控制工程基础实验报告

实验报告

课程名称：______化工原理实验___________指导老师：________________成绩：__________________ 实验名称：_____流体流动阻力测定和离心泵的特性曲线测定______

实验类型：________________同组学生姓名：___叶天壮、温茂林_______ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得

实验一 流体流动阻力测定

一．实验目的和要求。

1) 掌握测定流体流经直管、管件（阀门）时阻力损失的一般实验方法。

2) 测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re 的关系，验证在一般湍流区内λ与Re 的关系曲线。 3) 测定流体流经管件（阀门）时的局部阻力系数ξ。 4） 识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二．实验仪器和设备

1）实验装置如下图所示

1—水箱 2—离心泵 3、10、11、12、13、14—压差传感器 4—温度计 5—涡轮流量计 6—孔板（或文丘里）流量计 7、8、9—转子流量计 15—层流管实验段 16—粗糙管实验段 17—光滑关实验段 18—闸阀 19—截止阀 20—引水漏斗 21、22—调节阀 23—泵出口阀 24—旁路阀（流量校核） a b c d e f g h — 取压点

专业：过程装备与控制工程 姓名：____郝春永________

学号：____3140104498__ 日期：____2016.12.2__ 地点：____教十

1208__

实验名称：___流体流动阻力测定____ 姓名：__郝春永___ 学号：______3140104498_________ 2

三．实验内容和原理

1）.雷诺数：

Re du ρμ

= ⑴

2

900V

u d

π=

⑵ 采用涡轮流量计测流体流量V （m 3/h ） 2）.直管阻力摩擦系数λ的测定

流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

212

2

f

f p p p l u h d λρ

ρ

?-=

=

= ⑶

即

2

2f

d p lu

λρ?=

⑷

f p ?－直管（长度l ）的压降。Pa ；用压差传感器测量。

3）.局部阻力系数ζ的测定(阻力系数法)： 流体通过某一管件（阀门）时的机械能损失可表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数。即：

'2

'2f

f

p u h g g

ζ

ρ?== ⑸ 故

'2

2f

p u ζρ?=

⑹

f p '? －局部阻力压力降，Pa ；

局部阻力压力降的测量方法：测量管件及管件两端直管（总长度'

l ）总的压降p ∑?，减去其直管段的压降，该直管段的压降可由直管阻力f p ?（长度l ）实验结果求取。

装

订

线

实验名称：___流体流动阻力测定____姓名： ___郝春永____ 学号：______3140104498_________

f

f P l

l p p ?-∑?='?' ⑺

p ∑?－包含管件（阀门）与直管（长度为'l ）的压降，Pa ；用压差传感器测量。

3.4 流量计校核

通过计时称重对涡轮流量计读数进行校核。

四．实验方法和步骤

1) 离心泵通过引水漏斗(20)灌水，关闭出口阀（23），打开电源，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀（23）缓缓开到最大。

2) 对压差传感器进行排气，完成后关闭排气阀门，使压差传感器处于测量状态。 3) 开启流量调节阀（21），合理分配流量。每次改变流量，待流动达到稳定后，记录压差、流量、温度等数据。

4) 实验结束，关闭出口阀（23），停止水泵电机，清理装置。

五．实验结果与分析

1) 根据光滑管、粗糙管的实验结果，在双对数坐标系上拟合出λ～Re 的关系曲线，对照理论教材

上的相关曲线图，估算出该管路的相对粗糙度和绝对粗糙度。

装

订

线

根据实验数据整理可得：

对照莫狄图可得，光滑管相对粗糙度约为0.0006，即绝对粗糙度约0.0126mm。

粗糙管相对粗糙度约为0.06，即相对粗糙度约1.32mm。

2）.根据上表中的处理结果可得，截止阀的局部阻力系数为11.1，闸阀的局部阻力系数为0.776，查表可得截止阀全开时ζ=6.0,1/2开时ζ=9.5，闸阀全开时ζ=0.17,3/4开时为0.9，因不知道截止阀和闸阀的开度，所以无法判断出实验结果与实际结果的误差。

3）.出现误差的原因有两个：1.在阀门处积累的有污垢导致局部阻力系数变大

2.在流体流动过程中流体内含有部分气泡，使得测量数据不准确

4）.实验心得与体会

通过此次实验发现了自己对于实验的不足之处，首先在于上实验之前对实验内容没有认真地预习导致做实验的时候效率低还犯了一些常识性的错误，以后做实验应该养成良好的实验习惯，对实验内容和实验装置以及原理都要清楚，

其次在实验过程中通过与队友的合作来完成实验也增加了团队协作能力，每个人都各尽其用，对实验结果和流程的分析也加深了对流体流动过程的理解和应用。

六．思考题。

1)在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀？为什么？

对装置进行排气时先打开出口阀待流体稳定流动之后关闭出口阀，使管内获得较大的压力便于

排气，因此排气时要关闭出口阀。

2)如何检测管路中的空气已经被排除干净？

先检查连接连接软管和传感器的出口管中有没有气泡，如果没有则关闭进口阀观察压差计，压

差计为零则没有气泡。

3)以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体？如何应用？

适用于其他流体，因为λ只与雷诺数和管壁粗糙度有关。应用于其它流体时，只需要计算出对

应条件下流体的雷诺数即可得到相应流体的λ。

4)在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上？

不同设备相对粗糙度如果相同则可以关联在同一曲线上，否则不能关联在同一曲线上。

5)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？

对静压测量无影响，因为静压只与高度有关。

实验二离心泵特性曲线测定

一．实验目的和要求

1)了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；

2)测定离心泵在恒定转速下的操作特性，做出特性曲线；

3)了解差压变送器、涡轮流量计等仪器仪表的工作原理和使用方法。

二．实验仪器和设备

实验流程图见实验一。

实验装置是由贮水箱、离心泵，涡轮流量计和压差传感器等组成的。

采用压差传感器（3）进行测量，泵的轴功率由水的流量使用涡轮流量计进行测量，泵进出口压差p

功率表测量，流体温度采用Pt100温度传感器测量。

三．实验内容和原理

离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵流量Q之前的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内流动复杂，不能使用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。

3.1 扬程H的测定与计算

取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面（流程图中的h和g），列机械能衡算方程：

22

1122

1222p u p u z H z g g g g

ρρ+++=++ ⑴

若泵进出口速度相差不大，则速度平方差可忽略，则有

21

21()p p H z z g

ρ-=-+

= H 0+ ΔP/ρg ⑵

式中：021H z z =-，表示泵出口（g ）和进口（h ）的位差，本实验为0.1m ； ρ——流体密度，kg/m 3； g ——重力加速度，m/s 2；

p 1、p 2——分别为泵进口的真空度和泵出口的表压，Pa ； u 1、u 2——分别为泵进、出口的流速，m/s ；

z 1、z 2——分别为真空表、压力表的安装高度，m ；

ΔP——泵的出口和进口之间的压差，Pa ，用压差传感器测量。 3.2轴功率N 的测量与计算

⑶

其中，

3.3效率η的计算

泵的效率η是泵的有效功率Ne 与轴功率N 的比值。有效功率Ne 是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率N 是单位时间内泵轴从电机得到的功，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Ne 可用下式计算：

Ne HQ g ρ= ⑷

故泵效率为 100%HQ g

N

ρη=

? ⑸ 3.4转速改变时的换算

泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。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Q 的变化，多个实验点的转速n 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某一定转速n’下（可取离心泵的额定转速）的数据。

流量 '

'

n Q Q n

= ⑹

扬程

'

'2

()

n

H H

n

=⑺

轴功率

'

'3

()

n

N N

n

=⑻

效率

''

'

'

Q H g QH g

N N

ρρ

ηη

===⑼

四．操作方法和实验步骤

1)离心泵通过引水漏斗(20)灌水，关闭泵出口阀（23），开启仪表柜上的总电源、仪表电源开

关，启动水泵，待电机转动平稳后，把泵的出口阀（23）缓缓开到最大。

2)对压差传感器进行排气，完成后关闭排气阀门，使压差传感器处于测量状态。

3)缓缓开启流量调节阀（22），合理分配流量。每次改变流量，待流动达到稳定后，记录压差、

流量、电机功率、流体温度、转速等数据。记录设备数据（如离心泵型号，额定流量、扬程

和功率等）。

4)实验结束，关闭泵出口阀（23），关闭水泵电机，关闭仪表电源和总电源开关，将装置恢复

原状。

五．实验结果与分析。

1）.在同一坐标系拟合出一定转速下泵的特性曲线（H ～Q ，N ～Q ，η～Q ）。 通过整理数据可得：

通过整理数据可得，离心泵的特性曲线如下：

2）. 分析实验结果，判断泵的最适宜的工作范围。

由上图可知在流量为6.5m^3/h 时，效率最大为45%，这点为设计点，但是离心泵不可能总是在设计点而是在设计点附近，所以最适宜的工作范围为4~8.5m^3/h ，工作效率为40%~45%。 3） .实验心得

通过此次实验加深了对离心泵的扬程，轴功率，效率和流量之间的关系，对离心泵的特性曲线有了进一步的认知，并在数据处理的过程中把理论与实际实验结合起来，使实验更有意义。

六．思考题

1) 试从所测试验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？

从图中可以看出，轴功率随流量的增大而增大，当流量为零时，功率最小，若开机时阀门开大，则电机的瞬时功率很大，会对电机造成损害。因此，离心泵应在出口阀关闭时启动，以防止电机过载。

2) 启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后仍然启动不起来，你认为可能的原因是什

么？

泵内加水有利于排出吸入室内的空气形成足够大的真空把液体吸进来。

如果加水后泵仍然不能吸入水可能是引水阀门未关闭，在阀门处形成负压，把空气吸入泵内形成空气缚。

3)为什么用阀门（22）调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调解流量？

使用出口阀调节流量不会使管内产生气泡，若使用进口阀调节当流量减小时，流体不会充满整个管对实验结果有影响，调节出口阀简单易行结果精确，但是缺点是在阀门处会消耗一定的能量。还可以使用无级变速器调节泵的转速来调节流量。

4)泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？

不会，因为谁是不可压缩流体，当出口阀关闭时水会聚集在管内水的动能转变为静压能，压力表读数保持不变。

5)正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？

合理，便于检查。

6)试分析，用清水泵输送密度为1200kg/m3的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？

轴功率是否变化？

因为泵的压头与流体密度无关所以泵的压力不变，根据N=HQρg/η,可得流体密度增大轴功率变大。