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化工原理實驗報告 流體力學(xué)綜合實驗 姓名： 學(xué)號： 班級號： 實驗日期：2016.6.12 實驗成績：  流體力學(xué)綜合實驗 一、 實驗?zāi)康模? 1. 測定流體在管道內(nèi)流動時的直管阻力損失，作出λ與Re的關(guān)系曲線。 2. 觀察水在管道內(nèi)的流動類型。 3. 測定在一定轉(zhuǎn)速下離心泵的特性曲線。 二、實驗原理 1、求 λ 與Re的關(guān)系曲線 流體在管道內(nèi)流動時，由于實際流體有粘性，其在管內(nèi)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(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動（如圖1所示）時的阻力損失可根據(jù)伯努利方程求得。 1 1 2 以管中心線為基準(zhǔn)面，在1、2截面間列伯努利方程: 圖1 流體在1、2截面間穩(wěn)定流動 2 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(jīng)直管時的摩擦系數(shù)與阻力損失之間的關(guān)系可由范寧公式求得，其表達(dá)式為 由上面兩式得： 而 由此可見，摩擦系數(shù)與流體流動類型、管壁粗糙度等因素有關(guān)。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(shù)； ----------直管長度和管內(nèi)徑，m； ---------流體流經(jīng)直管的壓降，Pa； -----------流體的密度，kg/m3； -----------流體黏度，Pa.s； -----------流體在管內(nèi)的流速，m/s； 流體在一段水平等管徑管內(nèi)流動時，測出一定流量下流體流經(jīng)這段管路所產(chǎn)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(shù)，從而關(guān)聯(lián)出流體流過水平直管的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線圖。 2、求離心泵的特性曲線 三、實驗流程圖 流體力學(xué)實驗流程示意圖 轉(zhuǎn)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 ?352鋼管 ?352鋼管 ?352銅管 ?102鋼管 四、實驗操作步驟 1、求 λ 與Re的關(guān)系曲線 1) 根據(jù)現(xiàn)場實驗裝置，理清流程，檢查設(shè)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(guān)，按下儀表開關(guān)，檢查無誤后按下水泵開關(guān)。 3) 打開球閥1，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閘閥2使管內(nèi)流量約為10.5，逐步減小流量，每次約減少0.5，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄流量及壓差讀數(shù)，待流量減小到約為4后停止實驗。 4) 打開球閥2，關(guān)閉球閥1，重復(fù)步驟（3）。 5) 打開球閥2和最上層鋼管的閥，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計，使流量為40，逐步減小流量，每次約減少4，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄流量及壓差讀數(shù)，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(jù)現(xiàn)場實驗裝置，理清流程，檢查設(shè)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(guān)，按下儀表開關(guān)，先關(guān)閉出口閥門，檢查無誤后按下水泵開關(guān)。 3) 打開球閥2，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥1使管內(nèi)流量，先開至最大，再逐步減小流量，每次約減少1，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄流量及壓差讀數(shù)，待流量減小到約為4后停止實驗，記錄9-10組數(shù)據(jù)。 4) 改變頻率為35Hz，重復(fù)操作（3），可以測定不同頻率下離心泵的特性曲線。 五、實驗數(shù)據(jù)記錄 1、設(shè)備參數(shù)： ； ； 2、實驗數(shù)據(jù)記錄 1）求 λ 與Re的關(guān)系曲線 銅管湍流 鋼管湍流 序號 qv(m3h) ?p(kpa) 序號 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 鋼管層流 序號 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、求離心泵的特性曲線 30Hz離心泵數(shù)據(jù)記錄 序號 流量 真空表 壓力表 電機(jī)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離心泵數(shù)據(jù)記錄 序號 流量 真空表 壓力表 電機(jī)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、典型計算 1、 求 λ 與Re的關(guān)系曲線 以銅管湍流的第一組數(shù)據(jù)為例計算 T=22℃時，ρ≈997.044kg/m3 μ≈1.010-3Pa?s 以管中心線為基準(zhǔn)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=8.736000.0007548=3.202m/s ; Re=duρμ=0.0313.202997.0440.001=98960.27 因為hf=λ?Pρ ; 所以λ=?Pρd1l2u2=3.150.0311.223.2022=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(nèi)徑d2=31mm 銅管湍流 序號 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 鋼管湍流 序號 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 湍流鋼管：管長L3=1.2m；管內(nèi)徑d32=31mm 鋼管層流 層流鋼管：管長L1=2m；管內(nèi)徑d1=6mm 序號 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、 離心泵的特性曲線 以第一組數(shù)據(jù)為例，n=30Hz T=23℃時，ρ≈997.044Kg/m3 μ≈1.010-3Pa?s 以水平地面為基準(zhǔn)面，離心泵進(jìn)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(jìn)口直徑D=50mm ; 出口直徑d=40mm u1=qvA1=qvπ4D2=15.653600π40.052m/s=2.215m/s ; u2=qvA2=qvπ4d2=15.653600π40.042m/s=3.458m/s、 H=3.647mH2O N=N電?η電?η傳 ; η電=0.75 ; η傳=0.95 N=6940.750.95=494.5W η=NtN ; Nt=qHρg=3.64715.65997.0449.81/3600W=155.26W η=155.26494.5100%=31.36% 序號 流量Qv(m3h) 揚(yáng)程 軸功率 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離心泵的特性曲線 35Hz離心泵的特性曲線 序號 流量Qv(m3h) 揚(yáng)程 軸功率 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、實驗結(jié)果分析與討論 1、求 λ 與Re的關(guān)系曲線 實驗結(jié)果：由關(guān)系曲線可以看出，鋼管層流實驗中，雷諾數(shù)與摩擦阻力系數(shù)在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系，摩擦阻力系數(shù)只與流動類型有關(guān)，且隨雷諾數(shù)的增加而減小，而與管壁粗糙度無關(guān)；在銅管湍流與鋼管湍流實驗中，摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而趨于一個定值，此時流體進(jìn)入完全阻力平方區(qū)，摩擦阻力系數(shù)僅與管壁的相對粗糙度有關(guān)，與雷諾數(shù)的增加無關(guān)。 結(jié)果分析：實驗結(jié)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(shù)在1870~2000范圍內(nèi)，雷諾數(shù)Re增大，λ并不隨Re增大而減小，反而增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是因為在Re為1870~2000范圍內(nèi)時已經(jīng)非常接近于湍流，導(dǎo)致其規(guī)律與理論出現(xiàn)偏差。此外，還有可能是因為設(shè)備本身存在的誤差，即流量調(diào)小至一定程度時，無法保證對流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，使結(jié)果出現(xiàn)誤差。 減小誤差的措施：a.在實驗正式開始前對設(shè)備進(jìn)行檢查，確認(rèn)設(shè)備無漏水等現(xiàn)象再開始實驗；b.進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時，每次應(yīng)以相同幅度減小c.調(diào)節(jié)好流量后，應(yīng)等待3分鐘，等讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)。 2、離心泵的特性曲線 實驗結(jié)果：有實驗數(shù)據(jù)和曲線圖可以看出，揚(yáng)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(zhuǎn)速增大，三者均增大，由實驗結(jié)果可以看出，基本符合QvQv=nn、HH=nn2、NN=nn3的速度三角形關(guān)系。 結(jié)果分析：實驗結(jié)果與理論規(guī)律基本符合，在轉(zhuǎn)速為35Hz時結(jié)果較理想，但是在轉(zhuǎn)速為30Hz時，雖然符合基本規(guī)律，但是效率明顯過低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是轉(zhuǎn)速過低，設(shè)備存在的設(shè)備誤差更大，改善方法是在較高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實驗。 減小誤差的方法：a.在實驗正式開始前對設(shè)備進(jìn)行檢查，確認(rèn)設(shè)備無漏水等現(xiàn)象再開始實驗；b.進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時，每次應(yīng)以相同幅度減小c.調(diào)節(jié)好流量后，應(yīng)等待3分鐘，等讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)。d.在轉(zhuǎn)速稍高的條件下進(jìn)行實驗。e.讀數(shù)壓力表時指針擺動幅度大，應(yīng)在均勻擺動時取其中間值。 6、 實驗思考與討論問題 1、直管阻力產(chǎn)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(nèi)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(zhǔn)確度的原因有哪些？怎樣才能測準(zhǔn)數(shù)據(jù)？ 答：管內(nèi)是否混入氣泡，流體流動是否穩(wěn)定。排出管內(nèi)氣泡，改變流速后等待2~3min待流體流動穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。 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(jù)伯努利方程可知，垂直管高度差將影響阻力損失。 根據(jù)實驗測定數(shù)據(jù)，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。