：管长 ；管内径

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11.1 10.5 9.9 9.3 8.7 8.1 7.5 6.9 6.3 5.7 5.1 4.65 4.20 3.78 3.38 3.00 2.61 2.25 1.97 1.68 1.40 1.16 4.085 3.864 3.643 3.423 3.202 2.981 2.760 2.539 2.318 2.098 1.877 126259.7 119434.8 112610 105785.1 98960.27 92135.43 85310.58 78485.73 71660.89 64836.04 58011.19 0.01444 0.01458 0.01476 0.01495 0.01517 0.01522 0.01530 0.01583 0.01620 0.01649 0.01706 10 11

Re与λ的关系曲线 0.1 λ 0.01 10000 100000 Re

钢管层流

层流钢管：管长 ；管内径

序号 1 2 3 4 5

40 36 32 28 24 935 701 500 402 340 0.393 0.353 0.314 0.275 0.236 2351.03 2111.74 1878.43 1645.12 1411.81 0.06084 0.05631 0.05083 0.05338 0.06145

6 7 8 9 10

20 16 12 8 4 290 230 165 116 58 0.196 0.157 0.118 0.079 0.039 1172.52 939.22 705.91 472.60 233.31 0.07547 0.09353 0.11928 0.18869 0.37737 Re与λ的关系曲线 1 λ 0.1 0.01 100 1000 10000 Re

2、 离心泵的特性曲线 以第一组数据为例，n=30Hz

时， 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 因为 ; 所以

; 进口直径D=50mm ; 出口直径d=40mm

;

、

H=3.647mH2O

η η ; η

电

电

传

电

; η

传

η ; η

序号 1 2 3 4 5 6 流量 ) 15.65 14.64 13.65 12.65 11.62 10.68 扬程H(mH2O) 3.647 3.889 4.440 4.647 4.672 5.173 轴功率N(W) 494.5 474.5 459.6 438.2 419.7 402.6 效率 31.36% 32.60% 35.83% 36.45% 35.15% 37.29%

7 8 9 10 11 12 9.66 8.67 7.67 6.63 5.62 4.58 5.439 5.422 5.756 6.113 6.197 6.876 391.2 371.2 347.7 333.5 314.9 276.45 36.49% 34.41% 34.50% 33.02% 30.04% 30.95% 30Hz离心泵的特性曲线

30Hz离心泵的特性曲线 H(mH20) 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 频率 30Hz 54% 48% 42% η（%） 功率(W) 1400.00 1200.00 1000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 22 𝜂 𝑄_𝑣 H 𝑄_𝑣 N 𝑄_𝑣 36% 30% 24% 18% 12% 6% 18 0 20 qv(㎥/h)

35Hz离心泵的特性曲线

序号 1 流量 ) 18.27 扬程H(mH2O) 5.036 轴功率N(W) 749.55 效率 33.35%

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

17.26 16.24 15.26 14.27 13.28 12.27 11.27 10.26 9.26 8.26 7.26 6.27 5.26 4.43 5.586 5.833 6.298 6.756 7.125 7.394 7.656 8.125 8.515 8.684 9.387 9.444 10.446 11.455 711.08 692.55 664.76 645.53 613.46 587.10 568.58 540.08 516.56 485.93 465.26 446.03 416.81 376.20 36.84% 37.16% 39.28% 40.58% 41.91% 41.99% 41.23% 41.94% 41.47% 40.11% 39.80% 36.07% 35.82% 36.65%

35Hz离心泵的特性曲线 H(mH20) 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0 2 4 6 8 10 频率 35Hz 功率(W) 1400.00 H 𝑄_𝑉 54% 48% 42% 1200.00 1000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 22 𝜂 𝑄_𝑉 N 𝑄_𝑉 36% 30% 24% 18% 12% 6% 0 20 qv(㎥/h) 12 14 16 18

七、实验结果分析与讨论

1、求 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Re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Re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Re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

、 、 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， 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。