实验四 化工流体过程综合实验

实验四 化工流体过程综合实验

一、实验目的

1.掌握光滑直管、粗糙直管阻力系数的测量方法，并绘制光滑管及粗糙管的e R -λ曲线，将其与摩擦系数图进行比较；

2.掌握阀门的局部阻力系数的测量方法；

3.了解各种流量计（节流式、转子、涡轮）的结构、性能及特点，掌握其使用方法；掌握节流式流量计标定方法，会测定并绘制文丘里、孔板、喷嘴流量计流量标定曲线（流量-压差关系）及流量系数和雷诺数之间的关系（e o R C -关系）；

4.了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性曲线测定方法，并能绘制相应曲线。

二、实验内容

1.测定光滑直管和粗糙直管摩擦阻力系数，绘制光滑管及粗糙管的e R -λ曲线；

2.测定阀门的局部阻力系数；

3.测定并绘制文丘里、孔板、喷嘴流量计（三选一）流量标定曲线（流量-压差关系）及流量系数和雷诺数之间的关系（e o R C -关系）；

4.测量离心泵的特性曲线，并绘制相应曲线，确定其最佳工作范围。

三、实验原理、方法和手段

1.流体阻力实验

a.直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定：

直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,d f ελ=，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f =λ。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：

ρ

ρ

f

f p p p h ∆=

-=

2

1 ⑴

又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）

2

2

u d l p h f

f λ

ρ=∆= ⑵

整理⑴⑵两式得

22u p l d f

∆⋅⋅=

ρλ ⑶ μ

ρ

⋅⋅=u d R e ⑷

式中： -d 管径，m ；

-∆f p 直管阻力引起的压强降，Pa ；

-l 管长，m ；

-u 流速，m / s ；

-ρ流体的密度，kg / m 3；

-μ流体的粘度，N·

s / m 2。 在实验装置中，直管段管长l 和管径d 都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降f p ∆与流速u （流量V ）之间的关系。

根据实验数据和式⑶可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式⑷计算对应的Re ，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re 的关系曲线。 b.局部阻力系数ζ的测定：

2

2

'u p h f

f ζρ=∆=

' 2'

2u p f

∆⋅⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=ρζ

式中： -ζ局部阻力系数，无因次；

-∆'

f p 局部阻力引起的压强降，Pa ；

-'f h 局部阻力引起的能量损失，J ／kg 。

图-1 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降'f p ∆ 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a'和b-b ＇，见图-1，使

ab ＝bc ； a ＇b ＇＝b ＇c ＇

则 △P f ，a b ＝△P f ，bc ；

△P f ，a ＇b ＇= △P f ，b ＇c ＇

在a~a ＇之间列柏努利方程式：

P a －P a ＇ =2△P f ，a b +2△P f ，a ＇b ＇+△P

＇

f ⑸

在b~b ＇之间列柏努利方程式：

P b －P b ＇ = △P f ，bc +△P f ，b ＇c ＇+△P ＇f

= △P f ，a b +△P f ，a ＇b ＇+△P ＇f ⑹ 联立式⑸和⑹，则：

'f P ∆＝2(P b －P b ＇)－(P a －P a ＇)

为了实验方便，称(P b －P b ＇)为近点压差，称(P a －P a ＇)为远点压差。其数值用差压传感器来测量。

2.流量计性能测定：

流体通过节流式流量计时在上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：

ρ

)

(20

0下上p p A C V s -=

式中：—S V 被测流体(水)的体积流量，m 3/s ； —0C 流量系数，无因次； —0A 流量计节流孔截面积，m 2；

—下上p p -流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa ；

—ρ被测流体(水)的密度，kg ／m 3 。

用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量V S 。，每一个流量在压差计上都有一对应的读

数，将压差计读数△P 和流量V s 绘制成一条曲线，即流量标定曲线。同时利用上式整理数据可进一步得到C 0—Re 关系曲线。 3.离心泵性能测定实验

离心泵的特征方程是从理论上对离心泵中液体质点的运动情况进行分析研究后，得出的离心泵压头与流量的关系。离心泵的性能受到泵的内部结构、叶轮形式和转数的影响。故在实际工作中，其内部流动的规律比较复杂，实际压头要小于理论压头。因此，离心泵的扬程尚不能从理论上作出精确的计算，需要实验测定。 a.扬程H 的测定：

在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程

()出

入入

出

入出入出出

入入出出入

入入--+-+-+

-=+++=+++f f h g

u

u g p p z z H h g u g p z H g u g p z 22222

22ρρρ

上式中出入-f h 是泵的吸入口和排出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努利方程中其它项比较，出入-f h 值很小，故可忽略。于是上式变为：

()g

u u g p p z z H 222入

出入出入出-+-+-=ρ

将测得的()入出z z -和入出p p -的值以及计算所得的出入u u ,代入上式即可求得H 的值。 b.轴功率N 的测定：

功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即： 泵的轴功率N = 电动机的输出功率，kw

电动机的输出功率 = 电动机的输入功率×电动机的效率。 泵的轴功率 = 功率表读数×电动机效率，kw 。 c.效率η的测定：

102

1000ρρηHQ g HQ Ne N

Ne

=

==

式中： η—泵的效率；